基于船舶操纵对船舶领域的量化研究

(武汉船舶职业技术学院,湖北武汉 430050)

1 问题的提出

正如在陆地上行驶的汽车需要与前车保持安全距离一样，船舶在海上航行时，同样需要与周边的船舶或其他物标保持一定的距离。可以理解为，当周边的船舶或其他物标进入本船的该距离范围之内，将存在碰撞的风险，我们把船舶的该距离范围称为船舶领域。船舶领域不仅影响船舶安全性，还影响着航道通航以及海事监管等方面。国内外关于船舶领域研究较多，其中最有影响力的是日本学者藤井。早在1963年，他就提出船舶领域的概念，并对船舶领域的边界进行量化，最终把船舶领域确定为一个以本船位置为中心的椭圆。椭圆长轴为船长的8倍，短轴为船长的3.2倍。后人在藤井模型的基础上进行了进一步的分析研究，并对船舶领域的边界从不同角度进行量化。本文根据避碰规则及驾驶员习惯采用的避碰方式，对船舶不同方向的领域长度进行量化分析。

图1 藤井船舶领域模型

2 船舶领域量化

船舶在海上航行进行避碰时，首先需要判断两条船舶所处的局面，并根据当前局面选择采取的避碰时机与方式，行动的结果要求两船能安全通过，也就是目标船的最近会遇距离(DCPA)大于安全值。在对船舶领域进行量化研究时，采取避碰的时机应选择在最晚时，此时两船之间的距离则为船舶领域的边界。在藤井的船舶领域模型之后的研究中，学者已经开始对船舶不同方向的领域边界进行不同方式的研究，甚至不将船舶置于模型的中心位置。本文将船舶领域模型分为船首方向、右舷45°方向、左舷45°方向、右正横方向、左正横方向及船尾方向，采用海员习惯方式进行操纵避碰，对此六种情况分别进行船舶领域量化分析。船舶领域在船首方向的长度可以通过对遇局面时的最近距离来确定。船舶领域在右舷45°方向、左舷45°方向、右正横方向、左正横方向的长度可以通过与他船在交叉会遇局面时的最近距离来确定，船舶领域在船尾方向的长度可以通过追越局面时的最近距离确定。

2.1 对遇

国际海上避碰规则第十四条规定，当一艘船舶看见另外一艘船在其正前方或接近正前方的位置，在夜间能看见他船的前后桅灯成一直线和(或两盏)舷灯；在白天能看见他船的上述相应形态时，则应认为存在对遇局面。根据规则，对遇局面时，他船位于本船正前或接近正前方的位置，因此可以用此时两船能够避让的最小距离作为船舶在船首方向的领域。当两船处于对遇局面时，船员习惯采用各自向右进行避让，紧急情况下，船舶将采取操满舵、减速甚至停车、倒车等措施。本文将分别讨论船舶满舵旋回、停车、倒车时，导致的船首方向的冲程，即船舶在船首方向的船舶领域。

(1)旋回

船舶匀速直线航行时，向任一舷操满舵后，将进入旋回状态。船舶旋回性能是船舶操纵性的一个重要指标。操纵性好的船舶，其旋回性也较好，采取的避碰措施能够达到更佳的效果。船舶旋回时，在操舵时的船首方向上航线的距离，称为进距。进距越小，船舶旋回性能越好，进距越大，船舶旋回性能越差。船舶旋回时，我们可以把进距作为船舶领域在船首方向的边界。一般情况，进距小于7倍船长。

(2)停车

船舶在航行时，因为紧急情况需要停车时，驾驶台将通过车钟给机舱发出主机停止运转的指令。随后螺旋桨会停止转动，在惯性的作用，船舶将继续前行滑行，由于水的阻力，船舶最终将停下来。停车后，船舶向前滑行的距离称为停车冲程，可由以下公式计算得出。

式中：Δ为船舶排水量，单位为t；υ0为船舶发令停车时的初速度，单位为kn；υ为船舶停止时刻的速度，单位为kn；R0为船速为零时的船舶阻力，单位为9.81kN；S为停车惯性距离，单位为m。

虽然船舶在水的阻力作用下，船舶最终将停下来，也就是υ等于零，但是需要一个漫长的过程。因此上式中的υ，一般以能维持其舵效的速度计算。另外，从上式中可以得知，停车冲程与排水量成正比，并随着船舶初速度变大而变大。一般情况下，船舶的冲程，为船长的8～20倍。船越大，惯性停车冲程越大。

(3)倒车

在电影泰坦尼克号中，为了躲避前方冰山，船舶采取了倒车制动的方法。在许多紧急情况下，船舶驾驶人员都会采用此种方法，降低船舶速度，以避免或减轻船舶的损失。船舶在前进三中开后退三，从发令开始到船对水停止移动所需的时间及航进的距离，称为倒车冲时和倒车冲程，其距离又称紧急停船距离或最短停船距离。不同类型的船舶，倒车冲程的大小也不同。船舶吨位越大，倒车冲程越大。

倒车冲程可用下列公式估算：

式中：Δ为船舶排水量，单位为t；R0为船速为零时的船舶阻力，单位为9.81kN；υ0为船舶发倒车前的初速度，单位为kn；S为倒车冲程，单位为m。

根据统计，一般中型至万吨级货船的紧急停船距离可达6～8倍船长；载重量50000 t左右的船舶达8～10倍船长；载重量10万t的船舶可达10～13倍船长；载重量15～20万t的船舶可达13～16倍船长。

以上介绍了三种避让船首方向的方法，不同的方法适用于不同的场景。旋回避让的优点是操纵方便，避让效果比较明显，缺点是需要宽阔的水域来进行旋回，旋回过程中虽然会有一定的降速，但是余速比较大；停车制动导致的冲程比较大，因此紧急情况下，船舶较少采用，但是当船舶主机失控，停车冲程即为船舶在船首方向上的安全距离；倒车冲程比停车冲程小，也不需宽阔的水域条件，采取倒车制动后的速度也较小，即使发生碰撞，损失也不大，但倒车时间较长。在决定船首方向安全领域大小方面，停车最大，倒车次之，旋回最小。现假设船舶速度等于16节，船舶长度为162米，通过旋回避让导致的冲程即船舶领域为1166米，停车避让导致的冲程即船舶领域为2493米，通过倒车避让导致的冲程即船舶领域为1296米。虽然停车方式导致的船首方向距离最长，实践中紧急情况下驾驶员很少采用，但是如果考虑船舶失控的情况，就需要把此距离作为船首方向的领域，即2493米，约1.37海里。

2.2 交叉会遇

图2 右舷45°

图3 右正横

交叉会遇时，避碰规则明确了双方各自的责任与义务。规则规定，有他船在本船右舷的船舶应给他船让路。因此上面两个图中，本船都应该给他船让路，即本船为让路船，他船为直航船。让路船应该尽早采取大幅度行动，宽裕地让清他船，即“早、大、宽、清”。而直航船在不同阶段应该采取不同的避让措施，早期应该保持航向航速，配合让路船的行动。避碰规则也规定了直航船可以独自采取操纵行动的时机，例如，单凭让路船的行动已经无法避免碰撞的发生。本文讨论的紧迫局面正是如此，船舶领域的含义即是船舶最小安全距离。我们在分析左舷来船时，应该假设两船已处于单凭让路船已无法避免碰撞的情况，两船需同时采取行动。因此左舷的船舶领域应该与右舷的船舶领域相等，即船舶在左舷45°的领域大小为1765米，约0.95海里，船舶在左正横方向的领域大小为1247米，约0.67海里。

2.3 追越

航行中的船舶在船尾方向的危险主要来自于追越船舶的碰撞，因此本文分析追越过程中船舶操纵对船舶领域的影响。追越是指一船正从他船正横后大于22.5°的方向赶上他船。由此可判断构成追越的必要条件，后船位于前船正横后22.5°，即尾灯范围内，速度需大于本船。追越过程中，无论船舶种类，追越船都是让路船，必须采取避碰措施。现假设追越船船速为20节，前船船速为15节，追越过程中，后船失控，那么，后船船速从20节降为15节的冲程即为船舶在船尾方向的领域大小，即：

计算得S为890米，约0.5海里。

2.4 船舶领域模型

船舶领域在船首方向的长度通过对遇局面时的最近距离来确定。船舶领域在右舷45°方向、左舷45°方向、右正横方向、左正横方向的长度通过与他船在交叉会遇局面时的最近距离来确定，船舶领域在船尾方向的长度通过追越局面时的最近距离确定。由此得出以下基于船舶操纵的船舶领域量化模型，如图4所示。此模型的船舶领域的特点是在船首方向最长，然后向船尾方向逐渐变小。另一个特点是左右对称，在很多学者的研究中，都强调基于避碰原则，右舷船舶领域的长度要比左舷大。本文主要从船舶操纵方面出发，当最紧急情况时，无论分析左舷还是右舷进行避让时，船舶操纵性能都是一样的。

图4 基于操纵的船舶领域模型

3 结 语

本文基于船舶操纵方面，通过计算船舶在不同情境下的最小安全距离，从而对船舶领域进行量化分析，得出船舶领域模型。该模型对藤井船舶领域模型进行了改进，并对船舶航行中驾驶员决定安全距离有一定的指导作用。但在计算过程中，参数的取值是根据一般经验或统计方法确定；另外，本文未考虑外界诸如风、流、能见度、航道等因素。因此计算结果难于适合所有情况，并有一定的偏差。船舶在航行中，驾驶员应掌握船舶操纵性能，根据当时实际航行环境采取最佳措施。