防御船舶失控的靠泊速度控制模型研究.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-11-04 作者简介：胡元伦（1982-），男，长江引航中心张家港引航站，一级引航员。防御船舶失控的靠泊速度控制模型研究 胡元伦，郭颜斌，王英辰（长江引航中心张家港引航站，江苏 苏州 215633）摘 要：船舶失控是驾引人员经常面临的危险局面，船舶失控后可能会引发巨大的经济财产损失，导致船舶失控的原因是多方面的，其中之一就是靠离泊期间频繁使用车舵控速，船舶出现失控局面。文中以预防船舶靠泊期间失控为目的，重点研究引航船舶靠泊期间的速度控制、拖轮控制以及人员协调，通过建立速控模型，保证船舶即使船舶出现主机失控，也可在拖轮的配合下平稳靠泊，从而避免不必要的经济财产损失，同时在该模型的操控下，尽量减少用车的频率与幅度，在一定程度上也避免了船舶失控发生的概率。关键词：船舶失控；预防失控；速控模型 中图分类号：U675.95 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0039-03 船舶失控是船舶驾引人员经常要面对的局面，主要包括主机失控、舵机失控及全船失电等情况，船舶发生失控后船舶操纵能力下降，尤其是单车単舵型的海轮，一旦发生失控，如果处置不当，可能造成码头、桥梁以及船舶自身的严重损失。通过对船舶发生失控的原因进行分析，可以发现船舶进行靠离泊或者抛起锚期间，船舶发生主机失控的可能性最大，主要是因为船舶在进行上述操作前，会频繁使用车舵进行控速，调整船位等操作，而频繁的用车舵可能增大主机、舵机的负荷，最终导致船舶发生失控。如何避免船舶发生失控以及船舶失控后如何保证损失最小是文中研究的重点，结合船舶操纵经验可知，靠泊前如何合理使用车舵，保持合适的靠泊速度以及与拖轮的之间的良好协调是预防失控以及失控后成功处置的关键。针对船舶速度的研究相对较多，窦伟等人1针对狭水道通航环境复杂的特点，为防止船舶出现紧迫局面的危险，提出界限航速的概念。李振福2等人为保证船舶航行安全，降低船舶营运成本，建立了不同冰情下的航速优化模型，为北极航线的船舶营运提供决策。朱建炎3在安全航速的基础上，结合长江狭水道的特点，提出进江海轮安全航速决策理论，对进江海轮在长江狭水道航行提供指导。一、靠泊前准备工作 引航员在接收到引航计划后应该制定详细的引航计划，登轮后仔细查看船舶资料并且与船长进行有效沟通，修改引航方案，并注意车舵的效果以及驾驶台资源管理团队对安全操作的影响，下面具体分析操纵设备以及通航环境的影响。（1）推进装置：能否循序渐进逐级减车或者加车。进车，倒车能否及时使用，主机的功率和反应时间，车的使用效率对船速的影响。（2）转向装置：船舶舵效的优劣，操舵后船舶航向改变的快慢。大舵角转向后船舶偏转对船速的影响。风流压外界条件、拖轮对本船的影响下需要用舵来纠正的使用时机。舵叶有可能在靠离泊时绞缠缆绳。（3）锚设备：锚设备处于水面上还是水面下，是否对带缆绳有影响，是否影响到拖轮的使用。靠泊是否会影响到码头碰垫的安全，还要保证紧急状态下能否安全送出锚链，及时刹住锚链。（4）缆绳：本船的带缆顺序。缆绳的粗细材质对带缆工的要求。码头的系缆桩安全负荷是否符合本船的要求。（5）拖轮：拖轮的主机功率，拖轮的整体性能，拖轮缆绳的强度，拖缆带到船舶的不同位置对本船的影响，同时还要考虑拖轮驾驶人员操船水平对本船的影响。（6）侧推：如果船舶装有侧推，还要考虑侧推的使用时机，侧推的功率。船舶装载的不同情况下侧推对本船船首的作用效果，还要考虑如果使用侧推是否对缆绳有影响。（7）风流外界条件：风向、风力、流向以及流速对本船的影响，船舶靠离泊时要综合考虑风流等外界条件确定相应的方案。（8）其他影响安全的因素：驾驶台资源管理团队是否具备安全靠泊的条件；码头工人的熟练程度，工作能力；码头外的水深条件；码头固定设备对本船的影响。在提前与船方交换过靠泊方案信息后，正常情况下的操作步骤包括以下内容：船舶距离泊位 2 海里处将航速控制在合理范围内，通知本轮船员甲板部前后准备，做好靠泊的一切准备工作，带好协助靠泊的辅助拖轮拖缆，注意与船舶安全有关的信息和操作注意事项。船舶距离泊位 1 海里处将航速控制在合理范围内，必要时可利用拖轮后退控速，与船长交代好系缆顺序和注意事项，进一步和拖轮沟通靠泊方案；船舶距离码头 3 倍船长的位置时，调整好本船的船位、余速和靠泊角度，综合协调使用拖轮、车、舵、锚、缆、拖轮以及侧推器，安全靠泊，做好解拖准备，安放舷梯下船。40 中 国 水 运 第 23 卷 表 1 船舶靠泊前准备操作时间表 操作时机 与码头距离 提前时间 本轮船员前后准备的时机 距离泊位 22.5 海里 时间为提前 3040min 拖轮待命准备带缆的时机 1.52 海里处 带缆时间提前约 2030min 码头的准备时间 距离码头 1 海里需要联系码头方 时间提前约 20min 二、船舶靠泊控速模型 船舶靠泊前速度的控制是关键，速度过慢船舶可能在泊位前需要多次用车，以提高船速从而到达泊位处，速度过快则会出现需要加大马力倒车，而此时若要出现主机故障，船舶速度过快可能撞击码头或者无法靠泊，因为靠泊前速度的控制是极其重要的。靠泊前在何处进行速度的控制与多种因素有关，例如船舶尺度、船舶装载情况、辅助拖轮情况、靠泊当日风流情况以及驾引人员心理承受能力等，具体可参考以下公式控制船速：停船距离 D（海里）=船长 L（m）*航速 V（节）/1,000*系数 S，其中系数 S 与载况、水流、拖轮配备、引航员心理素质有关，S=S1*S2*S3。（1）130m 以内船型：V=（D/L）*S1*S2*S3，其参数取值如下：顶流 S1，顺流 S1，平流 S1=1，顶流取小值，顺流取大值；重载 S2，空载 S2，半载 S2=1，重载取大值，空载取小值；心理承受系数 S3。（2）200m 以内船型：V=（D/L）*S1*S2*S3，其参数取值如下：顶流 S1，顺流 S1，平流 S1=1，顶流取小值，顺流取大值；重载 S2，空载 S2，半载 S2=1，重载取大值，空载取小值；心理承受系数 S3。在有拖轮协助靠泊情况下控速，可酌情加减余速。结合上述公式，文中以船长 189.99m 的散货船为例，分别探讨不同装载、风流、有无拖轮时，距离泊位 1 海里时的船舶速度。表 2 空船吃水 6m、无风、无拖轮 顺流 3 节 顺流 2 节 顺流 1 节 平流 顶流 1 节 顶流 2 节 顶流 3 节 5.5 节 6 节 6.5 节 7 节 7.5 节 8.5 节 9 节 表 3 半载吃水 8.5m、无风、无拖轮 顺流 3 节 顺流 2 节 顺流 1 节 平流 顶流 1 节 顶流 2 节 顶流 3 节 不适宜 5.5 节 6 节 6.5 节 7 节 8 节 8.5 节 表 4 重载吃水 10.8m、无风、无拖轮 顺流 3 节 顺流 2 节 顺流 1 节 平流 顶流 1 节 顶流 2 节 顶流 3 节 不适宜 5 节 5.5 节 6 节 6.5 节 7.5 节 8 节 表 5 重载吃水 9m、无风、双拖轮 3500HP 协助靠泊 顶流 3 节 顶流 2 节 顶流 1 节 平流 顺流 1 节 顺流 2 节 8-8.5 节 7.5-8 节 6.5-7.5 节 6-6.5 节 5.5-6 节 5.5 节 上述表格中针对船长为 189.99m 船舶不同条件下速度的控制提出参考值，按照上述表格的建议，船舶靠泊较为平稳，即使船舶发生主机失控，也可成功处置，不会产生较为紧张的局面。三、实例验证 2019 年 3 月 11 日 1100 时，康环轮，189.99M*9.3M，靠泊盛泰 1 泊位，主机故障，靠泊拖轮永泰拖 1，张钢拖 7马力均在 3500HP。2019年5月29日1200，富尔玛轮，188.5M*10.45M，靠泊张家港 4 泊位，主机故障，靠泊拖轮张港 18，张港 20.马力均在 3500HP 以上。2020 年 4 月 8 日 1430，环球雄伟，散货船，船长189.99m，吃水 7.5m，由张家港海轮锚地移泊至张家港港务局码头 1 泊位，协助靠泊拖轮为张港20、张港 18，马力均在3,500HP 以上。下面我重点介绍-环球雄伟轮的验证情况。失控情形：船舶在距离码头 2 海里时开始控速航行，当抵达泊位下游 0.3 海里时本船主机失控，船舶主机不能倒车和进车，船舶只能使用拖轮进行控速的局面。最后由于控速得当，拖轮协助到位，安全靠泊码头。船舶靠泊时发生主机失控仍然选择靠泊的前提条件如下：余速得当（抵泊下端余速控制在 1-1.5 节）。水流流速不宜过快，大约在 1 节左右，尽量不要在 2 节以上的水流靠泊。风力 4-5 级。码头外沿水域不适合抛锚待修理。泊位长度足够（两倍船长）。双锚随时可用。拖轮马力足够，与拖轮形成良好配合。其中速度的控制是关键，下面将具体介绍该轮靠泊期间的速度控制情况。在距离泊位 2 海里处，本轮将速度降到 10 节左右，考虑到本船为空船，后期降速方案有多种选择，本次参考船舶控速模型，即距离泊位 2 海里处，平水状态下，速度保持 10至 11 节。考虑到后期有拖轮协助，速度可以略高于 11 节。由于距离码头 2 海里，距离较远，速度只是参考，不作为必须使用，但是要考虑在 1.5 海里处方便拖轮带缆绳，所以有必要开始采取减车的措施以保证后期船舶处于匀减速状态。在距离泊位 1.5 海里左右，通知协助靠泊的拖轮提前将拖缆带好，方便后期对船舶的控制。船员素质比较差的情况下，需要在更早的位置安排船方带好拖缆。使拖轮和船方尽早磨合，方便后期引航员的安全操作。从 2 海里至 1.2 海里处，本船航速持续降低，此阶段为慢车的效果，主要是本船通过减车，降低输出功率从而达到减速的目的，通常情况下，本船的速度会在原有基础上下降30%至 40%左右。如果航速未达到理想目的，可以采用大舵角转向减速（蛇形航行）或采用拖轮停车以增大航行阻力从而减速。在距离泊位 1 海里处，正常情况下船速应控制在 6 至 7节左右，本航次实际速度为 8.2 节，超过预设航速，所以引航员命令拖轮停车，由本船拖带双拖前行从而达到尽快降低船速的目的。在距离泊位 1 海里处，本轮实际在用 SLOW 车前进，舵效较好，可以有效保持船舶正常航向。在距离泊位 0.8 海里时，本轮速度持续下降，只是此时的 第 4 期 胡元伦等：防御船舶失控的靠泊速度控制模型研究 41 航速较之前而言，下降得更加明显，同样是 1min 时间，后期的速度差就更大。引航员应当结合自己的驾引能力充分估算本轮的速度是否超过自己的心理承受能力。当时本船速度7.5节，也就是说在 0.2 海里的范围内，速度差达到了 1节。V1=4.4m/s v2=3.8m/s s=370m t=93s 匀减速度公式 v1*v1-v2*v2=2as a=（4.4*4.4-3.3*3.8）/2/370 a=0.0066m/s2 在距离泊位 0.6 海里处本轮速度 6.4 节，v3=3.3m/s s1=370 t1=109s a1=（3.8*3.8-3.3*3.3）/2/370 a1=0.0048m/s2 在距离泊位 0.4 海里处本轮的速度 5.1 节，v4=2.6m/s s2=370 t2=124s a2=（3.3*3.3-2.6*2.6）/2/370 a2=0.0055m/s2 通过计算这三段的匀减速度值可知，船舶在受到外力相同的情况下，匀减速度值应该是相同的，而本轮却出现了三个不同的值，这是因为在第一航段和第三航段拖轮都是停车淌航，第二航段出现速降较慢的情况是由于拖轮短时间开车的缘故，因此，拖轮在抵泊前是影响船舶运动状态的最主要因素，如果船舶在靠泊期间发生异常情况，可用的只有三个设备-拖轮，锚，舵。而起主要作用的是拖轮，其次是舵，锚。由此得出结论：在靠泊控速阶段船舶做变速运动，而且越到后期速度差变化越慢，拖轮在抵泊位前的一系列操作，确保了船舶的安全。更最重要的环节是距离泊位 0.4 海里以内船舶速度和船位横距的变化，船舶在拖轮的作用下，抵消风，流，等影响，最后才能在拖轮的协助下成功靠泊。拖轮控速的成败，就是船舶在整个自行控速阶段能否做到遵循事物体运动的客观规律，严格执行安全航速要求。四、结论 文中针对船舶靠泊操作提出一种速度控制模型，目的是综合考虑本船、风流、拖轮等多种因素，以一种防御性思维进行船舶靠泊，防止靠泊过程中船舶发生失控后造成不利影响，同时结合引航船舶靠泊实例，验证速度控制模型的有效性，能够保证船舶在失控局面下安全靠泊码头，规避船舶失控可能带来的损失，通过文中的研究可为船舶靠泊操作的速度控制提供一种参考。参考文献 1 窦伟，封俊，王潭.界限船速在内河避碰中的应用J.中国水运（下半月），2020，20（1）：20-22.2 李振福，关静荣，齐昕.不同冰情影响下的北极船舶航速优化J.大连海事大学学报，2020，46（1）：39-46.3 朱建炎.进江大型海船安全航速决策J.航海技术，2017，（3）：17-20.（上接第 36 页）来建立一个 50的安全箱温度，结果显示在这个温度下，3m 厚的堆不能进行自热3。N.4 试验规定使用的是 100mm 立方体容器，该条件模拟的正是 3m 立方体容器在 50下的条件，对其进行了缩放。虽然通过缩放将实验所需的容器变小了，使得大家方便在实验室进行实验，但是面对种子饼做 N.4 试验出现的这种现象，由于木炭及种子饼货物等都是易于自热的物质，将其放入不同体积的容器中时，体积大的容器中物质的积热能力会更好，体积小的容器内物质积热能力会更差一些。物质积热能力差，则其便需要更高的温度才能差生自燃。其次，N.4试验是利用活性炭 90KJ/mol 的活化能利用 F-K 模型进行缩放的，每种物质的活化能不同，则其缩放的结果也会大不相同。5烘箱条件不同 N.4 试验规定使用容量超过 9L 的热空气循环式烘箱，并能将内部温度控制在 1402内。除此之外没有规定烘箱的操作条件，如风扇转速等，这可能会导致测试之间的差异，并影响不同实验室之间的重现性。众所周知，通过烘箱的容积空气交换率影响了烘箱内的氧气供应以及样品与周围环境的传热，这两者在自加热过程中都起着关键作用。空气交换率可以通过风机转速和限制烘箱进风口或出风口的组合来调节。由于 N.4 试验对于烘箱条件并未做出详细规定，所以不同烘箱条件所产生的试验结果是不同的。因此，为了了解不同烘箱设置对种子饼的自热评估的影响，应该对不同尺寸和品牌的烘箱上进行一系列的测试。为了提高重现性，应实施标准化的烘箱配置，以改善不同烘箱出现不同试验结果的现象。五、结论及展望 根据上述分析可知，种子饼在 N.4 试验的条件下，并未出现自燃或温度比烘箱温度升高 60的情况，即没有发生危险的自热，因此认为目前 N.4 试验并不适合种子饼条目的判定，如果要进行正确的判定，需要对 N.4 试验做出调整。可以根据上文中指出的原因对 N.4 试验条件进行适当的修改，N.4 试验对种子饼进行测试时需要调整温度、活化能、容器体积、烘箱条件等因素，以达到预期效果。完成了上述部分的理论研究后，后续工作将会围绕以下方面进行。首先是通过实验等手段重新计算种子饼货物的活化能值。其次是通过实验观察分析种子饼货物的具体临界温度，对 N.4 试验的容器体积进行重新缩放，以确定一个合适体积的容器。最后对不同烘箱条件进行分析，为 N.4 试验使用的烘箱划定统一的标准。参考文献 1 罗薇，林燕，吉海龙等.船舶载运干纸浆的危险性及安全运输要求J.世界海运，2021，44（10）：28-32.2 Bowes，Cameron.Self-heating and ignition of chemically activated carbon.Journal of Applied Chemistry and Biotechnology，1971，21：244-250.3 Cameron，MacDowall.The self heating of commercial powdered activated carbons.Journal of Applied Chemistry and Biotechnology，1972，22：1007-1018.4 Frank-Kamenetskii.Diffusion and heat transfer in chemical kinetics M.1969.