受限水域多元变量耦合作用下超大型油轮富裕水深计算研究

Under-Keel Clearance (UKC) is one of the pivotal factors that ensure the navigation safety of Very Large Crude Carrier (VLCC). Nowadays, the range of UKC is determined mainly based on pilots' navigation experience gained in specific waters (restricted waters) without sufficient consideration of impacts of multi-variables, such as types and speed of VLCC, depth of water and situations of wind and wave, and their coupled-interaction effects in the related theoretical calculations. Our proposal will analyze the components and influencing factors of UKC, investigate the impacts of various variables and their coupled-interaction relationships, and develop structural equation model and coupled-variable model for accurate estimation of UKC in practice. Due to the uncertainty estimates of UKC values in restricted waters, we will introduce the Robust Control Theory to investigate the relationships between coupled multi-variables, and propose a dynamic calculation model for UKC estimation based on characteristics of VLCC and navigation conditions in restricted waters. Meanwhile, the optimal UKC value will be estimated using Maximum Likelihood Estimation method. The reliability of the proposed dynamics calculation model and estimated UKC value will be further validated by combining the reduced-scale VLCC experiment, full-scale VLCC experiment with historical UKC data. Achievements of this proposal are of great significance in enriching the theory and skill for VLCC handling and pilotage, and guaranteeing navigation safety of VLCC in restricted waters.

富裕水深 (UKC)是保障超大型油轮（VLCC）航行安全的关键问题。目前各国航运界主要根据驾引人员在特定水域（受限水域）积累的经验来确定UKC的取值范围，相关理论计算未体现VLCC船型、航速、姿态、水深、风、流及波浪等多元影响因素及其耦合作用的复杂性和不确定性。本项目以UKC为研究对象，分析UKC的构成和影响因素，研究各变量对UKC的影响机理和耦合特征，构建UKC结构模型和耦合变量模型；针对UKC在受限水域计算和取值的不确定性，运用鲁棒理论研究UKC多元变量的耦合，建立基于VLCC船型特点和受限水域通航条件的UKC动态计算模型，并运用最大似然估计方法对UKC真值进行最优估计；结合VLCC缩尺船模试验、实船试验和UKC历史统计数据对计算模型可靠性和UKC最优估计值可信性进行验证和修正。其成果对丰富和提升VLCC操纵理论与驾引技术、提高VLCC装载能力、保障VLCC航行安全等方面具有重要意义。

随着船舶大型化、专业化、高速化和智能化的高速发展，以及超大型油轮、散货船、集装箱船等数量的剧增，超大型船舶航行安全的关键技术研究成为国际航运业的热点课题。本项目针对受限水域超大型船舶航行安全的决定因素富裕水深开展研究，以耦合模型分析、系统构建、试验分析、大数据验证为研究主线，通过耦合影响机理分析、下沉量和富裕水深动态计算模型构建、航速模型和安全领域模型构建、数值计算、缩尺船模试验、实船试验和数值模拟仿真试验验证等形成了超大型船舶富裕水深研究的系统理论和计算方法。研究结果对超大型船舶安全保障具有重要的指导意义和应用价值。.在多因素耦合模型研究中，综合考虑超大型船舶操作理论和受限水域多元变量特点，采用ISM模型和SD模型对UKC多影响因素进行耦合建模。广泛调研并开展问卷调查系统辨识出UKC影响因素，基于ISM模型构建UKC影响因素层级结构模型，进一步运用SD模型对UKC多影响因素进行耦合机理分析和研究。.在下沉量动态计算模型和UKC动态计算模型研究中，基于缩尺船模试验和数值船池仿真试验研究多因素耦合作用下的下沉量动态模型，深入研究波浪作用下船舶方形系数、水深吃水比、航速与船舶下沉量之间的动态关系，综合考虑环境因素、受限水域交通流特征、船舶航行状态、吃水和下沉量动态模型，进一步构建UKC动态计算模型。.在超大型船舶安全领域模型和三维航速控制模型研究中，基于横向船岸相互作用、船舶间水动力干扰理论、风流漂移计算模型和船岸距离模型，纵向船舶停车、倒车冲程、交通流跟驰理论及交通流特征要求，垂向下沉量计算模型及水深要求，研究超大型船舶航行过程中的安全领域模型和超大型船舶航行过程中的三维航速控制模型。.在港口实船大数据验证研究中，提出了融合GMM和EM的UKC基本计算方法和优化取值模型及标准，依托2009-2016年曹妃甸港口进出港VLCC大数据研究受限水域不同吨位、不同装载率下的VLCC富裕水深的取值标准，进一步验证UKC模型的有效性。