南海海域超大型油船避臺航線優化及安全評估*

張進峰 彭斯楊 馬偉皓 劉永森

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (國家水運安全工程技術研究中心2) 武漢 430063)(內河航運技術湖北省重點實驗室3) 武漢 430063)

南海海域超大型油船避臺航線優化及安全評估*

張進峰1,2,3)彭斯楊1,2)馬偉皓1)劉永森1,2)

(武漢理工大學航運學院1)武漢 430063) (國家水運安全工程技術研究中心2)武漢 430063)(內河航運技術湖北省重點實驗室3)武漢 430063)

臺風是南海海域影響超大型油船VLCC航行安全的主要災害性天氣，實現安全、科學、有效地避臺對保障VLCC航行安全具有重要的研究意義.在臺風浪數值模擬和船舶失速計算的基礎上，建立了安全約束條件下航時最短為優化目標的航線優化模型，設計動態規劃算法求解全局最優的優化路徑，以某VLCC規避2014年第9號臺風“威馬遜”為例進行了仿真，并運用國際海事組織(IMO)推薦的指南分析了優化航線的安全性.結果表明，提出的航線優化模型達到了安全和航時最短等設定的優化目標，航線安全性分析結果表明，發生諧搖和大幅度橫搖的風險主要集中在避臺后，不會對船舶航行安全構成威脅.

超大型油船；航線優化；避臺；南海；安全評估

0 引 言

隨著我國經濟的發展，原油的需求急劇增加，原油的進口量逐年劇增.根據有關統計資料，2014年我國原油進口3.1億噸，進口原油主要來自中東和北非，其中48%來自中東，承運進口原油的主力船型為30萬噸級的超大型油船(very large crude carrier，VLCC)，上述船舶航線均需通過南海海域，臺風是該海域影響VLCC航行安全最大的自然災害[1]，在VLCC避臺過程中，一旦發生事故，將會造成巨大的直接經濟損失和海洋污染事故，因此，如何安全、科學、有效地避臺是VLCC實現安全生產、保護海洋環境和提高經濟效益的基本保障，開展針對南海臺風的VLCC避臺優化航線研究具有重要的研究意義.

目前，針對VLCC的避臺航線的定量研究較少，主要為一些避臺實踐經驗總結[2].結合VLCC的吃水深、慣性大、操縱不靈活等特點，在船舶失速計算的基礎上，提出保障VLCC航行安全的最短航時航線，以最大程度地減小避臺過程中的繞航和船期損失.根據文獻[3]對優化航線上VLCC發生騎浪和打橫、巨浪連續沖擊、諧搖和大幅度橫搖等風險進行定量評估，確保VLCC避臺航線的安全，研究工作可為我國南海海域VLCC避臺的自動化提供決策依據.

1 風浪中的船舶失速

船舶在大風浪中航行時，由于波浪的擾動作用將使船舶產生縱搖、橫搖和首搖等各種運動，從而引起船舶阻力的增加，使在主機功率不變情況下航速要比靜水中下降.

在進行避臺航線優化過程中，必須對風浪中的船舶失速進行精確的計算.由于失速計算方法的針對性，本文選用Kwon[4]提出的主機功率不變條件下、7級及以下風速的風浪中船舶失速計算公式，船舶失速百分比表示為

×100%=αμσ

(1)

ΔV=V1-V2

(2)

表1 船舶失速系數α

表2 船舶失速方向系數μ

表3 船型系數σ

2 航線優化案例

2.1 臺風個例和船舶概況

文中以2014年第9號臺風“威馬遜”(Rammasun)為研究對象，“威馬遜”是2014年7月16日00時-19日00時(世界時)之間影響我國南海海域的一次超強臺風天氣過程，其移動路徑見圖1.運用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式[5]對“威馬遜”產生的臺風浪進行數值模擬，模式計算結果采用網格輸出，輸出參數為有效波高、平均波長、平均波周期、平均波向等.

實線為“威馬遜”的移動路徑；虛線為船舶計劃航線圖1 海浪模式計算區域

文中以我國一艘實際運營于中東航線的滿載VLCC為例，船型主尺度見表4.所選航線為由我國臺灣海峽至馬六甲海峽方向VLCC通過我國南海的一段實際航線，見圖1中的實線，所選航段起點A的位置為119°00′02″E，23°30′01″N，所選航段終點位置為113°10′03″E，13°20′02″N，船舶通過起點A的時間為2014年7月16日06:00(世界時).

表4 船型主尺度

2.2 航線優化目標函數

在臺風浪數值模擬的基礎上，根據船舶計劃航線、臺風風場和波浪場數據對船舶失速進行了計算.在船舶失速分布的基礎上，建立的VLCC避臺過程中的船舶航行總時間的目標函數可表示為

(3)

s.t.

(4)

(5)

(6)

(7)

為了保障VLCC的航行安全，根據航海實踐，優化航線的安全限制條件為臺風的7級風圈(即風速小于17.2 m/s)外通過.

2.3 航線優化結果

采用動態規劃算法進行求解[6]，優化結果為安全限制條件下的航時最短航路，航線總航行時間為51.27 h，經優化的船舶航路點見表5，各航段的優化航路見圖2.圖2a)～d)分別為船舶航行17.16，29.84，42.31和51.27 h對應的航路點WP3，WP5，WP7和WP9(終點)，圖2中背景為對應時刻的海面有效波高分布.由圖2可見，求解的優化航路為選擇從臺風移動方向后方航行通過，優化航線較好地避開了臺風的大風浪區，可達到安全避離臺風的優化目標，也符合航海實踐.本優化算法全面考慮了臺風浪的動態變化，且每個階段的優化目標都是沿著時間最短的路徑，最終得到的路徑規劃方案是全局最優的.

表5 經優化的船舶航路點

圖2 VLCC優化航線和有效波高分布

3 航線安全性分析

根據文獻[3]，在不利氣象和海況條件下，船舶順浪或偏順浪航行時存在較大的安全風險.順浪航行雖然具有降低波浪對船的相對速度從而緩解波浪對船舶的襲擊，同時船舶在風浪中可以保持較高的船速，有利于擺脫風浪區等優點，但是順浪或偏順浪航行中仍然存在船舶穩性降低、出現打橫、諧搖等危險[7].

3.1 騎浪和打橫風險分析

船舶順浪或偏順浪航行時，處于陡峭大浪最前端而騎浪被加速，即發生騎浪(surf riding)，由于作用在船尾左右兩舷的波浪力不同，在船舶上作用一個使船舶轉向橫浪的力矩，從而會出現航向不穩定狀態，甚至突然產生首搖而橫于波浪中，即所謂打橫(broaching to).此時船舶瞬間產生很大的橫傾，襲來的波浪打到船上便會使船舶陷入非常危險的局面.

圖3 優化航線的船舶航速和浪舷角分布

3.2 巨浪連續沖擊風險分析

根據文獻[3]，當波浪的平均波長大于0.8L且有效波高大于0.04L時，船舶將面臨巨浪連續沖擊(successive high-wave attack)的風險，具體危險區域為波浪遭遇周期為波周期的1.8～3.0倍時，將產生完整穩性損失、諧搖、大幅度橫搖運動或各種危險組合而產生的危險.

優化航線受巨浪連續沖擊影響的危險區域見圖4.

圖4 巨浪連續沖擊時的危險區域

根據VLCC的船舶資料，對本船造成風險的臨界條件為浪的平均波長大于264 m且有效波高大于13.2 m時.根據臺風浪數值模擬結果，優化航線上的波長和有效波高最大值分別為117 m和4.62 m，因此在優化航線上船舶將不受巨浪連續沖擊的影響.由圖4可見，本船航路存在個別階段位于危險區域，考慮到臺風天氣過程中可能遭遇波浪極值，為避免可能產生的遭受巨浪連續沖擊的風險，必要時船舶應降低航速或改變航向.

3.3 諧搖和大幅度橫搖風險分析

根據文獻[3]，當波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR接近時，船舶將產生諧搖(synchronous rolling motion)；當波浪遭遇周期接近于船舶的固有橫搖周期TR的一半時，船舶將產生大幅度橫搖(parametric rolling motion).其中波浪遭遇周期TE和船舶的固有橫搖周期TR分別可表示為

(8)

(9)

C=0.373+0.023(B/d)-0.043(L/100)(10)

當波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR接近的范圍一般為：TE=(0.7-1.3)TR，當波浪遭遇周期TE接近于船舶的固有橫搖周期TR的一半時的范圍為：TE=(0.3-0.7)TR.根據VLCC的船舶資料，優化航線中的波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR關系見圖5～6.由圖5～6可知，優化航線的部分階段存在諧搖和大幅度橫搖的風險，但主要風險區域位于船舶避臺后，船舶受大風浪的影響均有所減弱，因此，本優化航線發生諧搖和大幅度橫搖的風險較小，必要時船舶應及時調整航速或航向.

圖5 波浪遭遇周期與船舶固有橫搖周期接近時危險區域

圖6 波浪遭遇周期與船舶固有橫搖周期的一半接近時的危險區域

4 結 束 語

文中討論了VLCC避臺的優化決策和航線安全性問題，針對南海典型VLCC航線的避臺需求，建立了安全限制條件下的航時最短為優化目標的航線優化模型，采用動態規劃算法求解的優化路徑為全局最優解.對優化航線的安全性進行了風險分析，結果表明，優化的航線不具備發生騎浪和打橫、巨浪連續沖擊的發生條件，但航線在一定范圍內具有發生諧搖和大幅度橫搖的風險，主要風險區域位于船舶避臺后，對船舶航行安全的影響有限，必要時在上述航段船舶應及時調整航速或航向.文中提出的航線優化方法可作為南海區域VLCC避臺的技術依據，為下一階段實現船舶自動化避臺打下基礎.

[1]WANG J W, LI M C, LIU Y X, et al. Safety assessment of shipping routes in the South China Sea based on the fuzzy analytic hierarchy process[J]. Safety Science,2014,62:46-57.

[2]楊福弟.VLCC油輪避臺策略的探討[J].航海技術,2013(4):5-6.

[3]IMO. Revised guidance to the master for avoiding dangerous situations in adverse weather and sea conditions: MSC/Circ.1228[S]. London:International Maritime Organization,2007.

[4]KWON Y J. Speed loss due to added resistance in wind and waves[J]. Naval Architect,2008(3):14-16.

[5]TOLMAN H L. User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14[R]. Noaa/Nws/Ncep/Mmab, Technical Note,2009.

[6]張進峰，王曉鷗，劉永森.基于動態海浪環境的我國近海船舶避臺航線優化[J].中國航海,2016,39(2):45-49.

[7]趙月林.大風浪中船舶順浪和斜順浪航行的危險及對策[J].大連海事大學學報,2006,32(3):5-10.

Optimization of VLCC Avoiding Typhoon Route and Safety Assessment in South Sea

ZHANG Jinfeng1,2,3)PENG Siyang1,2)MA Weihao1)LIU Yongsen1,2)

(School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China)2)(Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China)3)

Typhoon is the major weather disaster which affects the navigation safety of VLCC in the South China Sea. The important significance is considered for avoiding the typhoon safely and efficiently to ensure the navigation safety of VLCC. On the basis of typhoon wave numerical simulation and ship speed loss calculation, the ship route optimization model is established for minimum time route under safety constraints, which is solved by the dynamic programming algorithm for global optimization. Typhoon “Rammasun” (No.1409) is chosen as an example for the simulation. The recommended guidelines of the International Maritime Organization (IMO) are used to analyze the safety of the optimized route. The results show that the proposed route optimization model achieves the goal of safety and minimum time of the ship route. The safety analysis shows that the risk of synchronous rolling and parametric rolling motions is concentrated in the area after avoiding typhoon, so it will not pose a threat to the navigation safety.

VLCC; route optimization; avoiding typhoon; south sea; safety assessment

2017-04-22

*國家自然科學基金項目資助(51209166)

U675.5+4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.009

張進峰(1980—)：男，博士，副教授，主要研究領域為水上交通安全與環境、航線優化