王曉海 劉良柱 王發(fā)根

【摘 要】 為挖掘港口容量的最大潛力，分析超大型油船（VLCC）進(jìn)港引航作業(yè)條件，提出感潮港口多泊位作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)及一潮雙靠作業(yè)方案。以某原油碼頭VLCC一潮雙靠引航為例，對(duì)一潮雙靠引航方案進(jìn)行技術(shù)論證。結(jié)果表明：在滿足安全靠泊、編隊(duì)安全航行、應(yīng)急撤離等3個(gè)關(guān)鍵性和一定航速下的安全水深、拖船配備2個(gè)必要性的條件下，可以實(shí)現(xiàn)一潮雙靠的引航作業(yè)，從而達(dá)到對(duì)目前港口最大容量潛力挖掘的目的，對(duì)提升港口效率、提高港口經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】 超大型油船（VLCC）;感潮港口;一潮雙靠;可行性分析;引航技術(shù)

0 引 言

隨著我國(guó)躋身世界第二大經(jīng)濟(jì)體，經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，我國(guó)對(duì)原油的進(jìn)口需求日益增長(zhǎng)。在船舶大型化、追求最大藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景下，國(guó)內(nèi)港口相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)港口潛力的挖掘進(jìn)行了初步的探索和研究。一線引航人員與相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的共同努力實(shí)現(xiàn)了對(duì)日照港嵐山港區(qū)昏影時(shí)段超大型油船（VLCC）乘潮靠泊最大作業(yè)時(shí)間線的挖掘。為進(jìn)一步緩解港口通航能力不足的矛盾，提升港口效率，在限定的時(shí)間軸上，嘗試提高VLCC的靠泊船次。許得力[1]結(jié)合VLCC的引航實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)嵐山港區(qū)實(shí)華碼頭大型船舶編隊(duì)進(jìn)港間距進(jìn)行了探討;岳金惢[2]在理論層面上討論了嵐山港區(qū)一潮兩船引航方案的可行性。本文基于以往的研究與實(shí)踐，系統(tǒng)地推演VLCC在同一高潮時(shí)段雙靠泊作業(yè)方案，為挖掘現(xiàn)階段下港口的最大通航能力提供借鑒依據(jù)。

1 感潮港口VLCC一潮雙靠引航的條件

1.1 VLCC引航作業(yè)的通常條件

VLCC的質(zhì)量大、吃水深、保向性差等自身特點(diǎn)導(dǎo)致其操縱性和通過(guò)性較差。另外，由于海洋環(huán)境對(duì)船舶所運(yùn)載貨物的極端敏感性，VLCC對(duì)駕引人員、通航環(huán)境以及港口效能等日常引航條件有著較高的要求。只有在人員、環(huán)境、港口效能都能達(dá)到VLCC引航通常條件要求的前提下，才能對(duì)VLCC進(jìn)行引航作業(yè)。

1.2 VLCC靠泊安全要求

在同一高潮的窗口期實(shí)現(xiàn)VLCC一潮雙靠，需要考慮VLCC的編隊(duì)引航風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。基于人、機(jī)、環(huán)（境）、管（理）（MMEM）理論對(duì)VLCC雙編隊(duì)引航作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)推演，在對(duì)單一VLCC的引航作業(yè)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因子的耦合影響只發(fā)生在單一對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中;而在對(duì)VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)中，由于兩船在空間與時(shí)間維度上相聯(lián)系，某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子誘發(fā)的單一風(fēng)險(xiǎn)事件可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的相繼崩潰，從而引發(fā)嚴(yán)重的事故后果（見圖1）。鑒于VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的高風(fēng)險(xiǎn)性和高復(fù)雜性，VLCC引航作業(yè)在滿足通常條件的前提下，要切斷空間與時(shí)間兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)，即滿足編隊(duì)間的最小安全間距及VLCC各自進(jìn)港靠泊窗口期兩個(gè)關(guān)鍵性條件。這其中涉及VLCC編隊(duì)引航作業(yè)的安全水深及港口拖船配備兩個(gè)必要性條件。

1.3 應(yīng)急撤離

鑒于VLCC一潮雙靠作業(yè)的高風(fēng)險(xiǎn)性和高復(fù)雜性，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，要能及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，確保兩船安全撤離或避險(xiǎn)。在應(yīng)急撤離規(guī)劃中，除了設(shè)置應(yīng)急錨地外，還應(yīng)考慮到VLCC航行在周邊航道水域水深無(wú)法滿足其偏離航道進(jìn)行應(yīng)急避險(xiǎn)時(shí)，以及在前船發(fā)生事故時(shí)可能產(chǎn)生的連鎖效應(yīng)。因此，科學(xué)合理地規(guī)劃應(yīng)急撤離方案也是VLCC一潮雙靠可行性的關(guān)鍵性條件之一。

2 感潮港口一潮時(shí)段VLCC引航 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 VLCC安全靠泊技術(shù)

VLCC引航作業(yè)可以分為3個(gè)階段：（1）港內(nèi)航道航行至航道末端為第一階段;（2）從進(jìn)入港池在拖船的輔助下操縱船舶至距泊位2倍船寬時(shí)與泊位平行為第二階段;（3）從平行于泊位并緩慢靠近至靠泊結(jié)束為第三階段。

通常，第二階段用時(shí)為30～40 min，鑒于流速是滿載VLCC運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要影響因素，該階段要求在高平流或緩流的窗口期進(jìn)行;由于涉及復(fù)雜的船舶姿態(tài)調(diào)整，此時(shí)應(yīng)避免兩艘VLCC在港池內(nèi)同時(shí)進(jìn)行該階段的作業(yè);為保證兩船在空間距離上的安全余量，還需要隔開一個(gè)泊位進(jìn)行靠泊作業(yè)。

在進(jìn)入第三階段后，船舶以小于5 cm/s的速度緩慢貼近泊位，此時(shí)船舶狀態(tài)較第二階段容易控制，對(duì)周圍環(huán)境可容忍的安全余量較大。因此，第二階段是定義VLCC靠泊窗口期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2.2 VLCC編隊(duì)安全航行技術(shù)

航道內(nèi)的最小安全間距分為時(shí)間上的安全時(shí)距與空間上的安全距離，是綜合反映航道安全水平的基本特征。日本學(xué)者藤井彌平最早提出船舶領(lǐng)域是基于空間維度的安全間距的概念。船舶領(lǐng)域與船舶尺寸、船型、船速、船舶操縱性、自然環(huán)境、通航環(huán)境、駕引人員綜合素質(zhì)及助航設(shè)備等有關(guān)。目前，為了便于管理和控制，部分內(nèi)河和沿海中小型港口采用安全時(shí)距的方式對(duì)航道進(jìn)行管理。這種方式可以忽略小型船舶的操縱性能、尺寸等空間因素，不適合大型船舶通航的航道管理。

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)作為一個(gè)復(fù)雜的作業(yè)系統(tǒng)，具有制約性、延遲性和傳遞性等特點(diǎn)，這類似于單車道中車輛的跟馳模型。在VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的研究中，制約性、延遲性和傳遞性主要體現(xiàn)在前船對(duì)后船的影響上?？紤]到吃水是影響VLCC航行安全的重要因素，若VLCC偏離航道，其擱淺的可能性極大，從而可能導(dǎo)致前船瞬間處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以本文在研究VLCC編隊(duì)安全間距的問(wèn)題上假設(shè)前船瞬間靜止，即對(duì)地速度為0。高潮時(shí)段進(jìn)行引航作業(yè)，港內(nèi)航道航行為順流狀態(tài)。為保證兩船沒(méi)有碰撞的可能性，此時(shí)對(duì)后船的制動(dòng)要求是對(duì)地速度為0，即倒車船速等于航向上流速。在滿足VLCC引航作業(yè)的通常條件下，自然環(huán)境、通航環(huán)境、助航設(shè)備及駕引人員的技能水平等被認(rèn)為是在可控范圍之內(nèi)的。

綜上所述，本文基于狹水道船舶跟馳模型，通過(guò)引入船舶航速、船型尺度、駕引人員反應(yīng)時(shí)間、船舶制動(dòng)性能、流速及貨種安全系數(shù)等主要參數(shù)，確定了VLCC雙編隊(duì)在港口航道中不同安全水平下的安全間距：（1）一般安全水平下的安全間距，即前船瞬間靜止，后船倒車停船直到對(duì)地速度為0;（2）充分安全水平下的安全間距，即前船瞬間靜止，后船停車停船后倒車直至對(duì)地速度為0。

兩種安全水平下的安全間距計(jì)算式為

式中：k為貨種安全系數(shù)，取值2.3;v為后船速度，kn;t為駕引人員反應(yīng)時(shí)間，s，取2 min; s為停船后兩船船頭間距，m，參考油船泊位與油船泊位的防火安全間距，取55 m; 為后船倒車沖程，m; 為后船停車沖程，m; L0為后船對(duì)地速度為0時(shí)的倒車距離;由于主機(jī)倒車輸出的功率恒定，VLCC從對(duì)水速度為0至倒車速度等于流速的倒車距離L為從相同于流速的船舶前進(jìn)初速度直至倒車停船（對(duì)地速度為0）的船舶沖程。

式中： W為船舶排水量，t; kx為虛質(zhì)量系數(shù)，VLCC取1.07; v0為船舶對(duì)地靜止時(shí)的對(duì)水速度（即流速），假設(shè)為2 kn; Tp為船舶倒車?yán)?，kN。

鑒于充分安全水平下的安全間距過(guò)長(zhǎng)且不必要，不符合現(xiàn)實(shí)要求，因此采用一般安全水平下的安全距離對(duì)VLCC雙編隊(duì)最小安全間距進(jìn)行計(jì)算。

2.3 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的窗口期分析

高平潮之前為急流階段，不能滿足VLCC引航作業(yè)第二階段的要求，因此VLCC進(jìn)行第二階段作業(yè)要在高潮點(diǎn)后的高平流或緩流的窗口期內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)上述分析，前船的最佳靠泊窗口期為高潮點(diǎn)至高潮點(diǎn)后的30～40 min，后船的最佳靠泊窗口期為高潮點(diǎn)后的30 min～1 h 20 min;因此，引航員登上前船（Pilot on Board，POB）時(shí)間為高潮點(diǎn)―港內(nèi)航道航行時(shí)間;后船POB時(shí)間為高潮點(diǎn)―安全間距用時(shí)。具體窗口期根據(jù)實(shí)地環(huán)境進(jìn)行取值。

2.4 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的必要性條件分析

鑒于VLCC具有尺寸大、質(zhì)量大、吃水深、操縱性及通過(guò)性差等特點(diǎn)，在滿足上述兩個(gè)關(guān)鍵性條件的前提下，還需要考慮滿足雙編隊(duì)引航作業(yè)的兩個(gè)必要性條件。

（1）VLCC在一定航速下的安全水深。計(jì)算式如下：

式中：d為船舶吃水，m;S為航行時(shí)船舶下沉量，m，由船速?zèng)Q定;U為龍骨下最小富余水深，m;U1為風(fēng)浪富余水深，m;U2為船舶裝載縱傾富余水深，m;U3為備淤深度，m;依據(jù)回淤?gòu)?qiáng)度，一般不小于0.4 m。

當(dāng)海圖水深精度可靠，航道海圖水深+潮高≥D時(shí)，航道水深滿足VLCC在一定航速下的吃水要求。

（2）拖船配備。拖船的協(xié)助是重載進(jìn)港作業(yè)的VLCC能夠成功完成靠泊作業(yè)和應(yīng)急避險(xiǎn)的關(guān)鍵。拖船的配備要考慮到風(fēng)、流對(duì)船體的阻力，橫向波浪的漂移力及拖船拉力安全富余系數(shù)，從而保證拖船的配備充裕，確保VLCC編隊(duì)的安全。VLCC引航所需的拖船拉力Ft計(jì)算式如下：

式中： Ft為拖船拉力，kN; Fa為風(fēng)壓力，kN; Fw為作用于船體的橫向水動(dòng)力，kN; Fd為波浪漂移力，kN; n為拖船拉力安全富余系數(shù)，一般為20%～25%。

在進(jìn)行一潮雙靠引航作業(yè)時(shí)，港口的拖船配備要滿足兩艘重載VLCC的靠泊及應(yīng)急需求。

2.5 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的應(yīng)急撤離技術(shù)

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)中涉及雙編隊(duì)航道航行，主要應(yīng)考慮前船遭遇突發(fā)事件（如主機(jī)故障）時(shí)兩船各自的應(yīng)急撤離。在VLCC編隊(duì)航行的港內(nèi)航道上科學(xué)合理設(shè)置應(yīng)急撤離點(diǎn)是應(yīng)急撤離技術(shù)的關(guān)鍵。步驟如下：（1）根據(jù)兩船所需的安全間距和各自靠泊窗口期的間隔時(shí)距綜合論證兩船的安全船距;（2）基于論證后的兩船安全船距，將港內(nèi)航道進(jìn)行等距離分段，綜合考慮分段航道周邊水域水深及寬度、到達(dá)分段點(diǎn)兩船各自的速度、船舶操縱性能、撤離點(diǎn)周圍的應(yīng)急錨地及應(yīng)急擴(kuò)展區(qū)，對(duì)各個(gè)航段兩船各自的撤離方案進(jìn)行規(guī)劃和論證。

3 實(shí)例分析

以VLCC一潮雙靠日照嵐山港區(qū)實(shí)華碼頭為例，對(duì)VLCC一潮雙靠進(jìn)行實(shí)證。

3.1 港口與航道條件

嵐山港區(qū)港內(nèi)人工航道水深19.7 m，從301號(hào)―343號(hào)浮筒的長(zhǎng)度為14 n mile，有效寬度390 m，為單向航道。其中：301號(hào)―313號(hào)浮筒的航道外水深大于20 m;313號(hào)―321號(hào)浮筒的航道外水深逐漸減少至18 m左右;321號(hào)―341號(hào)浮筒的航道外水深不斷變淺，為此港區(qū)計(jì)劃在329號(hào)―331號(hào)浮筒之間設(shè)置航道擴(kuò)展區(qū)，疏浚至水深19.7 m的船舶旋回水域，用于VLCC的撤離和避險(xiǎn)，以滿足VLCC雙編隊(duì)的應(yīng)急需求。港池內(nèi)現(xiàn)有3個(gè)VLCC泊位可供靠泊，泊位前有長(zhǎng)軸 m、短軸670 m的橢圓形回旋水域;泊位長(zhǎng)440 m、寬120 m，泊位水深24 m，配備有靠泊儀。

3.2 VLCC雙編隊(duì)引航作業(yè)的可行性評(píng)估

VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的可行性取決于3個(gè)關(guān)鍵性條件和2個(gè)必要性條件。通過(guò)對(duì)嵐山港區(qū)的實(shí)地調(diào)研和相關(guān)數(shù)據(jù)的收集分析，得出結(jié)論如下：

（1）由式（1）、式（2）計(jì)算出后船在引航開始后以航速為11 kn全速前進(jìn)時(shí)需要保持約5.63 n mile的安全間距，以及在之后后船降速到8 kn時(shí)需要保持2.83 n mile的安全間距。

（2）根據(jù)嵐山港區(qū)潮水觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，嵐山港區(qū)高潮點(diǎn)后的平流與緩流的窗口期為1 h 15 min左右，滿足對(duì)雙編隊(duì)各自進(jìn)港靠泊作業(yè)窗口期的要求。

（3）嵐山港區(qū)滿載VLCC靠泊吃水20.5 m，根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算，在航速為11 kn時(shí)，所需水深23.18 m，此時(shí)船舶富余水深為2.68 m，符合VLCC對(duì)富余水深的一般要求。船舶在嵐山港區(qū)全年段95%乘潮率條件下乘潮3 h的富余水深為3.43 m，因此嵐山港區(qū)乘潮有效水深為19.7 m + 3.43 m=23.13 m，滿足VLCC對(duì)安全水深的要求。

（4）港區(qū)配有17艘拖船，功率為～ kW，由式（4）計(jì)算可得港區(qū)拖船配置充裕。

（5）根據(jù)兩船各自的乘潮窗口期與兩船的安全間距，對(duì)港區(qū)航道全程設(shè)置4個(gè)應(yīng)急撤離節(jié)點(diǎn)以應(yīng)對(duì)船舶應(yīng)急事件。①兩船在301號(hào)―313號(hào)浮筒的航段內(nèi)，若前船發(fā)生故障，兩船可在拖船的協(xié)助下就近至應(yīng)急錨地避險(xiǎn)或返回待泊錨地。②兩船在305號(hào)―321號(hào)浮筒的航段內(nèi)，若前船發(fā)生故障，兩船在乘潮狀態(tài)并在拖船輔助下可就近至應(yīng)急錨地避險(xiǎn)或返回待泊錨地。③兩船在313號(hào)―329號(hào)浮筒的航段內(nèi)，若前船發(fā)生故障，前船可由拖船協(xié)助進(jìn)入航道擴(kuò)展區(qū)，后船可在乘潮狀態(tài)并在拖船輔助下就近至應(yīng)急錨地避險(xiǎn)或返回待泊錨地。④兩船在329號(hào)―341號(hào)浮筒的航段內(nèi)，若前船發(fā)生故障，前船可由拖船輔助進(jìn)入泊位前沿水域拋錨，后船可利用航道擴(kuò)展區(qū)撤離。

綜上所述，嵐山港區(qū)現(xiàn)有條件滿足VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的安全要求。

3.3 VLCC一潮雙靠引航作業(yè)方案

在港內(nèi)滿載VLCC的進(jìn)港吃水為20.5 m。港內(nèi)人工港道航時(shí)約為2 h，第二階段用時(shí)約為30 min，第三階段用時(shí)約為1 h 30 min。鑒于泊位前沿的潮流信息，一潮雙靠最佳靠泊窗口期為高潮點(diǎn)至高潮點(diǎn)后1 h 15 min，為高平流或緩流窗口期，此時(shí)進(jìn)行港池內(nèi)船舶操縱相對(duì)安全。

鑒于上述分析，船舶編隊(duì)進(jìn)港計(jì)劃與位置關(guān)系（見圖2）如下：（1）前船POB時(shí)間在高潮點(diǎn)前1 h 45 min，航道初段航速11 kn，到達(dá)329號(hào)浮筒開始降速，抵達(dá)341號(hào)浮筒，速度為4 kn。保證后船與前船的安全間距為5.63 n mile，折合時(shí)間為30 min左右，滿足兩船乘潮靠泊窗口期要求。（2）后船POB時(shí)間在高潮點(diǎn)后1 h 15 min，在前船降速以后，后船也要同步降速至8 kn，安全間距縮小至2.83 n mile。

在保證安全間距、30 min靠泊窗口期及滿足應(yīng)急撤離要求的條件下，兩船關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)位置如下：前船在抵達(dá)313號(hào)浮筒時(shí)，后船抵達(dá)301號(hào)浮筒附近;前船在抵達(dá)329號(hào)浮筒時(shí)，后船抵達(dá)313號(hào)浮筒附近;前船在高潮點(diǎn)抵達(dá)339號(hào)浮筒，后船抵達(dá)328號(hào)浮筒附近;前船在抵達(dá)341號(hào)浮筒時(shí)，后船抵達(dá)329號(hào)浮筒附近;高潮后15 min左右前船進(jìn)入港池，高潮后45 min左右后船進(jìn)入港池，此時(shí)前船與泊位平行（泊位外檔2B的位置），進(jìn)入第三階段作業(yè)，后船利用高潮后45 min～1 h 15 min進(jìn)行第二階段作業(yè)直至靠泊完成。

3.4 安全預(yù)案和應(yīng)急處置

在VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)中，兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)主體所形成的風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)、相互影響，導(dǎo)致了VLCC雙編隊(duì)作為整體的風(fēng)險(xiǎn)劇增;因此，在制訂港口航道的規(guī)劃中，要從風(fēng)險(xiǎn)工程學(xué)的角度出發(fā)，綜合考慮人、機(jī)、環(huán)、管的影響因素，采取相應(yīng)措施：建立靠泊VLCC的記錄檔案，對(duì)出現(xiàn)設(shè)備事故的船舶進(jìn)行靠泊前的PSC檢查以保證船舶的可靠性;綜合考慮港口及航道環(huán)境，評(píng)估港內(nèi)航道安全航速和安全水深的設(shè)定，在航道內(nèi)劃定應(yīng)急錨地、航道擴(kuò)展區(qū)，建造離岸防波堤;加大相關(guān)人員培訓(xùn)力度，提高引航人員的綜合素質(zhì)及港口在應(yīng)急情況下的處理能力;加強(qiáng)港口軟件、硬件設(shè)施的建設(shè)，提高港口的應(yīng)急處置能力。當(dāng)發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，港口和船舶要及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制以盡快解除危機(jī)，盡力減輕應(yīng)急事件所造成的人員、環(huán)境、船舶、社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

鑒于VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的可行性分析，提出安全靠泊、編隊(duì)安全航行、應(yīng)急撤離等3個(gè)關(guān)鍵性條件和一定航速下的安全水深、拖船配備2個(gè)必要性條件。本文以嵐山港區(qū)VLCC一潮雙靠引航作業(yè)的實(shí)證表明，在滿足3個(gè)關(guān)鍵性條件和2個(gè)必要性條件下，可以實(shí)現(xiàn)VLCC一潮雙靠的引航作業(yè)，得出基于目前港口能效下對(duì)港口容量潛力的最大挖掘。

研究VLCC一潮雙靠引航作業(yè)技術(shù)，對(duì)于緩解VLCC壓港問(wèn)題、提高港口效率、保障船舶進(jìn)港安全，支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

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