摘 要

伴随着航运业的发展，船舶偏航造成事故时有发生，导致人民生命和财产的重大损失，船舶航行的安全性愈发受到重视。然而，船舶在航行过程中，由于自然条件多变，风流干扰复杂，以及人为的主观因素等条件的影响，船舶难免发生偏离计划航线。在航线附近没有碍航物的深水水域，轻微的偏航不会造成航行危险，但是在航道内或碍航物较多的复杂水域，偏航到一定程度会造成严重的后果。船舶偏离计划航线后，应采取操纵使船舶安全高效地恢复到计划航向和航线，此过程的复航操纵离不开操船者的操作，而船舶驾引人员要实现对船舶运动轨迹进行更灵活有效的控制，必须要掌握本船的操纵性能和复航能力。

本文研究了船舶复航操纵过程中的船舶复航尺度，包括船舶航向偏开计划航线一定角度后采用操舵措施使船恢复到计划航向和计划航线一定范围内所需的纵向偏航距离和复航时间，并为船舶的驾引人员提供船舶的复航尺度参数，以便随时调整控制船舶的操纵方法与运动轨迹，向进出桥区水域、港口水域、狭水道的船舶提供复航操纵参考与建议，从而高效、安全、经济地完成航行任务，同样也有利于保护船舶、桥梁、航道。

首先，本文以一阶线性响应模型为基础，结合船舶轨迹坐标的计算方法，建立出能够合适地反映船舶复航能力的船舶复航尺度的计算模型。其后，本文选取了代表船型，并计算出其K、T值，考虑船舶的不同偏航角度、不同舵角、不同初始航速等不同运动态势，计算出船舶的复航尺度，特别是船舶在恢复到计划航线的过程中所需的纵向偏航距离以及复航时间。最后，通过分析船舶的复航尺度，本文为桥区水域、港口水域、狭水道的偏航船舶提供复航操纵参考与建议如下。

船舶的复航操纵过程中，船舶的驾引人员应分别对不同的偏航角度采取不同的复航操纵方法。船舶在偏航的情况下进入桥区水域、进出港口水域、出入狭水道时，应保证船舶前方具备足够距离的安全水域与操纵时间使得船舶能够进行复航操纵，船舶偏航角度更大时，驾引人员应留出更长的复航操纵时间，船舶前方安全水域也需相应更长。当船舶大角度偏航时，船舶复航尺度随舵角的增大也相应改善，如复航时间减少，纵向偏航距离降低，因此船舶可适当增加舵角以使船舶更快地恢复到计划航向和航线，但所操舵角不易过大，应保持在极限舵角范围内。当船舶小角度偏航时，船舶应使用小舵角即可使船舶快速恢复到计划航向和航线。

关键词：船舶；响应型模型；复航尺度

Abstract

The rapid development of shipping industry leads to frequent ship accidents, resulting in heavy losses of people's lives and property. The safety of ship transportation are the most important and most concerned performance. However, in the course of navigation, the ship will inevitably deviate from the planned route due to the varied natural conditions, complicated air disturbance, artificial subjective factors and other factors. After the ship deviates from the planned route, the ship should be manipulated to return to the planned course and route safely and efficiently. The navigation-restoring of this process cannot be separated from the operation of the ship operator. In order to control the ship's track more flexibly and effectively, the operators must master the ship's maneuvering performance and navigation-restoring ability.

Through learning the scale of ship navigation-restoring area, including longitudinal yaw distance and time. This paper is able to provide the ship operator the scale of ship navigation-restoring area, and provide reference and suggestions for the ship's navigation-restoring operation in the bridge area, so as to complete the navigation task efficiently, safely and economically.

First, this paper was based on the first-order linear response model and combined with the calculation method of ship track coordinates, established the calculation model of scale of ship navigation-restoring area which can properly reflect the ship navigation-restoring capability. Second, this article selected the representative ship, calculated the value of K, T and calculated scale of navigation-restoring area considering the different sports of ship, such as different yaw angle, different ship rudder angle and different initial speed. Last, the paper provides the following reference and suggestion for leeway ship to maneuver to resume fairway.

After the ship deviates from the planned route, different yaw angles should use different ship navigation-restoring maneuvers. When the ship enters into the waters of the bridge area, the port waters and the narrow fairways under the circumstance of leeway, it shall ensure that the safe waters ahead of the ship and time is enable for the ship to maneuver to ship navigation-restoring. When the ship's yaw angle is larger, a longer time should be allowed to maneuver to resume fairway, and the safe water ahead of the ship should also be longer.

Key Words：vessel; responding mathematical model; scale of navigation-restoring area

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2课题的研究意义 1

1.3 课题的研究现状 2

1.4课题的研究内容和章节安排 3

第2章 船舶操纵运动数学模型 5

2.1 基本假设 5

2.2 船舶运动坐标系 5

2.3 船舶运动轨迹坐标计算 6

2.4 船舶运动数学模型 6

2.4.1 一阶响应模型 7

2.4.2 船舶复航尺度界定 7

2.4.3 复航尺度计算模型 8

第3章 船舶复航尺度的计算分析 10

3.1 代表船型 10

3.2 K、T值的计算 10

3.3 不同运动态势下船舶复航尺度的计算 11

3.3.1 不同偏航角度下船舶复航尺度计算分析 12

3.3.2 不同初始航速下船舶复航尺度计算分析 12

3.3.3 不同舵角下船舶复航尺度计算分析 13

第4章 结论与展望 14

4.1结论 14

4.2展望与不足 14

参考文献 15

致谢 16

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

水路运输作为五种重要的运输方式之一，具备运输成本低、运能充足等优点，长期受到人们的高度重视。尤其是在经济全球化高速发展的今天，船舶运输起着极其重要的作用，成为了国际货物运输中不可或缺的运输方式。船舶运输这一水路运输的手段，同其他交通运输工具一样，安全性和经济性是最为重要和最令人关注的性能。伴随着船舶的大型化，多样化，高速化发展和世界航运量的扩大，船舶的航行条件愈来愈复杂，船舶偏航导致的安全事故也频频发生，导致人民生命和财产的重大损失，船舶航行的安全性愈发受到重视。

然而，船舶在航行过程中，常常因为船舶在风流变化复杂的水域中航行时与风流成一定交角时，受风流的作用而产生横向漂移与漂转，若测定船位的间隔时间太长，就会使得船舶船位离开计划航线，航向也偏离一定角度，导致船舶偏离计划航线；或者船舶驾引人员仅凭经验操作，未测定风流压差，使得风流压修正不到位，就会造成船舶偏离计划航线；又或者船舶为避免紧迫局面乃至碰撞的发生需与他船保持安全距离，也会导致航向船位偏离计划航线。总之，由于人为因素以及自然条件多变，如气象难以预测，风流干扰复杂，航道条件变化等因素的影响，船舶难免发生偏航^[1]。在附近没有碍航物的航道内，轻微的偏航不会造成航行危险。然而，在碍航物较多的航道内，偏航到一定程度会造成严重的后果。船舶偏离计划航线会使得船舶在驾引人员不熟悉的航行环境中航行，这可能导致重大事故，如搁浅、触礁、碰撞等。当船舶在桥区或港口航道航行时，也会给桥梁及航道带来一定的危害^[2]。

船舶偏离计划航线后为保证复航，船舶驾引人员需采取操纵使船舶恢复到原定航向和航线^[3]。这个过程中，船舶的复航操纵与操船者的操作分不开，为实现对船舶运动轨迹进行更灵活有效的控制，驾引人员就必须要掌握本船的操纵性能，了解本船的复航能力。本文研究了船舶复航操纵过程中船舶复航尺度（船舶复航尺度的定义如下：当船舶航向偏开计划航线一定角度后，船舶采用操舵措施使船恢复到计划航向和计划航线一定范围内所需的纵向偏航距离和横向偏航距离为船舶复航尺度）^[4]。其中，各类船舶复航所行驶过的纵向偏航距离不仅是船舶安全航行所必要的，同样也有利于保护船舶、桥梁、航道。船舶复航尺度的研究能够为船舶的驾引人员提供船舶的复航尺度参数，以便随时调整控制船舶的操纵方法与航行轨迹，为进入桥区水域、进出港口水域、出入狭水道的偏航船舶提供复航操纵参考与建议，从而高效、安全、经济地完成航行任务。

1.2课题的研究意义

随着通航河流的各种桥梁工程和其它水工建筑物的日益增多，正确掌握船舶复航尺度，可以为船舶在接近桥区水域时偏离计划航线后的复航操纵提供参考，帮助驾引人员改善桥区水域的复航操纵方式，避免船桥碰撞，发生船舶损坏、桥梁毁坏和人员伤亡的重大安全事故，对提高船舶安全通过桥区水域的能力^[5]。

与此同时，在航道的宽度、长度和深度有限的情况下，船舶出入港或狭水道的复航操纵的安全也越来越受到人们的重视，掌握船舶复航尺度能够帮助船舶驾引人员安全进出港口水域、航道，保障船舶、港口和航道的安全。