CN103963920A - 一种海轮船舶领域的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海轮船舶领域确定方法，首先建立停船视距模型，然后将后船制动加速度视为非匀速变化的变量，获得后船制动距离，确定后船的停船视距模型，再根据停船视距模型建立船舶领域计算模型，最后将数值代入船舶领域计算模型计算，得到船舶领域具体长轴值。该方法使用简便，无需再依赖专业仿真软件及大量实测值，且根据船舶运动过程提出的船舶领域长值计算模型较以往的一些数学模型计算更精确，特别适合于航速较高的海轮船舶领域确定。因此，本方法可为水上安全航行以及航道规划设计提供重要的依据。

Description

一种海轮船舶领域的确定方法

技术领域

本发明涉及一种海轮船舶领域确定方法，属于船舶交通的技术领域。

背景技术

船舶在航行时，在每艘船舶周围,需要有一个安全缓冲区域，他船进入本船的安全缓冲区域内，一般就认为有碰撞的危险。受道路交通工程研究成果的启发，藤井在研究一条水道的交通容量时，提出了船舶领域，即后继船舶的驾驶员避免进入前一艘船舶周围领域的概念。随着水上交通的日益发达，船舶大型化以及船舶动力的不断扩大，对水上交通容量及安全提出了新的要求，而船舶领域是船舶碰撞危险度评价、航行安全、避碰决策、海上交通容量和航道规划设计等研究的重要理论依据。

自船舶领域提出到现在，一直被认为是研究船舶行为和船舶交通最为有效的理论之一，国内外不少学者对其进行研究分析，对船舶领域的确定可以归纳为两类：一是对某一水域的船舶领域进行实测统计和分析，二是建立船舶的仿真模型来采用解析的方式确定船舶领域值。现有的船舶领域理论大多是通过统计和经验建立起来的，虽然也有通过动力学过程建立船舶领域模型的尝试，且认识到船舶领域与船舶速度密切相关，但目前尚未建立两者之间的明确关系。

因此，根据船舶领域与船舶速度之间的关系，发明一种新的海轮船舶领域的确定方法是目前船舶交通技术领域的当务之急，是确定海上交通安全航行、航道通过能力的重要依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服船舶领域多依赖主观经验值的不足，提供了一种海轮船舶领域确定方法，在现有停船视距理论基础上，从动力学原理出发，综合考虑船舶制动过程中的受力情况和加速度非匀速变化情况，计算得出相应的船舶领域长轴值，可为水上安全航行以及航道规划设计提供重要的依据。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种海轮船舶领域确定方法，包括以下步骤：

步骤A、建立停船视距模型：

当不考虑前船制动距离时，后船的停船视距模型为：S＝S₀+k₀*S+S₂

其中，S₀为两船停止时的安全间距，k₀为反应距离与停船视距之比，S₂为后船制动距离；

步骤B、获得后船制动距离，确定后船的停船视距模型：

步骤B-1、后船制动加速度由下式获得：

其中P为船舶功率，V为船舶相对于水流速度，m是船舶质量，k₁,k₂分别为风荷载、水流力的系数；

步骤B-2、将后船制动加速度视为非匀速变化的变量，对采用变量分离，获得后船制动距离：

步骤B-3、根据步骤B-2获得的后船制动距离，确定后船的停船视距模型：

步骤C、建立船舶领域计算模型：

其中l_船为船长；

步骤D、将数值代入船舶领域计算模型计算，即得到海轮船舶领域值。

进一步地，所述步骤A中两船停止时的安全间距S₀取为1/4倍船长，即S₀＝0.25*l_船。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中风荷载、水流力的系数k₁,k₂分别由下式计算获得：

k₁＝10^{(-0.107+0.62logDW-5)}*49.0*ζ；

k₂＝(0.046Re^-0.134+b)*ρ/2*1.7l_船D+C_bl_船B；

其中，DW为船舶载重吨位(T)，ζ为风压不均匀折减系数，Re为水流对船舶 作用的雷诺系数，b为系数，ρ为水的密度，D为船舶吃水深度(m)，C_b为船舶方形系数，B为船舶宽度(m)。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的海轮船舶领域确定方法，在停船视距理论基础上，从动力学原理出发，考虑后船制动加速度是一个随速度而变化的变量，将后船制动加速度视为非匀速变化的变量，并综合考虑船舶制动过程中的受力情况，确定船舶领域与船舶速度的关系函数，通过简单的计算得出相应的船舶领域长轴值。该方法具有优点：一是本发明方法使用简便，无需再依赖专业仿真软件及大量实测值；二是本发明根据船舶运动过程提出的船舶领域长值计算模型较以往的一些数学模型计算更精确，特别适合于航速较高的海轮船舶领域确定。因此，本方法可为水上安全航行以及航道规划设计提供重要的依据。

附图说明

图1为本发明的船舶领域示意图。

图2为不同船型及船速对应船舶领域长轴示意图。

图3为海上海轮船舶领域长轴示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

(1)建立停船视距模型

基于停船视距理论，船舶在航道中航行时，前后船运行中同样保持一定的安全距离，如图1所示，其中包括S₀两船停止时的安全间距,S₁反应距离，S₂后船制动距离，因此停船视距S可以按下式表示:

S＝S₀+S₁+S₂ (1)

(1)式中S₀两船停止时的安全间距是指后船停住后，其船头至船尾的距离，海轮船舶速度约为汽车速度的1/4,道路交通中汽车安全间距约为一倍到两倍车长，考虑船舶航行速度与汽车行驶速度的比值，取安全间距为1/4倍船长l_船，若船速过大，考虑船速与车速比值可适当放大。

S₀＝0.25*l_船 (2)

(1)式中S₁反应距离是驾驶员发现前方障碍物，经过反应判断并采取制动措施的反应时间内船舶行驶的距离。在船舶航行中，前后船之间的间距不会在极短的时间内明显改变，根据停船视距理论，反应距离与停船视距的比值k₀上限可取为42％，由此可得：

S₁＝k₀*S (3)

(1)式中S₂后船制动距离是船舶从制动到完全停止的行驶距离。

当不考虑前船制动距离时，将(2)和(3)代入(1)中，可获得后船的停船视距模型：

S＝0.25*l_船+k₀*S+S₂

(2)获得后船制动距离，确定后船的停船视距模型

当驾驶员采取制动措施到完全停止的行驶距离，在汽车行驶时采取制动，轮胎抱死后车辆所受的静摩擦较大，汽车在较短距离就会停止，而行驶的船舶与汽车不同，船舶所受的水流力和风荷载以及船舶制动力均随着船速的变化而变化，船舶制动这一物理过程是变加速度的减速运动，所以船舶的制动距离，对后船制动加速度进行分析：

其中，F是船舶制动力，f₁是风荷载，f₂是水流力，m是船舶质量，各项可表示为：

F＝P/V (5)

f₁＝k₁V₁ ² (6)

f₂＝k₂V₂ ² (7)

式中：P为船舶功率；V为船舶相对于水流速度；k₁,k₂分别为风荷载、水流力的系数；V₁,V₂为风速和水流速度。船舶在制动过程中做减速运动，受到水流荷载、风荷载以及制动力的作用。假定船舶在静水无风的情况下以船速V行驶，则水流及空气以-V的速度相向运动，受力情况如图1所示，制动加速度为：

由此可见，船舶制动加速度是一个随速度而变化的函数f(V)，所以船舶的制动距离并不能像车辆的制动距离按匀减速运动计算，而是一个非匀速变化的变量。为此，对 采用变量分离，则有由此可得：

将式(8)代入式(9)有：

对上式进行积分计算得下式：

由后船制动距离S₂对速度V的函数关系式为(10)，考虑到停船视距由安全间距，反应距离以及制动距离构成，将式(2)、式(3)和式(10)整理代入，则停船视距S关于速度V的函数表达式，即后船的停船视距模型为：

(3)建立船舶领域计算模型

船舶领域是后继船舶的驾驶员避免进入前一艘船舶周围领域。船舶领域是他船进入本船的安全缓冲区域，基于停船视距理论，其长轴长度L由停船视距及船长组成，如图1所示，表示为：

L＝S+l_船

将式(11)代入式(1)中，得到船舶领域的长轴L，即为

在船舶制动过船中，船舶受到自身制动力、风荷载和水流力，但在船舶航行方向， 风荷载远小于水流荷载，以10000吨散货船为例，风荷载系数为0.091远小于水流力系数28400，因此可忽略其对船舶制动的影响。

在船舶领域长轴推导中，假定船舶在静水中航行，船舶速度V就等于船舶相对于水流的速度。当水流以某一速度流动时，无论船舶是上行还是下行，船舶所受到的阻力始终只与船舶与水流的相对速度有关，所以，在计算过程中，船舶速度是指船舶相对于水流的速度，不是对地速度，由此可见，船舶上行和下行所受到的水流阻力是相同的。

该船舶领域模型以后船为中心，前船运行距离当做安全储备。公式(12)中水流对于船舶的阻力可以采用式(7)表示，其中的水流荷载系数k₂可以根据《港口工程荷载规范》采用下式计算：

f₂＝C_yc*ρ/2*V²*S' (13)

C_yc＝0.046Re^-0.134+b (14)

S'＝1.7l_船D+C_bl_船B (16)

公式(13)至(16)中，C_yc为水流力纵向分力系数，ρ为水的密度，S′为船舶吃水线以下表面积；Re为水流对船舶作用的雷诺系数，b为系数；V′为水流速度，L′为船舶吃水线长度，v为水的运动粘滞力系数；D为船舶吃水深度(m)，C_b为船舶方形系数，B为船舶宽度(m)。

由此可得水流荷载系数：

k₂＝(0.046Re^-0.134+b)*ρ/2*1.7l_船D+C_bl_船B (17)

式(12)中风荷载系数可以采用式(6)表示，风荷载系数k₁可参照《港口工程荷载规范》采用下式计算：

f₁＝49.0*10^-5*A*V² (18)

logA＝-0.107+0.62logDW (19)

公式(18)至(19)中，A是船体水面以上受风面积(m²)；DW是船舶载重吨位(T)。

由此可得风荷载系数为：

k₁＝10^{(-0.107+0.62logDW-5)}*49.0*ζ (20)

公式中，ζ是风压不均匀折减系数。

(4)将数值代入船舶领域计算模型计算，即得到海轮船舶领域值。

现以本发明提出的一种船舶领域确定方法以10000吨级散货船在于长江南京以下河段为例进行计算船舶领域长轴值，具体实施步骤如下：

首先确定船舶尺度、动力、船速以及水流速度等参数。10000吨级散货船的船舶长度为150m，船舶主机功率为2144KW，船舶满载质量16442吨，根据江苏航道航速规定，该吨位船舶相对于水流船速约为5～7m/s，水流速度约为2m/s。

然后，计算水流力系数、风荷载系数。将上述对应参数代入k₁的公式(20)进行计算，计算得k₁＝0.091；将上述对应参数代入k₂的公式(17)进行计算，计算得k₂＝28400；由此可见在船舶航行方向水流荷载远大于风荷载，所以对此只需计算水流荷载即可。

其次，确定海轮船舶领域长轴值。根据本发明得到的船舶领域的长轴计算公式(12)，即可计算出船舶领域的长轴值L,n为船舶领域长轴值与船长的比值。

当V＝5m/s时，L＝518.70m，n＝3.45；

当V＝6m/s时，L＝622.63m，n＝4.19；

当V＝7m/s时，L＝733.14m，n＝4.89；

本发明为了验证其合理性，并结合不同海轮船舶尺度及动力条件，根据水域船速限制以及船舶的设计航速，选择合适航速设计值，可以确定不同船舶在不同水域的船舶领域长轴值，验证例如下：

A.长江进江海轮船舶领域

以不同吨位散货船在长江下游航行为例，进行船舶领域计算。根据长江江苏段船舶航行速度规定，顺流最大航速不得超过15节，逆流最大航速不得超过12节，假设水流速度为1m/s，则船舶相对航行速度区间主要为5～7m/s。根据《海港总平面设计规范》可知不同吨位设计船舶的尺度，由公式(12)计算，结果详见表1和图2。

计算结果表明，船舶领域随船长和船速而变，特别是对于船速变化较为敏感。长江下游进江海轮(船舶吨位大于5000吨)相对航行速度为5～7m/s，计算所得船舶领域长为3～5L(船长)，与以往进江海轮船舶领域长度3～4L经验值相近(详见表2)。

表1不同船型及船速对应船舶领域长度(船长L)计算表

表2三维船舶领域模型在水面上长短轴范围

B.开阔海域海轮船舶领域

与进江海轮相比，在开阔海域上航行船舶的航行速度较大，船舶领域也相应地会有所增加。根据相关资料，在开阔海域海轮的相对航行速度可达20～25节，利用各类海轮尺度和动力条件，可分别计算船舶领域长度，计算结果详见表3和图3。

藤井在研究日本沿海水域时，提出了船舶领域模型，认为被追越船舶的船舶领域长度为8L；船舶行驶到需要减速的港口内或狭窄的水域时，其船舶领域长度为6L。上述结果与本次计算较为一致，由此说明本发明中所提出的船舶领域计算公式较为合理可信。

表3.海上海轮船舶领域长轴计算值

由上述试验验证了本发明的方法可以根据船舶领域与船舶速度之间的关系，计算得 出相应的船舶领域长轴值，船舶领域长值计算模型较以往的一些数学模型计算更精确，因此，本方法可为水上安全航行以及航道规划设计提供重要的依据，也是确定海上交通安全航行、航道通过能力的重要依据。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种海轮船舶领域确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、建立停船视距模型：

当不考虑前船制动距离时，后船的停船视距模型为：S＝S₀+k₀*S+S₂

其中，S₀为两船停止时的安全间距，k₀为反应距离与停船视距之比，S₂为后船制动距离；

步骤B、获得后船制动距离，确定后船的停船视距模型：

步骤B-1、后船制动加速度由下式获得：

其中P为船舶功率，V为船舶相对于水流速度，m是船舶质量，k₁,k₂分别为风荷载、水流力的系数；

步骤B-2、将后船制动加速度视为非匀速变化的变量，对采用变量分离，获得后船制动距离：

步骤B-3、根据步骤B-2获得的后船制动距离，确定后船的停船视距模型：

步骤C、建立船舶领域计算模型：

其中l_船为船长；

步骤D、将数值代入船舶领域计算模型计算，即得到海轮船舶领域值。

2.根据权利要求1所述海轮船舶领域确定方法，其特征在于：所述步骤A中两船停止时的安全间距S₀取为1/4倍船长，即S₀＝0.25*l_船。

3.根据权利要求1或2所述海轮船舶领域确定方法，其特征在于：所述步骤B中风荷载、水流力的系数k₁,k₂分别由下式计算获得：

k₁＝10^{(-0.107+0.62logDW-5)}*49.0*ζ；

k₂＝(0.046Re^-0.134+b)*ρ/2*1.7l_船D+C_bl_船B；

其中，DW为船舶载重吨位，ζ为风压不均匀折减系数，Re为水流对船舶作用的雷诺系数，b为系数，ρ为水的密度，D为船舶吃水深度，C_b为船舶方形系数，B为船舶宽度。