- 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)