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预测渔船在沿海地区的运动响应

莉莉安娜Rusubull;cbull;古埃德苏亚雷斯

摘要：预测船舶适航性的系统是由扩展船的波浪响应预报系统发展而来。这个系统在葡萄牙专属经济区进行了为期4天波浪预测,渔船耐波性能的预报也在此海域进行。当然，这个预报方法也可适用于其他沿海地区。本计算流程需要船舶的不同航速和航行遭遇角相对应的传递函数。本文针对在葡萄牙沿海海域两类不同的渔船展开运动响应预报计算。采用切片理论计算程序对船舶运动和响应进行评估，并与相关的渔船耐波性标准所规定的值进行比较（这些规定标准值用来评判这类渔船是否符合在此限定海域的运营条件）。在给定的时间和每个坐标点，针对船舶的响应图谱进行计算，运营指数进行计算，并与一个特定运营指标的最大允许值进行比较。计算结果被葡萄牙沿海不同海域作为渔船营运指数图，并且该系统所提供的信息将有助于船长们规划船舶的营运，即：预先判定船舶在预定海域的船舶运营水平将由于天气状况的影响而下降的程度并避免其恶化。

关键词：耐波性能 渔船 适航性标准 波浪预报 运营指数

1. 介绍

目前，数值波浪模型对海洋上的风场引起波浪的状况具有非常好预测能力。气象信息的可用性是船东依赖这些信息来决定在哪里航行，并为船只规划好航线。船长可用的信息是固有的特征值，通常是有义波高（在一个特定海域或者沿海地区的预测值）。然而，即使相同的有义波高针对不同的船舶也会产生显著的运动响应差异。对于特定的船舶，它们还取决于波浪的特征周期和波向。

根据特定的船舶或者船型，其波浪响应可以直接预报，预报的准确性和实用性可能增加（如果代入海况信息）。如果提供特定海域位置的方向波谱预测，该系统则可计算出船舶对预测波谱的响应。本文采用的方法是通过扩展一个波预测系统去预测给定船舶类型的运动响应，并与该类型船舶处于该海状所允许的最大允许值做比较。该系统所提供的信息将有助于船长们规划船舶的营运，即：预先判定船舶在预定海域船舶运营水平将由于天气状况的影响而下降的程度并避免其恶化。

关于该预报系统在Guedes Soares等人的研究文献中有所表述。它以4天的时长窗口提供每天的风浪预测。这些预测结果与一个更大的覆盖葡萄牙专属经济海域相关，这些相关海域伴随邻近的葡萄牙海岸，尤其是在该海域的葡萄牙附近主要港口。值得注意的是，尽管在本文采用的地域是在葡萄牙大陆海岸，这个模型也包括葡萄牙群岛。这里所提及的方法，不仅适用于葡萄牙海岸，也能很好的应用于其他沿海地区。

除了波浪预测模型外，这个预测系统也包括同一区域的大气模型。该大气模型基于全球大气数据和产生的网格化风场，由此在适宜的空间和临时时间段，提出了沿海的波浪模型。总体而言，波预报系统所提供的结果对葡萄牙沿海的海况可以进行可靠的预报。波浪预报系统所提供的信息具有6小时的临时时长，并在图上显示主要的风浪参数（例如：有义波高、平均波向、平均波浪周期、风速和风向）。

虽然该系统定期提供波谱参数并计算完整的全向波谱，但事实上，涌浪与风浪的成分也大量存在于海况数据中。无论何时，当已知一艘船舶的特征参数，这些波浪信息就需要用于计算船舶的波浪诱导响应。

本文考虑的对象是渔船。因为它不仅在葡萄牙沿海海域进行运输，事实上，在该海域运营的渔船也是海上事故频发。在葡萄牙，渔业是其海上活动的一个重要组成部分，也是海上事故率最高的行业之一，这在其他渔业国家也一样。渔船事故统计结果表明，海上事故并不是由海况直接引起的，而是天气条件的恶化导致了海上事故的增加。

一些渔船事故是和船舶在波浪中的稳性有关。即使仅考虑在船上甲板的工作条件，他们也常常取决于船舶在波浪中的航行性能。因此，这些年以来，针对渔船的波浪运动响应特点开展了一些相关研究工作，见参考文献（13—17）。事实上，不同的耐波标准均可以作为渔船运营的条件，这些标准规定了船只的可营运时间。这些标准被纳入决策支持系统，以提高渔船在风浪中的适航性和航行安全。

在当前的应用中，预测关注的是葡萄牙沿海海域，预测的船型是渔船。该方法应用于两类经常运营在葡萄牙沿海海域，并具有不同特点的渔船。尽管如此，本文所提出的方法也可适用于任何海域和任何船型。

1. 耐波性评估

船舶的耐波性能代表了一艘船在海上的波浪动态响应，是船舶适航性和船上舒适性的一个限制因素。船舶适航性和任务特征之间的关系是通过耐波性标准来确立的，它代表了船舶适航性可接受的限制标准。因此，为了评估船舶在海况的响应，Guedes Soares等采用了传递函数。

Soarres和Fonseca等计算了渔船的耐波性。最近，Tello等采用类似的方法来研究一组渔船的耐波性能，以确定特定海域运营的渔船耐波标准以及适航的限制条件。在此项研究中，为获得渔船的耐波响应，从葡萄牙渔船船队中选择了两类不同的渔船船型采用相同的计算方法进行了耐波性计算。

首先，必须计算船舶绝对运动的传递函数和一些派生响应（比如加速度和相对运动）。为此，基于Salvesen的耐波性计算程序得以运用，随后，计算船舶在短期海况的船舶响应。结合传递函数和特定的波浪谱，得到对应的响应图谱。由于考虑粘性阻力和船型的影响，横摇传递函数是最为敏感的，故切条理论在ikeda模型的源程序代码中，考虑了肶龙骨和艉鳍在横摇中的粘性效应。在这个分析计算中忽略了渔具组件和船舶在拖曳操作或者甲板上浪过程中的相互作用影响。

这项工作所用的方法允许传递函数的估算，即船舶对谐波的单位振幅的剧烈响应估算。随后，基于最初圣丹尼斯和皮尔森在论文中表述模型，对一个真实海况下的船舶响应谱公式得以采用。响应图谱是从输入波浪谱与传递函数之间的函数关系中获取，见表达式（1）。显然，船舶遭遇的波浪谱在时空上是连续变化的，但在设定船舶周围，波浪的统计数据变化足够缓慢，可以近似认为是一系列的短期过程，也就是说是静态的。因此，海况被假定是静态的，0表示高斯过程，并且由于响应是线性的，可以用相同的模型来描述响应过程。响应的统计特征值，可以从响应谱的某一时刻开始计算。变化过程可以通过对波谱开展积分获得，响应的有义值（双振幅）可以从标准响应偏差计算，它与均方值呈线性关系，见表达式（2)。

船舶耐波性能主要取决于三个因素：（1）船舶运营的海况，（2）船舶对波浪的运动响应，（3）船舶功能。通常情况下，船舶适航性与功能参数之间的关系是通过船舶耐波标准建立起来。耐波标准代表了船舶波浪响应的均方根极值，或者是超过极限值的概率。

当耐波标准被定义为均方根极值，最大有义波高可以通过平均波浪周期、船舶遭遇角开展计算，具体计算表达式如下所示：（3）

该式中：是单位有义波高海况下的标准偏差。

耐波标准值定义为超过极限值的概率，响应的均方根通过表达式（4）获得。其中：是超过值的船舶响应幅值。通常情况下，按照该方式定义的标准用于船舶砰击、甲板淹湿（上浪）或螺旋桨飞车。

Table 1 Main characteristics of the fishing vessels FV1 and FV2

Characteristics FV1 FV2

Length between perpendiculars, Lpp (m) 15.0 20.0

Beam (moulded), B (m) 5.4 7.4

Depth (moulded), D (m) 2.6 3.4

Draught, T (m) 2.1 3.0

Displacement, D (ton) 104.9 302.9

Block coefficient, Cb (m) 0.62 0.68

Longitudinal position of CG, LCG (m) -1.21 -0.34

Vertical position of CG, VCG (m) -0.27 -0.21

Roll gyration radius, Kx/B 0.40 0.40

Pitch gyration radius, Ky/Lpp 0.25 0.25

Yaw gyration radius, Kz/Lpp 0.25 0.25

Transversal metacentric height, GMt (m) 1.12 0.79

表1

1. 耐波性的实例研究

在上文中，提出了一种基于波谱计算渔船耐波性能的方法。按照此方法，船舶运动状况的相关参数被预测为是响应谱方差的函数，它这取决于海况的能量谱和船舶响应传递函数。作为一个研究上述方法与实际应用的例子，对通常在葡萄牙沿海航行的两类渔船进行了耐波计算。

图2

Table 2 Seakeeping performance criteria for the fishing vessels FV1 and FV2