基于AIS數(shù)據(jù)的油船壓載吃水的確定

馬曉波，張　杰，戴　冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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基于AIS數(shù)據(jù)的油船壓載吃水的確定

馬曉波，張杰，戴冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

考慮到油船壓載吃水在壓載工況下的系泊船舶作用力計算、橋梁凈空高度設(shè)計等工作中是十分重要的參數(shù)，但在港口工程中尚無完善的計算方法，現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標準的船型資料中亦未提及，通過對大量油船船載AIS數(shù)據(jù)中壓載吃水值的統(tǒng)計分析，得到不同噸級油船不同累計頻率下的壓載吃水值。將得到的統(tǒng)計結(jié)果與國內(nèi)外幾種油船壓載吃水計算方法得到的計算結(jié)果進行比對分析，為船舶壓載吃水的取值和規(guī)范修訂提供參考。

油船；壓載吃水；AIS；累計頻率

港口工程現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標準的船型資料中給出了基于一定保證率的船舶滿載吃水，但對船舶壓載吃水并未提及[1]。而這一參數(shù)對于壓載工況下的系泊船舶作用力計算、橋梁凈空高度設(shè)計有重要的意義[2]。船載自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)是在甚高頻海上移動頻段，采用時分多址接入技術(shù)，可自動廣播和接收船舶航次相關(guān)信息的系統(tǒng)[3]。SOLAS公約第V章規(guī)定，航行于國際航線的300總噸以上船舶和公約國航行于國內(nèi)航線的500總噸以上的船舶，從2002年7月1日起至2008年7月1日止，分段執(zhí)行配備AIS船載設(shè)備[4]。AIS應(yīng)用廣泛，幾乎所有船舶配備AIS設(shè)備[5-6]。因此，嘗試收集船舶AIS提供的壓載吃水數(shù)據(jù)，通過研究1 000余艘油船的壓載吃水數(shù)據(jù)，給出不同噸級油船基于一定保證率的船舶壓載吃水值。為解決船舶壓載吃水的取值問題提供一種新的解決思路。

1　船舶壓載吃水取值研究現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1)經(jīng)驗公式。根據(jù)海運經(jīng)驗，船舶空船壓載后的吃水，至少應(yīng)該達到夏季滿載吃水的50%，冬季航行因為風浪較大，應(yīng)使其達到夏季滿載吃水的55%以上[7]。該參考數(shù)據(jù)是船舶駕駛員在生產(chǎn)實踐中的經(jīng)驗總結(jié)，也是航海類圖書資料中給出的指導(dǎo)參數(shù)。但是該參數(shù)取值較粗糙，對不同的船型未區(qū)別對待。

2)依據(jù)船舶橫、縱向受風面積AXW、AYW進行分析。有學(xué)者根據(jù)照片與實物比尺相似原理[8]，依據(jù)受風面積對港口系泊船舶受風高度進行了分析。同理，也可通過收集不同噸級的油船的圖片，并進行統(tǒng)計分析，再結(jié)合AXW對船舶壓載吃水取值進行分析。然而，船舶縱軸向斷面尺寸較復(fù)雜，并且不同船型的斷面尺寸變化較大，因而很難找到合適并且統(tǒng)一的AXW=f(h)函數(shù)[2]。

(1)

該方法相對于依據(jù)船舶橫向受風面積AXW進行分析的方法來說，可行性更強、精確度更高。但是該方法在實際的計算過程中，往往只是選取了船舶在一種載態(tài)下的數(shù)據(jù)進行分析。而在船舶的實際運營過程中，隨著外部自然環(huán)境和水域環(huán)境的不同，船舶的載態(tài)是不盡相同的。因此該方法的計算結(jié)果具有一定的局限性。

1.2國外研究現(xiàn)狀

1)國際海事組織(IMO)公式。船舶空載航行時最小平均吃水

(2)

式中：Tmin——船舶最小平均吃水；

Lbp——船舶垂線間長。

該公式計算較為簡便,但僅涉及船舶垂線間長一個參數(shù)，對不同類型的船舶未進行區(qū)別計算，在港口工程設(shè)計中具有一定的局限性[1]。

2)日本港口研究所(PHRI)公式。船舶壓載吃水與最大吃水的關(guān)系式為

(3)

式中:TB——船舶壓載吃水；

Tmax——船舶最大吃水，取滿載吃水；

α、β——為系數(shù)。

該公式考慮了不同貨種和船舶噸位，對港口工程及相關(guān)研究具有重要意義。

2　船載AIS壓載吃水數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1壓載吃水數(shù)據(jù)的收集

為了確保船舶壓載吃水選取值與實際相符，按照油船的不同噸位統(tǒng)計了大量當前營運船舶實際壓載吃水情況。數(shù)據(jù)收集的方法主要通過船載AIS數(shù)據(jù)收集，船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為補充。

采用AIS數(shù)據(jù)的原因：首先，AIS設(shè)備提供船舶的航次相關(guān)信息，該信息由駕駛員手動輸入，隨航次的不同而更新，其中包括船舶吃水。因此，AIS數(shù)據(jù)中的船舶吃水數(shù)據(jù)可以真實反映出船舶的壓載狀態(tài)。其次，AIS在船舶上的應(yīng)用極為廣泛，為擴大壓載吃水數(shù)據(jù)收集樣本提供了便利。

船務(wù)公司通常需要了解其管轄船舶的航次信息，其中就包括船舶吃水信息。同樣，船舶申請引航時需提供船舶相關(guān)信息，其中也包括船舶實際吃水，以便引航部門做出引航任務(wù)決策和相關(guān)安排。因此，選擇船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為必要的補充。

2.2壓載吃水數(shù)據(jù)的處理分析

通過船載AIS數(shù)據(jù)收集、船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集3種數(shù)據(jù)收集方法得到的各噸級油船的統(tǒng)計數(shù)量見表1。

共收集得到1 078艘各噸級油船的壓載吃水數(shù)據(jù)。研究主要針對較大型船舶，50 000 t級及由圖1可知，不同保證率下的船舶壓載吃水值在載重量為10 000～30 000，30 000～80 000，80 000～120 000，120 000～300 000 t時變化規(guī)律基本一致。不同保證率下的船舶壓載吃水值在載重量為10 000～30 000 t時變化較快，在30 000～300 000 t時變化較慢。

表1　各噸級油船統(tǒng)計數(shù)量表

以上的船舶數(shù)量占到了統(tǒng)計總量的91.2%。

利用SPSS統(tǒng)計分析收集到的處于壓載狀態(tài)的各種噸級油船的吃水值數(shù)據(jù)，得出不同保證率下的壓載吃水值，見圖1。

圖1　各噸級油船不同保證率下壓載吃水對比

3　對比分析

綜合分析船舶壓載吃水取值的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，考慮到依據(jù)船舶橫向受風面積AXW進行分析以及依據(jù)船舶縱向受風面積AYW進行分析2種方法都存在一定的局限性，故選取行業(yè)認可度較高且應(yīng)用較為廣泛的海運經(jīng)驗公式(以下簡稱“50%T公式”)、國際海事組織(IMO)公式(以下簡稱“IMO公式”)、日本港口研究所(PHRI)公式(以下簡稱“PHRI公式”)3種計算方法與船舶壓載吃水實測值進行對比分析。

收集《海港總體設(shè)計規(guī)范》[10]中的設(shè)計船型尺度數(shù)據(jù)，利用50%T公式、IMO公式、PHRI公式對各噸級船型數(shù)據(jù)進行計算，計算結(jié)果見圖2。

圖2　各噸級油船壓載吃水不同算法結(jié)果對比

在海運經(jīng)驗公式的計算中取滿載吃水的50%作為壓載吃水計算值。在國際海事組織(IMO)公式的計算中，本文以總長近似代替垂線間長代入計算獲得壓載吃水計算值。在日本港口研究所(PHRI)公式的計算中，油船的α、β分別取0.548、0.966計算壓載吃水值。

比較分析50%保證率、50%T公式、IMO公式、PHRI公式計算值，結(jié)果見圖2。

分析圖2的計算數(shù)據(jù)，可以看出：

1)50%保證率的曲線位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線的上方，即實測壓載吃水數(shù)據(jù)的50%保證率取值基本涵蓋了50%T公式、IMO公式、PHRI公式計算值的取值范圍。實際統(tǒng)計值普遍大于公式計算值。但在小于30 000 t級時，IMO公式的取值要大于50%保證率的取值；在大于300 000 t級時，50%T公式及PHRI公式的取值要大于50%保證率的取值。

2)50%、80%、85%、90%、95%的保證率曲線均位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線上方。認為50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線給出了船舶壓載吃水的理論計算取值下限，在船舶的實際生產(chǎn)運營中，根據(jù)實際情況的不同，船舶的壓載吃水值大于給定的理論計算取值下限。

3)50%T公式與PHRI公式曲線基本重合，IMO公式與50%T公式及PHRI公式曲線偏差較大。且船型越大，偏差越明顯。這說明50%T公式及PHRI公式的取值比IMO公式的取值更保守。IMO公式曲線與50%保證率的曲線相比，也存在船型越大偏差越明顯的現(xiàn)象。這說明船舶在實際的生產(chǎn)和運營過程中，從保證船舶營運安全的角度考慮，壓載吃水的取值也比較保守。

4　結(jié)論

1)IMO公式給出的船舶壓載吃水是保證船舶航行安全的最低要求，船舶在實際營運過程中，船舶壓載吃水的取值要大于該要求，且船型越大，船舶壓載吃水的取值越保守。

2)本文中各噸級船舶的壓載吃水樣本數(shù)據(jù)包括了船舶的各種載態(tài)情況，相比于依據(jù)船舶縱向受風面積AYW進行分析的方法更具有一般性和代表性。

3)本文收集的船舶壓載吃水數(shù)據(jù)真實有效，是船舶生產(chǎn)和營運過程中壓載吃水的真實反映。通過對船載AIS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到不同保證率下(50%、80%、85%、90%、95%)的壓載吃水值，可以為生產(chǎn)實踐中的船舶壓載吃水取值研究提供參考，在港口工程設(shè)計等工作中具有較強的實際應(yīng)用價值。

4)以油船為例，通過統(tǒng)計分析大量的AIS數(shù)據(jù)，給出了油船壓載吃水的取值。為解決船舶壓載吃水的取值問題提供一種新的解決思路。在今后的研究中，可以借鑒該思路，按照雜貨船、散貨船、集裝箱船等不同船舶類型、不同噸級收集AIS數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得出壓載吃水取值。

5)對于各船型船舶壓載吃水，相關(guān)規(guī)范和標準中尚未進行統(tǒng)計研究。在將來規(guī)范和標準的編寫過程中，可以借鑒本文提出的研究方案。

[1] 杜安民,陳志強.船舶壓載吃水估算方法探討[J].中國港灣建設(shè),2015,35(6)：38-40.

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[3] 胡菠.船舶自動識別系統(tǒng)技術(shù)特性的新要求[J].航海技術(shù),2010(6) ：37-39.

[4] 關(guān)政軍,劉彤.航海儀器[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2009：145-146.

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[10] 海港總體設(shè)計規(guī)范JTS165-2013[S].北京:人民交通出版社,2014.

Determining the Tankers’ Ballast Draft Based on AIS Data

MA Xiao-bo, ZHANG Jie, DAI Ran

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Considering the tanker 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 tankers carrying AIS, ballast draft values of different ton tankers under different cumulative frequency are gotten. The statistical results are compared with the calculated results of several domestic and foreign methods. It can provide a reference for the study of ballast draft and modification of codes.

tanker; ballast draft; AIS; cumulative frequency

2016-03-18

2016-04-03

交通運輸部水運局海輪船舶水上高度調(diào)查分析專題研究([2012]404號)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(3132013016)

馬曉波(1990—)，男，碩士生

U674.13；U662.3

A

1671-7953(2016)04-0064-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.016

研究方向:船舶智能化

E-mail:dmu_mxb@163.com