不同水深條件下的VLCC停船性能仿真研究

張德興 北部灣大學海運學院

程義峰 重慶市涪陵區港航管理局

1.引言

世界工業的快速發展離不開能源，石油作為一種主要的能源形式，需求量日益在增大。由于VLCC船舶具有載重量大，相對運輸成本低廉的特點，逐漸成為石油運輸的主力船型。然而正是因為VLCC由于載重量大、吃水大，尺度長、慣性大的特點，其在航行中尤其是進出港等水深受限情況下面臨著更大的碰撞風險。VLCC碰撞事故一旦發生將會帶來巨大的經濟損失和環境損害。船舶碰撞事故的發生在多數情況下都是由于駕駛員對操縱性的掌握不慎所致，這其中的停船性能起著關鍵的作用。充分了解VLCC船舶停船性能對尤其在受限水域條件下對船舶安全有重要意義。目前針對停船性能研究多基于平吃水條件，本文基于模擬器，對該類型船舶在不同水深條件下的停船性能進行仿真模擬，探究了水深與其停船性能直接的內在聯系。

2.不同水深條件下的VLCC停船模擬

2.1 模擬器介紹

本論文基于TRASAS船舶操縱模擬器完成，模擬器主要由建模部分和操縱部分構成。建模部分又有場景建模部分Scen Editor和船舶建模部分model editor組成，場景建模部分主要負責虛擬船舶海上實驗場地的建立和實驗條件的編輯，后者負責模擬船舶的建立。操縱部分為NTPRO 5000型操船系統，該系統具有7個可視化視景通道和動態聲像功能的360度三維視景空間，能夠使操縱著具有較好的模擬真實感，即物理真實感、環境真實感和物理真實感。模擬器主要部分如圖1所示。

圖1 模擬器各部分

表1 船舶參數

2.2 仿真船舶參數

本文的研究對象為一艘滿載狀態下的VLCC船舶，通過建模工具完成了該船的幾何建模和運動模型建模。船舶幾何參數見表1，幾何模型見圖2。

2.3 仿真實驗方案

本文研究目的在于探究水深變量對船舶船舶停船性能的影響，故而實驗方案設定時使用控制變量法，除水深變化外，其他條件不變，無風無流，開敞水域。水深變量采用h/d的無量綱數值，選取水深時考慮根據國際操船規范中有關淺水的定義，本文選取將h/d從1.1到2.5區間作為研究范圍，對該范圍內不同水深條件下的停船過程進行了仿真模擬。

圖2 船舶模型

3.不同水深條件下的VLCC停船性能分析

3.1 縱向進距與水深關系的分析

仿真實驗得出了船舶在不同水深條件下的停船縱向進距數據，為了結果的普適性，將縱向進距與船長相比得到了其無量綱值，圖3中橫坐標為水深吃水比，縱坐標為縱向進距與船長之比。通過圖表可以看出隨著水深的增加VLCC的停船縱向進距之間變小，縱向進距與水深成反相關的關系。同時可以看出水深吃水比小于1.5時，水深對縱向進距的影響相對較小，大于1.5以后大幅度下降，水深對縱向進距的影響變得明顯，最終隨著水深的增加趨于不變。

3.2 橫向偏移量與水深關系的分析

橫向偏移量表征船舶停船過程的所需橫向水域大小，對船舶避碰決策有重要意義。通過仿真實驗數據的處理，得到了VLCC船舶在不同水深條件下的停船橫向偏移量，同樣對橫向偏移量進行了無量綱處理，在圖4中橫坐標為水深吃水比，縱坐標為橫向偏移量和船長之比。通過圖4可以看出，對于右旋固定螺距螺旋槳船舶，隨著水深的不斷增加，VLCC的橫向偏轉方向由右偏轉逐漸變為左偏，當水深吃水比小于1.5時，船舶橫向偏移量向右，并隨著水深增加而變小；水深吃水比大于1.5后，船舶橫向偏移量向左，并隨著水深的增加左偏量逐漸增加，最終趨于穩定。

3.3 速度變化與水深關系的分析

圖3 縱向進距與水深關系圖

圖4 橫向偏移量與水深關系圖

圖5 速度變化與水深關系圖

停船過程中船舶速度的變化率大小在一定成程度體現了船舶停船性能的優劣，對于避碰距離的選取至關重要。如圖5所示，圖中橫坐標為停船過程的時間點，縱坐標為船舶縱向速度。通過圖表可以發現水深對速度的下降速率有一定影響，在停車的初始階段水深對速度下降速率影響不大，后續隨著水深的增加速度下降速率逐漸增加，即水深越大船舶的速度變化率越大，停船效果越好。

3.4 航向變化量與水深關系的分析

航向變化量體現出船舶的保向性能，停船實驗開始時船舶的航向為000，故航向變化量即為船舶停止運動時的船舶航向。通過仿真實驗獲取了不同水深條件下的航向變化量，如圖6所示，圖中橫坐標為水深吃水比，縱坐標為航向變化量。通過圖標可以發現，航向變化量的變化規律和停船橫向偏移量基本相似。水深吃水比小于1.5時，對于右旋固定距螺旋槳船舶航向右偏，且右偏值幾乎不受到水深的影響；水深吃水比大于1.5后，航向左偏，且左偏值受水深影響較明顯，隨水深增加左偏量增加，最后趨于平穩。

4.結論

圖6 航向變化量與水深關系圖

本文利用船舶操縱模擬器對不同水深條件下的VLCC停船性能進行了仿真，通過對仿真數據分析得出了停船參數與水深直接的內在聯系。VLCC的停船縱向進距隨著水深的增加而增加，故而在實踐作業中深水條件時的停船操縱要留有更大的安全余量；右旋固定螺距VLCC停船橫向偏移量和航向變化量均隨水深增加先右偏后變左偏，且右偏段右偏量受水深變化影響較小；停船過程中的速降率隨水深的增加而增加。