论文总字数：19759字

摘 要

防城港作为我国重要港口之一，其船舶吞吐量不断增加，进出港船型越来越趋于大型化，显然对港口拖轮的需求也越来越大。但是根据调研，港口现有拖轮配备数量都不能够完全满足进出港船舶的需要。因此，对防城港大型散货船拖轮配备研究具有一定的实际意义。本文以防城港为例，首先对防城港的基本概况做了介绍。论述了防城港基本情况，对水文、气象、通航环境进行了分析；其次建立了基于风流作用下的大型散货船拖轮配备计算模型。在考虑了风动力系数、水线以上船体正面积和侧面积等因素的基础上，通过风动力估算式建立了风作用力模型；在考虑了水动力系数、船舶水线长、吃水等因素的基础上，通过水动力的估算式建立了水流作用力模型；在考虑了风动力角、水动力角的基础上，通过受力分析建立了风流合作用力模型；最后对防城港大型散货船拖轮配备进行了实例计算。选取了代表散货船船型和典型计算工况，通过基于风流作用下的拖轮配备计算模型进行了实例计算，从而为防城港大型散货船拖轮马力的合理配备提供理论依据和决策支持。

关键词：风作用力；流作用力；大型散货船；拖轮马力

Abstract

As one of the most important ports in China, fangcheng port's ship throughput is constantly increasing, and the type of inbound and outbound ships is becoming larger and larger, so it is obvious that the demand for port tugboats is also increasing. However, according to the survey, the number of existing tugboats in the port cannot fully meet the needs of inbound and outbound vessels. Therefore, it is of practical significance to study the large bulk carrier tugboat in fangcheng port. Taking fangcheng port as an example, this paper first introduces the basic situation of fangcheng port. The basic situation of fangcheng port is discussed, and the hydrology, meteorology and navigation environment are analyzed. Secondly, the calculation model of large bulk carrier tugboat is established based on the wind flow. Considering the wind power coefficient, upper hull is area and the area, on the basis of such factors as the wind force model was established by wind power estimation type, considering the hydrodynamic coefficients, ship line length, draft, on the basis of such factors as through hydrodynamic estimate type water force model is established, considering the Angle of the wind power, water, on the basis of dynamic Angle, through force analysis to establish the cooperation wind force model; Finally, an example is given to calculate the equipment of large bulk carrier tugboat in fangcheng port. Based on the calculation model of tugboat arrangement under the action of wind current, the representative bulk carrier ship type and the typical calculation condition are selected. Thus, it provides theoretical basis and decision support for the rational allocation of horsepower of large bulk carrier tugboats in fangcheng port.

Key words: The Wind Force；The Current Force；Large Bulk Carrier；Tug Horsepower

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1 国内研究现状 1

1.3.2 国外研究现状 2

1.4 研究内容 2

第2章 防城港概况 4

2.1 防城港气象 4

2.2 防城港水文 6

2.3 防城港通航环境 7

2.3.1 航道 7

2.3.2 锚地 8

2.3.3 拖轮 10

第3章 基于风流作用下大型散货船拖轮配备数学模型的建立 11

3.1 风作用力数学模型建立 11

3.2 流作用力数学模型建立 12

3.3 基于风流合作用力下数学模型建立 13

第4章 防城港大型散货船拖轮配备计算 14

4.1 代表防城港大型散货船船型尺度 14

4.2 典型计算工况 14

4.2.1 风况选取 14

4.2.3 流况选取 14

4.3 实例计算 14

4.3.1 风作用力计算 14

4.3.2 流作用力计算 16

4.3.3 风流合作用力计算 17

4.4 拖轮配备计算结果分析 20

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

• 1. 研究背景

在现如今的全球经济发展下，海上货物运输在物流行业里占了较大的比重，运输的船舶也越来越大型化，这将使得在靠离泊时需要拖轮的协助。港口拖轮是重要的辅助工具，可协助大型船舶完成靠泊、移泊和离泊，直接影响着各个船舶能否安全及时进出港口泊位进行作业。合理配备船舶靠离泊拖轮，可以减少到港船舶在锚地或者泊位的等待时间，从而提高船舶靠离港口速率，这将会为拖轮公司提供了经济效益，也会使船公司对港口的满意程度大大提升。目前绝大多数港口所使用的拖轮配备方案仅仅使依靠历史经验所确立的，这样的配备方案，很难保证船舶顺利快速的进出港口靠离泊，所以在港口环境多变的情况下，如何为进出港船舶合理配备拖轮马力，已经成为拖轮公司、引航站等需要去解决的重要问题。

• 1. 研究目的及意义

港口必须配备足够数量和足够马力的拖轮，这样才可以让船舶在进出港口时可以及时得到拖轮的协助，顺利完成船舶装卸货，以便及时靠离泊。如果港口拖轮配置过少，船舶就不能及时完成靠港和离港；如果配置过多，这将会给码头造成一种负担，需要大量的费用去维修和管理。因此，研究船舶靠离泊时拖轮马力的合理配备具有一定的实际意义。查阅已有研究成果，系统的归纳用于解决拖轮配备问题的理论和方法，建立基于风流作用下的散货船拖轮配备模型，为大型散货船进出港拖轮配备提供理论依据和决策支持。

• 1. 国内外研究现状
     1. 国内研究现状

徐琳弟、孙武成^[1]讲述了基于经验公式的风流压差角定量预测；张润涛^[2]采运了仿真研究求取风流压差；范晓飙、范哲源^[3]讲述了基于AIS的风流压差自动预估方法研究；贺国峰^[4]用经验公式浅谈风流和压差的求取。

邢玉顺^[5]使用经验公式确定满载和压载条件下配备一定吨位和特定船型的拖船的具体数量和马力。毕修颖^[6]、李志荣^[7]和王千^[8]基于理论计算，确定了在满载和压载的情况下，对一定吨位和船型的拖轮配备的具体数量和总拖力计算公式。

熊军魁^[9]、徐建军^[10]、杨志华^[11]、徐奇^[12]运用仿真技术，建立仿真模型，解决了港口拖轮配置的实际问题，具有一定的理论意义和实际运用价值。

姬钰^[13]根据到港船舶的拖轮配置原则及拖轮配置优化方案评价指标应用统计资料分析，得出了2014年上海港拖轮船队总体配置的优化方案。

田学刚^[14]将港作拖轮工作的具体特征作为参考依据，建立港作拖轮调度理论模型，对传统的标准粒子群算法进行改进，并结合大连港轮驳公司的拖轮日常工作实例，随后对算法与模型进行了验证。

杨帆^[15]通过收集大量统计数据，在综合分析青岛港生产规模的基础上，对影响港口拖轮配置规模的港口生产进行科学归纳、排序，计算各因素，并根据港口发展规划港口在各因素生产中的总体目标预测未来，提出了科学合理配置港口拖轮船队和减少港口拖轮船队规划盲目性的计算方法。

吴旭填^[16]结合广州港口实际情况应用概率论对港口拖轮配备进行了综合分析，通过对广州港口拖轮作业，发现港口拖轮作业类似于正态分布，定量分析，从而港口拖轮总需求量，并且还通过对船舶吨位分布的分析，定性确定拖轮的功率分布，最终得到港口船队的最优配备。

• • 1. 国外研究现状

日本的Yoneta^[17]-[18]将风压力划分为六种，通过建立数学物理模型，得出了计算船舶风作用压力的方法。

日本的伊势俊雄^[19]利用船舶数据和风力数据建立了识别算法为IIR无限滤波器和RLS法组成的一个CARX模型，该模型可用于模拟计算船舶在风中航行的操纵范围。

2019年科学快报^[20]对船舶辅助操纵期间的安全拖轮操作进行了简要概括。

意大利的Pasqale Legato和Rina M.Mazaz^[21]提出了集装箱码头只到达、停泊和离开码头的一个队列网络模型，并为此队列网络开发了一个仿真模型。

• 1. 研究内容

本论文研究内容分为五章，主要研究内容如下：

第1章，绪论。论述了大型散货船拖轮配备的研究背景，阐述研究目的和意义，并且总结国内外对拖轮配备的研究现状。

第2章，防城港概况。查阅相关文献，对防城港的通航船舶、气象、潮汐、港作拖轮等进行论述。

第3章，基于风流作用下的大型散货船拖轮配备数学模型的建立。根据风的作用力、流的作用力、风流合作用力，建立适合防城港辖区的大型散货船拖轮配备数学模型。

第4章，防城港大型散货拖轮配备计算。依据建立的数学模型，计算出大型散货船靠离泊时在不同风流作用下所需要的拖轮马力和数量。

第5章，结论与展望。对研究的内容进行总结，得出结论，并且对防城港大型散货船拖轮配备进行展望。

第2章 防城港概况

防城港市位于北部湾北岸，大陆海岸线的最西南端，经纬度是21°37′00"N， 108°20′00"E，与钦州毗邻，北至黔川，西靠云南，东边临近粤、琼、港澳，南濒北部湾。防城港全市海岸线长584公里，全市特点为港口多，公路网比较完善，因此交通便利是防城港市的优点。进出口的商品是西南地区的铁矿石，硫磺，钢铁，水泥等大宗商品。从防城港出发，沿公路和国道网从北向南宁，直接可以到达广西和云南，贵州，四川和重庆等主要地区和城市。东兴港与越南高速公路相连形成西行路线，然后再与泛亚高速公路网相连，这是中国进入印度支那半岛的便捷陆路。

防城港海路东距北海港约51n mile，在东南，距海口港约163n mile，距湛江港约317n mile，距广州港约529n mile，距香港约476n mile，往西南距离越南海防港约151n mile。防城港的主要港口大都是相对较深且风少，三面环山，两面被白龙半岛和齐沙半岛环绕，就像内陆湖泊一样，航道不是很长而且不淤积，在宽阔的水域和陆地区域，海岸线长度可以使用。防城港是中国大陆海岸线西南部深水良港，是西南部最便捷的海上出海通道，并且是中国24个沿海主要枢纽港之一。

如图2.1所示，东湾和西湾两个港口区是防城港主要港口。西湾港口地区主要包括码头和泊位，建立在东湾的码头包括化工码头、钢铁码头、专用煤码头和云约江码头，东湾规划建设榕木江港点等。防城港目前总共有泊位72个，装卸货物的主要类型是：金属和非金属矿石，谷物，煤炭，硫，磷，肥料等的大宗进口；散装进口水泥和非金属矿石。防城港总长度为26公里，适合港口海岸线建设，各种大中小泊位可以建200多个，发展前景良好。

2.1 防城港气象

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