，，，，，

(1.武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院；b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；2.長島海事處，山東 煙臺(tái) 265800；3.青島海業(yè)油碼頭有限公司，山東 青島 266000)

目前，對于郵輪所需通航寬度的計(jì)算籠統(tǒng)的按照普通商船尺度進(jìn)行研究，缺乏針對郵輪的通航寬度確定方法，因大型郵輪具有受風(fēng)面積大等特點(diǎn)，運(yùn)用普通商船的方法來確定通航寬度，誤差較大，且《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)并未給出風(fēng)級大于7級，流速大于1.0 m/s時(shí)風(fēng)、流壓差角和船舶漂移倍數(shù)的取值，進(jìn)而無法利用《規(guī)范》求出上述通航環(huán)境下郵輪進(jìn)出港所需的通航寬度值[1]。

以往的研究多集中于內(nèi)河、沿海其他類型船舶的通航寬度的研究[2-7]。加拿大相關(guān)部門在確定通航寬度時(shí)，考慮了岸灘條件、船舶會(huì)遇、船舶操縱性、風(fēng)流影響等因素，給出了在流速大于1.5 kn時(shí)的通航寬度計(jì)算方法[8]。關(guān)于大型郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度的研究較少。

為此，擬在《規(guī)范》中提出的船舶航道寬度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，綜合考慮郵輪自身操作特性、郵輪航行基本尺度所需通航寬度、風(fēng)致漂移量、流致漂移量等影響因素，構(gòu)建大型郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度計(jì)算模型。

1 模型建立

1.1 《規(guī)范》中船舶通航寬度的計(jì)算

《規(guī)范》中關(guān)于船舶通航寬度的理論計(jì)算[9]考慮了風(fēng)速、流速的影響，但是對風(fēng)的影響未做具體規(guī)定，只是將風(fēng)的級數(shù)限定為小于7級，而對風(fēng)級大于7級，流速大于1.0 m/s時(shí)風(fēng)、流壓差角和船舶漂移倍數(shù)的取值沒有涉及。因此，無法利用《規(guī)范》計(jì)算以上條件下郵輪進(jìn)出海港所需的通航寬度，而在郵輪進(jìn)出港時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、流速條件，對船舶進(jìn)出港所需的航道寬度進(jìn)行計(jì)算。

1.2 大型郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度建模

不同的規(guī)范準(zhǔn)則針對船舶進(jìn)出港時(shí)所需通航寬度計(jì)算方法各有不同，所考慮的影響因子也各有差異，對于郵輪所需通航寬度只是籠統(tǒng)采用普通商船尺度，缺乏針對性。

一般情況下郵輪的操縱性能要比普通貨船的操縱性能優(yōu)越，但是大型郵輪受風(fēng)面積很大，在進(jìn)出海港的航行過程中，很容易受外界環(huán)境，尤其是風(fēng)、流的影響，所以郵輪進(jìn)出海港的通航寬度與普通貨船的通航寬度是不同的。

根據(jù)船舶操縱原理，認(rèn)為郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度主要考慮三方面：郵輪航行基本尺度所需通航寬度、郵輪的流致漂移量和郵輪的風(fēng)致漂移量。

基于此，改進(jìn)在風(fēng)和流影響下郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度BL計(jì)算公式。

BL=ΔBω+ΔBα+WB

(1)

式中：ΔBω為郵輪流致漂移量,m；ΔBα為郵輪風(fēng)致漂移量,m；WB為郵輪航行基本尺度所需通航寬度。

1)郵輪航行基本尺度所需通航寬度計(jì)算原理見圖1。

圖1 郵輪航行基本尺度所需通航寬度示意

(2)

(3)

式中：L為郵輪長度，m；B為郵輪寬度，m；c為郵輪與航道邊界之間的安全距離，m。

2)郵輪流致漂移量的計(jì)算。郵輪進(jìn)出海港航行時(shí)，在海流影響下，郵輪會(huì)產(chǎn)生流致漂移量。

ΔBw=vcTsinα

(4)

(5)

式中：vc為流速,m/s；α為流壓角,(°)；T為漂移時(shí)間,s；n為船長的倍數(shù)；Vs為郵輪航速,kn。

3)郵輪風(fēng)致漂移量的計(jì)算。郵輪在航行中受風(fēng)時(shí)，將向下風(fēng)方向產(chǎn)生一定量的漂移量。由于郵輪水線面以上的受風(fēng)面積大，在郵輪進(jìn)出海港航行過程中，很容易受到風(fēng)的影響而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，郵輪向下風(fēng)方向漂移，故而產(chǎn)生風(fēng)致漂移量。風(fēng)向與郵輪船舷之間存在夾角，簡稱風(fēng)舷角，使郵輪的實(shí)際受風(fēng)面積發(fā)生改變。因此風(fēng)舷角不同，郵輪的實(shí)際受風(fēng)面積也不同。實(shí)際受風(fēng)面積與風(fēng)弦角的關(guān)系見圖2，綜合考慮以上因素，改進(jìn)后的風(fēng)致漂移量計(jì)算為

(6)

Bw=L·d

(7)

(8)

圖2 船體水線上側(cè)實(shí)際受風(fēng)面積與風(fēng)舷角之間的關(guān)系

1.3 軟件設(shè)計(jì)

利用MATLAB開發(fā)郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度的計(jì)算軟件，進(jìn)行通航環(huán)境參數(shù)為定值時(shí)的計(jì)算，可將通航環(huán)境參數(shù)中的某一項(xiàng)設(shè)置為變量，其他參數(shù)為定值，得到基于某項(xiàng)參數(shù)為變量時(shí)的一系列通航寬度值，同時(shí)可以根據(jù)一系列通航寬度值得到相應(yīng)的直線圖像，軟件界面見圖3。

圖3 郵輪進(jìn)出海港通航寬度計(jì)算軟件界面

2 算例

2.1 青島港郵輪碼頭介紹

青島港郵輪碼頭位于青島港老港區(qū)大港池口門處，6號碼頭西南側(cè)。碼頭建設(shè)規(guī)模為1個(gè)總噸位150 000 t郵輪泊位，碼頭長度490 m，陸域縱深95 m。碼頭結(jié)構(gòu)按照總噸位220 000 t郵輪預(yù)留，地理位置見圖4。

圖4 青島港郵輪碼頭位置示意

2.2 郵輪碼頭設(shè)計(jì)船型

參考目前已統(tǒng)計(jì)的國內(nèi)外最大船型及其他規(guī)范船型，設(shè)計(jì)船型尺度見表1。

表1 典型設(shè)計(jì)船型尺度表

2.3 自然環(huán)境

1)風(fēng)況。根據(jù)團(tuán)島氣象站風(fēng)資料，常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向均為NW向，出現(xiàn)頻率為13.82%；次常風(fēng)向?yàn)镾E向和NNW向，出現(xiàn)頻率分別為12.26%和12.09%。全方位大于等于6級風(fēng)出現(xiàn)頻率為4.04%。大于等于7 級風(fēng)出現(xiàn)頻率為1.83%[10]。

2)水文情況。青島海域的潮汐屬于正規(guī)半日潮。潮位值從青島理論最低低潮面起算，根據(jù)驗(yàn)潮資料計(jì)算得到結(jié)果見表2。

表2 青島港潮位特征值

膠州灣海流屬于規(guī)則的半日潮流。漲潮流速大于落潮流速，最大可超過40～50 cm/s。最大漲潮流速為55 cm/s，方向?yàn)?45°。最大落潮流速為53 cm/s，方向?yàn)?30°。

根據(jù)實(shí)測資料，常浪向NW向，頻率為10.43%。次常浪向?yàn)镹E向，頻率為7.52%。強(qiáng)浪向?yàn)镹NE向，該向H1/10>1.1 m的頻率為0.38%。

2.4 “天海新世紀(jì)”號郵輪進(jìn)出青島港所需通航寬度計(jì)算

1)基于“規(guī)范”的“天海新世紀(jì)”郵輪進(jìn)出青島港所需通航寬度計(jì)算。

郵輪進(jìn)出青島港時(shí)，按照單向通航考慮，橫流流速取4種情況，見表3、4，而郵輪的航速取4種情況。

表3 固定航速“天海新世紀(jì)”號郵輪進(jìn)出青島港航行所需的通航寬度(橫風(fēng)≤7級、航速6 kn)

表4 不同航速“天海新世紀(jì)”號郵輪進(jìn)出青島港航行所需的通航寬度(橫風(fēng)≤7級、航速8、10、12 kn)

2)基于改進(jìn)模型的“天海新世紀(jì)”號郵輪進(jìn)出青島港航行通航寬度計(jì)算.

郵輪長度252 m，寬度32 m，吃水8 m，郵輪受風(fēng)面積為7 862.4 m2。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同航行長度下郵輪的通航寬度統(tǒng)計(jì) (流壓角27°，偏航角5°，海流流速0.8 m/s))

2.5 結(jié)果分析

數(shù)據(jù)分析可知：基于《規(guī)范》計(jì)算得到郵輪在風(fēng)速為13.8 m/s、航速在6 kn時(shí)的通航寬度為167 m。而在同等環(huán)境條件下利用本文計(jì)算模型得出的郵輪通航寬度是一系列動(dòng)態(tài)值?；凇兑?guī)范》的計(jì)算結(jié)果與基于優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果中航行長度在1倍船長的通航寬度值接近，驗(yàn)證了優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和可信度，另外，當(dāng)郵輪定向航行時(shí)所需要的通航寬度明顯增大，所以郵輪進(jìn)出青島港航行時(shí)需要合理用舵，使郵輪航行在既定航道內(nèi)，以免發(fā)生擱淺事故。

表6 不同風(fēng)速下郵輪的通航寬度統(tǒng)計(jì)表(流壓角27°，偏航角5°，航速8 kn)

表7 不同海流流速下郵輪通航寬度統(tǒng)計(jì)(流壓角27°，偏航角5°，航速8 kn)

圖5 航速8 kn時(shí)不同風(fēng)速下郵輪的通航寬度軟件計(jì)算界面

圖6 航速8 kn時(shí)不同海流流速下郵輪通航寬度軟件計(jì)算界面

風(fēng)速和海流流速的變化會(huì)導(dǎo)致郵輪航行所需通航度的快速變化，所以郵輪進(jìn)出青島港期間要密切注意風(fēng)速和流速的變化，盡量選擇在二者影響較小的時(shí)刻進(jìn)出港，以防因風(fēng)流影響使郵輪漂移出航道發(fā)生擱淺事故。

3 結(jié)論

1)將利用郵輪進(jìn)出海港通航寬度計(jì)算軟件的結(jié)果與利用“規(guī)范”中提出的船舶航道寬度計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和可信度。

2)大型郵輪進(jìn)出海港所需通航寬度計(jì)算的新方法。綜合考慮了郵輪自身操作特性、郵輪航行基本尺度所需通航寬度、風(fēng)致漂移量、流致漂移量等影響因素，運(yùn)用MATLAB設(shè)計(jì)了計(jì)算軟件，可方便、快捷的實(shí)現(xiàn)在不同郵輪航行長度、風(fēng)速、海流流速下的通航寬度的計(jì)算，彌補(bǔ)了《規(guī)范》對郵輪所需通航寬度計(jì)算籠統(tǒng)的按照普通商船尺度進(jìn)行研究及無法對超規(guī)范通航條件通航寬度進(jìn)行計(jì)算的不足。

3)雖已將盡可能多的因素考慮進(jìn)去，但未考慮駕駛員發(fā)現(xiàn)郵輪偏移反應(yīng)過程、郵輪改向過程、受其他過往船舶影響的漂移量等，在以后的研究中，應(yīng)對以上未考慮的因素進(jìn)行深入研究，以對模型進(jìn)行完善和改進(jìn)。