集裝箱船墜箱風險分析及安全對策研究

姜偉 劉開龍 程斌 裴志勇 吳衛國

摘 要：以保障集裝箱的安全運輸，本文從理論分析和實驗研究兩方面，對內支線集裝箱船發生墜箱時對應的臨界橫搖角度和角加速度展開研究，建立集裝箱墜落臨界狀態下船舶橫傾角度和角加速度關系的數學模型，開發出集姿態感知、信息傳輸、風險評估及臨界預警于一體的集裝箱船墜箱預警系統，填補了該領域國內外技術空白，對集裝箱船運輸安全可靠性具有積極意義。

關鍵詞：集裝箱船;墜箱實驗;臨界狀態

中圖分類號：U169? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0058-02

1 背景

隨著經濟全球化的不斷發展，大型集裝箱貨輪活動日益頻繁，越來越多的物品以集裝箱的形式運輸。然而水面環境復雜多變，船舶集裝箱落水事故時有發生。據世界海運委員會（WSC）的統計，平均每年約有1390個集裝箱墜海（不包括海難事故）（2013 -2016年平均值）。內支線集裝箱船航行至長江口時，由于風浪作用使其發生六自由度的運動響應，在橫搖、縱搖和首搖的共同作用下，綁扎桿和花籃螺絲會逐漸失去作用，最終導致墜箱事故發生。另外，裝卸控制不當，也會造成集裝箱的墜落。

墜箱事故不僅給航運企業帶來經濟損失，還給航道安全帶來巨大風險，集裝箱裝載的危險化學品還會對水域環境造成嚴重污染。墜箱事故也會導致航運企業的聲譽受損并影響企業的競爭力，因此需要高度重視集裝箱船舶的安全運輸問題。同時建立相關的墜箱預警系統，在出現集裝箱墜落風險時，發出警報信號，同時提供安全航行建議，輔助船長決策，以減少或避免墜箱事故的發生，提高船舶運輸的安全性，保障安全營運。

本文從理論分析和實驗研究兩方面，對內支線集裝箱船發生墜箱時對應的臨界橫搖角度和角加速度展開研究，確定集裝箱墜落臨界狀態。實際應用時姿態測量模塊實時感知船舶姿態，傳輸至安全監測程序，實時處理得到每一時刻對應的橫搖角度和角加速度，對比集裝箱墜落臨界狀態，設定警報閾值，存在墜箱危險時發出警報音，提示船長作出決策，以消除墜箱危險。將上述各項技術研究成果及模塊、程序、警報系統集成，開發出內支線集裝箱船墜箱預警系統，用以保障集裝箱的安全運輸。

2 集裝箱臨界墜箱狀態力學分析

集裝箱墜箱形式有兩種，一種為摩擦力不足導致的滑動脫落，考慮到最上層集裝箱的慣性力最大，假定最上層集裝箱脫落為最危險狀況，如圖1所示;另一種為力矩不平衡導致的轉動脫落，如圖2所示。

針對兩種脫落情況進行力學分析，分別列出臨界狀態的力學方程，整理得到臨界墜落時橫搖角加速度與橫搖角度的關系，可計算得到各橫搖角度θ下的臨界角加速度值α，如圖4所示，曲線與橫坐標軸交點即靜態最小墜落角，曲線和坐標軸所包圍的區域表示理論值情況下的安全區，曲線下方為危險區。

3 集裝箱墜箱實驗研究

為真實再現集裝箱墜箱過程，對力學分析中未能全面系統考慮的各影響因素進行分析，還進行了集裝箱墜箱實驗研究。采用縮比為1：50的船模和集裝箱模型來模擬實船和實際裝載集裝箱，集裝箱模型的布置以及最高層集裝箱模型中心到水線的垂直高度H和最外側集裝箱模型中心距中縱剖面的距離B也采用相同的比例。在最外側頂層集裝箱和甲板正中分別布置姿態測量模塊，同時測量集裝箱橫搖角度和船舶橫搖角度，實驗布置示意圖如圖5所示。測量模塊與電腦采用藍牙通訊方式，數據傳輸速率采用的是100Hz。

先進行了靜態墜落實驗，以測量靜態臨界掉落角。使船舶緩慢橫傾直至集裝箱掉落，測得靜態臨界掉落角，實驗時取三次實驗的最小值為靜態臨界掉落角。在零度和靜態臨界掉落角之間，做系列角度的角加速度墜落實驗。將船舶橫搖角固定在某一角度，通過調整橫搖力矩使得船模及集裝箱模達到一定的角加速度，如集裝箱模型發生墜落，記錄此時的橫搖角度及角加速度。這樣可得到系列橫搖角下臨界墜落角加速度的關系曲線，如圖6所示。曲線上方為安全區不發生墜箱，曲線下方為墜箱危險區，船模實驗值較理論值更加安全。實際使用時，為將墜箱風險降到最低，將實驗值一次擬合線向安全范圍內保留10%裕度，得到實際應用的警戒值。

由式（2）和（4）可知，船模和實船臨界角加速度值滿足尺寸比例n，故將船模警戒值再除以比例n，針對本目標實船，其橫傾角和臨界墜落角加速度的關系為，

4 集裝箱墜箱預警系統

按照前述建立的船舶橫傾角和臨界墜落角加速度警戒值的函數關系，基于MATLAB語言開發了集裝箱船墜箱預警系統，將該函數關系置于系統內，作為判斷集裝箱是否存在墜箱危險給出警報的依據。在船上安裝姿態傳感系統，以實時獲取船舶姿態數據，通過通訊模塊傳輸至集裝箱船墜箱預警系統，當系統檢測到船舶橫傾角度和橫傾角加速度達到警戒值，可能導致墜箱危險時，發出警報蜂鳴音，同時給出操作建議，以便船長及時作出決策，改善船舶集裝箱的安全狀態。集裝箱船墜箱預警系統計算流程如圖6所示。

5 結論

本文對集裝箱臨界墜箱狀態進行力學分析和實驗研究，建立集裝箱墜落臨界狀態下船舶橫傾角度和角加速度關系的數學模型，開發出集姿態感知、信息傳輸、風險評估及臨界預警于一體的集裝箱船墜箱預警系統，填補了該領域國內外技術空白，對集裝箱船運輸安全可靠性具有積極意義。