Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 95
Transport
2013
Stanisaw Gucma
Akademia Morska w Szczecinie
OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW SYSTEMU
MORSKICH DRÓG WODNYCH W UJCIU
INYNIERII RUCHU MORSKIEGO
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: w artykule zdefiniowano system morskich dróg wodnych oraz przedstawiono ogólne
zasady jego modelowania. Okrelono warunki bezpiecznej eksploatacji systemu morskich dróg
wodnych oraz zbudowano model optymalizacji jego parametrów. Opisany model optymalizacji
zastosowano przy projektowaniu systemu podejciowych dróg wodnych do portu zewntrznego
w winoujciu (Terminalu LNG).
Sowa kluczowe: inynieria ruchu morskiego, morskie drogi wodne
1. WPROWADZENIE
System morskich dróg wodnych w ujciu inynierii ruchu morskiego skada si
z szeregu wyodrbnionych odcinków. Kady z odcinków drogi wodnej skada si z dwóch
podstawowych elementów:
x podsystemu drogi wodnej,
x podsystemu okrelenia pooenia statku (podsystem nawigacyjny).
Oba elementy oddziaywuj na siebie wzajemnie i maj istotny wpyw na wasnoci
systemu.
Odcinki drogi wodnej wyodrbnione s przy wykorzystaniu nastpujcych kryteriów
porównawczych :
x wykonywany manewr,
x parametry techniczne drogi wodnej,
x parametry techniczne stosowanych systemów nawigacyjnych,
x panujce warunki hydrometeorologiczne,
x przepisy portowe.
Funkcj systemu dróg wodnych jest wykonanie zadanego (planowanego) manewru
przez statek o okrelonych parametrach. Wielkoci wejciow jest planowany manewr
statku o okrelonych parametrach , wielkoci wyjciow jest wykonany manewr przez ten
158
Stanisaw Gucma
statek. W inynierii ruchu morskiego stosowana jest definicja cybernetyczna systemu [3].
S to systemy wzgldnie odosobnione, w których wyodrbniona cao jest sprzona
z otoczeniem za porednictwem wielkoci wejciowych i wyjciowych [5]. System dróg
wodnych zbudowany jest z udziaem czowieka i granice midzy systemem i jego
modelem s nieostre. Ogólny model systemu dróg wodnych przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Ogólny model systemu dróg wodnych posiadajcy n odcinków
Jednym z etapów projektowania systemu morskich dróg wodnych jest optymalizacja
jego parametrów. Pod pojciem parametrów systemu morskich dróg wodnych naley
rozróni parametry dostpnego akwenu eglugowego danego odcinka drogi wodnej oraz
parametry podsystemu okrelenia pooenia statku na tym odcinku.
Parametry dostpnego akwenu eglugowego drogi wodnej to:
x gboko akwenu,
x wymiary poziome akwenu okrelone na zadanej izobacie (gbokoci).
Parametry podsystemów okrelenia pooenia statku na danym odcinku drogi wodnej to:
x dostpno,
x niezawodno,
x dokadno.
Etapem poprzedzajcym optymalizacj parametrów systemu morskich dróg wodnych jest
ustalenie warunków bezpiecznej eksploatacji systemu.
Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w ujciu inynierii …
159
2. WARUNKI BEZPIECZNEJ EKSPLOATACJI SYSTEMU
MORSKICH DRÓG WODNYCH
Warunki bezpiecznej eksploatacji systemu morskich dróg wodnych mona podzieli na
warunki eksploatacji podsystemu drogi wodnej i podsystemu nawigacyjnego.
Ustalenie warunków eksploatacji drogi wodnej polega na [4]:
1. Podziale drogi wodnej na charakterystyczne odcinki. Charakterystyczne odcinki
ustalane s na podstawie:
x parametrów poszczególnych odcinków (gbokoci i dostpnych szerokoci);
x rodzaju wykonywanych manewrów na tych odcinkach;
x warunków hydrometeorologicznych panujcych na tych odcinkach;
x rodzaju oznakowania nawigacyjnego poszczególnych odcinków.
2. Okreleniu warunków hydrometeorologicznych panujcych na poszczególnych
odcinkach drogi wodnej majcych wpyw na bezpieczestwo wykonywanych
manewrów.
3. Okreleniu parametrów „statku maksymalnego” przewidywanego do eksploatacji na
danej drodze wodnej. Do podstawowych parametrów nale:
x dugo statku (cakowita Lc i midzy pionami Lpp),
x szeroko (B),
x zanurzenie maksymalne (T).
„Statek maksymalny” definiowany jest jako najwikszy statek, który przy zaoonych
warunkach nawigacyjnych moe bezpiecznie manewrowa na badanej drodze wodnej
(przechodzi torem wodnym). Z punktu widzenia pojcia „statek maksymalny”
wystarczy gdy jeden z jego podstawowych parametrów osiga warto maksymaln [1].
Dodatkowe parametry statku to:
x prdko dopuszczalna,
x typ statku charakteryzowany wspóczynnikami penotliwoci kaduba.
Na drogach wodnych statki poruszaj si z rónymi prdkociami dopuszczalnymi,
które zale od rodzaju akwenu i typu statku. Prdkoci te z jednej strony dyktowane s
wzgldami eksploatacyjnymi wynikajcymi z ogranicze czasowych takich statków jak
kontenerowce, Ro-Ro, gazowce, z drugiej strony wzgldami bezpieczestwa nawigacji.
Zazwyczaj jest to „prdko eksploatacyjna na akwenach ograniczonych”, któr
poruszaj si statki na dalekich redach i podejciach do kotwicowisk lub „prdko
zredukowana” stosowana na pogbionych torach wodnych. Prdko eksploatacyjna na
akwenach ograniczonych jest osigana przy nastawie maszyny „caa naprzód –
manewrowa”. Prdko zredukowana natomiast jest osigana przy nastawie maszyny
„pó naprzód”.
4. Okreleniu podstawowych warunków eksploatacji „statku maksymalnego” na
poszczególnych odcinkach drogi – dopuszczalnych warunków, w których wykonywany
jest manewr przejcia torem wodnym. Do warunków tych nale:
x pora doby (np. bez ogranicze lub pora dzienne),
x widzialno (np. bez ogranicze lub s 2Mm),
x maksymalna prdko statku,
160
Stanisaw Gucma
x dopuszczalna prdko wiatru,
x kierunek wiatru,
x dopuszczalna prdko prdu,
x kierunek prdu,
x wysoko fali,
x dugo fali,
x rezerwa na minimalny stan wody,
x warunki lodowe,
x asysta holownicza (rodzaj asysty).
Rezerwa na minimalny stan wody okrelana jest w zalenoci od rodzaju statku,
minimalnego stanu wody i prawdopodobiestwa jego wystpienia oraz okresu
eksploatacji projektowanej drogi wodnej. Okrelajc t rezerw statki dzielimy na dwie
grupy te, które nie mog oczekiwa na wyszy stan wody (promy, gazowce, liniowce
itp.) oraz te, które mog oczekiwa na wyszy stan wody. Dla pierwszej grupy statków
przyjmowany jest minimalny stan wody wystpujcy w 20-letnim okresie eksploatacji
drogi wodnej (jest to okres trwaoci tego typu inwestycji. Dla drugiej grupy mog by
przyjte inne wielkoci (np. minimalny stan wody wystpujcy w okresie 5 lat).
Ustalenie warunków eksploatacji podsystemu nawigacyjnego polega na [4]:
1. Systemy nawigacyjne (systemy okrelenia pooenia statku) na danej drodze wodnej
projektowane s oddzielnie dla poszczególnych grup wielkociowych statków.
2. Projektowanie systemów naley rozpocz od „statków maksymalnych”, gdy czsto
okazuje si, e wymogi stawiane systemom dla maych statków s spenione przez
systemy dla statków duych [2].
3. Systemy okrelenia pooenia projektowane s dla trzech nastpujcych warunków
widzialnoci:
x pory dziennej (dobra widzialno),
x pory nocnej (dobra widzialno),
x za widzialno.
Przy czym zaoenia eksploatacyjne rozpatrywanej drogi wodnej mog ograniczy ilo
warunków projektowanych dla okrelonych grup wielkociowych statków, np.: egluga
statków okrelonej grupy wielkociowej odbywa si wycznie w porze dziennej lub na
danej drodze wodnej egluga statków odbywa si wycznie przy dobrej widzialnoci.
4. Systemy okrelania pooenia dla poszczególnych warunków widzialnoci musz by
dublowane, gdy w przeciwnym przypadku awaria jednego systemu okrelenia pozycji
grozi katastrof nawigacyjn. Dla kadego z trzech warunków widzialnoci musz by
zaprojektowane dwa systemy nawigacyjne:
x system podstawowy,
x system dodatkowy.
5. Projektowane systemy okrelenia pooenia statku na zadanej drodze wodnej musz
spenia wymogi:
x dostpnoci systemu okrelania pozycji,
x niezawodnoci systemu okrelenia pozycji,
x dokadnoci systemu okrelenia pooenia statku
Dostpno systemu okrelenia pozycji statku wyznaczaj stosunki wasnociowe
oraz panujce warunki hydrometeorologiczne. W tej kategorii mona rozpatrywa:
Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w ujciu inynierii …
161
Wyczenie wiate nawigacyjnych przez ich waciciela.
Warunki hydrometeorologiczne, przy których niedostpne s niektóre systemy
okrelania pozycji, dotyczy to np.: warunków ograniczonej widzialnoci
(s < 2 Mm), przy której niedostpne s metody terestryczne (optyczne) lub
warunków lodowych, w których zdejmowane jest oznakowanie pywajce.
Ekstremalne warunki hydrometeorologiczne, przy których cay system dróg
wodnych jest niedostpny dla danego statku s one okrelone przez warunki
eksploatacji statków na omawianej drodze wodnej, np. przekroczenie
dopuszczalnej prdkoci wiatru lub wysokoci fali.
Niezawodnoci okrelania pozycji statku nazywana jest jego zdolno do okrelenia
pozycji z zakadan dokadnoci. Jest to niezawodno techniczna oceniana przez
intensywno uszkodze poszczególnych elementów systemu. Uszkodzenia tych
elementów zmniejszaj zakadan dokadno lub uniemoliwiaj okrelenie pozycji. Do
oblicze prawdopodobiestwa niezawodnej pracy elementów systemu wykorzystywana
jest funkcja intensywnoci uszkodze O(t) w czasie t, która jest funkcj gstoci powstania
uszkodzenia. W tej kategorii mona rozpatrywa:
Niezawodno metod satelitarnych lub radionawigacyjnych (np. pilotowego
systemu nawigacyjnego) uwarunkowan technicznymi uszkodzeniami
(softwerowymi i hardwerowymi) systemu.
Niezawodno metod optycznych uwarunkowan zdryfowaniem oznakowania
pywajcego lub awari wiate w nocy.
Niezawodno metod radarowych uwarunkowan zdryfowaniem oznakowania
pywajcego (niezawodno technicznego uszkodzenia radaru jest znikoma gdy
statek wyposaony jest w dwa radary pracujce w „gorcej” rezerwie).
Dokadno systemu pooenia statku okrelana jest poprzez szeroko bezpiecznego
obszaru manewrowego opisanego funkcj dokadnoci systemów okrelania pozycji, a tym
samym parametrów tych systemów. Czyli:
d
f d n (1)
d
f N i (2)
a zatem:
gdzie:
d
dn
Ni
– szeroko bezpiecznego obszaru manewrowego,
– nawigacyjna skadowa szerokoci bezpiecznego obszaru manewrowego,
– parametry systemów okrelania pozycji.
Zapewnienie odpowiednio wysokiego poziomu bezpieczestwa manewrowania na
drogach wodnych jest podstawowym zadaniem, które naley rozwiza przy
projektowaniu i okreleniu ich warunków eksploatacji. Zadanie to sprowadza si do
okrelenia parametrów dostpnego akwenu eglugowego dróg wodnych oraz parametrów
systemów nawigacyjnych wykorzystywanych tam do manewrowania. Statek moe
bezpiecznie manewrowa jedynie na akwenie, który w kadym punkcie spenia warunek
162
Stanisaw Gucma
wymaganej (bezpiecznej) gbokoci. Akwen taki nazywany jest dostpnym akwenem
eglugowym, który mona przedstawi w postaci obszaru D zbioru punktów speniajcych
warunek wymaganej gbokoci w momencie t. Bezpieczna gboko na etapie
projektowania lub modernizacji torów wodnych okrelana jest zazwyczaj metod staej
rezerwy wody pod stpk.
Statek wykonujcy okrelony manewr na dostpnym akwenie eglugowym w czasie
trwania tego manewru zajmuje pewien obszar wyznaczony przez jego kolejne pooenia na
tym akwenie, nazywany jest on bezpiecznym obszarem manewrowym ࢊ [1].
3. OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW SYSTEMU
MORSKICH DRÓG WODNYCH
Okrelajc jako funkcj celu w zadaniach optymalizacji parametrów systemu dróg
wodnych koszt budowy (przebudowy) danego elementu (lub elementów) drogi wodnej i jej
podsystemu nawigacyjnego oraz koszty eksploatacji tych podsystemów przyjto
nastpujce zaoenia:
x badany „maksymalny statek” manewruje na drodze wodnej, gdzie pozycja okrelana
jest we wspórzdnych prostoktnych;
x badany obszar okrelony jest zbiorem x  X, y  Y, w którym wyróniamy
nastpujce podzbiory dostpnego akwenu eglugowego X1  X, Y1  Y; linii
nabrzey X2  X, Y2  Y; linii falochronów X3  X, Y3  Y;
x wspórzdne opisujce te podzbiory s iloczynami kartezjaskimi: X1 x Y1; X2 x
Y2; X3 x Y3;
x na badanym akwenie mog manewrowa statki mieszczce si w zbiorze i  I.
Dotyczy to zarówno wielkoci (dugoci, szerokoci, zanurzenia), jak i mocy na
rubach, typu pdników oraz charakterystyk manewrowych;
x statek manewrujcy na badanej drodze wodnej moe wykona jeden z manewrów
mieszczcych si w zbiorze j  J. Jest to zbiór rodzajów manewrów wykonywanych
na badanej drodze wodnej (rodzajów manewrów, liczby i mocy uytych
holowników);
x badane statki mog manewrowa w warunkach nawigacyjnych mieszczcych si
w zbiorze k  K. Dotyczy on zarówno podsystemów nawigacyjnych jak i warunków
hydrometeorologicznych (prdkoci oraz kierunków wiatru i prdu, falowania,
widzialnoci, zalodzenia, stanu wody itp.).
W modelu tym bezpieczestwo nawigacji determinuj nastpujce warunki:
x wielko akwenu dostpnego dla eglugi;
x zapas wody pod stpk.
Przyjmujc powysze zaoenia i warunki, funkcj celu optymalizacji parametrów dróg
wodnych mona zapisa w postaci:
ܼ ൌ ሺ‫ ͳܣ‬൅ ‫ ʹܣ‬൅ ܰͳ ൅ ܰʹ ൅ ܵሻ o ݉݅݊
(3)
Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w ujciu inynierii …
gdzie:
163
A1 = f 1 D; h xy , przy czym (x, y)  X1 x Y1,
ܰͳ ൌ f D, h ǡ
‫ ʹܣ‬ൌ f 2 D, hxy ǡ
xy
3
ܰʹ ൌ f 4 D ǡ
ܵ ൌ f 5 (D) ǡ
czyli:
ܼ ൌ F D, h xy o ݉݅݊
(4)
dijk (1 – D)  D(t)
(5)
przy jednym z dwóch ogranicze:
1.
p(x,y)D(t)
Rl Rakc
2.
gdzie:
D(t)
hxy (t) t Txy (t) + 'xy (t)
(6)
– dostpny akwen eglugowy (speniony warunek bezpiecznej gbokoci
w momencie t),
dijk(1 - D) – bezpieczny obszar manewrowy i-tego statku wykonywujcego j-ty
ܼ
‫ͳܣ‬
‫ʹܣ‬
ܰͳ
–
–
–
–
ܰʹ
ܵ
–
–
Rl
Rakc
hxy
Txy
'xy
–
–
–
–
–
manewr w k-tych warunkach nawigacyjnych okrelony na poziomie
ufnoci 1 - D,
koszt budowy i eksploatacji systemu dróg wodnych,
koszt budowy (przebudowy) drogi wodnej,
koszt eksploatacji drogi wodnej,
koszt budowy podsystemu okrelania pooenia statku (systemów
nawigacyjnych),
koszt eksploatacji systemów nawigacyjnych,
koszty eksploatacji statku zwizane z przejciem drogi wodnej (pilota,
asysta holownika, itp),
ryzyko nawigacyjne przejcia l-tego odcinka drogi wodnej,
akceptowalne ryzyko nawigacyjne,
gboko akwenu w punkcie x,y,
zanurzenie statku w puncie x,y,
rezerwa wody pod stpk w punkcie x,y.
164
Stanisaw Gucma
4. PODSUMOWANIE
Przedstawiony model optymalizacji parametrów systemu morskich dróg wodnych
zastosowano przy projektowaniu torów podejciowych do portu zewntrznego
w winoujciu. Przebudowa toru podejciowego do winoujcia zwizana jest z budow
portu zewntrznego w którym zlokalizowany bdzie terminal gazowy LNG. Terminal ten
bdzie obsugiwa gazowce typu Q-Flex o podstawowych parametrach:
x dugo cakowita: ‫ ܿܮ‬ൌ ͵ͳͷ݉
x szeroko: ‫ ܤ‬ൌ ͷͲ݉
x zanurzenie: ܶ ൌ ͳʹǡͷ݉
Biorc pod uwag warunki eksploatacji gazowców LNG w porcie zewntrznym w
winoujciu oraz zasady projektowania systemów dróg wodnych przyjto nastpujce
zaoenia:
1. Podstawowymi metodami okrelenia pozycji s:
x metoda satelitarna wykorzystana przy zastosowaniu Pilotowego Systemu
Nawigacyjnego (PNS) zbudowanego w oparciu o DGPS. Metoda ta moe by
stosowana niezalenie od pory doby i widzialnoci;
x terestryczna (optyczna) metoda okrelenia pozycji wykorzystujca stae
i pywajce oznakowanie nawigacyjne. Metoda ta moe by stosowana niezalenie
od pory doby przy dobrej widzialnoci s > 2 Mm.
2. Dodatkow (awaryjn) metod okrelenia pozycji jest:
x radarowa metoda okrelania pozycji wykorzystujca stae i pywajce
oznakowanie nawigacyjne oraz „punktowe” brzegowe obiekty radarowe. Metoda ta
moe by stosowana niezalenie od pory doby i widzialnoci.
3. Przy manewrowaniu gazowca LNG na podejciowych drogach wodnych do okrelenia
pooenia statku (nawigacji pilotowej) naley stosowa:
x PNS: zawsze niezalenie od pory doby i widzialnoci;
x Metody terestryczne (optyczne): zawsze przy dobrej widzialnoci niezalenie od
pory doby;
x Metody radarowe: zawsze jako metod dodatkow oraz jako metod podstawow
w przypadku uszkodzenia PNS i zej widzialnoci.
Uwzgldniajc powysze zaoenia skadow nawigacyjn akwenu manewrowego dla
gazowca LNG okrelono przyjmujc róne poziomy ufnoci dla poszczególnych metod
okrelenia pooenia statku [6]:
x PNS
1-D = 0,997
x Metoda terestryczna (optyczna) 1-D = 0,997
x Metoda radarowa
1-D = 0,95
Szerokoci bezpiecznych akwenów manewrowych poszczególnych odcinków
podejciowego toru wodnego do portu winoujcie dla wchodzcego z prdkoci
8 wzów gazowca LNG typu Q-Flex przedstawia rysunek 2.
Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w ujciu inynierii …
165
Rys. 2. Bezpieczne szerokoci podejciowego toru wodnego dla wchodzcego gazowca LNG
(prdko 8 w) stan aktualny oznakowania
Szerokoci bezpiecznych akwenów manewrowych poszczególnych odcinków obliczono
dla nastpujcych systemów (metod) okrelania pooenia statku:
x metoda terestryczna – dzie,
x metoda terestryczna – noc,
x metoda radarowa,
x metoda wykorzystujce PNS.
Stosujc kryterium minimalizacji kosztów przebudowy istniejcego systemu
podejciowych dróg wodnych do portu zewntrznego w winoujciu, przy spenieniu
wszystkich warunków bezpieczestwa eglugi gazowców LNG typu Q-flex, okrelono
parametry toru podejciowego (minimalne bezpieczne szerokoci torów w dnie na
gbokoci h = 14,5 m) oraz parametry oznakowania nawigacyjnego [6].
Minimalna bezpieczna szeroko toru wodnego w dnie na gbokoci 14,5 m wynosi:
x 200 m od 0,0 km do 26,8 km toru;
x 220 m od 26,8 km do 35,6 km toru.
Zmieniono te system oznakowania nawigacyjnego tego toru ustawiajc 2 stawy oraz
zmieniajc pozycj paw.
Bibliografia
1. Gucma S.: „Inynieria Ruchu Morskiego”, Wydawnictwo „Okrtownictwo i egluga”, Gdask 2001.
2. Gucma S.: „Nawigacja pilotaowa”, Wydawnictwo „Fundacja Promocji Przemysu Okrtowego
i Gospodarki Morskiej, Gdask 2004 .
3. Gucma S., Gucma L., Zalewski P.: „Symulacyjne metody bada w inynierii ruchu morskiego,
Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin 2008.
166
Stanisaw Gucma
4. Gucma S., lczka W., Zalewski P.: „Parametry torów wodnych i systemów nawigacyjnych wyznaczane
przy wykorzystaniu bezpieczestwa nawigacji” Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej
w Szczecinie (w druku), Szczecin 2013.
5. Gutenbaum J.: „Modelowanie matematyczne systemów” Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT
Warszawa 2003.
6. „Projekt systemów zapewniajcych bezpieczn nawigacj i obsug statków LNG na podejciu
i w porcie zewntrznym w winoujciu”, praca naukowo-badawcza, Akademia Morska
w Szczecinie, Szczecin 2012.
OPTIMIZATION OF SEA WATERWAY SYSTEM PARAMETERS IN MARINE
TRAFFIC ENGINEERING
Abstract: The article defines a system of sea waterways and discusses general principles of modeling such
systems. Conditions for safe operation of marine waterway systems are specified. The author's model of
waterway parameter optimization herein presented was used in designing a system of approach channels
leading to the outer port in winoujcie, the LNG terminal.
Keywords: marine traffic engineering, marine waterways