ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O - S H I P 2 0 0 6
Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu
Wpływ czynników hydrometeorologicznych
na bezpieczeństwo wejścia statku do portu
Słowa kluczowe: ryzyko wejścia statków do portu, stochastyczny model ruchu statku, czynniki hydrometeorologiczne
W artykule przedstawiono czynniki hydrometeorologiczne wpływające na bezpie-czeństwo wejścia statku do portu. Dokonano ich podziału na bieżące, krótkoterminowe i długoterminowe z punktu widzenia ich wykorzystania do modelowania oraz bieżącej oceny ryzyka wejścia statku do portu. Podano przykład prognozy długoterminowej dla prądu wiatrowego. Zaproponowano obliczanie ryzyka wejścia statku do portu opartego na stochastycznym modelu ruchu statku na fali, pod działaniem wiatru na ograniczonym torze wodnym.
Influence of Environmental Factors on the Safety
of Ship Approach to a Harbour
Key words: safe port accesss by vessels, stochastic model of ship motions, environmental factors
The paper presents environmental factors influencing the safety of ship access to a port. The factors are classified into real time, short and long term ones from the point of view of modeling and real time risk assessment. An example of a long term prognosis for a surface current is given. The risk assessment of ship approach to a port based on a stochastic model of ship motions under wind and wave is proposed.
Wstęp
Decyzja dotycząca wejścia statku do portu jest podejmowana przez kapita-na portu w porozumieniu z pilotem, kapitanem statku uwzględniając wymagania lokalnych przepisów portowych lub odpowiednie procedury systemu zarządza-nia bezpieczeństwem oraz ocenę wpływu warunków zewnętrznych na zachowa-nie się statku. Dotyczy to w szczególności zezwolenia oraz warunków zezwole-nia na wejścia do portu statku maksymalnego oraz promu.
Wprowadzanie statku maksymalnego [6] odbywa się z zachowaniem moż-liwego zapasu bezpieczeństwa – przy dobrej pogodzie i ograniczeniu ruchu in-nych statków. W przypadku promu, który regularnie zawija do portu margines bezpieczeństwa zmienia się w zależności od możliwości przewidywania wpływu środowiska na jego właściwości manewrowe. Przy silnym, poprzecznym wietrze utrzymanie statku na torze podejściowym zwykle wymaga przekroczenia do-puszczalnej prędkości, co oznacza zmniejszenie zapasu bezpieczeństwa i moż-liwość awarii przy nagłej zmianie warunków zewnętrznych.
Przy ocenie bezpieczeństwa wejścia statków do portu uwzględnia się wa-runki dopuszczalne [5, 6]. Jak pokazuje praktyka, do oceny bezpieczeństwa manewrowego statku w warunkach ekstremalnych konieczne jest uwzględnienie zmian elementów hydrometeorologicznych opartych na bieżących pomiarach i modelowaniu.
Szeroki zakres zmienności charakterystyk manewrowych na wodzie ograni-czonej, nawet w obrębie statków tego samego typu, bardzo utrudnia opracowa-nie standardów i miar bezpieczeństwa o charakterze uniwersalnym.
Propozycję standardów manewrowych opracowaną przez Panel H-10 SNAME (the Society of Naval Architects and Marine Engineers) [7] dla zakresu małych prędkości opublikowano w 2003 roku. W przypadku manewrów porto-wych decydujące znaczenie mają właściwości statków samodzielnie manewru-jących. W 2005 roku Vorobyov [10] zaproponował model stochastyczny do oceny prawdopodobieństwa utrzymania się statku na to torze wodnym, który może być traktowany jako charakterystyka statku manewrującego na wodzie ograniczonej z uwzględnieniem wiatru i fali.
Dla przyjętych założeń rozwiązanie układu równań opisujących ruch statku, pod działaniem wiatru i fali, na torze wodnym jest wielowymiarowym procesem Markowa, którego funkcja gęstości spełnia równania Fokkera – Plancka – Koł-mogorowa. Prawdopodobieństwo, że statek nie przekroczy granic toru wodnego można wówczas określić korzystając z nierówności Czebyszewa. Na podstawie tej charakterystyki można sformułować definicję ryzyka wejścia statku do portu.
1. Czynniki hydrometeorologiczne wpływające na bezpieczeństwo
wejścia statku do portu
Sposób monitorowania warunków zewnętrznych w rejonie portu jest dosto-sowany do lokalnych wymagań, jednak jak pokazuje praktyka, rozwiązania w których dostępna informacja obejmuje jedynie prognozę pogody i lokalne pomiary parametrów wiatru są niewystarczające, gdyż nie uwzględniają one występowania zmiennego pola prądów przypowierzchniowych.
Podejmowanie decyzji dotyczących bezpiecznego wejścia statku do portu z punktu widzenia dopuszczalnych warunków zewnętrznych opiera się wówczas na niepełnej informacji. Przykładem takiego akwenu, może być podejście do portu Gdynia, gdzie według locji, wzdłuż falochronów i na redzie występuje słaby prąd północny, który przy silnych wiatrach północnych i północno-wschodnich zmienia kierunek na południowy, osiągając prędkość 2 węzłów.
W rzeczywistości parametry prądu formowanego pod wpływem wiatru zmieniają się w czasie i przestrzeni. Potwierdzają to badania prądów przypo-wierzchniowych, przeprowadzone przez Akademię Morską w Gdyni [2]. Szcze-gólnie niebezpieczne może być występowanie prądów kołowych, jakie zaobser-wowano dla prędkości wiatru poniżej 18 węzłów. Na rysunkach 1 i 2 przedsta-wiono obraz prądu kołowego oraz zmiany parametrów prądu w stosunku do kierunku i prędkości wiatru.
Rys. 1. Trajektoria ruchu wody określona na podstawie hodografu prądu [2]
Występowanie niejednorodnego pola prądów potwierdzają również piloci wprowadzający statki do portu Gdynia. Modele matematyczne znosu wiatrowe-go nie opisują poprawnie zjawiska dla wiatrów o prędkości mniejszej od 15 węzłów [2]. W rejonach o zróżnicowanej batymetrii, w obecności obiektów hydrotechnicznych nie można opierać się na modelach ogólnych. Dlatego też konieczne jest przeprowadzenie pomiarów umożliwiających opracowanie mode-lu szczegółowego dla danego obszaru.
Rys. 2. Zależność parametrów prądu od prędkości i kierunku wiatru [2]
Fig. 2. Surface current parameters in relation to wind speed and direction [2] Brak danych dotyczących parametrów prądu i występowanie silnego, pory-wistego wiatru o kierunku prostopadłym do ruchu statku może być przyczyną awarii statku wchodzącego do portu bez asysty holowników. Przy zaniku wiatru, przeciwny prąd powoduje wówczas zejście statku z zaplanowanej trajektorii ruchu.
Pomiar pola prądów i prognoza oparta na modelu pozwala przewidzieć wa-runki żeglugi w dowolnym miejscu akwenu i przyczynia się do poprawy bezpie-czeństwa statku. Obecnie w celu poprawy bezpiebezpie-czeństwa wykorzystuje się zakotwiczone logi dopplerowskie.
Prędkość wiatru
Odchylenie kierunku prądu od kierunku wiatru
kierunek wiatru Prędkość prądu
W dużych portach, trudnych pod względem nawigacyjnym, stosowane są zintegrowane systemy pomiarowe [8, 11], umożliwiające monitorowanie para-metrów wiatru, prądu, falowania, pływów, zasolenia i zamulenia wody a także ciśnienia i przejrzystości powietrza, widzialności oraz opadów. Pomierzone wartości mogą być gromadzone i przetwarzane przez systemy ekspertowe. Po-zwala to wprowadzać odpowiednie ograniczenia poprzez system kontroli ruchu statków, dotyczące np. bezpiecznej prędkości lub zanurzenia statku.
Rys. 3. Czynniki hydrometeorologiczne Fig. 3. Hydro-meteorological factors
Na zachowanie się statku ma wpływ kompleksowe oddziaływanie środowi-ska morskiego [3]. Niezależnie od ilości monitorowanych parametrów hydrome-teorologicznych, ocena ryzyka wejścia statku do portu powinna opierać się na monitoringu elementów hydrometeorologicznych w czasie rzeczywistym oraz prognozie i modelowaniu, rysunek 3.
Zarządzanie bezpieczeństwem w porcie i podejmowanie decyzji dotyczą-cych bezpiecznego wejścia statku do portu z punktu widzenia dopuszczalnych warunków zewnętrznych opiera się najczęściej tylko na bieżących pomiarach wiatru.
2. Ocena ryzyka wejścia statku do portu
Vorobyov [10] podał model do oceny prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym przy oddziaływaniu wiatru i fali w zależności od pręd-kości statku (2). Przy założeniu, że kąt kursowy statku , kąt dryfu β oraz bez-wymiarowa prędkość kątowa ω są małe (1):
Czynniki hydrometeorologiczne
Monitoring w czasie rzeczywistym
Czynniki
krótkoterminowe długoterminowe Czynniki
Baza danych Prognoza Modelowanie
Bieżące podejmowanie decyzji
Ocena ryzyka na podstawie prognozy pogody i modelowania prądów
1 , 0 ; 2 , 0 ; 4 , 0 (1) gdzie: u L
L – długość statku między pionami [m], u – prędkość statku [m/s].
Rozwiązaniem układu równań opisujących ruch statku na torze wodnym jest wielowymiarowy proces Markowa, którego funkcja gęstości spełnia równa-nia Fokkera – Plancka – Kołmogorowa.
Rys. 4. Układ współrzędnych
Fig. 4. Coordinates system
Prawdopodobieństwo, że statek nie przekroczy granic toru wodnego (tj. pa-sa o szerokości Bn), przy oddziaływaniu wiatru i fali, można określić korzystając
z nierówności Czebyszewa, zaproponowanej przez Vorobyova [10]:
13 15 2 13,13 13,15 15,15 2 2 1 2 2 1 1 2 2 2 4 n f f f n B B P x X X L x k x k k L B B (1) ξ η β x y u Bngdzie:
P – prawdopodobieństwo utrzymania się statku na torze, L – długość statku między pionami,
B – szerokość statku na wodnicy, Bn – szerokość toru wodnego,
xf – współrzędna środka wodnicy,
f
x – xf /L,
Xi(t) – funkcje losowe (składowe wektorowego procesu Markowa),
X13 – funkcja losowa opisująca kąt kursowy statku ,
X15 – funkcja losowa opisująca przemieszczenie poprzeczne statku η,
ki,j – współczynniki korelacji dla zadanej wartości Bn.
Ryzyko wejścia do portu dla wybranego statku można obliczyć na podsta-wie podanego wyżej prawdopodobieństwa jako iloczyn:
S P R(1 ) gdzie:
P – prawdopodobieństwo utrzymania się statku na torze, S – skutki.
Skutki będą zależeć od odległości statku od konstrukcji hydrotechnicznych i jego prędkości [5, 6].
W przedstawionym modelu prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze, nie zostały uwzględnione parametry prądu.
Zakończenie
Znajomość warunków hydrometeorologicznych oraz prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym umożliwia zredukowanie ryzyka.
Aby zaprezentować model dla prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym oraz by model ten mógł być zastosowany do oceny ryzyka statku w dowolnych warunkach, należy w nim uwzględnić model oddziaływania prądu.
Literatura
1. Abramowicz-Gerigk T., Investigations on standards for ship manoeuvring performance at slow speed in constrained space, Proceedings of Interna-tional Conference Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, IMAM 2005, Lisbon 2005.
2. Burciu Z., Modelowanie obszarów poszukiwania w aspekcie bezpieczeń-stwa transportu ludzi na morzu, Prace Naukowe Transport z. 50, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, s. 128, Warszawa 2003.
3. Faltinsen O., Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge Uni-versity Press, London 1990.
4. Fathi D., ShipX Vessel Responses (VERES), Marintek AS Trondheim 2004, http://www. marintek.sintef.no/.
5. Gucma L., Modelowanie czynników ryzyka zderzenia jednostek pływają-cych z konstrukcjami portowymi, Akademia Morska Szczecin, Studia nr 44, Szczecin 2005.
6. Gucma S., Inżynieria ruchu morskiego, Okrętownictwo i Żegluga, Gdańsk 2001
7. Hwang W., Jakobsen B., Barr R., Ankudinov V., Fuller N., Vest L., Morris M., McGovern A., Landsburg A., An Exploratory Study to Characterize Ship Manoeuvring Performance at Slow Speed, Proceedings of Internation-al Conference of Manoeuvring and Control – MCMC2003. Kanazawa, Ja-pan, 2003.
8. Jesper W., Rorbak K., Vessel Traffic System for Safe Navigation and Im-proved Port Access, www.dhi.dk.
9. Perez T., Fossen T., Sorensen A., A Disscussion about Seakeeping and Manoeuvring Models for Surface Vessels, Technical Report (MSS-TR-001), 2004, http://www.cosos.ntnu.no/mss.
10. Vorobyov Y.L., Kosoy M.B., The navigational width for a vessel going on the trajectory in shallow water under wind and wave, Proceedings of Inter-national Conference Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, IMAM 2005. Lisbon 2005.
11. www.adcp.com.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Recenzent
prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Stanisław Gucma Adresy Autorów
dr inż. Teresa Abramowicz-Gerigk
dr hab. inż. kpt.ż.w. Zbigniew Burciu, prof. AM w Gdyni Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny 81-345 Gdynia, Al. Jana Pawła II 3
