大型邮轮进出海港所需通航宽度计算与软件开发

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(1.武汉理工大学 a.航运学院；b.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063；2.长岛海事处，山东 烟台 265800；3.青岛海业油码头有限公司，山东 青岛 266000)

目前，对于邮轮所需通航宽度的计算笼统的按照普通商船尺度进行研究，缺乏针对邮轮的通航宽度确定方法，因大型邮轮具有受风面积大等特点，运用普通商船的方法来确定通航宽度，误差较大，且《海港总体设计规范》(以下简称《规范》)并未给出风级大于7级，流速大于1.0 m/s时风、流压差角和船舶漂移倍数的取值，进而无法利用《规范》求出上述通航环境下邮轮进出港所需的通航宽度值[1]。

以往的研究多集中于内河、沿海其他类型船舶的通航宽度的研究[2-7]。加拿大相关部门在确定通航宽度时，考虑了岸滩条件、船舶会遇、船舶操纵性、风流影响等因素，给出了在流速大于1.5 kn时的通航宽度计算方法[8]。关于大型邮轮进出海港所需通航宽度的研究较少。

为此，拟在《规范》中提出的船舶航道宽度计算公式的基础上，综合考虑邮轮自身操作特性、邮轮航行基本尺度所需通航宽度、风致漂移量、流致漂移量等影响因素，构建大型邮轮进出海港所需通航宽度计算模型。

1 模型建立

1.1 《规范》中船舶通航宽度的计算

《规范》中关于船舶通航宽度的理论计算[9]考虑了风速、流速的影响，但是对风的影响未做具体规定，只是将风的级数限定为小于7级，而对风级大于7级，流速大于1.0 m/s时风、流压差角和船舶漂移倍数的取值没有涉及。因此，无法利用《规范》计算以上条件下邮轮进出海港所需的通航宽度，而在邮轮进出港时，需要根据当时的风速、流速条件，对船舶进出港所需的航道宽度进行计算。

1.2 大型邮轮进出海港所需通航宽度建模

不同的规范准则针对船舶进出港时所需通航宽度计算方法各有不同，所考虑的影响因子也各有差异，对于邮轮所需通航宽度只是笼统采用普通商船尺度，缺乏针对性。

一般情况下邮轮的操纵性能要比普通货船的操纵性能优越，但是大型邮轮受风面积很大，在进出海港的航行过程中，很容易受外界环境，尤其是风、流的影响，所以邮轮进出海港的通航宽度与普通货船的通航宽度是不同的。

根据船舶操纵原理，认为邮轮进出海港所需通航宽度主要考虑三方面：邮轮航行基本尺度所需通航宽度、邮轮的流致漂移量和邮轮的风致漂移量。

基于此，改进在风和流影响下邮轮进出海港所需通航宽度BL计算公式。

BL=ΔBω+ΔBα+WB

(1)

式中：ΔBω为邮轮流致漂移量,m；ΔBα为邮轮风致漂移量,m；WB为邮轮航行基本尺度所需通航宽度。

1)邮轮航行基本尺度所需通航宽度计算原理见图1。

图1 邮轮航行基本尺度所需通航宽度示意

(2)

(3)

式中：L为邮轮长度，m；B为邮轮宽度，m；c为邮轮与航道边界之间的安全距离，m。

2)邮轮流致漂移量的计算。邮轮进出海港航行时，在海流影响下，邮轮会产生流致漂移量。

ΔBw=vcTsinα

(4)

(5)

式中：vc为流速,m/s；α为流压角,(°)；T为漂移时间,s；n为船长的倍数；Vs为邮轮航速,kn。

3)邮轮风致漂移量的计算。邮轮在航行中受风时，将向下风方向产生一定量的漂移量。由于邮轮水线面以上的受风面积大，在邮轮进出海港航行过程中，很容易受到风的影响而产生偏转，邮轮向下风方向漂移，故而产生风致漂移量。风向与邮轮船舷之间存在夹角，简称风舷角，使邮轮的实际受风面积发生改变。因此风舷角不同，邮轮的实际受风面积也不同。实际受风面积与风弦角的关系见图2，综合考虑以上因素，改进后的风致漂移量计算为

(6)

Bw=L·d

(7)

(8)

图2 船体水线上侧实际受风面积与风舷角之间的关系

1.3 软件设计

利用MATLAB开发邮轮进出海港所需通航宽度的计算软件，进行通航环境参数为定值时的计算，可将通航环境参数中的某一项设置为变量，其他参数为定值，得到基于某项参数为变量时的一系列通航宽度值，同时可以根据一系列通航宽度值得到相应的直线图像，软件界面见图3。

图3 邮轮进出海港通航宽度计算软件界面

2 算例

2.1 青岛港邮轮码头介绍

青岛港邮轮码头位于青岛港老港区大港池口门处，6号码头西南侧。码头建设规模为1个总吨位150 000 t邮轮泊位，码头长度490 m，陆域纵深95 m。码头结构按照总吨位220 000 t邮轮预留，地理位置见图4。

图4 青岛港邮轮码头位置示意

2.2 邮轮码头设计船型

参考目前已统计的国内外最大船型及其他规范船型，设计船型尺度见表1。

表1 典型设计船型尺度表

2.3 自然环境

1)风况。根据团岛气象站风资料，常风向和强风向均为NW向，出现频率为13.82%；次常风向为SE向和NNW向，出现频率分别为12.26%和12.09%。全方位大于等于6级风出现频率为4.04%。大于等于7 级风出现频率为1.83%[10]。

2)水文情况。青岛海域的潮汐属于正规半日潮。潮位值从青岛理论最低低潮面起算，根据验潮资料计算得到结果见表2。

表2 青岛港潮位特征值

胶州湾海流属于规则的半日潮流。涨潮流速大于落潮流速，最大可超过40～50 cm/s。最大涨潮流速为55 cm/s，方向为345°。最大落潮流速为53 cm/s，方向为130°。

根据实测资料，常浪向NW向，频率为10.43%。次常浪向为NE向，频率为7.52%。强浪向为NNE向，该向H1/10>1.1 m的频率为0.38%。

2.4 “天海新世纪”号邮轮进出青岛港所需通航宽度计算

1)基于“规范”的“天海新世纪”邮轮进出青岛港所需通航宽度计算。

邮轮进出青岛港时，按照单向通航考虑，横流流速取4种情况，见表3、4，而邮轮的航速取4种情况。

表3 固定航速“天海新世纪”号邮轮进出青岛港航行所需的通航宽度(横风≤7级、航速6 kn)

表4 不同航速“天海新世纪”号邮轮进出青岛港航行所需的通航宽度(横风≤7级、航速8、10、12 kn)

2)基于改进模型的“天海新世纪”号邮轮进出青岛港航行通航宽度计算.

邮轮长度252 m，宽度32 m，吃水8 m，邮轮受风面积为7 862.4 m2。计算结果见表5。

表5 不同航行长度下邮轮的通航宽度统计 (流压角27°，偏航角5°，海流流速0.8 m/s))

2.5 结果分析

数据分析可知：基于《规范》计算得到邮轮在风速为13.8 m/s、航速在6 kn时的通航宽度为167 m。而在同等环境条件下利用本文计算模型得出的邮轮通航宽度是一系列动态值。基于《规范》的计算结果与基于优化模型计算结果中航行长度在1倍船长的通航宽度值接近，验证了优化模型的准确性和可信度，另外，当邮轮定向航行时所需要的通航宽度明显增大，所以邮轮进出青岛港航行时需要合理用舵，使邮轮航行在既定航道内，以免发生搁浅事故。

表6 不同风速下邮轮的通航宽度统计表(流压角27°，偏航角5°，航速8 kn)

表7 不同海流流速下邮轮通航宽度统计(流压角27°，偏航角5°，航速8 kn)

图5 航速8 kn时不同风速下邮轮的通航宽度软件计算界面

图6 航速8 kn时不同海流流速下邮轮通航宽度软件计算界面

风速和海流流速的变化会导致邮轮航行所需通航度的快速变化，所以邮轮进出青岛港期间要密切注意风速和流速的变化，尽量选择在二者影响较小的时刻进出港，以防因风流影响使邮轮漂移出航道发生搁浅事故。

3 结论

1)将利用邮轮进出海港通航宽度计算软件的结果与利用“规范”中提出的船舶航道宽度计算公式的计算结果进行对比，结果基本相同，验证了优化模型的准确性和可信度。

2)大型邮轮进出海港所需通航宽度计算的新方法。综合考虑了邮轮自身操作特性、邮轮航行基本尺度所需通航宽度、风致漂移量、流致漂移量等影响因素，运用MATLAB设计了计算软件，可方便、快捷的实现在不同邮轮航行长度、风速、海流流速下的通航宽度的计算，弥补了《规范》对邮轮所需通航宽度计算笼统的按照普通商船尺度进行研究及无法对超规范通航条件通航宽度进行计算的不足。

3)虽已将尽可能多的因素考虑进去，但未考虑驾驶员发现邮轮偏移反应过程、邮轮改向过程、受其他过往船舶影响的漂移量等，在以后的研究中，应对以上未考虑的因素进行深入研究，以对模型进行完善和改进。