- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin
Transkrypt
- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin
Scientific Journals Zeszyty Naukowe 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 Schoeneich1 Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego 70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, tel. 091 48 09 485, e-mail: [email protected] 1 Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nawigacji Morskiej 70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, tel. 091 48 09 393, e-mail: [email protected] 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 zapasu wody pod stępką został dostosowany do oszacowania prawdopodobieństwa kolizji z dnem akwenu. Uzyskane 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. Badania symulacyjne podejścia do portu Ystad Wstęp Zapas wody pod stępką statku (UKC) jest najważniejszym czynnikiem, który determinuje możliwość 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 niesprzyjających warunkach pogodowych (siła wiatru) promy nie mogą dowolnie zmniejszać prędkości, ponieważ jest to związane ze spadkiem zdolności manewrowych. W artykule zaprezentowano analizę tego zjawiska. Symulacje podejścia do portu Ystad przeprowadzono 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; 22 Scientific Journals 13(85) Określanie zapasu wody pod stępką w porcie Ystad na podstawie badań symulacyjnych b) c) d) e) f) g) Przeprowadzenie i analiza scenariuszy typowych sytuacji awaryjnych. – dwóch nowych miejsc cumowania w porcie wewnętrznym z uwzględnieniem ich kształtu, długości, głębokości, maksymalnej energii cumowania, maksymalnej prędkości strumieni zaśrubowych i sterów strumieniowych. Określenie warunków bezpieczeństwa operacji portowych w odniesieniu do: – dopuszczalnych warunków hydrometeorologicznych dla danego typu statku oraz jego zdolności manewrowych; – innych warunków nawigacyjnych i ograniczeń, takich jak obecność innych statków przy nabrzeżach, wykorzystanie systemu stałego pozycjonowania na podejściu, oznakowanie nawigacyjne i system kontroli ruchu statków. Określenie procedur manewrowych podczas cumowania i odcumowania dla różnych typów statków oraz systemów napędowych. Określenie zapasu wody pod stępką za pomocą metody Monte Carlo. Określenie stopnia wykorzystania silnika głównego podczas wejścia do portu. Określenie odległości promu do najbardziej niebezpiecznych obiektów. Model symulacyjny wykorzystany w badaniach jest zbudowany modułowo, gdzie wszystkie czynniki, jak siły hydrodynamiczne działające na kadłub, siły oporu śruby i urządzeń sterowych oraz wpływ czynników zewnętrznych są modelowane jako osobne siły, a następnie sumowane [3]. Najistotniejszymi siłami uwzględnionymi w modelu 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 kadłubem statku a odbojnicą, − siły od holowników, − inne siły i momenty. Ogólny schemat modelu symulacyjnego manewrującego statku przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Schemat modelu symulacyjnego wykorzystanego w badaniach Fig. 1. Diagram of the simulation model used in the research Zeszyty Naukowe 13(85) 23 Lucjan Gucma, Marta Schoeneich Blok obliczeniowy losowego zanurzenia statku Zapas wody pod stępką na podejściu promów do portu Ystad z wykorzystaniem metody Monte Carlo Zanurzenie statku wpisywane przez użytkownika poprawiane jest o wartość błędu wynikającego z określenia zanurzenia oraz o wartość błędu oceny przechyłu statku. Zanurzenie Ti w poszczególnej iteracji Monte Carlo obliczane jest w następujący sposób: 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): Ti = T + δ Ti + δ Pi gdzie: T – zanurzenie statku przyjęte jako 6,3 m; δ Ti – błąd określenia zanurzenia przyjęty jako UKC = (H 0 + ∑δ Hoi ) − (T + ∑δ Ti ) + + (∆ Swa + ∑δ Swi ) + δ N gdzie: δP δHoi − niepewności związane z głębokością i jej δTi δSwi δN i określaniem, − niepewności związane z zanurzeniem i jego określaniem, − niepewności związane z poziomem wody i jego określaniem, − rezerwa nawigacyjna. +/–0,05 m; – błąd oceny przechyłu przyjęty jako +/–3°. Blok obliczania poziomu wody Poziom wody PWi może być określany bezpośrednio z wodowskazów, o ile istnieje dostęp bezpośredni do pomiarów. W prezentowanych badaniach do oceny niepewności poziomu wody zastosowano rozkład normalny obustronnie ucięty o parametrach (0, +/–0,1 m). Ostatecznie model określa zapas wody pod stępką, uwzględniając niepewność dotyczącą pomiaru głębokości, błąd określenia zanurzenia w porcie, błąd określenia osiadania statku, nierówności dna oraz wpływ falowania. Program jest przystosowany do określania wyżej wymienionych niepewności, wykorzystuje rozkłady i ich parametry. Poszczególne wartości wybierane są losowo z rozkładów: Blok obliczania głębokości Głębokość hi przyjęto jako wartość stałą w poszczególnych przekrojach toru wodnego (wartości zmieniają się od 9 m przed i w okolicy główek portu do 8,5 m w porcie). Na podstawie przyjętej głębokości obliczono aktualną głębokość, uwzględniając poziom wody w porcie. Blok obliczania osiadania statku – głębokość hi (uśredniona w wybranych przekrojach –100 m, 0 m, +100 m, 200 m, 300 m od główek portu), – błąd sondaży δ BSi , 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 zweryfikowane na podstawie eksperymentu rzeczywistego z wykorzystaniem techniki GPS-RTK [4, 5]. Na podstawie tego eksperymentu określono również niepewność każdej z metod, co umożliwiło przypisanie każdej z nich odpowiedniej wagi wi = σi/Σσi. Następnie z uzyskanych wartości osiadania za pomocą metody bootstrap obliczane jest osiadanie statku Oi z uwzględnieniem wag poszczególnych metod. – rezerwa na zamulenie δ Zi , – błąd określania zanurzenia δ Ti , – błąd oceny przechyłu δ Pi . Poziom wody Blok obliczania zapasu wody pod stępką Dno akwenu Na podstawie uzyskanych wartości zanurzenia, głębokości, poziomu wody i osiadania dla poszczególnej iteracji, a korzystając z wyników wcześniejszych bloków obliczeniowych, określany jest zapas wody pod stępką Zi: 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 24 Scientific Journals 13(85) Określanie zapasu wody pod stępką w porcie Ystad na podstawie badań symulacyjnych ( ) ( Z i = hi + δ Zi + δ BSi − Ti + Oi + δ N + δ WPi + δ F ) Symulacje przeprowadzono na symulatorze IRMSym i Smart zaimplementowanymi na komputerze klasy PC z wizualizacją projekcyjną (rys. 3). gdzie: hi – aktualna głębokość w poszczególnej iteracji zależnie od przekroju toru wodnego (sondaże z października 2007); δ Zi – rezerwa na zamulanie, przyjęto rozkład normalny ucięty o parametrach (0, +/–0,1 m); δ BSi – 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); δ WPi – rezerwa na wysokość pływu (0); δF – rezerwa na falowanie (wysokość fali przyjęto jako h = 0,4 m przed główkami portu, h = 0,2 m w główkach i h = 0 m w porcie). 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 kontrolę i obserwację poszczególnych parametrów statku. Każdy wariant przeprowadzonych serii symulacyjnych składał się z minimum 15 manewrów. Poszczególne dane z przejazdów symulacyjnych były rejestrowane, a następnie wykorzystane w modelu probabilistycznym określania zapasu wody pod stępką. Realizacja badań symulacyjnych Badania symulacyjne polegały na przeprowadzeniu serii prób manewrowych w celu wyjaśnienia problemu. Uzyskane wyniki badań zestawiono z kryteriami bezpieczeństwa nawigacyjnego. Poszczególne warianty badań określono, uwzględniając następujące okoliczności: – warunki eksploatacyjne danego nabrzeża, – wcześniejsze wyniki badań (m/f „Polonia” w porcie Ystad), – badany obszar, – warunki nawigacyjne, – założenia analizy, – typ statku, – zdolności manewrowe. Wyniki badań Na podstawie przeprowadzonych prób symulacyjnych dla poszczególnych badanych wariantów określono średnią prędkość promów podchodzących do portu Ystad. Wyniki dla wschodniego wiatru o prędkości 20 m/s zaprezentowano na rysunkach 4 i 5. 14 12 10 8 6 4 2 0 -600 -400 -200 0 200 -2 -4 400 600 800 Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 Serie9 Serie10 Serie11 Serie12 Serie13 Serie14 Serie15 Serie16 Serie17 Serie18 średnia -6 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) Zeszyty Naukowe 13(85) 25 Lucjan Gucma, Marta Schoeneich 7 120,00% 6 100,00% Częstość 5 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 stępką. Uzyskane za pomocą metody Monte Carlo histogramy zapasów wody pod stępką w poszczególnych przekrojach toru podejściowego do portu Ystad przedstawiono na rysunkach 6, 7 i 8. Można zauważyć, że we wszystkich przeprowadzonych symulacjach nie występuje możliwość zerowego zapasu wody pod stępką. 80,00% 4 60,00% 3 40,00% 2 20,00% 1 0 0,00% 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 Więcej Prędkość statku [w] Częstość Łączna wartość % Rys. 5. Histogram i dystrybuanta prędkości promu w poszczególnych próbach symulacyjnych, w główkach portu przy wietrze 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 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 26 Scientific Journals 13(85) Określanie zapasu wody pod stępką w porcie Ystad na podstawie badań symulacyjnych 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 [m] 2,2 2 1,8 1,6 1,4 UKC_95% 1,2 osiadanie 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 główki portu 250 300 350 [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) 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. Na rysunku 9 przedstawiono natomiast prawdopodobieństwo 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 probabilistycznego, 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. Wynika to przede wszystkim z batymetrii akwenu oraz Zeszyty Naukowe 13(85) Bibliografia 1. GUCMA S., JAGNISZCZAK I.: Nawigacja morska dla kapitanów. Szczecin 2006. 2. NOWICKI A.: Wiedza o manewrowaniu statkami morskimi. Podstawy teorii i praktyki. Trademar, Gdynia 1999. 27 Lucjan Gucma, Marta Schoeneich 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 Underkeel Clearance in Decision Making Process of Port Captain. 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 przeprowadzonych na promie m/f „Jan Śniadecki” w porcie Świnoujście. 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 porcie Świnoujście 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 28 Scientific Journals 13(85)