基于天津港20萬噸集裝箱船舶模擬試驗(yàn)的操縱方法

楊慶武 熊銳

摘 要：本文通過利用船舶模擬試驗(yàn)的方法，從天津港的通航環(huán)境為基礎(chǔ)的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)著手，同時與筆者多年的天津港引航經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，提出20萬噸集裝箱船在港內(nèi)靠離泊智能集裝箱碼頭的一些意見和建議，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：20萬噸集裝箱船舶;船舶模擬試驗(yàn);操縱方法

確保大型集裝箱船的靠離泊安全是港口運(yùn)營工作的重點(diǎn)，也成為引航機(jī)構(gòu)和引航員深入研究和探討的重要課題，實(shí)船通航驗(yàn)證是確定大型集裝箱船舶是否滿足安全航行的最佳方法，但實(shí)船驗(yàn)證受各方面條件的限制難以實(shí)施。而使用高仿真的船舶操縱模擬器模擬設(shè)計(jì)船型在虛擬設(shè)計(jì)航道進(jìn)行通航和靠離泊試驗(yàn)，是除實(shí)船驗(yàn)證之外較為有效的一種方法，其不僅可以節(jié)省大量人力、物力上的費(fèi)用，而且可以減少實(shí)船航行風(fēng)險，還可以為引航員提供參考依據(jù)，制定出最優(yōu)的引航操縱方案[1]。

1船舶模擬試驗(yàn)概述

船舶模擬試驗(yàn)是根據(jù)工程水域的自然條件對船舶及航行環(huán)境進(jìn)行建模，運(yùn)用船舶操縱模擬器，對工程設(shè)計(jì)船型在不同環(huán)境因素影響下靠離泊作業(yè)的航行狀態(tài)及運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時仿真，從而驗(yàn)證工程港內(nèi)船舶安全航行的可行性[2]。

本文模擬試驗(yàn)平臺采用NTPRO5000型全任務(wù)航海模擬器和操舵模擬器。模擬器系統(tǒng)由教練站、一個主本船、三個副本船以及拖輪室等組成。本模擬器系統(tǒng)可以模擬環(huán)境條件下，20萬噸集裝箱船舶的航行及操縱，能真實(shí)地反應(yīng)出靠離泊操作中本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的狀況。

2船舶模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

2.1 碼頭工程簡介

本文選用天津港北疆港區(qū)C段岸線20萬噸級智能化集裝箱碼頭作為實(shí)例驗(yàn)證，碼頭面頂高程6.0m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程-18.0m、停泊水域?qū)挾?50m;碼頭前沿線走向?yàn)?67°～347°，泊位岸線總長1100m，可同時?？?艘20萬噸級集裝箱船舶，詳見圖1所示。

2.2? 模擬船型的選取和建模

基于MMG模型的船舶風(fēng)浪流干擾簡化數(shù)學(xué)運(yùn)動模型為[3]：

本次模擬試驗(yàn)選用設(shè)計(jì)船型（20萬噸級集裝箱船）針對航道航行和船舶靠離泊進(jìn)行模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)船型尺度詳見表1。

2.3? 模擬操縱試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.3.1風(fēng)力、風(fēng)向的選擇

以E向（強(qiáng)風(fēng)向）、ENE向（次強(qiáng)風(fēng)向）攏風(fēng)及W向（次常風(fēng)向）開風(fēng)為主，少量試驗(yàn)設(shè)置NE向和SE向偏攏風(fēng)、NNW向（常風(fēng)向）頂風(fēng)和S向順風(fēng)。

20萬噸級集裝箱船舶模擬試驗(yàn)風(fēng)力選擇6級和7級風(fēng)為主，少量試驗(yàn)風(fēng)力設(shè)為8級。

2.3.2流速、流向的選擇

北港池受防波堤掩護(hù)較好，漲落潮流速較小，船舶正常航行時受流的影響較小，完全能利用本船的車舵克服，保持航向及控制船位比較容易，所以流對船舶的影響可以忽略不計(jì)。

2.3.3拖輪的配備

在實(shí)際工作中，考慮到短時間強(qiáng)陣風(fēng)等突發(fā)因素的影響，港作拖輪總馬力通常按船舶載重噸的8～10%配備，即20萬噸級船舶配備拖輪總馬力16000～20000HP，使用3～4艘5000～6000HP拖輪協(xié)助靠離泊作業(yè)。

2.3.4會遇規(guī)則

根據(jù)《天津港主航道及附近水域船舶航行規(guī)則》規(guī)定，風(fēng)力大于7級或船舶單船船寬大于等于52米時，航道航行只允許單向航行[4]。因?yàn)?0萬噸級集裝箱船寬均超過52米，也就是說20萬噸級集裝箱船進(jìn)出港不會存在與他船在航道、港池內(nèi)會船的現(xiàn)象。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次操縱模擬實(shí)施了31次靠離泊模擬試驗(yàn)，其中，風(fēng)力8級、7級和6級情況下模擬試驗(yàn)分別進(jìn)行了12次、9次和10次。

3.1 8級風(fēng)情況下模擬試驗(yàn)

風(fēng)力8級情況下，無論攏風(fēng)還是偏攏風(fēng)，20萬噸級集裝箱船都無法完成靠離泊作業(yè);使用4艘5000HP拖輪協(xié)助，20萬噸級集裝箱船開風(fēng)情況下離泊作業(yè)也十分困難（見圖6）。

考慮到短時間強(qiáng)陣風(fēng)等突發(fā)因素及實(shí)際工作中拖輪發(fā)揮效率的影響，港作拖輪所需馬力通常按拖輪總馬力的80%計(jì)算。模擬試驗(yàn)中配置4艘6000HP拖輪，相當(dāng)于實(shí)際工作中使用了30000HP總馬力的拖輪，在這樣的拖輪配置下仍無法完成靠離泊作業(yè)，可見20萬噸級集裝箱船在風(fēng)力8級情況不能安全靠離泊。

3.2? 7級風(fēng)情況下模擬試驗(yàn)

20萬噸級集裝箱船7級開風(fēng)情況下，使用4艘5000HP拖輪協(xié)助可完成離泊作業(yè);7級攏風(fēng)情況下，使用4艘6000HP拖輪協(xié)助方可完成離泊作業(yè)（見圖7），相當(dāng)于實(shí)際工作中需要使用30000HP總馬力的拖輪協(xié)助離泊，而且相對于攏風(fēng)離泊，攏風(fēng)情況下靠泊作業(yè)更加困難。因此，風(fēng)力7級，20萬噸級集裝箱船只能在足夠數(shù)量和馬力的拖輪協(xié)助下應(yīng)急離泊，不能安全進(jìn)行靠泊作業(yè)。

3.3? 6級風(fēng)情況下模擬試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)力6級情況下，使用4艘5000HP拖輪協(xié)助可完成靠離泊作業(yè)（見圖8）。

考慮到短時間強(qiáng)陣風(fēng)等突發(fā)因素及實(shí)際工作中拖輪發(fā)揮效率的影響，實(shí)際工作中，攏風(fēng)、偏攏風(fēng)情況下靠離泊作業(yè)，以及開風(fēng)情況下靠泊作業(yè)應(yīng)適當(dāng)增加拖輪馬力，并充分發(fā)揮側(cè)推器在船舶靠離泊過程中的助泊作用。

4基于模擬試驗(yàn)的操縱方法

前述結(jié)論是依托船舶的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出的，這些數(shù)據(jù)和結(jié)論都是理想情況下得出的，在實(shí)際操船時，應(yīng)充分考慮船舶模型與實(shí)船性能的差異，因此有必要對船舶操縱的具體細(xì)節(jié)做進(jìn)一步的探討。

4.1? 靠泊操縱

（1）余速控制。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，一般20萬噸集裝箱船距泊位1nmile時，控制船速在6kn以下;距泊位一倍船長時，控制船速在2kn以下。頂流或開風(fēng)靠泊時，上述船速可適當(dāng)提高。

（2）船位控制。船舶在接近智能化集裝箱碼頭前，應(yīng)及時利用車、舵和拖輪使船舶與碼頭前沿保持合適的橫距和入泊角度，通常以平行靠泊為宜，靠泊角度≤5°。

（3）攏風(fēng)靠泊。攏風(fēng)靠泊時，風(fēng)致漂移顯著，應(yīng)利用好車、舵和首側(cè)推，控制好靠岸速度，防止因壓攏速度過快而觸碰碼頭。強(qiáng)攏風(fēng)靠泊時，船舶與碼頭間至少保持4倍船寬橫距，與碼頭間橫距接近1倍船寬時，橫向靠泊速度盡量控制在0.2m/s以內(nèi)，以防由于拖輪響應(yīng)速度慢不能及時控制船舶橫移。

（4）開風(fēng)靠泊。應(yīng)注意搶占上風(fēng)位置，可根據(jù)實(shí)際情況及時帶纜，并密切注意纜繩的受力情況;同時應(yīng)注意拖輪的配合使用，控制船舶橫向移動速度，使船舶慢慢地平行靠上碼頭。

（5）靠岸速度。船舶接觸碼頭時，20萬噸級船舶橫向靠攏速度應(yīng)控制在0.06～0.08m/s間。

4.2? 離泊操縱

（1）調(diào)頭原則。調(diào)頭離泊，應(yīng)遵循迎風(fēng)調(diào)頭或向?qū)挸ㄋ騻?cè)調(diào)頭的原則。

（2）船位控制。在調(diào)頭離泊過程中，應(yīng)充分利用車、舵和首側(cè)推控制好船舶姿態(tài)和橫移，將船位控制在上風(fēng)處，船位擺正好后方可脫離拖輪。

（3）攏風(fēng)離泊。應(yīng)將船舶平拉開泊位1.5倍船寬后方可調(diào)頭，并注意艏艉與碼頭的距離;在位置合適后，應(yīng)及時加車，調(diào)整好船位，離泊出港。

（4）開風(fēng)離泊。應(yīng)把船位控制在上風(fēng)側(cè)，防止因船速過小被壓向下風(fēng)側(cè)。

（5）S～SE風(fēng)離泊。船舶調(diào)頭至橫向受風(fēng)時向N漂移顯著，調(diào)頭初期，應(yīng)注意及時使用倒車搶占上風(fēng)方向，防止繼續(xù)調(diào)頭至橫風(fēng)時船舶被壓向北側(cè)淺水區(qū)。

4.3? 拖輪使用

（1）風(fēng)力6級進(jìn)港，為了應(yīng)急之需要，建議在船舶由主航道轉(zhuǎn)入北航道時，港作拖輪應(yīng)提前在北航道轉(zhuǎn)向處就位;風(fēng)力6級出港，港作拖輪應(yīng)隨時待命至船舶進(jìn)入主航道正常航行后，再結(jié)束拖輪助泊任務(wù)。

（2）考慮到拖輪實(shí)際工作狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速16m/s時，需要5艘6000匹馬力拖輪才能克服風(fēng)的影響，如果大船的側(cè)推能正常工作時仍需要4艘6000匹馬力拖輪協(xié)助。所以，當(dāng)風(fēng)速超過16m/s時，已屬于高風(fēng)險作業(yè)狀態(tài)，建議作業(yè)條件限定在15m/s以下。當(dāng)風(fēng)速超過18m/s時需要6艘5000匹拖輪另加本船側(cè)推才能克服風(fēng)的影響，不難想象靠泊作業(yè)是非常困難的。所以，筆者認(rèn)為除非應(yīng)急狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)停止引航作業(yè)。

（3）前文知道了克服風(fēng)壓力所需拖輪的數(shù)量及馬力。但這并不是說所有的拖輪在大船的任何部位全速頂、拖時就能克服風(fēng)對船舶的影響，相反如果運(yùn)用拖輪不當(dāng)則會產(chǎn)生相反的效果。

實(shí)際操縱中當(dāng)風(fēng)向一定、船舶載態(tài)已定的情況下，風(fēng)壓力的作用中心應(yīng)當(dāng)是固定的，有一個通常的規(guī)律就是風(fēng)壓力作用中心應(yīng)當(dāng)更靠近船舶水線上受風(fēng)面積分布較大處，所以要達(dá)到拖力克服風(fēng)力的目的，必須將較大的拖力總力分配在靠近船舶受風(fēng)面積較大處附近，將拖輪對船舶形成的合力要與風(fēng)壓力作用中心在同一直線上，且大小相等，方向相反，其判定依據(jù)是：當(dāng)船舶在所有拖輪全速頂、拖時，船舶不發(fā)生在拖輪作用下的額外偏轉(zhuǎn)，就說明所有拖輪的合力作用中心與風(fēng)壓力中心是在一條直線上;船舶不發(fā)生橫向移動，說明風(fēng)壓力與拖力這兩個力是大小相等，方向相反。

（4）實(shí)際操縱中欲使大船取得最大的轉(zhuǎn)船力矩，拖輪的位置應(yīng)配備在大船首尾遠(yuǎn)離重心處[5];欲使大船產(chǎn)生橫移，拖輪應(yīng)選擇配置在大船重心附近。

（5）假如風(fēng)力突然增大，所有拖輪全速頂、拖也不能克服風(fēng)力的影響，不能保證船舶安全時，比較有效的措施是調(diào)整風(fēng)舷角，使風(fēng)舷角減小甚至使船舶艏向迎風(fēng)，當(dāng)船舶艏向迎風(fēng)后，船舶受風(fēng)的影響主要是沿船身縱向方向，對船舶運(yùn)動的影響也主要是與風(fēng)向相同的后退，此時可以用適當(dāng)?shù)能嚰夁M(jìn)車來克服。

5? 結(jié)語

綜上所述，通過對20萬噸集裝箱船開展的模擬試驗(yàn)，明確了不同工況下船舶的靠離泊作業(yè)的可行性，從而為天津港實(shí)際船舶操縱提供了有力的參考依據(jù)。20萬噸集裝箱船舶在限定的條件下的靠離泊安全是可控的，良好的操縱技能和精心的操作是確保其安全的保障。

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