張濤，米中彪，張明杰

（中交天津航道局有限公司，天津 300450）

耙吸船對于航道類疏浚工程，具有邊營運邊施工的特點，在保障航道船舶通航安全的基礎上進行施工，既滿足了港口經濟的現實要求，又滿足了港口長期規(guī)劃發(fā)展的需求，所以在維護性、拓寬性航道類工程中，耙吸船扮演著重要的角色[1]。耙吸船航道內施工總伴隨著航道內掉頭，對于船舶流較大的航道工程，其不僅要保障施工安全，更要及時聯系航道內船舶以保障船舶航行安全。目前，大多數學者對船舶掉頭的研究局限在掉頭方法及掉頭所用水域上[2-3]，對本文涉及的掉頭模型及所需安全距離未開展研究分析。

本文主要針對耙吸船航行施工至施工區(qū)端部時的船舶掉頭，建立船舶掉頭模型及分析掉頭所需安全距離，以保障船舶航行安全。運用數學建模的方法，列出船舶掉頭各種模型所需安全領域的計算公式，并以天津港30萬噸級航道工程的施工船“通力”輪為算例，為耙吸船掉頭安全提供一定的理論依據。

1 耙吸船施工概述

耙吸船施工可視為一系列的挖泥循環(huán)，一般情況下每個循環(huán)由以下幾個過程組成：下耙—裝艙—起耙掉頭—下耙施工—起耙—運泥到卸泥區(qū)—卸泥（卸泥區(qū)一般布置在航道外）—挖泥船輕載回航到挖泥區(qū)[1]。本文重點分析耙吸船施工區(qū)端部起耙掉頭階段。

目前，船舶掉頭時，一般根據船舶掉頭水域大小及航道內船舶動態(tài)決定，當船舶流影響小時，工程船施工至端部附近時，船舶選擇時機掉頭。當船舶流較多時，船舶根據附近自然、交通環(huán)境，選擇合適的時機掉頭，條件不允許時船舶繼續(xù)前行施工以等待合適時機。

耙吸船掉頭需要占用他船航道時，一般根據航海經驗結合實際情況判斷與來船距離是否允許船舶掉頭。由于該操作由駕駛員發(fā)布命令，因此不同駕駛員會有不同操作、不同時機發(fā)令，具有一定的主觀性、隨機性。不同駕駛員航行經驗、情境意識等個人因素起了重要影響。

耙吸船起耙掉頭時操縱性能與一般機動船沒有區(qū)別，此類船也裝有一般船舶配備的助航設備，如雷達，電子海圖，但這些設備不能滿足船舶動態(tài)會遇安全判定要求，因此有必要考慮對船舶動態(tài)會遇過程進行建模分析。

2 船舶流相關概念

船舶航道內航行，船舶行為表現為進港、出港、匯出、匯入、穿越、掉頭，有學者根據所定義的船舶行為特征，將港口公共航道船舶交通流抽象為進港交通流、出港交通流、匯出交通流、匯入交通流、穿越交通流5種基本模型，并定義了船舶航行領域、橫越領域、匯入領域，分別記為：船舶航行領域Domnav、橫越領域Domcross、匯入領域Domadd[4]。

根據船舶領域理論，如果航行中的船舶能各自維持其船舶領域，船舶的航行是相對安全的。船舶領域是一個動態(tài)的區(qū)域，它不僅與船速、通航密度和通航自然環(huán)境相關，實際上還應該與船舶的運動態(tài)勢相關。船舶在進出港口公共航道的過程中，當船舶處于不同的運動態(tài)勢時，船舶應具有不同的船舶領域[4]。

耙吸船施工一般循環(huán)為船舶掉頭后繼續(xù)下耙施工，單船施工區(qū)域設計時往往結合船舶、土質、航道等情況。但由于土質等條件的復雜多變，耙吸船施工時，很大程度取決于船舶裝艙效果，如果船舶裝艙效果好，掉頭后施工效果不理想，則耙吸船可提前結束挖泥，甚至掉頭時便結束挖泥，如果這樣，耙吸船應掉頭匯入進港航道，以減少施工時間，保障有效挖泥量。

根據上述分析，結合船舶流現有概念，將船舶掉頭歸納為兩種情形：掉頭占用領域，記為Domturn-occ；掉頭匯入領域，記為Domturn-add。第一種即為耙吸船施工一般情形，第二種即為耙吸船掉頭時結束挖泥情形。

3 建立模型

目前并沒有針對掉頭占用航道或掉頭匯入航道這種掉頭形式的研究，本人采取過程建模的方式，運用數值模擬，對船舶掉頭所需安全距離進行分析。

模型建立思路：根據掉頭過程中至少保持船舶安全領域的距離，結合船舶運動特性，利用船舶掉頭過程、變速所需時間，進而用時間反推掉頭時所需的本船與后船（目標船）最小安全距離。根據船舶領域藤井模型，船舶領域首尾方向取6倍船長[5]。

根據掉頭所需水域與航道寬度的關系，分下列幾種情形分析。

常態(tài)下，耙吸船掉頭沿原出港航道施工：所需水域不占用進港航道的，影響微小，不需要進一步安全分析；所需水域占用進港航道的，屬于掉頭占用，對航道船舶流有影響，需要進行安全分析。

非常態(tài)下，耙吸船掉頭匯入進港航道航行：所需水域在航道內的，以及所需水域超出航道范圍的，均屬于掉頭匯入，對航道船舶流有影響，需要進行安全分析。

3.1 掉頭占用模型

耙吸船施工期間，航道一般為單向通航。本船掉頭占用航道過程中，目標船進港航道航行，保持直航船態(tài)勢，保向保速，本船左滿舵掉頭。

圖1為常態(tài)下耙吸船掉頭施工模型，耙吸船掉頭后沿原出港航道施工，如果在掉頭過程中占用部分進港航道，則需要安全分析。

圖1 耙吸船掉頭占用航道模型圖Fig.1 Model of the trailing suction dredger turns round occupying fairway

掉頭占用航道過程分析：

因此：Domturn-occ=vt（T+t）+Do

參數含義：Domturn-occ為船舶掉頭占用航道所需安全距離；ST+t為目標船在本船掉頭過程中航行距離；Do為掉頭前本船與本船駛出航道時目標船所在位置的縱向距離；T為船舶掉頭時間；t為本船完成掉頭至對進港航道妨礙明顯減弱所需時間。

說明：參照圖1所示的模型，公式中的Do為負值。

3.2 掉頭匯入模型

本船掉頭匯入過程中，目標船進港航道航行，保持直航船態(tài)勢，保向保速。本船左轉掉頭，匯入航道且位于目標船船首方向。非常態(tài)下，耙吸船會出現掉頭匯入航道局面。

耙吸船掉頭匯入進港航道航行，所需水域在航道內的，參照圖2。

圖2 船舶掉頭匯入航道模型1圖Fig.2 Model 1 of the trailing suction dredger turnsround into fairway

耙吸船掉頭匯入進港航道航行，所需水域超出航道范圍的，參照圖3。

圖3 船舶掉頭匯入航道模型2圖Fig.3 Model 2 of thetrailing suction dredger turnsround into fairway

比較圖2和圖3，其他相同條件時，圖2掉頭所需時間小于圖3。

掉頭匯入航道過程分析：

時間t過程中目標船速度vt=ft（t）；本船速度vo=fo（t）；

參數含義：下標t為目標船，o為本船；Domturn-add為船舶掉頭匯入航道所需安全距離；S1為目標船在本船掉頭過程中航行距離；S2為本船完成掉頭后增速、目標船減速過程中，包含了船舶領域的富余距離；Do為本船掉頭前后的縱向距離；vo為本船速度；vt為目標船速度；L為船舶長度；t為本船速度由vo加速到va與目標船速度vt減速到va所需時間的較大值；St為掉頭后目標船時間t內航行距離；So為掉頭后本船時間t內航行距離；T為船舶掉頭時間。

說明：參照圖2中的模型，公式中的Do為正值；參照圖3中的模型，公式中的Do為負值。

如果此過程需要目標船減速，本船提前聯系目標船，目標船在本船掉頭過程中開始減速，則目標船可提前將速度減為va。則公式表示為：

除耙吸船外，一般商船因改變航行計劃、港內移泊等情況，出現航道內掉頭匯入情形時，均可以參考此模型。

3.3 實船參數取值

1）耙吸船掉頭占用航道模型（耙吸船常態(tài)）

以“通力”輪天津港30萬噸級航道工程為例。施工至施工區(qū)端線，掉頭前控制速度至1.5 kn左右，一般情況下操作車鐘，雙車船，旋回方向的車鐘為倒車，旋回方向的反向為進車，使用漿角大小不固定，以進車30%倒車40%為例加輔助掉頭水橫向，掉頭開始至結束一般需要3.5 min。雙進車加輔助水橫向進行前期旋回，后期雙倒車加水橫向，掉頭時間一般為3.3 min。雙進車加輔助水橫向，掉頭時間約3 min（以雙車進50%）。掉頭時間與太多因素有關，一般情況掉頭時間即為3~4 min之間。

其它參數取值：目標船船長L為160 m，船速8 kn；“通力”輪船長L為112 m；航道內船舶領域船長方向取6L；Do取0；t取3 min，并假設目標船速度v不需改變，即vt=va。

掉頭時采用雙車雙槳，T取值3 min、4 min時，代入數值計算所需安全距離分別為：1.48 km、1.73 km。

2） 一般船舶掉頭匯入航道模型1（包括耙吸船非常態(tài)）

一般船舶掉頭匯入航道，本船船長L為104 m，船速取4 kn；Do取1倍船長L；t取3 min；其它參數同上。

掉頭時采用單車單舵，T取值5 min、6 min時，代入數值計算所需安全距離分別為：2.13 km、2.37 km。

3.4 相關說明

風對船舶掉頭時間有影響，順風掉頭，時間長；頂風掉頭，時間短。流對船舶掉頭區(qū)域有影響，順流掉頭，區(qū)域增大；頂流掉頭，區(qū)域減小。參考船舶操縱教材，順流或頂流掉頭區(qū)域變化幅度約為0.8vcT（其中：vc為流速；T為掉頭時間）[6]。

本文對船舶掉頭過程進行了建模分析，暫未全面考慮風、流等環(huán)境因素對船舶航道內掉頭的影響，有待于進一步研究分析。

雖然本文以耙吸船為主要分析對象，但并沒有受耙吸船特有裝備影響，故船舶掉頭匯入航道模型對一般船舶均適用。

4 模擬器驗證

本次模擬采取了一般船舶掉頭匯入模型1，模擬器船舶參數與掉頭模型1中取值相近，船型為單車船，兩船距離2.1 km左右時，本船操左滿舵，根據轉向率數值及時操正舵或右舵，準確把定航向，掉頭時間為5 min。最終兩船航速相同時，船舶安全船間距約為700 m，如圖4。通過此次模擬船舶掉頭匯入航道，可驗證模型的正確性。

圖4 船舶掉頭匯入航道模擬圖Fig.4 Simulated diagram of the trailing suction dredger turnsround into fairway

5 計算結果分析及建議

由建立的模型可以看出，本船與目標船同時采取變速措施可以更好地保障船舶航行安全，并且本船掉頭時，掉頭時間越短，船舶掉頭匯入/占用航道所需領域越小。耙吸船掉頭時一般提前與對方船舶聯系，航道內船舶間保持聯系，協調行動；船舶掉頭時還應注意航道邊界的浮標等有礙耙吸船安全掉頭的助航/礙航物，以利安全。

雷達等助航設備對于相對靜態(tài)的局面分析船舶匯入安全較為合適，對于動態(tài)中狀態(tài)不適合，相比而言本文中的公式分析（整體過程模擬分析）適合于掉頭及之后變速的整體局面，雷達可以用來核查航向航速穩(wěn)定后兩船間距離是否足夠。

根據不同情況計算得出的結果，考慮不利情況下，目標船不積極配合時，本船獨自采取行動掉頭占用航道，以此確定最低限值，耙吸船常態(tài)模型取值1.48 km。對比最低限值，大于該限值情況下，船舶可以安全掉頭占用航道，掉頭過程也需要借助雷達、電子海圖核實船舶掉頭安全性，并設置報警值，如果發(fā)生警報，船舶應縮小掉頭時間，并加車以保證足夠舵效，盡快完成掉頭，必要時及時聯系目標船協調避讓，以策安全。

[1] 交通部上海航道局.疏浚工程手冊[M].上海：交通部上海航道局，1994.CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.Dredging engineering manual[M].Shanghai:CCCCShanghai Dredging Co.,Ltd.,1994.

[2] 章連富.淺談船舶在狹窄水道中的掉頭操作[J].南北橋，2009（5）：156.ZHANG Lian-fu.Discussion on ship turning operation in narrow waterway[J].South North Bridge.2009(5):156.

[3] 夏國忠，史國友.超大型船舶旋回性能的探討[J].大連海事大學學報，2000（3）：48-50.XIA Guo-zhong,SHIGuo-you.Discussion on turning performance of super-large ships[J].Journal of Dalian Maritime University,2000(3):48-50.

[4] 文元橋，劉敬賢.港口公共航道船舶通過能力的計算模型[J].中國航海，2010（6）：35-39.WEN Yuan-qiao,LIU Jing-xian.Computing model of traffic capacity of harbor public channel[J].Navigation of China,2010(6):35-39.

[5]劉敬賢.大型海港進港主航道通過能力及交通組織模式研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.LIU Jing-xian.Research of the through capacity and traffic organizational model in main channel of large sea harbor[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2009.

[6] 薛滿福，杲慶林.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，2012.XUEMan-fu,GAOQing-lin.Ship maneuvering[M].Beijing:China Communications Press,2012.