基于天津港20万吨集装箱船舶模拟试验的操纵方法

杨庆武 熊锐

摘 要：本文通过利用船舶模拟试验的方法，从天津港的通航环境为基础的模拟实验数据着手，同时与笔者多年的天津港引航经验相结合，提出20万吨集装箱船在港内靠离泊智能集装箱码头的一些意见和建议，以供同行参考。

关键词：20万吨集装箱船舶;船舶模拟试验;操纵方法

确保大型集装箱船的靠离泊安全是港口运营工作的重点，也成为引航机构和引航员深入研究和探讨的重要课题，实船通航验证是确定大型集装箱船舶是否满足安全航行的最佳方法，但实船验证受各方面条件的限制难以实施。而使用高仿真的船舶操纵模拟器模拟设计船型在虚拟设计航道进行通航和靠离泊试验，是除实船验证之外较为有效的一种方法，其不仅可以节省大量人力、物力上的费用，而且可以减少实船航行风险，还可以为引航员提供参考依据，制定出最优的引航操纵方案[1]。

1船舶模拟试验概述

船舶模拟试验是根据工程水域的自然条件对船舶及航行环境进行建模，运用船舶操纵模拟器，对工程设计船型在不同环境因素影响下靠离泊作业的航行状态及运行轨迹进行实时仿真，从而验证工程港内船舶安全航行的可行性[2]。

本文模拟试验平台采用NTPRO5000型全任务航海模拟器和操舵模拟器。模拟器系统由教练站、一个主本船、三个副本船以及拖轮室等组成。本模拟器系统可以模拟环境条件下，20万吨集装箱船舶的航行及操纵，能真实地反应出靠离泊操作中本船在锚、车、舵、缆、拖轮作用下的状况。

2船舶模拟试验的应用

2.1 码头工程简介

本文选用天津港北疆港区C段岸线20万吨级智能化集装箱码头作为实例验证，码头面顶高程6.0m，码头前沿设计底高程-18.0m、停泊水域宽度150m;码头前沿线走向为167°～347°，泊位岸线总长1100m，可同时停靠2艘20万吨级集装箱船舶，详见图1所示。

2.2  模拟船型的选取和建模

基于MMG模型的船舶风浪流干扰简化数学运动模型为[3]：

本次模拟试验选用设计船型（20万吨级集装箱船）针对航道航行和船舶靠离泊进行模拟试验，设计船型尺度详见表1。

2.3  模拟操纵试验方案设计

2.3.1风力、风向的选择

以E向（强风向）、ENE向（次强风向）拢风及W向（次常风向）开风为主，少量试验设置NE向和SE向偏拢风、NNW向（常风向）顶风和S向顺风。

20万吨级集装箱船舶模拟试验风力选择6级和7级风为主，少量试验风力设为8级。

2.3.2流速、流向的选择

北港池受防波堤掩护较好，涨落潮流速较小，船舶正常航行时受流的影响较小，完全能利用本船的车舵克服，保持航向及控制船位比较容易，所以流对船舶的影响可以忽略不计。

2.3.3拖轮的配备

在实际工作中，考虑到短时间强阵风等突发因素的影响，港作拖轮总马力通常按船舶载重吨的8～10%配备，即20万吨级船舶配备拖轮总马力16000～20000HP，使用3～4艘5000～6000HP拖轮协助靠离泊作业。

2.3.4会遇规则

根据《天津港主航道及附近水域船舶航行规则》规定，风力大于7级或船舶单船船宽大于等于52米时，航道航行只允许单向航行[4]。因为20万吨级集装箱船宽均超过52米，也就是说20万吨级集装箱船进出港不会存在与他船在航道、港池内会船的现象。

3 模拟试验结果及分析

本次操纵模拟实施了31次靠离泊模拟试验，其中，风力8级、7级和6级情况下模拟试验分别进行了12次、9次和10次。

3.1 8级风情况下模拟试验

风力8级情况下，无论拢风还是偏拢风，20万吨级集装箱船都无法完成靠离泊作业;使用4艘5000HP拖轮协助，20万吨级集装箱船开风情况下离泊作業也十分困难（见图6）。

考虑到短时间强阵风等突发因素及实际工作中拖轮发挥效率的影响，港作拖轮所需马力通常按拖轮总马力的80%计算。模拟试验中配置4艘6000HP拖轮，相当于实际工作中使用了30000HP总马力的拖轮，在这样的拖轮配置下仍无法完成靠离泊作业，可见20万吨级集装箱船在风力8级情况不能安全靠离泊。

3.2  7级风情况下模拟试验

20万吨级集装箱船7级开风情况下，使用4艘5000HP拖轮协助可完成离泊作业;7级拢风情况下，使用4艘6000HP拖轮协助方可完成离泊作业（见图7），相当于实际工作中需要使用30000HP总马力的拖轮协助离泊，而且相对于拢风离泊，拢风情况下靠泊作业更加困难。因此，风力7级，20万吨级集装箱船只能在足够数量和马力的拖轮协助下应急离泊，不能安全进行靠泊作业。

3.3  6级风情况下模拟试验

模拟试验结果表明，风力6级情况下，使用4艘5000HP拖轮协助可完成靠离泊作业（见图8）。

考虑到短时间强阵风等突发因素及实际工作中拖轮发挥效率的影响，实际工作中，拢风、偏拢风情况下靠离泊作业，以及开风情况下靠泊作业应适当增加拖轮马力，并充分发挥侧推器在船舶靠离泊过程中的助泊作用。

4基于模拟试验的操纵方法

前述结论是依托船舶的基础数据和模拟实验结论得出的，这些数据和结论都是理想情况下得出的，在实际操船时，应充分考虑船舶模型与实船性能的差异，因此有必要对船舶操纵的具体细节做进一步的探讨。

4.1  靠泊操纵

（1）余速控制。根据笔者的经验，一般20万吨集装箱船距泊位1nmile时，控制船速在6kn以下;距泊位一倍船长时，控制船速在2kn以下。顶流或开风靠泊时，上述船速可适当提高。

（2）船位控制。船舶在接近智能化集装箱码头前，应及时利用车、舵和拖轮使船舶与码头前沿保持合适的横距和入泊角度，通常以平行靠泊为宜，靠泊角度≤5°。

（3）拢风靠泊。拢风靠泊时，风致漂移显著，应利用好车、舵和首侧推，控制好靠岸速度，防止因压拢速度过快而触碰码头。强拢风靠泊时，船舶与码头间至少保持4倍船宽横距，与码头间横距接近1倍船宽时，横向靠泊速度尽量控制在0.2m/s以内，以防由于拖轮响应速度慢不能及时控制船舶横移。

（4）开风靠泊。应注意抢占上风位置，可根据实际情况及时带缆，并密切注意缆绳的受力情况;同时应注意拖轮的配合使用，控制船舶横向移动速度，使船舶慢慢地平行靠上码头。

（5）靠岸速度。船舶接触码头时，20万吨级船舶横向靠拢速度应控制在0.06～0.08m/s间。

4.2  离泊操纵

（1）调头原则。调头离泊，应遵循迎风调头或向宽敞水域侧调头的原则。

（2）船位控制。在调头离泊过程中，应充分利用车、舵和首侧推控制好船舶姿态和横移，将船位控制在上风处，船位摆正好后方可脱离拖轮。

（3）拢风离泊。应将船舶平拉开泊位1.5倍船宽后方可调头，并注意艏艉与码头的距离;在位置合适后，应及时加车，调整好船位，离泊出港。

（4）开风离泊。应把船位控制在上风侧，防止因船速过小被压向下风侧。

（5）S～SE风离泊。船舶调头至横向受风时向N漂移显著，调头初期，应注意及时使用倒车抢占上风方向，防止继续调头至横风时船舶被压向北侧浅水区。

4.3  拖轮使用

（1）风力6级进港，为了应急之需要，建议在船舶由主航道转入北航道时，港作拖轮应提前在北航道转向处就位;风力6级出港，港作拖轮应随时待命至船舶进入主航道正常航行后，再结束拖轮助泊任务。

（2）考虑到拖轮实际工作状态，当风速16m/s时，需要5艘6000匹马力拖轮才能克服风的影响，如果大船的侧推能正常工作时仍需要4艘6000匹马力拖轮协助。所以，当风速超过16m/s时，已属于高风险作业状态，建议作业条件限定在15m/s以下。当风速超过18m/s时需要6艘5000匹拖轮另加本船侧推才能克服风的影响，不难想象靠泊作业是非常困难的。所以，笔者认为除非应急状态下，应当停止引航作业。

（3）前文知道了克服风压力所需拖轮的数量及马力。但这并不是说所有的拖轮在大船的任何部位全速顶、拖时就能克服风对船舶的影响，相反如果运用拖轮不当则会产生相反的效果。

实际操纵中当风向一定、船舶载态已定的情况下，风压力的作用中心应当是固定的，有一个通常的规律就是风压力作用中心应当更靠近船舶水线上受风面积分布较大处，所以要达到拖力克服风力的目的，必须将较大的拖力总力分配在靠近船舶受风面积较大处附近，将拖轮对船舶形成的合力要与风压力作用中心在同一直线上，且大小相等，方向相反，其判定依据是：当船舶在所有拖轮全速顶、拖时，船舶不发生在拖轮作用下的额外偏转，就说明所有拖轮的合力作用中心与风压力中心是在一条直线上;船舶不发生横向移动，说明风压力与拖力这两个力是大小相等，方向相反。

（4）實际操纵中欲使大船取得最大的转船力矩，拖轮的位置应配备在大船首尾远离重心处[5];欲使大船产生横移，拖轮应选择配置在大船重心附近。

（5）假如风力突然增大，所有拖轮全速顶、拖也不能克服风力的影响，不能保证船舶安全时，比较有效的措施是调整风舷角，使风舷角减小甚至使船舶艏向迎风，当船舶艏向迎风后，船舶受风的影响主要是沿船身纵向方向，对船舶运动的影响也主要是与风向相同的后退，此时可以用适当的车级进车来克服。

5  结语

综上所述，通过对20万吨集装箱船开展的模拟试验，明确了不同工况下船舶的靠离泊作业的可行性，从而为天津港实际船舶操纵提供了有力的参考依据。20万吨集装箱船舶在限定的条件下的靠离泊安全是可控的，良好的操纵技能和精心的操作是确保其安全的保障。

参考文献：

[1] 金兴赋，刘成军.基于船舶操纵模拟试验的通航安全评估论证方法[J].青岛远洋船员职业学院学报， 2012， 33（04）：16-18+28.

[2] 张定军，高鹏，赵传刚，等.基于船舶操纵模拟的某海港码头港内水域布置优化[J].水道港口，2016，37（06）：589-592.

[3] 陈前昆. 风载荷作用下船舶能耗响应及优化减阻研究[D].武汉理工大学，2016.

[4] 张弘.天津港超大型货船通航安全的研究[D].大连海事大学， 2012.

[5] 姚宝明.拖轮协助下的船舶操纵[J].航海技术，2011（03）：26-28.