水上飛機起降移動安全區定量計算分析

翁建軍， 秦雪兒， 李亞攀

(1. 武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063; 2. 內河航運技術湖北省重點實驗室, 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)

水上飛機起降移動安全區定量計算分析

翁建軍1,2， 秦雪兒1,2， 李亞攀3

(1. 武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063; 2. 內河航運技術湖北省重點實驗室, 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)

為保障水上飛機起飛和降落過程中航行的安全，提出一種基于水上飛機與船舶安全會遇的移動安全區邊界確定方法。該方法通過分析水上飛機起降階段的航行及操作特點，以船舶跟馳模型研究機理為基礎，構建水上飛機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領域模型；根據水上飛機水面爬升操作特征，考慮水上飛機對水面凈空高度的需求，構建水上飛機爬升時的安全跨障會遇模型；在結合水上飛機領域模型的基礎上，定量界定水上飛機起降移動安全區的尺度。研究結果表明，水上飛機起降移動安全區尺度與水上飛機性能參數、會遇船舶尺度、航向及航速相關。在水上飛機管理應用中，可根據水上飛機機型及應用水域實際交通情況確定水上飛機水面起降移動安全區的尺度。

水路運輸； 水上飛機； 起降； 船舶領域； 移動安全區

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年國際海上避碰規則》將“水上飛機”定義為能在水面操縱而設計的任何航空器。[1]水上飛機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進行。水上飛機碼頭通常建于港口水域，在該水域可能會出現水上飛機與船舶共存的局面，對兩者的航行安全具有較大影響。水上飛機起降操作過程中，在其周圍設置移動安全區[2]是保障其通航安全的有效措施。

目前國內外有關水上飛機的研究較少，對水上飛機移動安全區范圍的設置尚無統一標準，也缺乏相應的設置依據。[3]美國聯邦航空局(Federal Aviation Administration，FAA)發布水上飛機基地建設的相關要求[4]，出臺《水上飛機基地咨詢通告》(Advisory Circular on Seaplane Bases)及歐盟地區性發展基金(European Regional Development Fund，ERDF)Seaplane-Project項目[5]，極大地推進了水上飛機對North Sea區域性的航空作用，但對水上飛機移動安全區的設置指導有限。國內對水上飛機通航安全的研究[6]較少，海事管理部門對水上飛機的管理[7]也存在較多問題。

水上飛機移動安全區的設置不僅要保障水上飛機的航行安全，還要提高其通航水域船舶的航行效率。對此，分析水上飛機滑行、起飛和降落各階段的操縱性能及航行特點[8]，建立水上飛機與船舶的安全會遇間距模型，構建水上飛機領域模型，并結合水上飛機的爬升性能提出定量計算水上飛機移動安全區尺度的方法。

1 水上飛機起降運動特性

水上飛機在滑行、起飛及降落等不同階段的運動狀態各不相同，其從碼頭駛入滑行通道、進入水面操作區進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 水上飛機起飛 加速度變化過程

圖2 水上飛機起飛速度 變化過程

1) 在t0～t1時段內，水上飛機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，水上飛機進入水面操作區并選擇合適的起飛方向進行起飛操作，此時其作變加速運動，航行速度增加越來越快。

3) 在t2～t3時段內，水上飛機在水面操作區進入加速穩定階段，此時其作勻加速運動，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，水上飛機脫離水面進入空中飛行，此時其作變加速運動，并將飛行速度增加至某一穩定值,進入巡航狀態。

水上飛機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水上飛機與船舶安全會遇間距模型

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

圖3 水上飛機與船舶會遇跟馳模型

在水上飛機起降時與來船的會遇跟馳模型中，假設水上飛機在會遇來船時能通過采取緊急措施避免碰撞危險發生，則水上飛機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為水上飛機與船舶的安全會遇間距；l′為駕駛員反應時間內的相對航行距離；tr為駕駛員反應時間；LS為水上飛機與來船的相對制動航行距離；d為水上飛機與船舶間的安全余量，取3倍船長；vS為水上飛機與船舶在同一航向上的相對速度。

(2)

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

對水上飛機的運動參數隨時間t的變化進行積分，可得水上飛機航行速度增加值ΔV與水面變速運動距離RS為

(3)

(4)

水上飛機與來船(制動加速度為aT)的相對運動制動距離LS表示為

(5)

(6)

(7)

根據所建立的水上飛機與來船的安全會遇間距模型，可得

(8)

水上飛機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水上飛機各運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

水上飛機起飛前從碼頭駛入水面操作區及降落后駛離水面操作區靠泊碼頭均需在水面滑行通道上作勻速滑行運動，該過程中的速度約為3 m/s。在該階段，水上飛機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的會遇均對應于相應的安全會遇間距。

2.2.2變速操作階段的安全會遇間距模型

在t1～t3時段內，水上飛機進入水面操作區進行起飛前加速操作，此時通過加速運動達到預定起飛速度，脫離水面飛行。由于水上飛機在進入水面操作區作變速航行階段的航行速度遠大于后方來船的速度，不存在船舶追越水上飛機的情況，因此水上飛機與后方來船不需要設置安全會遇間距。該運行階段水上飛機與來船航行安全間距模型表示為

(10)

水上飛機在t1時刻駛入水面操作區的初始速度為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。水上飛機起飛與降落操作性能不同導致安全會遇間距也不相同。

3 水上飛機領域模型的建立

確定水上飛機的航向后，針對任一方位的來船，可確定相對方位角φR為

φR={φR1,φR2,…,φRn}

(12)

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

DS={PD1,PD2,…,PD}

(13)

通過設定來船與水上飛機的參數，可相應地計算出水上飛機不同方位的安全會遇間距，各安全會遇間距點即組成水上飛機領域。

目前，國際上水上飛機項目一般選址在港口水域。我國首個民用水上飛機基地選址在三亞港。根據有關調研資料，在水上飛機水面操作區附近的船舶中選取一種船型，船舶參數及駕駛員反應時間設置見表1。所選的三亞港水上飛機參數見表2。

表1 來船船舶的參數一覽表

表2 “塞斯納凱旋水路”號水上飛機性能參數一覽表

3.1勻速滑行階段水上飛機領域

輸入水上飛機與船舶的各項參數進行計算，模擬得出水上飛機在勻速滑行階段的領域圖(見圖4)。圖4中該運動階段水上飛機領域4個方位上的安全會遇間距見表3。

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

3.2水上飛機變速操作階段領域

在水上飛機變速運動階段，通過分析水上飛機與來船的安全會遇模型可知，其與水上飛機的速度正相關，該階段水上飛機的速度隨時間不斷增加，其所對應的安全會遇間距也相應增大是一個動態領域模型。

圖4 水上飛機勻速滑行階段領域圖

表3 水上飛機領域4個方位上的安全會遇間距m

3.2.1水上飛機起飛前加速階段領域

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

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

表4 水上飛機起飛時不同速度下的安全會遇間距 m

圖5 水上飛機起飛前加速操作階段領域圖

3.2.2水上飛機降落后減速階段領域

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

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

圖6 水上飛機降落后減速操作階段領域圖

3.3水上飛機凈空需求下的領域

由于水上飛機起降操作區前方可能存在錨泊船等水上“障礙物”，因此水上飛機脫離水面進入空中爬升時在相應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，水面凈空高度應有相應的安全保障值，即水上飛機凈空領域。

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

表5 水上飛機降落時不同速度下的安全會遇間距 m

圖7 水上飛機起飛過程15 m越障示意圖

圖8 水上飛機降落過程15 m越障示意圖

水上飛機脫離水面爬升時，設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對應的飛行距離分別為Hx和Hy，起飛過程中的航行速度和距離分解見圖9。

圖9 水上飛機爬升過程分解

水上飛機在水平方向和垂直方向上的航行速度分解表達式為

(14)

在水平方向上的飛行距離分量Hx表示為

(15)

根據水上飛機的性能參數及其海平爬升率vp，在垂直方向上的航行距離分量Hy表示為

Hy=v0sinθ·t

(16)

根據垂直方向上的分速度v0sinθ=vp進行變形，代入式(15)，則有

(17)

(18)

水上飛機爬升過程中水平移動距離與垂直移動距離直接相關，即跨障越高，則水平方向上所需的距離越遠。考慮到水面凈空高度需求，當水上障礙物高度H(船舶水面以上高度)確定時，可相應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，可知水上飛機安全跨障會遇間距模型與來船水上建筑物高度H相關。

(20)

在水上飛機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。在水面安全會遇距離得以保證的條件下，水上飛機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)發生碰撞。

4 水上飛機起降移動安全區尺度的界定

在結合水上飛機領域模型和安全跨障會遇模型的基礎上，可定量界定水上飛機起降移動安全區的尺度。為便于港口水域船舶對水上飛機移動安全區進行識別，移動安全區的形狀可界定為方形。移動安全區以安全跨障會遇模型(式(20))為長，以水上飛機領域模型邊界(式(10))最大寬度為寬。

水上飛機機型直接影響其移動安全區的尺度，在某港口的同一機型(如表2所示)下，結合其起降水域的通航環境，設置水上飛機與各類參數船舶的會遇，通過依次控制唯一變量定量計算水上飛機在各種會遇情況下的移動安全區尺度(見表6)。

表6 水上飛機移動安全區尺度

在海事管理實務中，水上飛機航行移動安全區可根據水上飛機的性能參數及起降水域的交通特征來確定。

5 結束語

從水上飛機的航行及操作特點出發，借鑒跟馳模型等相關理論，構建水上飛機領域模型，并確定定量計算水上飛機移動安全區尺度的方法。研究得出以下結論：

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

(2) 分別構建滑行階段、起飛和降落階段的水上飛機領域模型，其形狀和尺度隨運動狀態的變化而變化；

(3) 結合安全跨障會遇模型和領域模型邊界確定水上飛機起降移動安全區尺度。

[1] IMO．1972年國際海上避碰規則[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船舶進出港航行移動安全區寬度定量計算分析[J].中國安全科學學報.2013，23(5):68-75.

[3] 褚林塘，葉樹林 . 水上飛機文集 [M]. 北京：航空工業出版社，2011.

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[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.

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[9] 陸軍,吳國強，吳葉斌，等.飛機降落過程自適應控制仿真研究[J].計算機仿真.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研究。E-mail:wjj11233@163.com

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

1000-4653(2016)03-0087-06