劉春陽(yáng)

（渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121013）

0 引言

港內(nèi)船舶在運(yùn)輸行駛過程中，出現(xiàn)在淺水海域的機(jī)率相對(duì)較高，因此駕引人員必須采取科學(xué)完善的控制措施，全面充分發(fā)揮出車、舵、錨等有關(guān)裝置設(shè)備的價(jià)值，并通過與港內(nèi)拖輪的協(xié)作，進(jìn)一步增強(qiáng)船舶在淺水海域中運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

1 淺水域的基本概念

船舶有規(guī)格尺寸的劃分方式，精準(zhǔn)地確定此范圍內(nèi)是否為淺水海域，必須根據(jù)水面的具體深淺和船舶的標(biāo)準(zhǔn)吃水比例h/d值加以判斷。目前，在國(guó)際上并不能針對(duì)淺水海域給出明確統(tǒng)一的概念界定，針對(duì)于普通運(yùn)輸船舶，通常將水深分成以下4種范圍：標(biāo)準(zhǔn)深水（h/d＞3.0）、中等水深（1.5＜h/d＜3.0）、淺水（1.2＜h/d＜1.5）、超淺水（h/d＜1.2）。此外，從一海域?qū)Υ暗牟倏v以及船體運(yùn)動(dòng)的影響考慮，即可通過船舶的運(yùn)動(dòng)狀況來確定該海域是否屬淺水海域。

針對(duì)淺水海域?qū)Υ暗膶?shí)際行駛所產(chǎn)生的影響，考慮以下方面：

1）研究艦船橫向飛行運(yùn)動(dòng)中的橫向水動(dòng)能和橫向水運(yùn)動(dòng)距值問題 ；

2）研究船舶在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中遇到的阻礙程度 ；

3）研究艦船控制穩(wěn)定性的作用問題。

2 淺水對(duì)港內(nèi)船舶運(yùn)動(dòng)狀況，以及船舶操縱的具體影響

2.1 增加橫向水動(dòng)力和水動(dòng)力力矩

港內(nèi)船舶在淺水海域行駛過程中，船舶周圍水體的流動(dòng)性和在深海域中具有一定的區(qū)別。在深水海域行駛時(shí)，船舶的首部和尾部周圍水體流淌具有向三維空間上流淌的特點(diǎn)。船首水體流淌一般是向二側(cè)分散并直至后方向，具有明顯向下的流淌特征；而在船尾周圍水體的流淌則從二側(cè)向縱中剖面，并向后移動(dòng)，能夠直觀發(fā)現(xiàn)其帶有明顯上升的特點(diǎn)。在淺水體上，由于船舶的首部位置和頭尾位置的流動(dòng)性，經(jīng)常要受外部各種因素的阻礙與沖擊，包括空間、位置的制約等，在上述各種因素的共同作用下，根據(jù)較深水體的三維運(yùn)動(dòng)特性，將相對(duì)流動(dòng)規(guī)律由三維空間流轉(zhuǎn)迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面式流動(dòng)，會(huì)使作業(yè)人員呈現(xiàn)船舶前后方向不同的水流變化[1]。

2.2 增加船舶的縱向阻力

船舶在淺海域行駛階段，由于整條船體周圍的壓強(qiáng)形成了動(dòng)態(tài)性改變，船底水流會(huì)因航速的提高而進(jìn)一步增加摩擦阻力，同時(shí)由于船體周圍壓強(qiáng)的減小，導(dǎo)致了船舶速度下降，且吃水深度增加，擴(kuò)大了濕海域面積。這體現(xiàn)出海域深淺和吃水以及行駛速率之間的互相關(guān)聯(lián)，在水深越淺，行駛速率也越大的狀況下，船舶的摩擦阻力便會(huì)愈來愈大。當(dāng)船舶在淺海域行駛時(shí)，船中的低壓區(qū)域逐步朝向尾部區(qū)域擴(kuò)展，從而導(dǎo)致船舶速度總體下降，且總體縱傾的情況逐漸加重[2]。在淺水域中發(fā)生興波的增加便提高了興波阻力，在淺水中使螺旋槳附近的渦流增加從而削弱了推進(jìn)器的效能。上述各種因素的疊加結(jié)果，使船舶行駛時(shí)航速逐步降低，從中發(fā)現(xiàn)增加的摩擦力或減少推進(jìn)器的效能均會(huì)使船舶發(fā)生降速現(xiàn)象。

2.3 加劇船體下沉和縱傾

在船舶的前進(jìn)階段，將船首處的流速逐漸地向左邊和右邊2個(gè)方位排開，船首處和船中的水流態(tài)產(chǎn)生了急劇改變，使得整個(gè)河流的速度也產(chǎn)生了改變，在船頭和車尾處形成了高壓區(qū)，而在船中部位則形成了低溫區(qū)。在船舶加速的過程中，由于整個(gè)河流速度都比船舶正常行駛的速度要快很多，這也使得船舶附近的水位不斷降低，從而形成了船舶沉沒現(xiàn)象。但是在淺海水體中船舶沉沒的程度也比較劇烈，甚至出現(xiàn)了船底和潛艦接觸碰撞的情況。在淺水中船舶縱傾的改變，也較在深水中顯著。淺水中船舶沉降和縱傾改變的主要特征如下：

1）較低行船時(shí)間內(nèi)就開始出現(xiàn)了船舶的沉沒現(xiàn)象；

2）隨著行船時(shí)間上升，沉沒率增加率也較在深水中大；

3）當(dāng)船舶到達(dá)首傾的最高點(diǎn)或有首傾后轉(zhuǎn)為末傾，要求船速降低。

從總體上來說，較深海域中的船舶在行駛過程中，由于周圍水氣壓系數(shù)的改變而導(dǎo)致二側(cè)水位逐漸降低，使得整個(gè)船舶沉降，原本的縱傾狀況亦有了相應(yīng)的改變，而這種沉降和縱傾改變的程度則主要是受船型大小和船速影響，通常肥大型的艦艇船舶沉降和縱傾改變比較急劇，飛行速度越快，船舶沉降和縱傾的改變也越是劇烈。淺水中船舶出現(xiàn)沉沒和縱傾狀況，比在深海域中所發(fā)生的這些狀況更加劇烈，從而直接影響著艦艇的正常作業(yè)。在商船規(guī)定的行駛速率標(biāo)準(zhǔn)下，淺海域中一直保持恒定速率行駛會(huì)導(dǎo)致船舶沉沒，隨著行駛速率持續(xù)增加，沉沒的幾率將會(huì)愈來愈大。在進(jìn)出港船舶經(jīng)過淺水海域的期間，有關(guān)人員必須重點(diǎn)觀察船舶沉沒和縱傾情況的出現(xiàn)，并結(jié)合有關(guān)計(jì)算方法，把剩余的平均水深和有關(guān)數(shù)值及時(shí)精確計(jì)算出來，以防止船舶發(fā)生擱淺現(xiàn)象，從而保證船舶上人員安全和船舶安全，同時(shí)必須適時(shí)減少行駛速度并經(jīng)過的淺水海域[3]。

2.4 旋回性能明顯下降，航向性能增強(qiáng)

駛?cè)霚\海域后，在舵力及初始回轉(zhuǎn)扭矩的共同作用下，隨著船舶逐漸駛?cè)肷钚兀翱傮w的旋回阻尼矩也會(huì)隨著增加，出現(xiàn)旋回性能指數(shù)K不斷下降，旋回特性也會(huì)由此下降。在深淺海域行駛期間，船舶的旋回直徑和深海域旋回直徑基本一樣，前者會(huì)略大一點(diǎn)，在水深吃水比低于2的情況下，旋回直徑也會(huì)繼續(xù)上升；在水深吃水比高于4的情況下，不會(huì)對(duì)船舶旋回直徑產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。但是當(dāng)港內(nèi)船舶在駛?cè)肷顪\水海域后，即使采用舵或加大舵角時(shí)，仍會(huì)發(fā)生艦首繼續(xù)維持不轉(zhuǎn)向的情況，而且一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)向后就十分難以精確控制其本身的艦首方向。

2.5 提高船舶的停船性能

出入港船舶在淺海海域行駛過程中，由于受興波增強(qiáng)、首部偏斜、船體沉沒等各種因素的直接影響，整個(gè)船體荷載和阻力急劇上升。另外，船舶在淺水中行駛，槳的推動(dòng)效果減弱，船體的附加質(zhì)量增加。在停船后余留航速變化較大的時(shí)間里，在淺水海域中行駛阻力增大的幅度也很大，對(duì)減小沖程和行駛加速都有一定的幫助。當(dāng)航速降至最低時(shí)，由于以上幾種效果的抑制，減慢情況有所遲緩?？偟脕碚f淺水對(duì)減小沖程比較有益，在淺水中倒車運(yùn)行過程中，螺旋槳的側(cè)向致偏效果也較為顯著。

2.6 對(duì)舵力及舵效的影響

船舶在淺水海域行駛期間，由于船體的高度持續(xù)下降，導(dǎo)致船體底部進(jìn)水?dāng)嗝嬷鸩较陆担麄€(gè)水體流動(dòng)狀態(tài)較為混亂，直接對(duì)船只的舵力形成了不必要的影響。在船舶進(jìn)入淺水海域之后，由于二維流動(dòng)速度的不斷加快會(huì)導(dǎo)致船體下降情況越來越強(qiáng)烈，在縱傾上升的基底上，由于船體尾端位置流速向前傳播，增大了船體周邊旋渦數(shù)量，也就增大了船體尾端的伴流速，而旋渦和伴流的增多也影響了舵力。此外，當(dāng)船舶的螺旋槳裝置一直維持在勻速水平時(shí)，滑失比增大，舵力增大[4-6]。在淺水海域中由于船體的最下方部位和水底相距較近，舵葉底端部受整流影響，形成了類似于擴(kuò)大船舵面積的效應(yīng)，從而導(dǎo)致舵力減小并得到了相應(yīng)的補(bǔ)償。從整體視角考慮，舵力的減小過程并非很嚴(yán)格，在淺水中行駛時(shí)舵效變差，這是因?yàn)闇\水底旋轉(zhuǎn)摩擦力增大的關(guān)系。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可證實(shí)，當(dāng)h/d=2時(shí)，回轉(zhuǎn)角頻率就會(huì)減少到水深的85%以下；而當(dāng)h/d=1.25時(shí)，則回轉(zhuǎn)角頻率為水深的1/2以下。

2.7 跑舵

航海中的艦艇若出現(xiàn)了朝向某一方向偏轉(zhuǎn)的情況，被叫做跑舵。在實(shí)際行駛過程中，為阻止船首朝深水一側(cè)的偏移，并保證船沿航線正常行駛，往往需要向航線邊緣側(cè)壓舵。而航線長(zhǎng)度越窄，行船速度越快，跑舵現(xiàn)象也越強(qiáng)烈。

3 在淺海水域港內(nèi)船舶作業(yè)期間的注意點(diǎn)

港內(nèi)船舶在行駛過程中，駕引人必須時(shí)時(shí)注意螺旋槳速度、旋轉(zhuǎn)性能、舵效以及船尾的泥沙翻騰等跡象，確定船舶是否已經(jīng)進(jìn)入淺水海域。駕引人要保證船舶行駛的平穩(wěn)和安全性，必須根據(jù)船舶的操作技巧和裝承載能力以及水域深淺、航線狀況等因素要求，結(jié)合交通狀況及時(shí)制定合理的作業(yè)措施。

3.1 自主降低船速

船舶的降速可以大致分成2個(gè)類型，分別是全自動(dòng)降速和0.5主動(dòng)降速，但二者存在著一定的差異。自然空速一般指在淺海面的壓力數(shù)值大于輪船螺旋槳的推力值的情形下，使用同樣的速度自然減小輪船的前進(jìn)速率。主動(dòng)空速必須進(jìn)行以下操作：

1）備車。船舶備車后，主機(jī)的最大輸出功率通常為最高限度輸出功率的50%～60%，而且對(duì)主機(jī)換車、進(jìn)行船舶等機(jī)械性作業(yè)都有一定的幫助，這能夠更良好地適應(yīng)深淺海域中交通環(huán)境等復(fù)雜多端的狀況，還能夠避免產(chǎn)生主機(jī)超負(fù)荷工作的不良現(xiàn)象。

2）極淺海域的水深降速最大。在h/d值接近1:1的情況下甚至更小時(shí)，規(guī)模巨大的船舶必須根據(jù)自身的下沉速度和縱傾變動(dòng)情況精確到最具體的數(shù)值，在行進(jìn)過程中要始終保持著警惕、警覺的態(tài)度，切勿為趕潮水過淺灘而用極高速度觸底或擦淺，從而形成巨大擱淺等重大安全事故。在極淺水海域行駛的船舶必須在上述備車處理的前提下，重點(diǎn)思量船舶主動(dòng)減速的問題。

3.2 注意船舶旋回性能的變差

從整體角度考慮，船舶在淺水海域行駛期間會(huì)發(fā)生旋回性能下降的情況，為使船舶調(diào)頭旋回所涵蓋的海域范圍減少至最小，大多數(shù)司機(jī)和引航員會(huì)使用最普通的加速旋回操作步驟。在船舶做出調(diào)頭或旋回動(dòng)作之前，先降低原本的前進(jìn)速率，當(dāng)開始進(jìn)行旋回動(dòng)作和調(diào)頭時(shí)，則利用高效率的螺旋槳速度，在增加滑失比的基礎(chǔ)上增加了船舵力。不過，使用這種加速回旋的操作方法必須全面考慮到在淺水面帶來的負(fù)面影響。

3.3 改善停船性能

對(duì)行駛在淺水海域中的船舶來說，由于二維流速、船舶傾斜等因素，其整體摩擦力將會(huì)大大增加，因此船舶所受摩擦力也會(huì)增大。但總的來說，船舶在停船流程中所實(shí)現(xiàn)的各種特性都將會(huì)有所改進(jìn)。在停船形成沖程步驟中，由于淺水航道阻礙比較深水域的阻礙要高，更適合于減小流速以減小沖程影響。在余速較低的情形下，由于各種外部原因的干擾效應(yīng)減小，也減輕了對(duì)船舶在停泊處理期間的沖程影響。

4 大數(shù)據(jù)在船舶港內(nèi)操縱避碰方面的應(yīng)用

隨著中國(guó)海運(yùn)和海港事業(yè)的蓬勃發(fā)展，港口內(nèi)行駛的船舶愈來愈多，交通運(yùn)輸流日益復(fù)雜化，密度也愈來愈大，船舶互相撞擊的情況增多，導(dǎo)致船舶在港口內(nèi)的行駛和作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)增大，因粗心大意、人為操作失誤造成的交通事故頻發(fā)，由于人力資源成本的持續(xù)提高以及導(dǎo)航科技的不斷完善，大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用、新一代人工智能的應(yīng)用，輔助船舶操作與避免撞擊的方法因此日益成熟。大數(shù)據(jù)分析輔助操作的應(yīng)用是個(gè)非常復(fù)雜和高度智能的集成系統(tǒng)，基于過去的資料與當(dāng)前的信息自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，防止撞擊是這套體系的核心。安全可信的協(xié)助船舶防撞與預(yù)報(bào)系統(tǒng)需要同時(shí)符合下列要求：防止碰撞移動(dòng)，或者不可移動(dòng)的障礙物；當(dāng)多個(gè)物標(biāo)在港口內(nèi)或同一區(qū)域內(nèi)行駛時(shí)，可以幫助避碰，并保持在足夠駛出讓請(qǐng)的高度上；避碰后可以幫助船舶回歸，從原來的航道上走出；創(chuàng)建港口內(nèi)道路交通流與船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值模式，精度可靠，有效地貼近實(shí)際工作環(huán)境；考慮外部的相關(guān)要求；快速、高效且精確的提供系統(tǒng)回報(bào)[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

淺水海域是港灣內(nèi)船舶行駛過程中碰撞頻次最多的地方，在實(shí)際船只行駛過程中，司機(jī)及引航員看到螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)速率下降、回轉(zhuǎn)特性變差等跡象即可認(rèn)為船舶已進(jìn)入淺水海域，必須予以充分的注意和重視。駕引人必須全面培養(yǎng)出優(yōu)秀的造船操作技能，確保進(jìn)出港船能夠安全通過淺水海域。