高速客滚船航行环境标准及其评估方法研究

王红梅 陈晓明 林慰 吴珂

摘要：目前航运行业对航行环境标准的研究甚少，因此有必要加强对高速客滚船航行环境标准及其评估方法的研究。结合某航线航行环境影响因素中自然环境和交通环境的实际情况，采用现代评价方法提出的科学有效的高速客滚船航行环境与稳性、耐波性、操纵性、快速性有关的评价指标及评估模型，以此确定了航线拟建高速穿浪双体客货运输船的最佳航行环境标准。

关键词：航行环境标准；评价指标及评估模型；高速穿浪双体客货运输船

中图分类号：U655.2文献标识码：A

Study on navigation environment standard and its evaluation Method for high-speed roll-on roll-off ships

WANG Hongmei1,CHEN Xiaoming1, LIN Wei2,WU Ke1

( 1.Beijing China Ship Dongyuan Technology Development Co. Ltd, Beijing, 1000242;2.Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641 )

Abstract: Since little research is done forthe navigation environment standard in shipping industry, it is necessary to strengthen the research on the navigation environmental standards and evaluation methods of roll-on roll-off ships.Under the actual situation of the natural environment and the traffic environment in a certain route environment, the best environmental standards fora planned high-speed wave piercing passenger and cargo catamaran is determined by using the evaluation index and evaluation modelfornavigation environment of roll-on roll-off ships,which is proposed by the modern scientific and effective evaluation methods and related to seakeeping, maneuverability and stability and the rapidity of roll-on roll-off ships.

Key words: Navigation environment standard;evaluation index and evaluation model;high-speed wave piercing passenger and cargo catamaran

1引言

当前对于客滚船航行环境研究与评价工作，主要基于外部环境对船舶航行产生影响的客观因素的分析和论证，无论是“天然的水上交通环境”还是“人为的水上交通环境”，譬如航行环境的气象、水文条件和交通量、交通流等因素[1, 2 , 3]，都是属于外界条件对航行船舶的影响。过往对于航行船舶的考虑是基于常规营运船舶的性能参数作模糊化处理，侧重于分析船舶的航海驾驶因素，没有计入航行船舶自身的具体技术性能，如安全性、快速性、操纵性与耐波性（或适航性）等，因此，无法准确定量评价具体的船舶在特定航行环境中的适应性。对于某一具体船舶或系列船型的船舶，其航行环境评价指标的研究除了考虑外界的环境、设施因素以及船舶的航海驾驶因素外，还应着重从船舶自身的技术性能指标进行分析与论证，包括安全性、快速性、操纵性与耐波性（或适航性）等内容，从而实现准确、定量的评价。特别是对于客船或客滚船，安全性与舒适性应将是制定航行环境标准的核心内容。

2客滚船航行环境安全的影响因素

影响高速客滚船航行环境安全的环境条件主要涵盖以下要素 [4 - 7]：

（1）自然环境：风、流、波浪、能见度等自然性的环境条件；

（2）交通环境：航道宽度、航道深度、障碍物状况和助航标志以及船舶交通密集度之类的海上交通方面的环境条件[6]。

为了正确评价当前客滚船航行环境的安全状况和程度，需要深入了解主要环境条件对航行安全的影响。

3客滚船航行环境标准的评价指标与评价模型

3.1航行环境客观评价指标的选取

参考日本学者原洁的层次化的航行环境评价体系 [1]，并且考虑到能将评价因素量化，以主要因素建立客观评价指标体系，将自然环境分为水文气象要素和航道地形状况。

3.2航行环境技术评价指标的选取

基于航行船舶的安全性、快速性与适航性，采用现代评价方法提出符合实际情况的高速客滚船航行环境指标如下：

（1）与安全性有关的稳性评价指标，主要是对静稳性力臂下的剩余面积进行评估[8]；

（2）与适航性和舒适性有关的耐波性评价指标，主要通过各个位置的运动幅值和运动加速度幅值、砰击概率、甲板淹湿和推进器出水概率、晕船率等指标评估波浪中航行的适航性和舒适性；

（3）与避碰有关的操纵性评价指标，主要是在风和流作用下保持航向稳定的能力、回转性、应舵性能等操纵性评估指标；

（4）与适航性有关的快速性评价指标，主要是评估波浪中的失速问题，包括被动减速与主动减速，以及为满足避碰要求的减速操作。

4客滚船航行环境标准的制定与评估方法

4.1 航行环境标准的制定

基于既定的高速客滚船的设计性能，将其置于某航线具体的航行环境中，以各项客观评价指标的具体特征值作为输入，计算船舶的各项技术指标的具体指标值作为输出，譬如，稳性衡准数、垂荡加速度和横摇加速度、晕船率、最近会遇距离等指标值。根据现行的船舶航行标准对输出值进行分析和评估，以适航与否为标志对航线的各级海况条件进行分级。

4.2航行环境标准的评估内容与方法

4.2.1稳性评估

稳性是船舶安全性评估中最主要的关键指标。结合稳性试验，对在风浪的联合作用，以及不同装载状态下船舶横摇运动的统计值进行计算，作为船舶稳性分析、车辆绑扎和确定抗风等级的依据。考虑风浪对船舶的影响，根据船舶不同状态的受风面积、初始横倾角等参数，制定与船舶完整稳性和破舱稳性有关的评价指标。

4.2.2 耐波性评估

耐波性是船舶在风浪中航行的舒适性评估的关键因素和核心技术性能。推荐以船舶的耐波性衡准为目标，筛选和优化高速客滚船大风浪中安全航行最重要的耐波性指标，主要包括运动统计值、运动加速度统计值、甲板上浪与推进器出水的概率、砰击及晕船的概率等。耐波性具体指标如下所列，各项指标的计算可由谱分析方法完成：

（1）运动幅值与运动加速度幅值；

（2）砰击概率；

（3）甲板淹湿（或上浪）与推进器出水的概率；

（4）晕船率（MSI）。

其中，按国际标准ISO 2631 - 3 （1985, 1997），MSI 主要取决于运动船舶上相应处所的垂向加速度。英国标准 BS 6841, 1987 将垂向加速度响应谱用于运动病发病问题，根据垂向加速度响应谱可获得某个频率带的垂向加速度幅值。本文采用Michael.E.McCAULEY的数学模型（1976）计算晕船率[9]。

4.2.3操纵性评估

高速客滚船的操纵性能主要涉及船舶的控向、控速性能和高速与低速的转向性能。根据高速客滚船的操纵性分析，考虑与避碰有关的航行条件中各因素互相的影响，在不同风和流混合作用状态下进行操纵性分析计算，展现本船“被动的”、“客观的”的操船响应，从而评估本船的操纵性。

4.2.4快速性评估

船舶在波浪中的失速问题主要取决于船型的耐波性，包括被动减速问题（波浪增阻）和主动减速问题（通过减速降低砰击、甲板淹湿和推进器出水等问题的概率）。

5客滚船船型航行环境标准的研究

某滚装运输航线具有巨大市场潜力。为了保障航线拟建的穿浪双体高速客货运输船的航行安全，本文基于航行船舶的安全性、快速性与适航性，通过对该目标船型在航线各级海况条件下的性能评估的结果进行具体、定量分析，以适航与否为标志对航线的各级海况条件进行分级，提出该目标船型最佳航行环境标准，为该船的营运提供客观、准确、定量的适航性判别参考。

5.1目标船型

目标船型为穿浪双体船型，主船体和上层建筑为耐腐蚀铝合金全焊接结构，采用高速柴油机－喷水泵方式推进，4 机、4 泵。目标船型的基本尺度和主要操纵性能如表1所示。

表 1目标船型的基本尺度和主要操纵性能

5.2航行环境客观评价指标

根据实际调研结果，航线穿浪双体高速客货运输船航行环境客观评价指标如表2所示。

表2航行环境客观评价指标

5.3穿浪双体高速客货运输船的航行环境标准及评价

根据穿浪双体高速客货运输船航行环境客观评价指标，按稳性、耐波性、操纵性和快速性单项技术评价指标的具体评估结果进行综合分析与评价，提出航线最佳穿浪双体高速客货运输船的航行环境标准，具体如表3 所列。

由表3可知，拟建的穿浪双体高速客货运输船在6 级及6 级以下海况均有足够的航行安全性，6 级以上海况不宜航行。5 级海况条件下的适航性可以接受，4 级海况条件下的适航性较好。以上结论符合航线实地调研结果。因此，建议以 6 级海况条件作为拟建穿浪双体高速客货运输船航行环境标准的临界航行条件。

6结束语

本文通过穿浪双体高速客货运输船航行环境标准制定与评估案例，研究了高速客滚船航行环境标准的制定及其评估方法。结果表明，该评估模型是科学合理的，具有很强的实用性，可为负责运输安全的海事部门、港口和航道管理人员、航运公司和船舶驾驶人员等提供了科学的决策和参考价值。

参考文献

[1] 原洁. 航行环境的综合评价方法 [J]. 日本航海学会, 日本航海学会志第

120 号,1994: 2 - 7.

[2] 小林弘明. 船舶操纵特性对航行环境安全评价的影响 [J]. 日本航海学

会, 日本航海学会志第120 号, 1994: 8 – 12.

[3] 新井康夫. 航行安全评价中的自然环境条件的影响 [J]. 日本航海学会,

日本航海学会志第20 号, 1994: 15 – 20.

[4] 井上欣三. 操船负担的定量评价 [J]. 日本航海学会, 日本航海学会志第

120 号,1994: 21- 26.

[5] 刘明俊, 程志友. 对水上交通环境概念的探析 [J]. 中国水运（学术版）,

2006 (6): 19 -20.

[6] 黄志. 论航行环境与船舶碰撞事故的关系 [J]. 集美大学学报(自然科学

版), 1999 (4),: 92 -96

[7] 陈 威, 陈 峰. 减少两岸直航船舶通航风险的对策研究 [J]. 中国水运,

2010 (6): 22 -23.

[8] Odabas¸ı A.Y., Fitzsimmons P.A.,Ankudinov V.K.,Wiley S.A.,1991.Seakeeping

Considerations in Ship Design and Their Incorporation in HDDS. BMT

International, Report No. HDDS.P2.SPEC.

[9] M.E.McCAULEY, Jackson W.R., C. Dennis Wylie, J.F.O' Hanlon, R.R.Mackie.

Motionsickness incidence: exploratory studies of habituation, pitch and roll, and

the refinement of a mathematical model. Technical report 1733-2, April 1976.

作者简介：王红梅（1971-），女，工程师。主要从事船舶设计及软件开发工作。

陈晓明（1980-），男，工程师。主要从事船舶与海洋结构物水动力研究。

收稿日期：2014-01-10