渔船在流场中失控漂移预报模型

【摘 要】 为减少渔船交通事故的发生，通过分析渔船运动特性，结合渔船失控后受流作用下的运动方程，提出渔船失控运动轨迹计算机预报方法。研究结果表明，渔船在受一定流场作用失控后，其运动轨迹主要受到冲程及流速和流向的影响。

【关键词】 渔船；失控；漂移；冲程；预报

我国现有渔船总数达100多万艘，是世界上渔船数量最多的国家，约占世界总数的1/4，其中海洋渔船总数达30多万艘。我国渔船虽然数量庞大，但普遍老旧，海难事故经常发生。渔船交通事故有很大一部分是由渔船失控漂移所引起的，而渔船失控漂移多半是由设备失灵或遇大风浪所致。渔船在失控以后，受流的作用任意漂流，容易导致碰撞、搁浅、翻船等事故发生。因此，有必要开展渔船失控后漂移的轨迹预报技术研究，以减小渔船交通事故发生的概率。在风浪较小时，渔船失控漂移后，其运动既受到惯性冲程的影响，也受到流的作用。有关受流作用下渔船失控后的运动轨迹推算的研究较少。有学者提出采用实船试验的方法研究渔船失控漂移运动，但这种方法涉及的费用昂贵。[1-2] 本文从渔船运动特点入手，建立失控渔船受流作用下的运动轨迹计算方程，并提出通过计算机实现预报其运动轨迹的方式。

1 渔船失控漂移运动轨迹计算方程

船舶在失控漂移后，其运动轨迹不但受到冲程的影响，同时还受到风和流的作用。为了计算流对渔船运动的影响，有必要建立渔船失控随流漂移运动坐标系（见图1）。设船首尾线与Y轴的夹角称为偏航角%Z，流向与Y轴的夹角称为流向角%[。当在一定的通航环境下，渔船由于某种原因车、舵突然失灵，以致渔船失控，且又未采取或不能采取抛锚措施，船舶的运动过程可分为两个阶段：（1）惯性减速阶段，可用停车冲程理论分析船舶运动过程，计算有关数据；（2）随流淌航阶段，可根据设定的水流情况进行分析计算。

1.1 Y轴移动距离的计算（不考虑风）

1.1.1 失控时的船速计算

失控时的船速v0可用下式计算：

V=（1）

即 v0=（2）式中：V为渔船失控时的航速，m/s；U为渔船失控时的流速，m/s。

1.1.2 冲时的计算

由物理学知识可知，渔船的失控冲时应为无穷大，但在现实生活中，当船速减小到可忽略的程度（对船舶轨迹计算足够小），则可认为惯性冲程结束。冲时（T）是指从失控点开始到船速减小到可忽略程度所需的时间。其大小可按下式求取：

v=v0e（3）

1.1.3 静水冲程

静水冲程（S'）是指在冲时T时间内，船舶沿船速方向移动的距离。可用下式估算：

S'=v0edt=v0Tst （1-e）（4）

1.1.4 动水冲程

计算动水冲程时，应考虑船舶在冲时T内随流漂航的距离，因此，动水冲程（S）可用下式表达：

S= v0Tst （1-e）+ UTcos（%[-%Z）（5）

1.1.5 冲 距

动水冲程在Y轴上的投影称为冲距（Sc）。其大小可按下式计算：

Sc= v0Tst （1-e）cos %Z+ UTcos %[（6）

1.1.6 漂 距

漂距（Sp）是指惯性消失后，在流作用下继续沿Y轴方向漂移的距离。其大小可按下式计算：

Sp=Utpcos %[=（Dsk-Sc）（7）

tp=Sp /（Ucos %[）=（Dsk-Sc） /（Ucos %[）（8）

式中：tp为流淌漂移时间，即船舶从停冲点（惯性消失点）移动的时间，s；Dsk为失控点至预计地点的距离，m。

当渔船对水移动时，其运动轨迹在Y轴上的距离可用式（6）计算；当渔船不对水移动时，其运动轨迹在Y轴上的距离应是式（6）与式（7）的叠加。

1.2 X轴移动距离的计算（不考虑风）

1.2.1 冲期流致漂移量

冲期流致漂移量（B1）是指船舶在整个冲时T时间内，在惯性与流的共同作用下沿X轴方向偏移的距离。其大小可由下式计算：

B1=v0Tst （1-e）sin %Z+ UTsin %[（9）

1.2.2 流淌漂移量

流淌漂移量（B2）指惯性消失后，在流作用下，船舶在X轴方向移动的距离。其大小可由下式计算：

B2=Utpsin %[=Sptan %[（10）

当渔船对水移动时，其运动轨迹在X轴上的距离可用式（9）计算；当渔船不对水移动时，其运动轨迹在X轴上的距离应是式（9）与式（10）的叠加。

2 计算机实现失控漂移轨迹流程

当tp>T时，即当时间大于冲时，渔船在Y轴上的行驶距离应是式（6）与式（7）的叠加；当tpT时，即当时间大于冲时，渔船在X轴上的行驶距离应是式（9）与式（10）的叠加；当tp

3 结 语

渔船受一定流场失控漂移后，其运动轨迹主要受到冲程及流致漂移的影响。当流淌漂移时间在冲时范围之内时，渔船运动轨迹可按式（6）和式（9）进行计算；当流淌漂移时间超过冲时，渔船运动轨迹可按式（6）、式（7）、式（9）、式（10）进行计算。按照图2所示流程，失控渔船运动轨迹预报完全可通过计算机实现。

参考文献：

[1]王昌杰.河流动力学[M].北京：人民交通出版社，2000：34-41.

[2]刘明俊.内河与引航[M].北京：人民交通出版社，1999：37-43.