船舶下沉量的实测研究.doc

第!卷第!期
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交通运输工程学报
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收稿日期9!"":;:";<"
作者简介9戴冉=:>#?;@A男A浙江杭州人A大连海事大学副教授A博士生A从事交通工程研究B
文章编号9:#C:;:#<C=!""!@"!;""D>;"?
船舶下沉量的实测研究
戴冉:A贾传荧!A孙立成:
=:7大连海事大学航海学院A辽宁大连::#"!#E!7大连海事大学航海技术研究所A辽宁大连::#"!#@
摘要9大型船舶进出港的关键之一是富余水深的控制A确定富余水深的最重要的问题是确定船舶
航行时的下沉量=FG&)2@H提出了一种测量船舶下沉量的实测方法A可以精确测量船舶实际下沉量A
找出船舶下沉量和船速之间的关系A为精确确定大型船舶富余水深的标准A最大限度地提高港口水
深的利用率提供保证H对测量原理I传感器的选择I系统的集成及数据处理方法作出了详细的阐述H
该测试方法已在多次实船测试中应用A测量结果表明A该方法正确I可靠I精确A测量结果对指导港
口船舶控制具有实际意义H
关键词9船舶E下沉量E富余水深E测试
中图分类号9J##:7!< 文献标识码9K
LMNMOPQRSTUMNNMVNWXOYZMONXPMZMTY
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5(4)45/-(’505)’.n%+2’)++-.5(4-(55’-(4B
船舶在进入港口浅水区域时A港口为了保证船
舶的航行安全A必须控制船舶留有一定的富余水深H
以往在确定船舶富余水深时A往往采用经验公式确
定船舶航行时的下沉量A但目前进港船舶越来越大A
超大型船舶的富余水深标准往往因为船舶下沉量估
算不准A不能准确地定量确定H所以精确测定船舶下
沉量对精确确定船舶进港吃水控制标准具有重要的
意义H
% 富余水深及其意义
船舶在浅水区域中航行和在泊地进行系泊操纵
时A水深越浅则受到流体力的作用越强A因此不仅操
纵困难A而且当水深极浅时还会陷入危险H
通常当船舶驶入浅水区域时A有可能产生如下
现象9
=:@操纵变得困难A使航行中用舵保向和转向的
万方数据
操作效应极度降低!甚至操舵无效而陷入不能操纵
的困境"
#$%系泊操纵中使船横向移动时受到很大阻力!
必须要用很大的外力支援!同时控制也较困难"
#&%由于在浅水中航行船体下沉较深水中增大!
有时会使船底与海底接触而招致船体’推进器损伤
或主机发生故障(
因此!为了保证船舶安全和航行安全!对水深的
深浅度应有限制(即必须适应水域的条件和状况’适
应操船的方法和条件!使船舶龙骨下的水深保持有
一定的余量才可航行(这余量通常称之为富余水深(
富余水深)海图水深*当时的基准潮高+静止
时船舶吃水
所谓基准潮高!是指用潮汐表求得的当时当地
的潮高(
, 确定富余水深时应考虑的因素与现
有标准
设-./0
为船舶可安全通过航道的最小水深!根
据研究表明!-./0
可表示为
-./0) 1*2
3
4)5
6-47 6- #5%
式中81为船舶静止时的吃水"6-为水深的误差!包
括海况’气象等条件的变化引起的水深变化及海图
的水深误差等"6-5
为船舶在静水中运动时引起的
吃水变化#9:;<=%"6-$
为海浪引起船舶摇荡而产生
的吃水变化"6-&
为维持船舶有足够的操纵能力应
保有的水深余量"6->
为操纵负荷的不稳定和操船
引起纵倾和横倾而使吃水的变化"6-3
为海水’淡水
比重变化而引起的吃水的变化(
分析上式86-可以通过实际测量水位变化及进
行航道勘测得到改正"6-$
在港口中!由于海水深度
受限!涌浪不大!港口又多有遮蔽!船舶摇荡较小!一
般在研究富余水深时不作考虑"6-&
在某一特定港
口一般可根据船舶大小设定为一个常数"6->
在港
口航行中一般可以忽略不计"6-3
可以根据海水密
度的变化采用相应的公式进行改正(因此决定船舶
在港口航行所需的最小水深主要和船舶下沉量6-5
有关(也就是说!船舶安全通航最小水深主要取决于
6-5(所以!准确掌握船舶在航行时的下沉量是确定
船舶富余水深的关键(
如上所述!船舶在浅水区域航行时要留有足够
的富余水深!以避免发生船体触底等损害和确保船
舶具有良好的操纵性能(但是浅水区域中船舶的运
动和操纵性能取决于船舶的状态和所处的环境条
件!因此!确定船舶富余水深时必须考虑以下因素8
#5%船舶状态"
#$%环境条件"
#&%航行支援状况(
目前!国际上通常以欧洲引航协会#?@AB%的
标准为参考!根据具体情况确定适合各港口情况的
船舶富余水深标准(欧洲引航协会建议在安特卫普’
鹿特丹等水深受限的港口采用如下富余水深标准8
海外水道8吃水的$CD"
港外水道8吃水的53D"
港内8吃水的5CD(
通过对上述标准实施过程中的经验总结!加之
超大型船舶进出港口的数量不断增加!欧洲引航协
会又将以上标准减少3D!即8
海外水道8吃水的53D"
港外水道8吃水的5CD"
港内8吃水的3D(
E 船舶下沉量的测量原理
从式#5%知!确定船舶下沉量是确定船舶富余水
深标准的关键(关于船体下沉量的计算方法!目前有
两大类FF理论计算法和由模型及实船试验结果总
结出的经验计算法(理论计算法主要有一维理论得
出的一些方法及由细长体理论得出的一些方法(计
算船舶下沉量的方法很多!绝大多数计算公式都是
根据实验结果并考虑主要船舶参数归纳出来的(
对于大型商船而言!船舶下沉量的最大值发生
在船艏!只要测得船舶的船艏下沉量!即可以得到实
际的船舶下沉量!如图5所示(
图5 船舶下沉量测量原理
G/HI5 @J=KLMLNO/0P/0H.J<O;Q/0H
船舶在航行中产生船艏下沉!造成船艏吃水增
加!同时也使船舶艏部到水面的垂直距离减少!因此
可以通过测量船艏到水面的垂直距离的变化来求得
船舶在不同船速下的实际下沉量(船舶在航行过程
中出现船艏下沉现象!下沉导致船艏吃水增加!这种
船艏下沉引起的吃水增加量是动态变化的!并且变
化的速度较快!因此!要研究船舶下沉量!必须实现
RC 交通运输工程学报$CC$年
万方数据
高动态的数据采集!
影响船舶下沉量的主要因素是船舶的航速及船
舶的尺度"对于一艘特定的船舶"船舶下沉量和船速
的关系最大!
水深也是影响船舶下沉量的一个主要因素"水
深越大"下沉量越小"在研究船舶富余水深时"由于
水深与吃水之比为#$#%#$&左右"可以看成是较为
极限的情况!
船舶下沉量通过测定船舶下沉时"船艏到水面
的距离减少量"可以直接测得船艏下沉量’假定船舶
不变形(!
因此"测定船舶下沉量必须测定的物理量有)
’#(船舶的航速*
’+(船艏到水面的距离*
’,(龙骨下的水深*
’-(船舶的位置’用于寻找每次测量最浅的水深
点(!
这里必须指出的是"从严格意义上讲"此时测得
的船舶下沉量包含了船舶升沉和摇荡产生的船舶吃
水变化"同时还包括海浪的影响!在港内航行"这些
影响都不大"且这些影响是随机变化的"可以通过数
学平差的方法进行处理!
. 传感器的选择
.$/ 位置传感器
采用的012345-&&6型789:接收机是中国
市场上唯一的能接收9码的789:接收机"由于采
用了01234公司的7;<=>3?@ABC专利跟踪技术"其
定位精度是普通89:接收机所根本无法比拟的"其
标称差分定位精度达&$,D!用此接收机作为测试
平台的位置传感器是十分理想的"完全克服了以往
定位装置精度低的缺陷!
012345-&&6获得的精确三维位置"经数学方
法处理后"可得到精确的船舶速度!
.$E 雷达式液位传感器
选用的测量船艏自水面距离的传感设备是德国
F184公司生产的F18490G:雷达式液位传感
器!
雷达式液位传感器可以连续"非接触测量探头
到介质表面的距离"不同的距离对应不同的输出电
流"从而确定出探头到介质的距离!
雷达传感器的天线以波束的形式发射最小H$I
8JK的雷达信号"反射回来的回波信号仍由天线接
收!雷达脉冲信号从发射到接收到运行时间与传感
器到介质表面的距离以及物位成比例!
一束雷达脉冲波的发射时间为#LM"每隔+NI
LM天线系统发射一束脉冲信号!脉冲波束的频率是
,$OCJK"在发射间隔时间内天线系统作为接收装
置使用!仪表分析处理运行时间小于十亿分之一秒
的回波信号并在极短的一瞬间分析处理回波图!
雷达传感器F1849G0:利用特殊的调整间隔
时间的技术将每秒钟,O&&&&&个回波图放大P定
位"然后进行分析处理!
F1849G0:可以每&$#M精确细致地分析处
理这些被放大的回波信号!
F1849G0:雷达式传感器不受温度P压力和
气体的影响"可无接触P快速且精确地测量不同介质
的物位!
Q 实船测试船舶下沉量的过程和记录
精度
’#(采用01234公司的5-&&6型789:接收
机测定船舶位置和船舶速度’位置精确到&$,D"速
度精确到&$#节(!
’+(采用雷达式液位传感器对船艏至海面的平
均垂直距离进行连续测量和记录’每秒,O&万次"平
均值为#DD(!
’,(利用船上的回声测量仪记录水深’精确到
&$#D(!
’-(上述设备的时间同步’精确到#M(!
通过上述程序和所测得的数据"可求取船位P船
速及船头至海面距离的动态变化"结合传感器的位
置订正"即可求出船舶在航行中船艏的实际下沉量!
R 设备安装和数据处理
在船舶下沉量测试中"应保证安装支架的水平"
并且支架必须伸出船头外足够的距离"保证雷达波
打在船舶兴波之外!
在测试中必须测船速为&的基准点"所有测试
得到的至水面距离与船速为&时的距离测值之差即
为船舶下沉量测值!
以下是一艘#H万吨级散货船’0ST0467:
8U431(在狭窄水道的测试数据!
从图+可以看出当船舶起锚后"速度不断增加"
船艏至海面的垂直距离不断减小’即船舶下沉量不
断增大("进入浅水航道后"由于引航员进行变速操
纵"船舶下沉量也不断变化!
图,是将图+的测试结果和789:测得的速度
第+期戴冉"等)船舶下沉量的实测研究O#
万方数据
数据结合起来并进行排序得到!从中可以看出船舶
下沉量是随船舶速度增加而增大的"图#是图$数
据经平滑后得到的曲线!图%是最后提交给用户应
用的船舶下沉量曲线"
图& 按时间顺序的距离测值
’()*& +(,-.-/(012(.3045-2030
图$ 按速度排序的距离测值
’()*$ 67--2.-/(012(.3045-2030
图# 平滑后的距离测值
’()*# ’(33-22(.3045-2030
图% 船舶下沉量预报曲线
’()*% 8/-2(53-2.9:032030
在测得原始数据后!还必须进行如下的数据处
理;
<=>基准数据的求取;根据船舶锚泊和靠泊时测得
的数据!经平差处理后得到速度为?时的基准距离"
<&>水流速度订正;由于船舶下沉量和船速<相
对于水>直接相关!而@A86测得的是船舶的航速
<相对于地>!必须将航速经流速订正为船速!在处理
过程中!必须根据潮汐时间和涨落潮流的流速!在测
试时间段进行流速分配!求出不同时刻的流速!从而
得到船速"
<$>海水比重订正;在有些测试过程中!船舶从
海洋驶入河道!造成船舶平均吃水增大!必须对海水
比重变化所造成的船艏至海面垂直距离的变化进行
订正"
<#>测试结果回归;将订正后的数据进行回归分
析!得到船舶下沉量随船速变化的回归公式!并制作
成测试结果曲线!提供给船舶应用"
B 实船测试实例
<=>于&???年==月C日!在船舶实船测试平台
上加装雷达式液位仪!在宁波港对超大型油轮
DEF6EGHEI6JK轮在通过虾峙门航道时的下沉
量<69:03>进行测量!取得良好效果"
<&>于&???年=&月L日!在宁波港对超大型油
轮DEFMGHEI6JK轮在通过虾峙门航道时的下沉
量<69:03>进行测量"
<$>于&??=年%月&%日至C月#日!在广州港
对大型散装货轮DFNOFHP@6AIHQEK的下沉量
进行了$次测试"
<#>于&??=年R月$日至#日!在广州港对散
装货轮D@MAPM+S*+K的下沉量进行了&次测试"
<%>于&??=年R月L日!在广州港对散装货轮
D德峰K的下沉量进行了测试"
上述所有测试都表明这种测试船舶下沉量的方
法!原理正确T测试性能优良!工作稳定可靠"
参考文献;
UVWVXVYZV[;
\=] \日]^FQQ研究会*超大型船舶操纵要点\G]*北京;
人民交通出版社!=L_&*
\&] 吴秀恒!等*船舶操纵性和耐波性\G]*北京;人民交通
出版社!=LLL*
\$] 蒋维清*船舶原理\G]*北京;人民交通出版社!=LL_*
C& 交通运输工程学报&??&年
万方数据
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