水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)定量計算分析

翁建軍， 秦雪兒， 李亞攀

(1. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063; 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3. 寧波港股份有限公司 油港輪駁分公司, 浙江 寧波 315200)

水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)定量計算分析

翁建軍1,2， 秦雪兒1,2， 李亞攀3

(1. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063; 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3. 寧波港股份有限公司 油港輪駁分公司, 浙江 寧波 315200)

為保障水上飛機(jī)起飛和降落過程中航行的安全，提出一種基于水上飛機(jī)與船舶安全會遇的移動安全區(qū)邊界確定方法。該方法通過分析水上飛機(jī)起降階段的航行及操作特點(diǎn)，以船舶跟馳模型研究機(jī)理為基礎(chǔ)，構(gòu)建水上飛機(jī)起降時與在航船舶的安全會遇間距模型，并以此建立水上飛機(jī)領(lǐng)域模型；根據(jù)水上飛機(jī)水面爬升操作特征，考慮水上飛機(jī)對水面凈空高度的需求，構(gòu)建水上飛機(jī)爬升時的安全跨障會遇模型；在結(jié)合水上飛機(jī)領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)上，定量界定水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)的尺度。研究結(jié)果表明，水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)尺度與水上飛機(jī)性能參數(shù)、會遇船舶尺度、航向及航速相關(guān)。在水上飛機(jī)管理應(yīng)用中，可根據(jù)水上飛機(jī)機(jī)型及應(yīng)用水域?qū)嶋H交通情況確定水上飛機(jī)水面起降移動安全區(qū)的尺度。

水路運(yùn)輸； 水上飛機(jī)； 起降； 船舶領(lǐng)域； 移動安全區(qū)

Abstract: In order to prevent a seaplane from coming into collision with vessels while taking-off or landing, a calculation method is worked out for determining the size of the Moving Safety Guard Zone around the seaplane. The navigational characteristics of a seaplane while taking-off and landing are analyzed and the model for safe approaching distance is built on the basis of the mechanism of vessels following model. This model establishes the on-water seaplane domain. According to the climbing operating characteristics of the seaplane, with the necessary headroom for the plane to climb up to be taken into account, the model for the distance ensuring safely crossing obstacles is also established. The combination of the two models makes the model of the resultant seaplane domain with which the Moving Safety Guard Zone around a seaplane is quantified. The study shows that the Moving Safety Guard Zone around a seaplane depends on the performance parameters of a seaplane and the side, course, and speed of the concerned vessels. In the practical operation management of seaplane, the scale of Moving Safety Guard Zone of seaplane is determined by the actual traffic situation and the type of involved seaplane.

Keywords: waterway transportation; seaplane; taking-off and landing; ship domain; moving safety guard zone

《1972年國際海上避碰規(guī)則》將“水上飛機(jī)”定義為能在水面操縱而設(shè)計的任何航空器。[1]水上飛機(jī)接觸水面時的屬性為船舶，而脫離水面時的屬性為航空器，其起降操作需在特定的水面操作區(qū)進(jìn)行。水上飛機(jī)碼頭通常建于港口水域，在該水域可能會出現(xiàn)水上飛機(jī)與船舶共存的局面，對兩者的航行安全具有較大影響。水上飛機(jī)起降操作過程中，在其周圍設(shè)置移動安全區(qū)[2]是保障其通航安全的有效措施。

目前國內(nèi)外有關(guān)水上飛機(jī)的研究較少，對水上飛機(jī)移動安全區(qū)范圍的設(shè)置尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏相應(yīng)的設(shè)置依據(jù)。[3]美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)發(fā)布水上飛機(jī)基地建設(shè)的相關(guān)要求[4]，出臺《水上飛機(jī)基地咨詢通告》(Advisory Circular on Seaplane Bases)及歐盟地區(qū)性發(fā)展基金(European Regional Development Fund，ERDF)Seaplane-Project項目[5]，極大地推進(jìn)了水上飛機(jī)對North Sea區(qū)域性的航空作用，但對水上飛機(jī)移動安全區(qū)的設(shè)置指導(dǎo)有限。國內(nèi)對水上飛機(jī)通航安全的研究[6]較少，海事管理部門對水上飛機(jī)的管理[7]也存在較多問題。

水上飛機(jī)移動安全區(qū)的設(shè)置不僅要保障水上飛機(jī)的航行安全，還要提高其通航水域船舶的航行效率。對此，分析水上飛機(jī)滑行、起飛和降落各階段的操縱性能及航行特點(diǎn)[8]，建立水上飛機(jī)與船舶的安全會遇間距模型，構(gòu)建水上飛機(jī)領(lǐng)域模型，并結(jié)合水上飛機(jī)的爬升性能提出定量計算水上飛機(jī)移動安全區(qū)尺度的方法。

1 水上飛機(jī)起降運(yùn)動特性

水上飛機(jī)在滑行、起飛及降落等不同階段的運(yùn)動狀態(tài)各不相同，其從碼頭駛?cè)牖型ǖ?、進(jìn)入水面操作區(qū)進(jìn)行起飛操作的加速度及速度變化過程分別見圖1和圖2。

圖1 水上飛機(jī)起飛 加速度變化過程

圖2 水上飛機(jī)起飛速度 變化過程

1) 在t0～t1時段內(nèi)，水上飛機(jī)在水面滑行通道勻速滑行，此時其加速度aS=0，航行速度約3 m/s。

2) 在t1～t2時段內(nèi)，水上飛機(jī)進(jìn)入水面操作區(qū)并選擇合適的起飛方向進(jìn)行起飛操作，此時其作變加速運(yùn)動，航行速度增加越來越快。

3) 在t2～t3時段內(nèi)，水上飛機(jī)在水面操作區(qū)進(jìn)入加速穩(wěn)定階段，此時其作勻加速運(yùn)動，航行速度均勻增加，在t3時刻增至50 m/s左右即脫離水面。

4) 在t3～t4時段內(nèi)，水上飛機(jī)脫離水面進(jìn)入空中飛行，此時其作變加速運(yùn)動，并將飛行速度增加至某一穩(wěn)定值,進(jìn)入巡航狀態(tài)。

水上飛機(jī)降落的操作過程為起飛的逆過程。

2 安全會遇間距模型的建立

2.1水上飛機(jī)與船舶安全會遇間距模型

以同一航道內(nèi)船舶跟馳模型為基礎(chǔ)，根據(jù)水上飛機(jī)起降時與船舶的會遇局面，將水上飛機(jī)與來船的航行速度在同一方向上進(jìn)行分解，建立適用于水上飛機(jī)與船舶會遇的跟馳模型(見圖3)。

圖3 水上飛機(jī)與船舶會遇跟馳模型

在水上飛機(jī)起降時與來船的會遇跟馳模型中，假設(shè)水上飛機(jī)在會遇來船時能通過采取緊急措施避免碰撞危險發(fā)生，則水上飛機(jī)與來船的安全會遇間距計算模型為

h=l′+LS+d=vStr+LS+d

(1)

式(1)中：h為水上飛機(jī)與船舶的安全會遇間距；l′為駕駛員反應(yīng)時間內(nèi)的相對航行距離；tr為駕駛員反應(yīng)時間；LS為水上飛機(jī)與來船的相對制動航行距離；d為水上飛機(jī)與船舶間的安全余量，取3倍船長；vS為水上飛機(jī)與船舶在同一航向上的相對速度。

(2)

式(2)中：v0為水上飛機(jī)航速；φ0為水上飛機(jī)航向；vT為來船航速；φT為來船航向。

對水上飛機(jī)的運(yùn)動參數(shù)隨時間t的變化進(jìn)行積分，可得水上飛機(jī)航行速度增加值ΔV與水面變速運(yùn)動距離RS為

(3)

(4)

水上飛機(jī)與來船(制動加速度為aT)的相對運(yùn)動制動距離LS表示為

(5)

(6)

(7)

根據(jù)所建立的水上飛機(jī)與來船的安全會遇間距模型，可得

(8)

水上飛機(jī)在水面上加速起飛的過程中，其與來船的安全會遇間距隨速度的增大也會變大；在起飛的不同階段，其與船舶的安全會遇間距也不相同。

2.2水上飛機(jī)各運(yùn)動階段的安全會遇間距模型

2.2.1勻速滑行階段的安全會遇間距模型

水上飛機(jī)起飛前從碼頭駛?cè)胨娌僮鲄^(qū)及降落后駛離水面操作區(qū)靠泊碼頭均需在水面滑行通道上作勻速滑行運(yùn)動，該過程中的速度約為3 m/s。在該階段，水上飛機(jī)與船舶的安全會遇間距模型為

(9)

任何方位的來船與水上飛機(jī)的會遇均對應(yīng)于相應(yīng)的安全會遇間距。

2.2.2變速操作階段的安全會遇間距模型

在t1～t3時段內(nèi)，水上飛機(jī)進(jìn)入水面操作區(qū)進(jìn)行起飛前加速操作，此時通過加速運(yùn)動達(dá)到預(yù)定起飛速度，脫離水面飛行。由于水上飛機(jī)在進(jìn)入水面操作區(qū)作變速航行階段的航行速度遠(yuǎn)大于后方來船的速度，不存在船舶追越水上飛機(jī)的情況，因此水上飛機(jī)與后方來船不需要設(shè)置安全會遇間距。該運(yùn)行階段水上飛機(jī)與來船航行安全間距模型表示為

(10)

水上飛機(jī)在t1時刻駛?cè)胨娌僮鲄^(qū)的初始速度為3 m/s，在t3時刻脫離水面時的速度為50 m/s，則有

(11)

水上飛機(jī)在減速降落水面過程中與來船的會遇也適用于安全會遇間距模型。水上飛機(jī)起飛與降落操作性能不同導(dǎo)致安全會遇間距也不相同。

3 水上飛機(jī)領(lǐng)域模型的建立

確定水上飛機(jī)的航向后，針對任一方位的來船，可確定相對方位角φR為

φR={φR1,φR2,…,φRn}

(12)

在來船參數(shù)與相對方位角已知時，可計算出該方位角所對應(yīng)的安全會遇間距。水上飛機(jī)的領(lǐng)域邊界曲線由各方位上的安全間距點(diǎn)pDi(i=1,2,…,n)組成，其中DS為水上飛機(jī)領(lǐng)域邊界。

DS={PD1,PD2,…,PD}

(13)

通過設(shè)定來船與水上飛機(jī)的參數(shù)，可相應(yīng)地計算出水上飛機(jī)不同方位的安全會遇間距，各安全會遇間距點(diǎn)即組成水上飛機(jī)領(lǐng)域。

目前，國際上水上飛機(jī)項目一般選址在港口水域。我國首個民用水上飛機(jī)基地選址在三亞港。根據(jù)有關(guān)調(diào)研資料，在水上飛機(jī)水面操作區(qū)附近的船舶中選取一種船型，船舶參數(shù)及駕駛員反應(yīng)時間設(shè)置見表1。所選的三亞港水上飛機(jī)參數(shù)見表2。

表1 來船船舶的參數(shù)一覽表

表2 “塞斯納凱旋水路”號水上飛機(jī)性能參數(shù)一覽表

3.1勻速滑行階段水上飛機(jī)領(lǐng)域

輸入水上飛機(jī)與船舶的各項參數(shù)進(jìn)行計算，模擬得出水上飛機(jī)在勻速滑行階段的領(lǐng)域圖(見圖4)。圖4中該運(yùn)動階段水上飛機(jī)領(lǐng)域4個方位上的安全會遇間距見表3。

水上飛機(jī)在勻速滑行過程中，其領(lǐng)域模型為一個不規(guī)則的橢圓(即前、后半長軸長度不一致)。

3.2水上飛機(jī)變速操作階段領(lǐng)域

在水上飛機(jī)變速運(yùn)動階段，通過分析水上飛機(jī)與來船的安全會遇模型可知，其與水上飛機(jī)的速度正相關(guān)，該階段水上飛機(jī)的速度隨時間不斷增加，其所對應(yīng)的安全會遇間距也相應(yīng)增大是一個動態(tài)領(lǐng)域模型。

圖4 水上飛機(jī)勻速滑行階段領(lǐng)域圖

表3 水上飛機(jī)領(lǐng)域4個方位上的安全會遇間距m

3.2.1水上飛機(jī)起飛前加速階段領(lǐng)域

通過分別設(shè)定水上飛機(jī)起飛前的航行速度(10 m/s，30 m/s和50 m/s)及來船的各項參數(shù)進(jìn)行計算，得到水上飛機(jī)在不同速度下與來船的安全會遇間距值(見表4)。

根據(jù)水上飛機(jī)起飛前加速情況下的不同航行速度，模擬得出水上飛機(jī)起飛前加速操作階段的領(lǐng)域圖(見圖5)。

表4 水上飛機(jī)起飛時不同速度下的安全會遇間距 m

圖5 水上飛機(jī)起飛前加速操作階段領(lǐng)域圖

3.2.2水上飛機(jī)降落后減速階段領(lǐng)域

水上飛機(jī)選擇合適的方位降落水面后，需在水面操作區(qū)作減速運(yùn)動。同理，通過設(shè)定水上飛機(jī)降落后的速度(50 m/s，30 m/s和10 m/s)及與來船的各項參數(shù)進(jìn)行計算，得到水上飛機(jī)在不同速度下與來船的安全會遇間距值(見表5)。

根據(jù)不同的航行速度，模擬得出水上飛機(jī)在降落后減速操作階段的領(lǐng)域圖(見圖6)。

圖6 水上飛機(jī)降落后減速操作階段領(lǐng)域圖

3.3水上飛機(jī)凈空需求下的領(lǐng)域

由于水上飛機(jī)起降操作區(qū)前方可能存在錨泊船等水上“障礙物”，因此水上飛機(jī)脫離水面進(jìn)入空中爬升時在相應(yīng)的海平爬升速度下對水面凈空高度有一定的需求[9]，俯沖降落時同理。由此，為了使其在水面與空中安全過渡，水面凈空高度應(yīng)有相應(yīng)的安全保障值，即水上飛機(jī)凈空領(lǐng)域。

分析水上飛機(jī)各項起降性能參數(shù)及越障條件，建立水上飛機(jī)起飛、降落過程示意圖(見圖7和圖8)。

表5 水上飛機(jī)降落時不同速度下的安全會遇間距 m

圖7 水上飛機(jī)起飛過程15 m越障示意圖

圖8 水上飛機(jī)降落過程15 m越障示意圖

水上飛機(jī)脫離水面爬升時，設(shè)其航向角與水平面的夾角為θ，水平航行分速度為v0x，垂直航行分速度為v0y，水平方向與垂直方向?qū)?yīng)的飛行距離分別為Hx和Hy，起飛過程中的航行速度和距離分解見圖9。

圖9 水上飛機(jī)爬升過程分解

水上飛機(jī)在水平方向和垂直方向上的航行速度分解表達(dá)式為

(14)

在水平方向上的飛行距離分量Hx表示為

(15)

根據(jù)水上飛機(jī)的性能參數(shù)及其海平爬升率vp，在垂直方向上的航行距離分量Hy表示為

Hy=v0sinθ·t

(16)

根據(jù)垂直方向上的分速度v0sinθ=vp進(jìn)行變形，代入式(15)，則有

(17)

(18)

水上飛機(jī)爬升過程中水平移動距離與垂直移動距離直接相關(guān)，即跨障越高，則水平方向上所需的距離越遠(yuǎn)?？紤]到水面凈空高度需求，當(dāng)水上障礙物高度H(船舶水面以上高度)確定時，可相應(yīng)地確定安全跨越障礙物的水平間距模型h3(安全跨障會遇模型)，其中L′為起飛或降落的水面滑行距離。

(19)

將式(18)代入到式(19)中，可知水上飛機(jī)安全跨障會遇間距模型與來船水上建筑物高度H相關(guān)。

(20)

在水上飛機(jī)起降航向和來船水面以上高度已知時，可通過該模型確定跨障所需的水平距離。船舶水面以上的高度越高，則安全跨越該高度所需的水平距離越遠(yuǎn)。在水面安全會遇距離得以保證的條件下，水上飛機(jī)才能安全跨越船舶水面以上高度而不致于在空中與船舶(桅頂)發(fā)生碰撞。

4 水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)尺度的界定

在結(jié)合水上飛機(jī)領(lǐng)域模型和安全跨障會遇模型的基礎(chǔ)上，可定量界定水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)的尺度。為便于港口水域船舶對水上飛機(jī)移動安全區(qū)進(jìn)行識別，移動安全區(qū)的形狀可界定為方形。移動安全區(qū)以安全跨障會遇模型(式(20))為長，以水上飛機(jī)領(lǐng)域模型邊界(式(10))最大寬度為寬。

水上飛機(jī)機(jī)型直接影響其移動安全區(qū)的尺度，在某港口的同一機(jī)型(如表2所示)下，結(jié)合其起降水域的通航環(huán)境，設(shè)置水上飛機(jī)與各類參數(shù)船舶的會遇，通過依次控制唯一變量定量計算水上飛機(jī)在各種會遇情況下的移動安全區(qū)尺度(見表6)。

表6 水上飛機(jī)移動安全區(qū)尺度

在海事管理實(shí)務(wù)中，水上飛機(jī)航行移動安全區(qū)可根據(jù)水上飛機(jī)的性能參數(shù)及起降水域的交通特征來確定。

5 結(jié)束語

從水上飛機(jī)的航行及操作特點(diǎn)出發(fā)，借鑒跟馳模型等相關(guān)理論，構(gòu)建水上飛機(jī)領(lǐng)域模型，并確定定量計算水上飛機(jī)移動安全區(qū)尺度的方法。研究得出以下結(jié)論：

(1) 建立水上飛機(jī)起降時與船舶的安全會遇間距模型，該模型與水上飛機(jī)性能和船型參數(shù)相關(guān)；

(2) 分別構(gòu)建滑行階段、起飛和降落階段的水上飛機(jī)領(lǐng)域模型，其形狀和尺度隨運(yùn)動狀態(tài)的變化而變化；

(3) 結(jié)合安全跨障會遇模型和領(lǐng)域模型邊界確定水上飛機(jī)起降移動安全區(qū)尺度。

[1] IMO．1972年國際海上避碰規(guī)則[S]．中華人民共和國海事局，譯．北京：人民交通出版社，2008．

[2] 文元橋,楊雪，肖長詩. LNG船舶進(jìn)出港航行移動安全區(qū)寬度定量計算分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報.2013，23(5):68-75.

[3] 褚林塘，葉樹林 . 水上飛機(jī)文集 [M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[4] Federal Aviation Administration, U. S. Department of Transportation. Advisory Circular on Seaplane Bases[S]. 1994.

[5] SEAPLANE: Sustainable and Efficient Air Transport-Platform for Linked Analysis of the North Sea Air Transport Environment[S]. European Community-European Regional Development Fund. 2003.

[6] 翁建軍,周陽. 水上飛機(jī)與船舶碰撞風(fēng)險因素建模[J].中國航海.2013，36(3):70-75.

[7] 彭鵬飛,陶維功. 我國水上飛機(jī)的海事管理對策與建議 [J].中國海事，2010(4):48-51.

[8] 武慶威,高霄鵬,吳彬. 水上飛機(jī)滑行階段靜水阻力性能的一種估算方法[J].船海工程.2013，42(3): 54-57.

[9] 陸軍,吳國強(qiáng)，吳葉斌，等.飛機(jī)降落過程自適應(yīng)控制仿真研究[J].計算機(jī)仿真.2011，28(4):53-57.

QuantitativeMethodforEstablishingMovingSafetyZoneAroundSeaplaneDuringTaking-OffandLanding

WENGJianjun1,2,QINXueer1,2,LIYapan3

(1. School of Navigation,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China; 3. Oil Port Barge Branch, Ningbo Port Co., Ltd., Ningbo 315200, China)

V271.5； U691

A

2016-08-11

翁建軍(1965—)，男，浙江諸暨人，教授，碩士，從事船舶避碰、海事管理理論與技術(shù)研究。E-mail:wjj11233@163.com

秦雪兒(1992—)，女，湖北監(jiān)利人,碩士生，從事交通運(yùn)輸工程研究。E-mail:785084060@qq.com

1000-4653(2016)03-0087-06