CN108399279B - 波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法：(一)推算工程区设计波浪条件；(二)确定波浪的主要作用方向；(三)确定控制波高；(四)分析某一波浪方向对应的港内泊位前沿波高与允许作业波高进行比较，当泊位前沿的波高大于允许作业波高时，该波高对应的频率值将计入到损失作业概率中；再将其他波浪方向对应的结果进行叠加，得到不可作业概率，乘以年天数即得到损失作业天数。本发明在波浪资料有限的前提下，能够针对工程港区的波浪条件进行分析，为统计损失作业天数提供了可靠依据；同时结合具体的船型，针对不同的波浪周期和波浪方向给出了泊位允许的作业波高，结果更为合理和准确，对实际操作有指导意义。

Description

波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法

技术领域

本发明涉及港口工程，特别涉及一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法。

背景技术

码头作业天数作为海港码头设计中的重要指标，它会影响码头装卸能力的计算域分析，进而影响平面布置方案、码头运量的预测分析等方面。因此准确评估损失码头作业天数有着非常重要的意义。

码头作业天数是指在自然条件下的作业天数，它等于年日历天数减去不利自然条件下不能作业的天数。而影响码头作业的不利自然条件主要有波、风、雨、雾、冰等。实际上，考虑所有自然条件较为精确地计算损失作业天数是非常困难的，因为大风、大浪等不同要素之间可能存在同时出现的情况，如何扣除不同要素影响作业的重复天数是其中的难点。大多数港口波浪是影响作业天数的重要因素，本发明从波浪因素影响出发，给出波浪影响下计算码头作业天数最为合理的方法。

计算损失作业天数时，现在通常的做法是基于港内波浪资料，根据《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)中给出的允许作业波高，统计损失概率。但这种方法的实施存在以下三个限制因素：

1)实际项目中(尤其是国外工程)仅可搜集到邻近海洋测站波浪数据，缺乏港内实测波浪资料的工程，无法直接使用规范统计损失作业天数。

2)《海港总体设计规范》中给出不同吨位船舶对应的允许作业波高有周期的限制，若超出范围，则需要做专门地论证。

3)规定小于45°的波浪均为顺浪，即小于该数值的浪向对应的允许作业条件相同，但在实际情况是在0°至45°范围内入射角对船舶的作用存在较大的差异，全按一种浪向进行考虑过于简化。如条件允许应尽量细化不同浪向下船舶允许作业波高。

发明内容

本发明以解决以上实际工程问题为导向，针对具体工程，联合波浪数学模型计算和系泊数学模型计算，提供一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，采用本方法可以更为精确地获得码头系泊船舶的作业天数，并且采用措施提高作业天数，确保作业安全和高效。

本发明所采用的技术方案是：一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，包括以下步骤：

步骤A，推算工程区设计波浪条件：根据外海重现期波浪条件，在自工程建设前，利用外海波浪模型推算工程区设计波浪条件，同时为工程后波浪场计算(港内波浪模型)提供边界条件；

步骤B，确定波浪的主要作用方向：模拟主方向波浪传播到码头前沿的方向，通过港内波浪模型进行模拟分析，获得港内波浪分布和比波高数值，并得到各泊位处的波浪作用角度和波浪周期；

步骤C，确定控制波高：波向和周期确定后，在系泊数学模型中建立船舶模型及系泊系统模型，将计算不同波高、不同周期波浪作用下的船舶运动量、缆力以及护舷撞击力；根据作业控制条件，得到不同泊位不同周期对应的允许作业波高；

步骤D，分析某一波浪方向对应的港内泊位前沿波高与允许作业波高进行比较，当泊位前沿的波高大于允许作业波高时，该波高对应的频率值将计入到损失作业概率中；再将其他波浪方向对应的结果进行叠加，得到不可作业概率，乘以年天数即得到损失作业天数。

其中，步骤A具体包括：

步骤A1，采用欧洲中长期后报风场数据资料，根据外海波浪模型计算得到每年工程区附近外海深水区的年波浪极值，进而采用PearsonIII曲线适线法推算不同重现期波要素；

步骤A2，建立模型计算网格，采用三角形网格，设定波浪破碎参数、底部摩擦系数、水位参数；

步骤A3，模型参数设置好后，依据外海波浪模型进行计算，得到的波浪结果可与实测数据进行对比验证，验证吻合后再根据该模型计算，得到工程区域边界波浪数据和分频分级波浪数据。

其中，步骤B具体包括：

步骤B1，基于Boussinesq方程的波浪数学模型，建立港内波浪模型，考虑防波堤、码头及水深地形对波浪传播规律的综合影响，模拟工程建设后的波浪场分布，以步骤A得到的工程区设计波浪条件为计算边界；

步骤B2，通过港内波浪模型，得到港内波浪分布以及比波高数值，为损失作业天数的计算提出基础数据。

其中，步骤C具体包括：

步骤C1，船舶模型的建立；

步骤C2，在频域中进行水动力计算，得到船舶的一阶波浪力、附加质量、辐射阻尼；

步骤C3，在时域模型中，输入船舶的详细参数，并输入风浪流环境参数，模拟缆绳伸长与所受拉力变化曲线和护舷刚度曲线，建立系泊船舶的整体系泊系统模型；

步骤C4，在时域中，统计不同浪向不同周期作用下船舶的六自由度运动量，并将运动量的大小与国际航运协会不同船舶安全作业推荐允许运动范围标准推荐值进行比较，得出研究船舶允许作业波高。

步骤C1中，所述的船舶模型为船舶吃水以下部分，根据船舶型线图建立。

步骤C3中，所述的船舶的详细参数包括：导缆孔及系船柱位置、护舷安装位置、船舶受风面积、重心位置、缆绳和护舷的特性。

其中，步骤D中，得到的损失天数不满足需求，则有以下防控措施：

第一种：返回步骤B修改港内波浪模型，改变防波堤的长度，重新计算港内波浪分布；

第二种：返回步骤C3修改系船柱位置以及缆绳特性，重新计算船舶的非线性动力响应，分析六自由度运动量的变化，重新提取码头允许作业波高；

第三种：统计码头作业天数，直至码头作业天数符合要求。

本发明的有益效果是：应用本发明波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，在波浪资料有限的前提下，能够较为科学地针对工程港区的波浪条件进行分析，为统计损失作业天数提供了可靠的依据；同时结合具体的船型，针对不同的波浪周期和波浪方向给出了泊位允许的作业波高，使结果更为合理和准确，对实际操作更具有指导意义。

附图说明

图1：本发明波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法整体流程图；

图2：本发明损失作业天数分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，包括以下步骤：

步骤A，推算工程区设计波浪条件：根据外海重现期波浪条件，在自工程建设前，利用外海波浪模型(简称SWAN模型)推算工程区设计波浪条件，同时为工程后波浪场计算提供边界条件。具体包括：

步骤A1，采用欧洲中长期后报风场数据资料，根据外海波浪模型计算得到每年工程区附近外海深水区的年波浪极值，进而采用PearsonIII曲线适线法推算不同重现期波要素；

步骤A2，建立模型计算网格，采用三角形网格，设定波浪破碎参数、底部摩擦系数、水位参数；

步骤A3，模型参数设置好后，依据外海波浪模型进行计算，得到的波浪结果可与实测数据进行对比验证，验证吻合后再根据外海波浪模型计算，得到工程区域边界波浪数据和分频分级波浪数据。

步骤B，确定波浪的主要作用方向：模拟主方向波浪传播到码头前沿的方向，通过港内波浪模型进行模拟分析，获得各泊位处的波浪作用角度和波浪周期。具体包括：

步骤B1，基于Boussinesq方程的波浪数学模型(简称BW模型)，建立港内波浪模型，考虑防波堤、码头及水深地形对波浪传播规律的综合影响，模拟工程建设后的波浪场分布，以步骤A得到的工程区设计波浪条件为计算边界；

步骤B2，通过港内波浪模型，得到港内波浪分布以及比波高数值，为损失作业天数的计算提出基础数据。

步骤C，确定控制波高：波向和周期确定后，在系泊数学模型中建立船舶模型及系泊系统模型，将计算不同波高、不同周期波浪作用下的船舶运动量、缆力以及护舷撞击力；根据作业控制条件(见表1国际航运协会不同船舶安全作业推荐的允许运动范围标准)，得到不同泊位不同周期对应的允许作业波高。具体包括：

步骤C1，船舶模型的建立，所述的船舶模型为船舶吃水以下部分，根据船舶型线图建立；

步骤C2，在频域中进行水动力计算，得到船舶的一阶波浪力、附加质量、辐射阻尼；

步骤C3，在时域模型中，输入船舶的详细参数(包括导缆孔及系船柱位置、护舷安装位置、船舶受风面积、重心位置、缆绳和护舷的特性等)，并输入风浪流环境参数，模拟缆绳伸长与所受拉力变化曲线和护舷刚度曲线，建立系泊船舶的整体系泊系统模型；

步骤C4，在时域中，统计不同浪向不同周期作用下船舶的六自由度运动量，并将运动量的大小与国际航运协会不同船舶安全作业推荐允许运动范围标准推荐值进行比较，得出研究船舶允许作业波高。

步骤D，分析某一波浪方向对应的港内泊位前沿波高与允许作业波高进行比较，当泊位前沿的波高大于允许作业波高时，该波高对应的频率值将计入到损失作业概率中；再将其他波浪方向对应的结果进行叠加，得到不可作业概率，乘以年天数即得到损失作业天数。

得到的损失天数不满足需求，则有以下防控措施：

第一种：返回步骤B修改港内波浪模型，改变防波堤的长度，重新计算港内波浪分布和比波高数值；

第二种：返回步骤C3修改系船柱位置以及缆绳特性，重新计算船舶的非线性动力响应，分析六自由度运动量的变化，重新提取码头允许作业波高；

第三种：统计码头作业天数，直至码头作业天数符合要求。

下面结合图1和图2举一具体实施例对本发明方法加以详细说明：

波浪数学模型包括：步骤101，工程区域外海风浪特性分析(采用欧洲中长期后报风场数据资料，选取每年影响工程海区较大风过程数据，对风浪特性进行分析)；步骤102，然后建立模型计算网格，采用三角形网格，设定波浪破碎参数、底部摩擦系数、水位参数；步骤103，模型参数设置好后，依据SWAN模式进行计算，得到的波浪结果可与实测数据进行对比验证，验证吻合后再根据SWAN模型计算外海波浪数学模型，得到工程区域边界波浪数据和分频分级波浪数据；步骤104，基于Boussnesq方程的波浪数学模型，建立港内波浪模型，考虑防波堤、码头及水深地形对波浪传播规律的综合影响，模拟工程建设后的波浪场分布，以步骤103的结果为计算边界；步骤105，通过港内波浪模型，得到港内波浪分布以及比波高数值，为损失作业天数的计算提出基础数据。

系泊数学模型包括：步骤201船舶水动力模型的建立；步骤202，在频域中进行水动力计算，得到船舶的一阶波浪力、附加质量和辐射阻尼等；步骤203，在时域模型中，输入船舶的详细参数，包括导缆孔及系船柱位置、护舷安装位置、船舶受风面积、重心位置、缆绳和护舷的特性等，并输入波浪条件；步骤204，在时域中，统计不同浪向不同周期作用下船舶的六自由度运动量，并与运动量的大小与PIANC规范推荐值(见表1)进行比较，得出计算船舶允许作业波高。

表1国际航运协会不同船舶安全作业推荐允许运动范围标准(PIANC，1995)

最后结合步骤204、步骤103和步骤105的结果，将各个浪向的不能作业频率进行叠加，得到不可作业概率，乘以年天数即得到损失作业天数。

若得到的损失天数不满足需求，则有以下防控措施：

(1)返回步骤104修改港内波浪模型，改变防波堤的长度，重新计算港内波浪分布和比波高数值；

(2)返回步骤203修改系船柱位置以及缆绳特性，重新计算船舶的非线性动力响应，分析六自由度运动量的变化，重新提取码头允许作业波高。

(3)统计码头作业天数，直至符合要求。

其中步骤201中的水动力模型为船舶吃水以下部分，根据船舶型线图建立(在程序计算中可以根据船舶大小任意修改)。

本方法中的所有参数的计算均采用现有公式和现有方法，可以依据下面的参考文献：

1、BERNARD MOLIN著，刘水庚译.海洋工程水动力学[M]，国防工业出版社，2012.

2、中华人民共和国交通运输部，港口工程荷载规范，JTS 144-1-2010[S].北京：2010.

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，推算工程区设计波浪条件：根据外海重现期波浪条件，在自工程建设前，利用外海波浪模型推算工程区设计波浪条件，同时为工程后波浪场计算提供边界条件，包括：

步骤A1，采用欧洲中长期后报风场数据资料，根据外海波浪模型计算得到每年工程区附近外海深水区的年波浪极值，进而采用PearsonIII曲线适线法推算不同重现期波要素；

步骤A2，建立模型计算网格，采用三角形网格，设定波浪破碎参数、底部摩擦系数、水位参数；

步骤A3，模型参数设置好后，依据外海波浪模型进行计算，得到的波浪结果与实测数据进行对比验证，验证吻合后再根据该模型计算，得到工程区域边界波浪数据和分频分级波浪数据；

步骤B，确定波浪的主要作用方向：模拟主方向波浪传播到码头前沿的方向，通过港内波浪模型进行模拟分析，获得港内波浪分布和比波高数值，并得到各泊位处的波浪作用角度和波浪周期，包括：

步骤B1，基于Boussinesq方程的波浪数学模型，建立港内波浪模型，考虑防波堤、码头及水深地形对波浪传播规律的综合影响，模拟工程建设后的波浪场分布，以步骤A得到的工程区设计波浪条件为计算边界；

步骤B2，通过港内波浪模型，得到港内波浪分布以及比波高数值，为损失作业天数的计算提出基础数据；

步骤C，确定控制波高：波向和周期确定后，在系泊数学模型中建立船舶模型及系泊系统模型，将计算不同波高、不同周期波浪作用下的船舶运动量、缆力以及护舷撞击力；根据作业控制条件，得到不同泊位不同周期对应的允许作业波高；

步骤D，分析某一波浪方向对应的港内泊位前沿波高与允许作业波高进行比较，当泊位前沿的波高大于允许作业波高时，该波高对应的频率值将计入到损失作业概率中；再将其他波浪方向对应的结果进行叠加，得到不可作业概率，乘以年天数即得到损失作业天数。

2.根据权利要求1所述的一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，其特征在于，步骤C具体包括：

步骤C1，船舶模型的建立；

步骤C2，在频域中进行水动力计算，得到船舶的一阶波浪力、附加质量、辐射阻尼；

步骤C3，在时域模型中，输入船舶的详细参数，并输入风浪流环境参数，模拟缆绳伸长与所受拉力变化曲线和护舷刚度曲线，建立系泊船舶的整体系泊系统模型；

步骤C4，在时域中，统计不同浪向不同周期作用下船舶的六自由度运动量，并将运动量的大小与国际航运协会不同船舶安全作业推荐允许运动范围标准推荐值进行比较，得出研究船舶允许作业波高。

3.根据权利要求2所述的一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，其特征在于，步骤C1中，所述的船舶模型为船舶吃水以下部分，根据船舶型线图建立。

4.根据权利要求2所述的一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，其特征在于，步骤C3中，所述的船舶的详细参数包括：导缆孔及系船柱位置、护舷安装位置、船舶受风面积、重心位置、缆绳和护舷的特性。

5.根据权利要求4所述的一种波浪影响下码头系泊船舶损失作业天数分析与控制方法，其特征在于，步骤D中，得到的损失天数不满足需求，则有以下防控措施：

第一种：返回步骤B修改港内波浪模型，改变防波堤的长度，重新计算港内波浪分布；

第二种：返回步骤C3修改系船柱位置以及缆绳特性，重新计算船舶的非线性动力响应，分析六自由度运动量的变化，重新提取码头允许作业波高；

第三种：统计码头作业天数，直至码头作业天数符合要求。

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