基于AIS数据的散货船压载吃水取值研究

马晓波，戴 冉，首智宇，王汉弢

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

基于AIS数据的散货船压载吃水取值研究

马晓波，戴 冉，首智宇，王汉弢

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

考虑到散货船压载吃水在压载工况下的系泊船舶作用力计算、桥梁净空高度设计等工作中是十分重要的参数，但在港口工程中尚无完善的计算方法，现行规范和相关标准的船型资料中亦未提及。通过对大量散货船船载AIS数据中压载吃水值的统计分析，得到不同吨级散货船不同累计频率下的压载吃水值。将得到的统计结果与国内外几种散货船压载吃水计算方法得到的计算结果进行比对分析，为船舶压载吃水的取值和规范修订提供参考。

散货船；压载吃水；AIS；累计频率

0 引 言

港口工程现行规范和相关标准的船型资料中，给出了基于一定保证率的船舶满载吃水，但对船舶压载吃水并未提及[1]。而这一参数在压载工况下的系泊船舶作用力计算、桥梁净空高度设计等工作中是必需的。该参数如何科学合理地取值是港工设计中的一个关键性问题，该问题的研究对港口工程具有重要的意义[2]。因此，十分有必要结合现有相关理论与成果，对船舶压载吃水的估算方法进行研究与讨论。

船载自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）是在甚高频海上移动频段，采用时分多址接入技术，可自动广播和接收船舶航次相关信息的系统[3]。SOLAS公约第V章规定，航行于国际航线的300总吨以上船舶和公约国航行于国内航线的500总吨以上的船舶，从2002年7月1日起至2008年7月1日止，分段执行配备AIS船载设备[4]。AIS应用广泛，几乎所有船舶配备AIS设备[5–6]。因此，本文尝试收集船舶AIS提供的压载吃水数据，通过研究1 000余艘散货船的压载吃水数据，给出不同吨级散货船基于一定保证率的船舶压载吃水值。为解决船舶压载吃水的取值问题提供一种新的解决思路。

1 船舶压载吃水取值研究现状

1.1 国内研究现状

国内的相关研究主要是经验公式以及利用船舶的船型特点，以横向、纵向受风面积为切入点开展研究分析。

1）经验公式

根据海运经验，船舶空船压载后的吃水，至少应该达到夏季满载吃水的50%，冬季航行因为风浪较大，应使其达到夏季满载吃水的55%以上[7]。该参考数据是船舶驾驶员在生产实践中的经验总结，也是航海类图书资料中给出的指导参数。但是该参数取值较粗糙，对不同的船型未区别对待。

2）依据船舶横、纵向受风面积AXW，AYW进行分析

有学者根据照片与实物比尺相似原理[8]，依据受风面积对港口系泊船舶受风高度进行分析。同理，也可通过收集不同吨级的散货船图片，进行统计分析，再结合AXW对船舶压载吃水取值进行分析。然而，船舶纵轴向断面尺寸较复杂，并且不同船型的断面尺寸变化较大，因而很难找到合适并且统一的AXW=f（h）函数[2]。

1.2 国外研究现状

1）国际海事组织（IMO）公式

船舶空载航行时最小平均吃水Tmin=0.02Lbp+2.0，式中：Tmin为船舶最小平均吃水，Lbp为船舶垂线间长。该公式计算较为简便，但仅涉及船舶垂线间长一个参数，对不同类型的船舶未进行区别计算，在港口工程设计中具有一定的局限性[1]。

2）日本港口研究所（PHRI）公式

2 船载AIS压载吃水数据统计分析

2.1 压载吃水数据的收集

为了确保船舶压载吃水选取值与实际相符，按照散货船的不同吨位，本文统计了大量当前营运船舶实际压载吃水情况。数据收集的方法主要通过船载AIS数据收集，船务公司数据收集和引航部门数据收集作为补充。

采用AIS数据收集的原因有2个：首先，AIS设备提供船舶的航次相关信息。航次相关信息由船舶驾驶员手动输入，随航次的不同而更新，其中包括船舶吃水信息。因此，AIS数据中的船舶吃水数据可以真实地反映出船舶的压载状态。其次，AIS在船舶上的应用极为广泛，几乎所有船舶都配备有AIS设备，这也为扩大压载吃水数据收集样本提供了便利。

船务公司通常需要了解其管辖船舶的航次信息，其中就包括船舶吃水信息。同样，船舶申请引航时需提供船舶相关信息，其中也包括船舶实际吃水，以便引航部门做出引航任务决策和相关安排。因此，选择船务公司数据收集和引航部门数据收集作为必要的补充。

2.2 压载吃水数据的处理分析

通过船载AIS数据收集、船务公司数据收集和引航部门数据收集3种数据收集方法得到的各吨级散货船的统计数量如表1所示，本文共收集得到1 031艘各吨级散货船的压载吃水数据。本次研究主要针对较大型船舶，35 000吨级及以上的船舶数量占到了统计总量的93%。

表 1 各吨级散货船统计数量表Tab. 1 Statistical quantity table for each ton bulk carrier

对收集到的处于压载状态的各种吨级散货船的吃水值数据，利用SPSS统计分析软件对其进行统计，得出不同保证率下（50%，80%，85%，90%，95%）的压载吃水值，如表2所示。

由图1可知，不同保证率下的船舶压载吃水值在50 000～100 000 DWT，120 000～200 000 DWT，250 000～300 000 DWT变化规律基本一致。不同保证率下的船舶压载吃水值在100 000～120 000 DWT，200 000～250 000 DWT产生了明显的跳跃性。

表 2 各吨级散货船不同保证率下的压载吃水值Tab. 2 Ballast draft at different guaranteed rates for each ton bulk carrier

3 对比分析

综合分析船舶压载吃水取值的国内外研究现状，考虑到依据船舶横向受风面积AXW进行分析以及依据船舶纵向受风面积AYW进行分析2种方法都存在一定的局限性。本文选取行业认可度较高且应用较为广泛的海运经验公式（以下简称“50%T公式”）、国际海事组织（IMO）公式（以下简称“IMO公式”）、日本港口研究所（PHRI）公式（以下简称“PHRI公式”）3种计算方法与船舶压载吃水实测值进行对比分析。

通过收集《海港总体设计规范》[11]中的设计船型尺度数据，利用50%T公式、IMO公式、PHRI公式对各吨级船型数据进行计算，计算结果如表3所示。

表 3 各吨级散货船压载吃水不同算法结果对比表Tab. 3 Results of different algorithms for the ballast draft of each ton bulk carrier

在海运经验公式的计算中取满载吃水的50%作为压载吃水计算值。在国际海事组织（IMO）公式的计算中，本文以总长近似代替垂线间长代入计算获得压载吃水计算值。在日本港口研究所（PHRI）公式的计算中，散货船的α、β分别取0.551、0.993计算压载吃水值。

将50%保证率、50%T公式、IMO公式、PHRI公式计算值进行比较分析，得到如图2所示的对比图。

综合分析表3及图2的计算数据，可以看出：

1）50%保证率的曲线基本位于50%T公式、IMO公式曲线的上方，即实测压载吃水数据的50%保证率取值基本涵盖了50%T公式、IMO公式计算值的取值范围。50%保证率的曲线基本位于50%T公式曲线和PHRI公式曲线之间。但在小于50 000吨级时，50%保证率的取值要大于PHRI公式的取值。在250 000吨级时，50%保证率的取值大于PHRI公式的取值。

2）80%，85%，90%，95%的保证率曲线均位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲线上方。可以认为50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲线给出了船舶压载吃水的理论计算取值下限，在船舶的实际生产运营中，根据实际情况的不同，大多数船舶的压载吃水值大于给定的理论计算取值下限。

3）50%T公式与PHRI公式曲线的变化规律基本一致，IMO公式曲线与50%T公式及PHRI公式曲线偏差较大。且船型越大，偏差越明显。这说明50%T公式及PHRI公式的取值比IMO公式的取值更保守。IMO公式曲线与50%保证率的曲线相比，也存在船型越大偏差越明显的现象。这说明船舶在实际生产和运营过程中，从保证船舶营运安全的角度考虑，压载吃水的取值也比较保守。

4 结论与建议

1）IMO公式给出的船舶压载吃水是保证船舶航行安全的最低要求，船舶在实际营运过程中，船舶压载吃水的取值要大于该要求，且船型越大，船舶压载吃水的取值越保守。

2）本文中各吨级船舶的压载吃水样本数据包括了船舶的各种载态情况，相比于依据船舶纵向受风面积AYW进行分析的方法更具有一般性和代表性。

3）本文收集的船舶压载吃水数据真实有效，是船舶生产和营运过程中压载吃水的真实反映。通过对船载AIS数据的统计分析，得到不同保证率下（50%，80%，85%，90%，95%）的压载吃水值，可以为生产实践中的船舶压载吃水取值研究提供参考，在港口工程设计等工作中具有较强的实际应用价值。

4）以散货船为例，通过统计分析大量的AIS数据，给出了散货船压载吃水的取值。为解决船舶压载吃水的取值问题提供一种新的解决思路。在今后的研究中，可以借鉴该思路，按照杂货船、散货船、集装箱船等不同船舶类型、不同吨级收集AIS数据，统计分析得出压载吃水取值。

5）对于各船型船舶压载吃水，相关规范和标准中尚未进行统计研究。在将来规范和标准的编写过程中，可以借鉴本文提出的研究方案开展相关研究。

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[11]JTS165-2013, 海港总体设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2014. JTS165-2013, Overall design code for sea ports[S]. Beijing: China Communications Press, 2014.

Determining the bulk carriers’ ballast draft based on AIS data

MA Xiao-bo, DAI Ran, SHOU Zhi-yu, WANG Han-tao
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Considering the bulk carrier ballast draft is a very important parameter in the ship mooring force calculation under ballast condition as well as Clearance height of bridge design. But in port engineering, there is no perfect calculation method. Ship type information of the current specifications and relevant standards also does not mention. Through statistical analysis of ballast draft values from bulk carriers carrying AIS, ballast draft values of different ton bulk carriers under different cumulative frequency were gotten. Compare the statistical results with the calculated results of several domestic and foreign methods, then provide a reference for the study of ballast draft and modification of codes.

bulk carrier；ballast draft；AIS；cumulative frequency

U691

A

1672 – 7649(2017)08 – 0051 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.011

2016 – 07 – 14；

2016 – 08 – 02

交通运输部水运局海轮船舶水上高度调查分析专题研究资助项目([2012]404号)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132013016)；辽宁省东港市獐岛码头工程通航安全评估资助项目(80815040-92)

马晓波(1990 – )，男，硕士研究生，研究方向为船舶智能化。