于全虎

（江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

至2022 年末，全國內(nèi)河航道總通航里程達 12.8 萬km，等級航道占比為52.7%；內(nèi)河運輸船舶數(shù)量為10.95 萬艘、同比下降3.6%，而凈載重量 為15 249.73 萬t、增長3.9%，呈現(xiàn)水運總量上升、船舶噸位大型化的趨勢[1]。京杭運河江蘇段是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)最重要的組成部分，是京杭運河全線貨運密度最大、通航里程最長和運輸效益最好的航段[2]。2017 年1 月，中遠海運集團開通徐州港至上海外高橋及洋山港的京杭運河班輪運輸；2022年6 月，江蘇省政府辦公廳印發(fā)《江蘇省推進多式聯(lián)運發(fā)展優(yōu)化調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)行動計劃（2022—2025年）》，明確提出著力推動江（河）海直達、江海河聯(lián)運、120 標準箱以上集裝箱船海運直達運河沿線主要城市港口等航運模式。相較于河江海換船轉(zhuǎn)運模式，江（河）海直達運輸可減少中間環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮內(nèi)河航運優(yōu)勢，提高京杭運河沿岸內(nèi)河港口、長江黃金水道和上海國際航運中心之間的物流效益。

1 特定航線江（河）海直達船舶技術(shù)標準制定情況

特定航線是指中國海事局發(fā)布的《特定航線江海直達船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則（2018）》中所述的由長江至東海特定海區(qū)的“特定航線 1-1”或“特定航線 1-2”，且船型僅限于“150 m >船長≥20 m”的新造鋼質(zhì)集裝箱船、散貨船及商品汽車滾裝船。本文所述的特定河海直達航線是指：

（1）京杭運河蘇北段經(jīng)施橋船閘入長江，再航行至長江口進入海區(qū)，最后經(jīng)海上特定航線到達洋山港；

（2）經(jīng)京杭運河蘇南段、蕪申運河、黃浦江和長江口，最后進入海區(qū)靠泊洋山港。

2 條航線均由“京杭運河+特定航線1-1”構(gòu)成。京杭運河目前尚無商品汽車運輸需求，文中所述特定航線河海直達標準船型（以下簡稱“特標船型”）僅指集裝箱船和散貨船。由于特定航線河海直達船型與江海直達船型具有一定的相似性，所以本文綜合兩類船型進行闡述。

特定航線未提出前，江海直達的典型運輸模式為“海船進江”或“江船出?！?。海船設(shè)計需遵循中國海事局發(fā)布的《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（簡稱“海船法規(guī)”）以及中國船級社（China classification society,CCS）發(fā)布的《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（簡稱“海船規(guī)范”），其基本要求一般高于內(nèi)河船適用的《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（簡稱“內(nèi)河船法規(guī)”）和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（簡稱“內(nèi)河船規(guī)范”）。按海船要求設(shè)計的船舶總體上滿足內(nèi)河船的技術(shù)標準，所以“海船進江”在技術(shù)層面較易實現(xiàn)，即在原已滿足海船法規(guī)和海船規(guī)范的基礎(chǔ)上，同時滿足內(nèi)河船法規(guī)和內(nèi)河船規(guī)范，主要體現(xiàn)在內(nèi)河船對船舶污染物控制及船舶操縱性要求高于海船。船舶噸位符合航道限制條件的海船，通過減載、減速及小部分設(shè)施改造等適應(yīng)性調(diào)整后，就可以通航于內(nèi)河干線航道。但海船的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和機電配置要求通常高于內(nèi)河船，因此同噸位的海船造價也較高。滿足海船和內(nèi)河船“雙規(guī)”要求的直航船舶只是原海船在航線上的擴展而并非船型創(chuàng)新，其內(nèi)河航道的營運經(jīng)濟性較差，尤其是在單次航線中內(nèi)河占比較大的情況下，更難以體現(xiàn)直達運輸?shù)慕?jīng)濟可行性[3]。

內(nèi)河船與海船在設(shè)計總體思想及技術(shù)標準上完全不同，直接體現(xiàn)在主尺度、結(jié)構(gòu)強度、干舷、穩(wěn)性及抗風浪等方面差異很大；此外，內(nèi)河船機電系統(tǒng)的設(shè)置要求也低于海船，無法通過簡單改建達到海船技術(shù)標準。因此“江船出海”存在很大的安全隱患，研發(fā)具備適宜江（河）、適海特性的船舶必須在已有海船、內(nèi)河船“雙標”技術(shù)體系的基礎(chǔ)上創(chuàng)新制定全新體系。

2008 年，CCS 發(fā)布的《特定航線江海通航船舶檢驗指南（2008）》是基于《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范（2002）》對江海通航船舶的技術(shù)要求，針對特定海區(qū)的水文氣象條件、海況及波浪載荷進行研究，以海船規(guī)范為基礎(chǔ)設(shè)立特殊規(guī)定或降低技術(shù)要求。2017 年，《交通運輸部關(guān)于推進特定航線江海直達運輸發(fā)展的意見（交水發(fā)[2017]53 號）》提出“制定完善江海直達船舶法規(guī)規(guī)范”。同年，中國海事局發(fā)布《特定航線江海直達船舶法定檢驗暫行規(guī)則（2017）》（簡稱“特航法規(guī)2017”）及《交通運輸部海事局關(guān)于發(fā)布特定航線江海直達船舶最低安全配員標準的通知（海船員[2017]478 號）》；CCS 發(fā)布《特定航線江海通航船舶建造規(guī)范（2017）》（簡稱“特航規(guī)范2017”）。此后，綜合“特航規(guī)范2017”、《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》及相關(guān)研究，CCS 于2018 年又發(fā)布了《特定航線江海直達船舶建造規(guī)范（2018）》（簡稱“特航規(guī)范2018”）。

中國海事局通過對“特航法規(guī)2017”修訂和完善，發(fā)布了《特定航線江海直達船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則（2018）》（簡稱“特航法規(guī)2018”）?！疤睾椒ㄒ?guī)2018”和“特航規(guī)范2018”在船體結(jié)構(gòu)、安全設(shè)備、載重線等方面兼顧內(nèi)河船和沿海船的特點，規(guī)定了特有的載重線標志要求；噸位丈量、操縱性、艙室設(shè)備、輪機、電氣、消防、防污染等方面，則以內(nèi)河船規(guī)范為基礎(chǔ)，明確了計算風壓穩(wěn)性、敞口集裝箱船浸水高度；艙室凈高、居住面積、餐廳和衛(wèi)生設(shè)施等，則在內(nèi)河船規(guī)范基礎(chǔ)上適當提高了要求?！吨腥A人民共和國海事局關(guān)于發(fā)布特定航線江海直達船舶最低安全配員標準的通知（海船員[2019]289 號）》（簡稱“特航配員2019”）對配員標準也進行了修改。

2 內(nèi)河標準船型主尺度系列

2005 年，原交通部發(fā)布《京杭運河運輸船舶標準船型主尺度系列》，歷經(jīng)不斷優(yōu)化和完善，現(xiàn)行標準為2019 年國家市場監(jiān)督管理總局和國家標準化管理委員會提出的《內(nèi)河過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》（GB 38030—2019）。該標準系列 “第1 部分：長江水系（GB 38030.1—2019）”適用于通過長江干、支線船閘及升船機（不含三峽升船機）等通航建筑物的內(nèi)河標準船型；“第 2 部分：京杭運河、淮河水系（GB 38030.2—2019）”（簡稱“主尺度系列2019”）適用于通過京杭運河、沙潁河—淮河干線船閘的內(nèi)河標準船型，表1 僅節(jié)選了其中尺度較大的幾種船型。

表1 京杭運河、沙潁河—淮河過閘干散貨船、集裝箱船標準船型主尺度系列

河海直達標準化船舶僅航行于長江下游且不通過長江干、支線船閘及升船機，因此只需滿足“主尺度系列2019”。

3 京杭運河江蘇段至洋山港航線通航 條件

3.1 京杭運河江蘇段通航條件

目前京杭運河蘇北段均達到二級航道標準，航道底部寬60 m、維護通航水深4 m、航道最小彎曲半徑不小于450 m，通航凈空高7 m；共設(shè)主要船閘11 座，閘長230 m、寬23 m、最小門檻水深5 m。蘇南段均達到三級航道標準，航道底部寬 45 m、維護通航水深3.2 m、航道最小彎曲半徑不小于380 m，通航凈空高7 m；共設(shè)主要船閘1 座，閘長230 m、寬23 m、最小門檻水深4 m。[4]

2017 年，交通運輸部發(fā)布“交通運輸部關(guān)于修訂《京杭運河通航管理辦法（試行）》的通知（交海發(fā)[2017]73 號）”（簡稱“通航管理辦法2017”），對在京杭運河航行的集裝箱船和江海直達特定航線船舶主尺度限制進行了調(diào)整，見表2。

表2 “通航管理辦法2017”對船舶主尺度的限制

3.2 長江段航道條件

長江航道局2023 年度長江干線航道養(yǎng)護尺度計劃（部分）見表3。

表3 2023年度長江干線航道養(yǎng)護尺度計劃（部分）

特定河海直達航線的入江口均位于南京新生圩下游，航道條件遠優(yōu)于京杭運河通航條件。長江航線船舶水線以上高度主要受跨江橋梁的通航凈空高限制，本航線歷經(jīng)橋梁的通航凈空高見表4，最大通航高度遠大于京杭運河通航凈空高。

表4 特定河海直達航線上長江橋梁通航凈空高

4 特定航線江（河）海直達典型船型 發(fā)展現(xiàn)狀

我國對于江海直達運輸?shù)难芯科鸩接?0 世紀50 年代，當時船舶噸位多為500～ 800 t；“七五”期間，研發(fā)了5 000 t 級運糧船、4 000 t 級化學品船和268 標準箱集裝箱船等江海直達貨船。21 世紀，江海直達船舶噸位已逐漸發(fā)展到5 000～ 10 000 t，其中主流船型為干散貨船、集裝箱船、油船和少量化學品船等，集中運營于長江干線上的武漢港—洋山港、蕪湖港—洋山港、南京港—洋山港、南通港—洋山港、太倉港—洋山港等航線。長江航線船舶集裝箱最大裝載量已超1 000 標準箱，而京杭運河船舶裝載量通常只有36～ 96 標準箱[5]。

CCS 基于“物流決定航線，航線決定船型”理念研發(fā)江海直達引導船型，成功推出了散貨船、集裝箱船及商品汽車滾裝船等多種主流概念船型，并在船舶營運后進行了大量后評估工作，驗證了江海直達船型的安全、經(jīng)濟和綠色環(huán)保優(yōu)勢[6]。

2018 年3 月交付的“江海直達1”散貨船總長154 m、型寬24 m、型深11.8 m、設(shè)計吃水9.1 m、載貨量2.2 萬t，成為首艘按特定航線法規(guī)和規(guī)范建造的江海直達船舶（見圖1）。

圖1 “江海直達1”散貨船

2018 年6 月，上海漢唐航運公司將“漢唐上?！?24 標準箱集裝箱船（見圖2）投入國內(nèi)首條河海直達“蘇州—洋山”航線營運。該航線始于蘇高新港，途經(jīng)京杭運河、蕪申運河、黃浦江到長江口，最后進入海區(qū)靠泊洋山深水港。“漢唐上?！笔?017 年交通運輸部發(fā)布“交水發(fā)[2017]53 號”文件后建造的首艘河海直達集裝箱船，總長84.9 m、型寬12.6 m、型深4.7 m、設(shè)計吃水2.5 m、最大航速18.5 km/h，采用柴油機動力。

圖2 “漢唐上?！奔b箱船

2022 年7 月，上海江南造船廠有限公司為上海漢唐航運公司建造的2 艘特定航線120 標準箱河海直達集裝箱船開工。該船總長79.98 m、型寬12.6 m、型深4.7 m、設(shè)計吃水3.0 m、內(nèi)河航速14 km/h。

2018 年11 月完成建造交付的“漢海1 號”（見下頁圖3），是營運于武漢陽邏港—洋山港航線的5 艘江海直達1 140 標準箱敞口集裝箱船中的首制示范船。該船總長129.8 m、型寬23.9 m、型深11 m、設(shè)計吃水6.6 m、航速11 kn、最大載重量13 600 t。

圖3 “漢海1 號”集裝箱船

2018 年12 月至2019 年1 月，中國海洋石油集團使用“建功九號”貨船將24 個LNG 罐箱從山東日照港直達運輸至南京龍?zhí)陡?，在國?nèi)首次完成LNG 罐箱江海聯(lián)運。

2020 年12 月，國內(nèi)首艘萬噸級特定航線江海直達（液化天然氣/柴油）雙燃料敞口集裝箱船“湘水運26”（見圖4）完成湖南岳陽港—洋山港首航。該船總長118.9 m、型寬21.6 m、型深9.2 m、設(shè)計吃水6 m、最大載箱量653 標準箱、載重噸10 289 t、滿載排水量13 000 t。

圖4 “湘水運26”集裝箱船

2021 年10 月，“江海直達17”與“江海直達19”從寧波舟山港分別首航湖北武漢港和黃石港。這2 艘江海直達散貨船總長128 m、型寬22.6 m、型深9 m、設(shè)計吃水6.8 m、最大載貨量14 000 t。2022 年5 月，430 標準箱江海直達敞口集裝箱船在湖南沅江動工建造。該船總長96 m、型寬18.6 m、型深8 m、設(shè)計吃水5.3 m、航速18.5 km/h，航線從南京港到洋山港。

江（河）海直達船型的發(fā)展趨勢是大型化、標準化和綠色化，運輸貨物種類也不斷擴展，其中江海直達船型的研發(fā)投入遠大于河海直達船型，京杭運河至洋山港等沿海港口的河海直達運輸尚處于試點后的初期發(fā)展階段。

5 特定航線河海直達標準船型技術(shù)特點

5.1 船型概述

“特標船型”的主要航線是京杭運河和長江，內(nèi)河航道（尤其是京杭運河）屬于典型的淺水限制性航道，季節(jié)性因素對水深影響較大且風浪較小，船舶航行性能受淺水效應(yīng)影響大而受風浪影響?。豢缭胶降赖臉蛄旱人辖ㄖ镙^多，船舶水線以上高度需控制；一般采用艏部駕駛室和艉部生活艙室布局；為滿足內(nèi)河低速下良好的操縱性要求，適宜采用雙機雙槳推進。海上航行需重點考慮適航和耐波性以及降低艏部上浪等問題，集裝箱船普遍采用淺吃水肥大型敞口船型，散貨船一般為大開口貨艙加艙口蓋形式。

5.2 船舶主尺度

《內(nèi)河通航標準》（GB 50139—2014）對內(nèi)河航行船舶的最大長度、最大寬度及最大吃水有限制性規(guī)定。對于大部分航程是內(nèi)河干線航道的船舶，應(yīng)以京杭運河蘇南和蘇北段航道等級對應(yīng)的航道、船閘尺度條件和橋梁限高等限制性條件，結(jié)合船舶總長、船寬和吃水合理富余量為船舶主尺度確定的重要依據(jù)，同時在滿足貨艙開口尺寸與船寬比例的規(guī)范限制前提下，盡可能提高貨艙容積或集裝箱裝箱量。船舶型深與干舷、穩(wěn)性要求直接相關(guān)：型寬較大，則大傾角穩(wěn)性富余量較局促，加大型深容易滿足“特航規(guī)范2018”對一定橫傾角范圍內(nèi)恢復力臂曲線下面積值的衡準；但型深過大則會增加空船質(zhì)量并提高船舶重心，而且通航限高也限制了型深過大。此外，船舶總體布置、阻力推進特性、操縱性、穩(wěn)性及適航性能等要求，也是確定主尺度必須綜合考量的重要因素。

5.3 艙室布置

船員人數(shù)配備與船舶總噸位、裝機功率、連續(xù)航行時間及機艙自動化程度有關(guān)，“特標船型”還 應(yīng)滿足“特航配員2019”要求。“特航法規(guī)2018” 對船員臥室面積、定額和設(shè)施及餐廳、休息與辦公處所、飲用與洗滌水及衛(wèi)生設(shè)施等方面都提出了較內(nèi)河船更高的要求。內(nèi)河航段通航凈空高對艙室高度布置造成了嚴重制約，“主尺度系列2019”又限制了船舶的總長和總寬。涉及海上航區(qū)又不能采用單一儲電推進方式，必須采用“儲電+柴電”混合推進方式，同時需要柴電系統(tǒng)和儲能模塊布置空間。

為充分提高有限空間利用率，盡可能保障船員生活、工作的舒適性和便捷性，可采用艏艉升高甲板形式：艉甲板升高，以解決機艙內(nèi)機電設(shè)備布置；艏甲板升高，以便在甲板下增設(shè)船員艙室。駕駛室盡量增寬以充分利用艏甲板的平面空間，寬度尺寸大于艙口寬度的駕駛室兼作擋浪板以減小艏部波浪反射，降低船舶海上航行時側(cè)風引起的局部上浪；外形和尺寸優(yōu)化后也可作為貨物處所的前置導流減風阻裝置。艉部安放集裝箱式公用電池模塊（containerized utility battery module，CUBE）的 開敞處所，在保證必要通道、安全距離的前提下布置部分生活和設(shè)備艙室。

5.4 船體結(jié)構(gòu)

5.4.1 基本結(jié)構(gòu)

“特航規(guī)范2018”規(guī) 定b≥0.70B1（b為艙口寬度，B1為甲板寬度）的甲板開口為大開口，“特標船型”一般b≥0.79B1屬于大艙口船，適合采用雙底雙殼加抗扭箱的結(jié)構(gòu)形式，且須校核彎扭組合的總縱強度；集裝箱船的強力甲板b>0.85B（B為船寬）時，或散貨船的強力甲板b>0.80B時，其貨艙區(qū)域主要構(gòu)件應(yīng)按規(guī)范進行結(jié)構(gòu)強度直接計算。干舷高度的選擇應(yīng)綜合考慮總縱強度和穩(wěn)性的需要，在滿足破損穩(wěn)性的前提下盡可能控制船長。貨艙區(qū)域僅劃分2 個貨艙，以提高裝載率和裝卸效率；單貨艙長度超過30 m 時，需采用有限元計算結(jié)構(gòu)受力。

5.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

海上惡劣的海況要求船舶結(jié)構(gòu)安全可靠，但提高船舶經(jīng)濟性又要求船體減重以增加裝載量，故必須尋求船舶結(jié)構(gòu)的合理輕量化設(shè)計。特定航區(qū)決定了船舶所受載荷顯著不同于海船和內(nèi)河船，“特航規(guī)范2018”是基于特定航線的實際波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對船體梁波浪扭矩、波浪切力與波浪彎矩，以及船舯部的水動壓力和垂向加速度等船舶波浪載荷要素進行分析，按照“載荷第一”和“安全水平相當”原則制定的結(jié)構(gòu)強度技術(shù)標準[7]。船體結(jié)構(gòu)進一步輕量化設(shè)計需根據(jù)航線波浪特性選取能反映航區(qū)特征的波浪譜進行波浪載荷長期預報，得出等效設(shè)計波高后按等效設(shè)計波理論計算載荷，再將直接計算載荷的結(jié)果輸入整船結(jié)構(gòu)有限元模型，在考慮船與波浪間多種角度引起的最大水平彎矩、最大垂向彎矩和不同部位最大扭矩等不同工況下進行計算，以確定結(jié)構(gòu)強度可否滿足安全使用要求。此外，針對船體可能遭受的外載荷水平和結(jié)構(gòu)的極限承載能力進行計算，也是保證船舶結(jié)構(gòu)安全性的重要手段。

5.5 船舶線型

5.5.1 艏部線型

內(nèi)河航道特點決定了“特標船型”具有低弗勞德數(shù)、寬扁、艏艉部線型豐滿、中船體平行且相對較長的船型特點。江（河）海直達船舶常見有球鼻 艏、直型艏及尖艏等。作為淺水航行的肥大船型，其型線豐滿使得濕表面積大、弗勞德數(shù)取值較小，所以興波阻力占比很小。船舶總阻力以黏性阻力為主，艏部型線優(yōu)化的目標是降低艏部破波阻力和舭渦阻力。

低速肥大型貨船的球鼻艏可在滿載時降低甚至消除船首底部舭渦，減小舭渦阻力與黏壓阻力；壓載時，因艏部船體產(chǎn)生前伸，使其橫剖面積曲線陡度和艏部水線半進流角減小，船首的水壓力分布得到改善，減少波浪破碎而隨之減小破波阻力，因而球鼻艏船型在低速肥大型船上應(yīng)用廣泛[8]。

直型艏是將艏柱前移，使艏部側(cè)投影輪廓呈垂直狀，艏部橫剖面形狀仍具有球鼻艏特征。艏柱前移可增加艏部排水量而減小肩部排水量，艏肩部水線較瘦削可改善該部位的壓力梯度，達到降低船體興波阻力目的。艏柱前移的同時可減小水線進角并降低破波產(chǎn)生，降低湍流動能損失及破波阻力。直型艏既保留了球鼻艏橫剖面形態(tài)的特點，又具有改善船首底部漩渦運動、減小舭渦、降低黏壓阻力的球鼻艏減阻優(yōu)點。直型艏使船舶排水體積前置也有利于改善后體線型的流態(tài)和降低船舶總阻力，建造工藝簡單，也有較多應(yīng)用[9]。

球鼻艏和直型艏的性能較優(yōu)，尖艏則最簡單且易于設(shè)計建造，但其興波阻力高于前兩者且艏部流線順暢性相對較差，故常見于運河或中小型河海直達運輸船舶。

5.5.2 艉部線型

“特標船型”的方形系數(shù)較大，平行中體相對較長，船舶總長又受到限制，使得后體的線型收縮比較劇烈，艉部易發(fā)生舭渦而導致航行阻力增大，同時會致使螺旋槳盤面處的伴流更不均勻，影響螺旋槳推進效率。雙尾鰭船型的2 個尾鰭在艉部起到類似雙體船的作用，降低了船舶的長寬比并緩沖了艉部線型收縮烈度，尾鰭的偏轉(zhuǎn)還可對來流進行預旋，以提高船槳的預旋效率[10]。方艉帶分水踵的艉部線型設(shè)計及建造簡單，在目前運河船舶中較為常見。

5.6 船舶推進與航速

“特標船型”的主要航程是內(nèi)河航道，彎曲狹窄且航船密度大，船舶通過跨河橋梁、相互超越和交匯現(xiàn)象極為普遍，且在運河中屬于大型船舶，船舶的制動、倒退和掉頭等都對船舶的操縱性和控制能力要求很高。較大的船舶長寬比若僅靠線型優(yōu)化來改善操縱性，其效果并不會理想，加之內(nèi)河的低航速導致舵效低下，因此采用全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)槳的舵槳推進方式比較適宜。全回轉(zhuǎn)舵槳同時具備螺旋槳的推進能力和舵的操縱性能，可提供任意航向上的最大推力，極大提高了船舶操縱的靈敏度，在不設(shè)艏側(cè)推時仍能保證船舶航行和靠泊時的操縱靈活性，對轉(zhuǎn)槳相對于普通槳更小的槳徑可在內(nèi)河淺水區(qū)域保證螺旋槳的推進效率[11]。

京杭運河水深不足“特標船型”吃水的2 倍，故船舶航行時淺水效應(yīng)明顯。水深弗勞德數(shù)（FNh=<1.0 時為亞臨界速度區(qū)，淺水緩流航道中船舶極限航速對應(yīng)的弗勞德數(shù)一般取為0.70～ 0.75，則航道水深3.0～ 5.0 m 的淺水效應(yīng)初始發(fā)生航速范圍為13.7～ 17.9 km/h。較高的船舶密度和待閘時間使船舶的經(jīng)濟航速被限制為13～ 15 km/h，但考慮到長江中的航速及海區(qū)航行抗風浪所需安全航速等因素，建議船舶最大航速取18～ 19 km/h 較為合適。

5.7 節(jié)能減阻技術(shù)

5.7.1 減阻技術(shù)

船舶在航行中需同時克服風阻力和水阻力，其中水線下部分的水阻力是其承受阻力的最主要部分，對船舶節(jié)能及快速性影響較大。水阻力又可分為船舶在無風浪靜水中航行時需克服的靜水阻力及由波浪所產(chǎn)生的波浪增加阻力。肥大型貨運船舶的摩擦阻力通常占整體水阻力的60%～ 80%。由于中段船體長且線型平直，故減阻只能通過優(yōu)化艏部和艉部線型，線型變化還受排水量及浮心位置等要素約束，使船體的濕表面積難有較大改變，所以總阻力中最主要的摩擦阻力變化不大。

降低船舶水阻力的有效方法是利用艏部優(yōu)化設(shè)計以降低興波阻力，或通過在船體表面涂敷表面活性劑、高性能疏水性涂料以及采用氣體潤滑減阻等改變船體浸濕表面的特性來減少摩擦阻力。CCS 發(fā)布的《船舶空氣潤滑減阻系統(tǒng)檢驗指南》可為裝有空氣潤滑減阻系統(tǒng)的船舶提供節(jié)能效果評估[12]。波浪增加阻力主要取決于航區(qū)的海況，呈周期性變化特性，因而一般取周期內(nèi)的平均值[13]。

風阻對船舶功率估算、航行失速及穩(wěn)性也具有較大影響，目前國內(nèi)外針對船舶減風阻的研究手段主要為風洞實驗及數(shù)值模擬。風洞實驗的準確性及可靠性較高，但周期長且費用較高；數(shù)值模擬則將計算流體力學與風洞實驗原理綜合研究，可在更短時間內(nèi)完成多次不同參數(shù)實驗，使驗證創(chuàng)新和改進船型的成本更低；風洞實驗或數(shù)值模擬最終可用于優(yōu)化船舶的型線和船體建筑結(jié)構(gòu)。通過加裝船首導流減風阻裝置避免氣流和裝載貨物產(chǎn)生正面碰撞，數(shù)值模擬結(jié)果顯示可獲得約30%的減風阻效果，穩(wěn)性驗算也證明加裝導流減阻裝置不會明顯影響船舶穩(wěn)性[14]。

5.7.2 節(jié)能附體

目前散貨船采用的節(jié)能附體類型主要有導流鰭、前置預旋定子、前置節(jié)能導管及Mewis 導管等螺旋槳前節(jié)能附體；集裝箱船則更多設(shè)置轂帽鰭、扭曲舵和舵球等螺旋槳后節(jié)能附體；高效螺旋槳和節(jié)能附體的一體化設(shè)計尤為重要。

5.8 適航和耐波性

考慮“特標船型”可能遭遇的惡劣海況，需要進行船舶滿載出港、壓載出港及空箱到港等典型工況的耐波性能計算。通過全部浪向的耐波性計算，發(fā)現(xiàn)使船舶綜合運動性能較差的斜浪角度；進行典型裝載工況和海況下包括靜水中橫搖自由衰減、規(guī)則波中零速橫搖、規(guī)則波中有速迎浪、不規(guī)則波中零速橫搖、不規(guī)則波中零速迎浪等的船模耐波性試驗，可更好驗證船型的海區(qū)適航性能。

5.9 船舶吃水與浮態(tài)

船舶設(shè)置壓載水系統(tǒng)的主要作用是保持船舶浮態(tài)，避免輕載時推進器出水而降低推進效率，提高空載穩(wěn)性和操縱性能，內(nèi)河船通過調(diào)節(jié)壓載水量可臨時性改變吃水以提高橋梁下的通過性。為改善船舶輕載性能，常規(guī)船舶壓載航行時一般使艏吃水達到0.025L～ 0.030L（L為船長），艉吃水達到0.040L～ 0.045L并浸沒推進器，壓載水量通常為船舶載重量的30%～ 50%?！疤貥舜汀蓖ㄟ^適當增加壓載水艙來加大吃水深度調(diào)節(jié)能力，降低水面高度，綜合船舶吃水和浮態(tài)要求，壓載水總量與排水量的占比應(yīng)達到50%～ 70%。此外，吃水設(shè)計考慮既可作為河海直達船也可作為內(nèi)河船營運，并適應(yīng)內(nèi)河季節(jié)性通航水位的變化。

5.10 綠色船舶技術(shù)

目前，提升船型綠色程度的主要技術(shù)路線有3種：一是通過船型方案技術(shù)革新，優(yōu)化總體布置和主尺度、優(yōu)化線型改善阻力推進性能、減阻附體裝置、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造材料輕量化等來實現(xiàn)節(jié)能減排；二是控制船舶大氣污染物排放；三是廢熱回收。2017 年京杭運河江蘇段船舶大氣污染物排放情況如表5 所示。

表5 2017 年京杭運河江蘇段船舶 大氣污染物排放情況

其中船舶主機對各類大氣污染物的排放貢獻率均高于96%。目前國內(nèi)外控制船舶大氣污染物排放的手段如下：

（1）使用低硫燃油；

（2）設(shè)立船舶排放控制區(qū)；

（3）對較大功率和排量船用發(fā)動機執(zhí)行更嚴苛的排放標準；

（4）強制泊岸船舶使用岸電；

（5）使用液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）等清潔替代燃料；

（6）適當降低船速；

（7）發(fā)動機廢氣處理技術(shù)。

我國從中央到地方政府都出臺了船舶大氣污染排放控制行動方案和標準，其中LNG 替代、岸電、低硫油被優(yōu)先推廣[15]。當前，我國內(nèi)河船舶標準化和大型化發(fā)展已取得成效，但在綠色、智能化方面與經(jīng)濟社會的綠色低碳發(fā)展要求仍有一定差距。2022 年9 月，工業(yè)和信息化部等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展的實施意見》，提出至2025 年突破LNG、甲醇、氫燃料以及電池等綠色動力關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展目標。

內(nèi)河航運是實現(xiàn)碳達峰、碳中和“3060”國家戰(zhàn)略的核心領(lǐng)域?！疤貥舜汀辈捎貌耠娕c動力電池模塊共同構(gòu)成混合動力系統(tǒng)，可實現(xiàn)內(nèi)河航段純電推進，而且電力推進技術(shù)能更好滿足智能化船舶所需的可靠性高、操控性好、易于實現(xiàn)自動控制及推進功率冗余等要求。CUBE 具備通用化的尺寸和接口，可實現(xiàn)與船舶電網(wǎng)安全、便捷地快速連接、脫離，通過靠泊期間的“換電”模式能為船舶迅速補充電能，利用峰谷電差價可降低CUBE 充電成本。通過支付電費、租賃CUBE 的用電模式可大幅降低整船造價，更有利于市場推廣。此外，LNG、氫燃料可在短時間內(nèi)完成再次充裝，船舶的續(xù)航能力基本等同于內(nèi)燃動力船舶，LNG 動力、氫燃料電池與儲能裝置共同構(gòu)成船舶混合動力系統(tǒng)的相關(guān)研究也是一個重要方向[16]。

5.11 智能船舶與助航技術(shù)

2018 年4 月，國際海事組織（international maritime organization,IMO）在第99 屆海安會上明確提出發(fā)展水面自主航行船舶；2019 年6 月，IMO發(fā)布《水面自主船舶試航暫行指南》；2015 年12 月，CCS 發(fā)布《智能船舶規(guī)范（2015）》；2019 年至2022 年，CCS 發(fā)布《智能船舶規(guī)范（2020）》及2022 修改通報，持續(xù)提升智能船舶規(guī)范標準體系。

國內(nèi)外雖已完成一些船舶智能航行技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，但目前智能船舶整體技術(shù)仍處于較為初級的探索和發(fā)展階段[17]。

2017 年7 月，南京板橋汽渡船上應(yīng)用了由船上智能輔助駕駛和岸基智能監(jiān)管系統(tǒng)組成的智能安全輔助駕駛系統(tǒng)，從而實現(xiàn)船舶對航行環(huán)境和自身狀態(tài)的感知，提高了碰撞風險預警能力。相對易于具備船岸協(xié)同技術(shù)支撐的河海直達船舶，其實現(xiàn)智能化航行更具可行性[18]。

目前，長江電子航道圖已實現(xiàn)航道信息數(shù)字化、水位預報、航行預警及船舶智能指揮等功能，京杭運河蘇南段數(shù)字航道應(yīng)用系統(tǒng)也已建設(shè)完成，但電子海圖與內(nèi)河電子航道圖無法相互銜接。研發(fā)具備內(nèi)河電子航道圖的基本數(shù)字化信息，并且能覆蓋河口及其臨近海域，可與電子海圖無縫對接的江（河）海直達運輸電子航道圖十分必要[19]。舟山港區(qū)通過建立江（河）海直達運輸海上航區(qū)氣象評價體系，形成氣象安全導航手機客戶端應(yīng)用，可幫助航行船舶在惡劣天氣下自主模擬導航功能并先行規(guī)劃行程，有助于船舶規(guī)避氣象災(zāi)害風險[20]。

2022 年國務(wù)院頒布《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，提出穩(wěn)步推進北斗系統(tǒng)在公路、鐵路、水路、通用航空及全球海上航運等領(lǐng)域的應(yīng)用。長江流域在北斗平臺建設(shè)、終端推廣、數(shù)據(jù)服務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用等方面已具備規(guī)?；?yīng)，京杭運河流域也逐步在船舶監(jiān)管、過閘等方面開展北斗系統(tǒng)應(yīng)用，有望解決目前船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準確的海事監(jiān)管難題[21]。我國已在上海、寧波等港口基于5G 網(wǎng)絡(luò)開展智慧港口示范試點建設(shè)，其良好效果加快了5G 在內(nèi)河智慧港航建設(shè)中的應(yīng)用，長江航道和江蘇淮安港等也已啟動港航數(shù)字化升級改造。5G 超大帶寬和移動通訊的靈活性可實現(xiàn)船岸之間大流量數(shù)據(jù)交換，自主的北斗系統(tǒng)能全天候可靠地提供高精度定位，這些為智能船舶與助航技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)[22]。

6 特定航線河海直達標準船型方案簡介

為進一步充分發(fā)揮江蘇省內(nèi)河航運優(yōu)勢，促進內(nèi)河先進運輸模式發(fā)展，設(shè)計了4 種河海直達標準船型方案，如下頁表6 所示。

表6 特定航線河海直達標準船型方案主要參數(shù)

采用經(jīng)船模試驗優(yōu)化的淺吃水、尖艏、方艉帶分水踵、寬扁肥大的淺水航道常用船型，以利于控制成本和市場推廣；動力系統(tǒng)采用“CUBE +柴電”的混合動力形式，內(nèi)河航段定期更換CUBE 供電，海上則使用柴油發(fā)電機，2 臺電動對轉(zhuǎn)槳全回轉(zhuǎn)舵槳作為主推進器；應(yīng)用有限元建模優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)力學性能，實現(xiàn)輕量化設(shè)計從而降低船體造價。需要說明的是，考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢和不斷改善的航道實際通航條件，船型方案部分內(nèi)容突破了“主尺度系列2019”的限制而遵循了“通航管理辦法2017”。

7 結(jié)語

2021年5月，江蘇省交通運輸廳聯(lián)合省發(fā)改委、省工信廳等九部門聯(lián)合發(fā)布《江蘇省內(nèi)河集裝箱高質(zhì)量發(fā)展倍增行動計劃（2021—2023 年）》提出：2023 年實現(xiàn)內(nèi)河集裝箱作業(yè)區(qū)在所有設(shè)區(qū)市全覆蓋；內(nèi)河主要集裝箱作業(yè)區(qū)實現(xiàn)三級以上航道可通暢直達沿江、沿海港口，蘇北和蘇南可裝載3 層集裝箱船舶的核心運輸通道全線暢通，蘇南可裝載2層集裝箱的船舶運輸網(wǎng)絡(luò)建成。

隨著政策發(fā)力和航運市場需求的蓬勃發(fā)展，“特標船型”的發(fā)展前景良好?；谏芷谠u價（life cycle assessment，LCA），運用先進技術(shù)、滿足船舶能效設(shè)計指數(shù)（energy efficiency design index,EEDI）的綠色節(jié)能型智能船舶是標準船型的重要發(fā)展方向。