Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Determination of ship’s underkeel water...

Maritime University of Szczecin

Akademia Morska w Szczecinie

2008, 13(85) pp. 22‐28 2008, 13(85) s. 22‐28

Określanie zapasu wody pod stępką w porcie Ystad

na podstawie badań symulacyjnych

Determination of ship’s underkeel water supply

in the port of Ystad based on simulation research

Lucjan Gucma, Marta Schoeneich

Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego

70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, tel. 091 48 09 485, e-mail: lucek@am.szczecin.pl

1_{Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nawigacji Morskiej}

70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, tel. 091 48 09 393, e-mail: anti81@wp.pl

Słowa kluczowe: badania symulacyjne, zapas wody pod stępką, metoda Monte Carlo Abstrakt

W artykule zaprezentowano analizę wyników badań symulacyjnych wejść nowo projektowanego promu „Piast” do modernizowanego portu Ystad. Przedstawiono także model symulacyjny statku wykorzystany w badaniach. Po przeprowadzeniu symulacji w czasie rzeczywistym model probabilistyczny określania zapa-su wody pod stępką został dostosowany do oszacowania prawdopodobieństwa kolizji z dnem akwenu. Uzy-skane wyniki mogą być wykorzystane do oceny ryzyka statków podchodzących do portów.

Key words: simulation research, underkeel clearance, Monte Carlo method Abstract

The article presents the analysis of simulation research results of the newly designed ferry ‘Piast’ entering the modernized Ystad Port. The ship simulation model has also been described. After real time simulations the Monte Carlo method of underkeel water supply evaluation has been applied to assess the probability of ferry’s collision with the bottom. The results may be used in risk assessment of ships entering ports.

Wstęp

Zapas wody pod stępką statku (UKC) jest naj-ważniejszym czynnikiem, który determinuje moż-liwość kontaktu kadłuba statku z dnem akwenu, dlatego też utrzymanie niezerowego zapasu wody pod stępką jest podstawowym zadaniem nawigatora w zakresie zachowania bezpieczeństwa statku [1]. Badania zaprezentowane w tym opracowaniu miały na celu określenie zapasu wody pod stępką promów wchodzących do portu Ystad. Na rezerwę wody pod stępką wpływa osiadanie statku, które to w znacznym stopniu jest zależne od jego prędkości [2]. Na podejściu do portu Ystad w niesprzyjają-cych warunkach pogodowych (siła wiatru) promy nie mogą dowolnie zmniejszać prędkości, ponieważ jest to związane ze spadkiem zdolności manewro-wych. W artykule zaprezentowano analizę tego zjawiska.

Badania symulacyjne podejścia do portu Ystad

Symulacje podejścia do portu Ystad przeprowa-dzono dla budowanego w Stoczni Szczecińskiej promu „Piast”. Jest to Ro-Pax o długości całkowitej 207 m i zanurzeniu 6,3 m.

Głównymi założeniami badań symulacyjnych były:

a) Określenie optymalnych parametrów:

– podejścia do rekonstruowanego portu Ystad z uwzględnieniem jego kształtu, szerokości i głębokości;

– wewnętrznych i zewnętrznych falochronów z uwzględnieniem ich kształtu oraz falowania w porcie;

– obrotnic z uwzględnieniem ich kształtu i optymalnej głębokości;

– dwóch nowych miejsc cumowania w porcie wewnętrznym z uwzględnieniem ich kształ-tu, długości, głębokości, maksymalnej ener-gii cumowania, maksymalnej prędkości strumieni zaśrubowych i sterów strumienio-wych.

b) Określenie warunków bezpieczeństwa operacji portowych w odniesieniu do:

– dopuszczalnych warunków hydrometeorolo-gicznych dla danego typu statku oraz jego zdolności manewrowych;

– innych warunków nawigacyjnych i ograni-czeń, takich jak obecność innych statków przy nabrzeżach, wykorzystanie systemu sta-łego pozycjonowania na podejściu, oznako-wanie nawigacyjne i system kontroli ruchu statków.

c) Określenie procedur manewrowych podczas cumowania i odcumowania dla różnych typów statków oraz systemów napędowych.

d) Określenie zapasu wody pod stępką za pomocą metody Monte Carlo.

e) Określenie stopnia wykorzystania silnika głów-nego podczas wejścia do portu.

f) Określenie odległości promu do najbardziej niebezpiecznych obiektów.

g) Przeprowadzenie i analiza scenariuszy typo-wych sytuacji awaryjnych.

Model symulacyjny wykorzystany w badaniach jest zbudowany modułowo, gdzie wszystkie czyn-niki, jak siły hydrodynamiczne działające na ka-dłub, siły oporu śruby i urządzeń sterowych oraz wpływ czynników zewnętrznych są modelowane jako osobne siły, a następnie sumowane [3].

Najistotniejszymi siłami uwzględnionymi w mo-delu są:

− siła naporu śrub,

− siła boczna oddziaływania śrub,

− siły od steru strumieniowego i głównego, − siły prądu,

− siły wiatru,

− siły oddziaływania lodu,

− momenty i siły efektu brzegowego, − siły związane z płytkowodziem,

− siły związane z oddziaływaniem cum i kotwic, − reakcje na odbojnice oraz tarcie pomiędzy

ka-dłubem statku a odbojnicą, − siły od holowników, − inne siły i momenty.

Ogólny schemat modelu symulacyjnego manew-rującego statku przedstawiono na rysunku 1.

Rys.1. Schemat modelu symulacyjnego wykorzystanego w badaniach Fig. 1. Diagram of the simulation model used in the research

Zapas wody pod stępką na podejściu promów do portu Ystad z wykorzystaniem metody Monte Carlo

Model stochastyczny określania zapasu wody pod stępką został zaprezentowany w publikacji [4, 6, 7]. Opiera się on na metodzie Monte Carlo, gdzie zapas wody pod stępką statku jest określany za pomocą następującej zależności (rysunek 2):

(

) (

)

(

)

∑

∑

∑

δHoi − niepewności związane z głębokością i jej

określaniem,

δTi − niepewności związane z zanurzeniem

i jego określaniem,

δSwi − niepewności związane z poziomem wody

i jego określaniem,

δN − rezerwa nawigacyjna.

Ostatecznie model określa zapas wody pod stępką, uwzględniając niepewność dotyczącą po-miaru głębokości, błąd określenia zanurzenia w porcie, błąd określenia osiadania statku, nierów-ności dna oraz wpływ falowania. Program jest przystosowany do określania wyżej wymienionych niepewności, wykorzystuje rozkłady i ich parame-try. Poszczególne wartości wybierane są losowo z rozkładów:

– głębokość hi (uśredniona w wybranych

przekro-jach –100 m, 0 m, +100 m, 200 m, 300 m od główek portu), – błąd sondaży i BS δ , – rezerwa na zamulenie i Z δ , – błąd określania zanurzenia i T δ , – błąd oceny przechyłu i P δ . Poziom wody Dno akwenu

Rys. 2. Koncepcja metody probabilistycznej określania zapasu wody pod stępką statku

Fig. 2. Conception of the probabilistic method of determining the water supply under ship’s keel

Blok obliczeniowy losowego zanurzenia statku

Zanurzenie statku wpisywane przez użytkowni-ka poprawiane jest o wartość błędu wyniużytkowni-kającego z określenia zanurzenia oraz o wartość błędu oceny przechyłu statku.

Zanurzenie Ti w poszczególnej iteracji Monte

Carlo obliczane jest w następujący sposób:

i i P T i T T = +δ +δ gdzie:

T – zanurzenie statku przyjęte jako 6,3 m;

i

T

δ

i

P

δ

Blok obliczania poziomu wody

Poziom wody PWi może być określany

bezpo-średnio z wodowskazów, o ile istnieje dostęp bez-pośredni do pomiarów. W prezentowanych bada-niach do oceny niepewności poziomu wody zasto-sowano rozkład normalny obustronnie ucięty o parametrach (0, +/–0,1 m).

Blok obliczania głębokości

Głębokość hi przyjęto jako wartość stałą w

po-szczególnych przekrojach toru wodnego (wartości zmieniają się od 9 m przed i w okolicy główek por-tu do 8,5 m w porcie). Na podstawie przyjętej głę-bokości obliczono aktualną głębokość, uwzględnia-jąc poziom wody w porcie.

Blok obliczania osiadania statku

Osiadanie Oi w poszczególnej iteracji obliczane

jest w trzech etapach. Blok oblicza osiadanie statku za pomocą sześciu metod określania osiadania statku w ruchu (Huusk, Milword 2, Turner, Hooft, Barrass 1, Barrass 2). Następnie uwzględniane są błędy standardowe każdej z metod. Dobór modeli osiadania oraz ich błędy standardowe zostały zwe-ryfikowane na podstawie eksperymentu rzeczywi-stego z wykorzystaniem techniki GPS-RTK [4, 5]. Na podstawie tego eksperymentu określono rów-nież niepewność każdej z metod, co umożliwiło przypisanie każdej z nich odpowiedniej wagi wi = σi/Σσi. Następnie z uzyskanych wartości

osia-dania za pomocą metody bootstrap obliczane jest osiadanie statku Oi z uwzględnieniem wag

po-szczególnych metod.

Blok obliczania zapasu wody pod stępką

Na podstawie uzyskanych wartości zanurzenia, głębokości, poziomu wody i osiadania dla poszcze-gólnej iteracji, a korzystając z wyników wcześniej-szych bloków obliczeniowych, określany jest zapas wody pod stępką Zi:

(

) (

)

i h i i T O i

Z = +δ +δ − + +δ +δ +δ gdzie:

hi – aktualna głębokość w poszczególnej iteracji

zależnie od przekroju toru wodnego (son-daże z października 2007);

– rezerwa na zamulanie, przyjęto rozkład nor-malny ucięty o parametrach (0, +/–0,1 m); – rezerwa na błąd sondaży, przyjęto rozkład

normalny ucięty o parametrach (0, +/–0,1 m);

Ti – zanurzenie statku w poszczególnej iteracji;

Oi – osiadanie statku w poszczególnej iteracji;

δN – rezerwa nawigacyjna (0 m);

– rezerwa na wysokość pływu (0);

δF – rezerwa na falowanie (wysokość fali

przyję-to jako h = 0,4 m przed główkami portu, h = 0,2 m w główkach i h = 0 m w porcie).

Realizacja badań symulacyjnych

Badania symulacyjne polegały na przeprowa-dzeniu serii prób manewrowych w celu wyjaśnienia problemu. Uzyskane wyniki badań zestawiono z kryteriami bezpieczeństwa nawigacyjnego. Po-szczególne warianty badań określono, uwzględnia-jąc następuuwzględnia-jące okoliczności:

– warunki eksploatacyjne danego nabrzeża,

– wcześniejsze wyniki badań (m/f „Polonia” w porcie Ystad), – badany obszar, – warunki nawigacyjne, – założenia analizy, – typ statku, – zdolności manewrowe.

Symulacje przeprowadzono na symulatorze IRMSym i Smart zaimplementowanymi na kompu-terze klasy PC z wizualizacją projekcyjną (rys. 3).

Rys. 3. Interfejs modelu symulacyjnego (prom wchodzący do portu Ystad)

Fig. 3. An interface of the simulation model (a ferry entering the Ystad port)

Oprogramowanie symulacyjne pozwala na kon-trolę i obserwację poszczególnych parametrów statku. Każdy wariant przeprowadzonych serii sy-mulacyjnych składał się z minimum 15 manewrów. Poszczególne dane z przejazdów symulacyjnych były rejestrowane, a następnie wykorzystane w mo-delu probabilistycznym określania zapasu wody pod stępką.

Wyniki badań

Na podstawie przeprowadzonych prób symula-cyjnych dla poszczególnych badanych wariantów określono średnią prędkość promów podchodzą-cych do portu Ystad. Wyniki dla wschodniego wia-tru o prędkości 20 m/s zaprezentowano na rysun-kach 4 i 5. -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 Serie9 Serie10 Serie11 Serie12 Serie13 Serie14 Serie15 Serie16 Serie17 Serie18 średnia

Rys. 4. Prędkość promu w węzłach na podejściu do portu przy wietrze wschodnim o prędkości 20 m/s (przyjęto x = 0 jako główki portu)

Fig. 4. Ferry’s speed in knots at the approach area at the east wind of 20 m/s (x = 0 has been assumed as heads of the port)

i Z δ i BS δ i WP δ

0 1 2 3 4 5 6 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5Więcej Prędkość statku [w] Cz ęst ość 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00%

Częstość Łączna wartość %

Rys. 5. Histogram i dystrybuanta prędkości promu w poszcze-gólnych próbach symulacyjnych, w główkach portu przy wie-trze wschodnim o prędkości 20 m/s

Fig. 5. Histogram and distribution function of the ferry’s speed in separate simulation tests, in port head at the east wind 20 m/s

Spośród wyników analizy przeprowadzonych badań najistotniejsze jest prawdopodobieństwo, że zapas wody pod stępką będzie mniejszy od zera (UKC < 0). Wartość tę można interpretować jako prawdopodobieństwo kolizji statku z dnem akwenu. W celu określenia tej wartości wykorzystano model probabilistyczny określania zapasu wody pod stęp-ką. Uzyskane za pomocą metody Monte Carlo hi-stogramy zapasów wody pod stępką w poszczegól-nych przekrojach toru podejściowego do portu Ystad przedstawiono na rysunkach 6, 7 i 8.

Można zauważyć, że we wszystkich przeprowa-dzonych symulacjach nie występuje możliwość zerowego zapasu wody pod stępką.

a) b)

Rys. 6. Histogramy zapasów wody pod stępką 130 m przed główkami portu przy wysokości fali 0,4 m i wietrze: a) zachodnim o prędkości 20 m/s, b) wschodnim o prędkości 20 m/s

Fig. 6. Histograms of water supplies under keel 130 m before the port heads at the wave’s height of 0.4 m and the a) west wind 20 m/s, b) east wind 20 m/s

a) b)

Rys. 7. Histogramy zapasów wody pod stępką w główkach portu Ystad przy wysokości fali 0,2 m i wietrze: a) zachodnim o prędkości 20 m/s, b) wschodnim o prędkości 20 m/s

Fig. 7. Histograms of water supplies under keel in the heads of Ystad port at the wave’s height of 0.2 m and the a) west wind 20 m/s, b) east wind 20 m/s

a) b)

Rys. 8. Histogramy zapasów wody pod stępką 230 m za główkami portu przy wysokości fali 0 m i wietrze: a) zachodnim o prędkości 20 m/s, b) wschodnim o prędkości 20 m/s

Fig. 8. Histograms of water supplies under keel 230 m behind the port heads at the wave’s height of 0 m and the a) west wind 20 m/s, b) east wind 20 m/s 2wej1W20_2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 UKC_95% osiadanie główki portu [m] [m]

Rys. 9. Zapas wody pod stępką na poziomie ufności 95% oraz osiadanie promu „Piast”, podchodzącego do portu Ystad przy wietrze zachodnim o prędkości 20 m/s (przyjęto x = 0 jako główki portu)

Fig. 9. Water supply under keel at the trust level of 95% and grounding of the ferry “Piast” approaching the Ystad port at the west wind 20 m/s (x = 0 has been assumed as heads of the port)

Na rysunku 9 przedstawiono natomiast prawdo-podobieństwo zapasu wody pod stępką promu z 95% poziomem ufności oraz osiadanie statku na poszczególnych odcinkach toru podejściowego do portu Ystad.

Wnioski

Określony za pomocą modelu probabilistyczne-go, wykorzystującego metodę Monte Carlo, zapas wody pod stępką promu na poziomie ufności 95% wyniósł około 1,65 m w niekorzystnych warunkach nawigacyjnych w okolicy 125 m od główek. Wyni-ka to przede wszystkim z batymetrii akwenu oraz

osiadania jednostki wywołanej prędkością, która nie została zredukowana pomimo działania maszyn wstecz.

Prezentowana metoda określania zapasu wody pod stępką może być wykorzystana do określania bezpieczeństwa i analizy ryzyka podczas podejścia dowolnych jednostek do portu.

Bibliografia

1. GUCMA S., JAGNISZCZAK I.: Nawigacja morska dla

kapita-nów. Szczecin 2006.

2. NOWICKI A.: Wiedza o manewrowaniu statkami morskimi.

3. GUCMA L.: Risk Modelling of Ship Collisions Factors with Fixed Port and Offshore Structure (in Polish). Maritime University of Szczecin, Szczecin 2005.

4. GUCMA L., SCHOENEICH M.: Probabilistic Model of

Un-derkeel Clearance in Decision Making Process of Port Cap-tain. Monograph – Advances in Marine Navigation and Safety of Sea Transportation TransNav’2007, Gdynia 2007. 5. Research work – determination of squat of m/f “Śniadecki”

by RTK method in Świnoujście Port. Maritime University of Szczecin, 2006.

6. GUCMA L., SCHOENEICH M.: Określanie niepewności metod osiadania na podstawie badań rzeczywistych przeprowa-dzonych na promie m/f „Jan Śniadecki” w porcie Świnouj-ście. Proceedings of the XV International Scientific and Technical Conference “The Role of Navigation in Support of Human Activity on the Sea”, Gdynia 2006.

7. GUCMA L., GUCMA M., PRZYWARTY M., TOMCZAK A.: Eksperymentalne określanie rozkładów osiadania i trymu promu morskiego m/f „Jan Śniadecki” na podejściu i w por-cie Świnoujśpor-cie metodami RTK. Proceedings of the XV International Scientific and Technical Conference “The Role of Navigation in Support of Human Activity on the Sea”, Gdynia 2006.

Recenzent: dr hab. inż. Wiesław Galor, prof. AM Akademia Morska w Szczecinie