ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu Słowa kluczowe: ryzyko wejścia statków do portu, stochastyczny model ruchu statku, czynniki hydrometeorologiczne W artykule przedstawiono czynniki hydrometeorologiczne wpływające na bezpieczeństwo wejścia statku do portu. Dokonano ich podziału na bieżące, krótkoterminowe i długoterminowe z punktu widzenia ich wykorzystania do modelowania oraz bieżącej oceny ryzyka wejścia statku do portu. Podano przykład prognozy długoterminowej dla prądu wiatrowego. Zaproponowano obliczanie ryzyka wejścia statku do portu opartego na stochastycznym modelu ruchu statku na fali, pod działaniem wiatru na ograniczonym torze wodnym. Influence of Environmental Factors on the Safety of Ship Approach to a Harbour Key words: safe port accesss by vessels, stochastic model of ship motions, environmental factors The paper presents environmental factors influencing the safety of ship access to a port. The factors are classified into real time, short and long term ones from the point of view of modeling and real time risk assessment. An example of a long term prognosis for a surface current is given. The risk assessment of ship approach to a port based on a stochastic model of ship motions under wind and wave is proposed. 11

2 Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu Wstęp Decyzja dotycząca wejścia statku do portu jest podejmowana przez kapitana portu w porozumieniu z pilotem, kapitanem statku uwzględniając wymagania lokalnych przepisów portowych lub odpowiednie procedury systemu zarządzania bezpieczeństwem oraz ocenę wpływu warunków zewnętrznych na zachowanie się statku. Dotyczy to w szczególności zezwolenia oraz warunków zezwolenia na wejścia do portu statku maksymalnego oraz promu. Wprowadzanie statku maksymalnego [6] odbywa się z zachowaniem możliwego zapasu bezpieczeństwa przy dobrej pogodzie i ograniczeniu ruchu innych statków. W przypadku promu, który regularnie zawija do portu margines bezpieczeństwa zmienia się w zależności od możliwości przewidywania wpływu środowiska na jego właściwości manewrowe. Przy silnym, poprzecznym wietrze utrzymanie statku na torze podejściowym zwykle wymaga przekroczenia dopuszczalnej prędkości, co oznacza zmniejszenie zapasu bezpieczeństwa i możliwość awarii przy nagłej zmianie warunków zewnętrznych. Przy ocenie bezpieczeństwa wejścia statków do portu uwzględnia się warunki dopuszczalne [5, 6]. Jak pokazuje praktyka, do oceny bezpieczeństwa manewrowego statku w warunkach ekstremalnych konieczne jest uwzględnienie zmian elementów hydrometeorologicznych opartych na bieżących pomiarach i modelowaniu. Szeroki zakres zmienności charakterystyk manewrowych na wodzie ograniczonej, nawet w obrębie statków tego samego typu, bardzo utrudnia opracowanie standardów i miar bezpieczeństwa o charakterze uniwersalnym. Propozycję standardów manewrowych opracowaną przez Panel H-10 SNAME (the Society of Naval Architects and Marine Engineers) [7] dla zakresu małych prędkości opublikowano w 2003 roku. W przypadku manewrów portowych decydujące znaczenie mają właściwości statków samodzielnie manewrujących. W 2005 roku Vorobyov [10] zaproponował model stochastyczny do oceny prawdopodobieństwa utrzymania się statku na to torze wodnym, który może być traktowany jako charakterystyka statku manewrującego na wodzie ograniczonej z uwzględnieniem wiatru i fali. Dla przyjętych założeń rozwiązanie układu równań opisujących ruch statku, pod działaniem wiatru i fali, na torze wodnym jest wielowymiarowym procesem Markowa, którego funkcja gęstości spełnia równania Fokkera Plancka Kołmogorowa. Prawdopodobieństwo, że statek nie przekroczy granic toru wodnego można wówczas określić korzystając z nierówności Czebyszewa. Na podstawie tej charakterystyki można sformułować definicję ryzyka wejścia statku do portu. 12

3 Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu 1. Czynniki hydrometeorologiczne wpływające na bezpieczeństwo wejścia statku do portu Sposób monitorowania warunków zewnętrznych w rejonie portu jest dostosowany do lokalnych wymagań, jednak jak pokazuje praktyka, rozwiązania w których dostępna informacja obejmuje jedynie prognozę pogody i lokalne pomiary parametrów wiatru są niewystarczające, gdyż nie uwzględniają one występowania zmiennego pola prądów przypowierzchniowych. Podejmowanie decyzji dotyczących bezpiecznego wejścia statku do portu z punktu widzenia dopuszczalnych warunków zewnętrznych opiera się wówczas na niepełnej informacji. Przykładem takiego akwenu, może być podejście do portu Gdynia, gdzie według locji, wzdłuż falochronów i na redzie występuje słaby prąd północny, który przy silnych wiatrach północnych i północnowschodnich zmienia kierunek na południowy, osiągając prędkość 2 węzłów. W rzeczywistości parametry prądu formowanego pod wpływem wiatru zmieniają się w czasie i przestrzeni. Potwierdzają to badania prądów przypowierzchniowych, przeprowadzone przez Akademię Morską w Gdyni [2]. Szczególnie niebezpieczne może być występowanie prądów kołowych, jakie zaobserwowano dla prędkości wiatru poniżej 18 węzłów. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono obraz prądu kołowego oraz zmiany parametrów prądu w stosunku do kierunku i prędkości wiatru. Rys. 1. Trajektoria ruchu wody określona na podstawie hodografu prądu [2] Fig. 1. Trajectory of water particles measured by a current meter [2] 13

4 Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu Występowanie niejednorodnego pola prądów potwierdzają również piloci wprowadzający statki do portu Gdynia. Modele matematyczne znosu wiatrowego nie opisują poprawnie zjawiska dla wiatrów o prędkości mniejszej od 15 węzłów [2]. W rejonach o zróżnicowanej batymetrii, w obecności obiektów hydrotechnicznych nie można opierać się na modelach ogólnych. Dlatego też konieczne jest przeprowadzenie pomiarów umożliwiających opracowanie modelu szczegółowego dla danego obszaru. Rys. 2. Zależność parametrów prądu od prędkości i kierunku wiatru [2] Fig. 2. Surface current parameters in relation to wind speed and direction [2] Brak danych dotyczących parametrów prądu i występowanie silnego, porywistego wiatru o kierunku prostopadłym do ruchu statku może być przyczyną awarii statku wchodzącego do portu bez asysty holowników. Przy zaniku wiatru, przeciwny prąd powoduje wówczas zejście statku z zaplanowanej trajektorii ruchu. Pomiar pola prądów i prognoza oparta na modelu pozwala przewidzieć warunki żeglugi w dowolnym miejscu akwenu i przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa statku. Obecnie w celu poprawy bezpieczeństwa wykorzystuje się zakotwiczone logi dopplerowskie. 14

5 Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu W dużych portach, trudnych pod względem nawigacyjnym, stosowane są zintegrowane systemy pomiarowe [8, 11], umożliwiające monitorowanie parametrów wiatru, prądu, falowania, pływów, zasolenia i zamulenia wody a także ciśnienia i przejrzystości powietrza, widzialności oraz opadów. Pomierzone wartości mogą być gromadzone i przetwarzane przez systemy ekspertowe. Pozwala to wprowadzać odpowiednie ograniczenia poprzez system kontroli ruchu statków, dotyczące np. bezpiecznej prędkości lub zanurzenia statku. Czynniki hydrometeorologiczne Monitoring w czasie rzeczywistym Czynniki krótkoterminowe Czynniki długoterminowe Baza danych Prognoza Modelowanie Bieżące podejmowanie decyzji Ocena ryzyka na podstawie prognozy pogody i modelowania prądów Rys. 3. Czynniki hydrometeorologiczne Fig. 3. Hydro-meteorological factors Na zachowanie się statku ma wpływ kompleksowe oddziaływanie środowiska morskiego [3]. Niezależnie od ilości monitorowanych parametrów hydrometeorologicznych, ocena ryzyka wejścia statku do portu powinna opierać się na monitoringu elementów hydrometeorologicznych w czasie rzeczywistym oraz prognozie i modelowaniu, rysunek 3. Zarządzanie bezpieczeństwem w porcie i podejmowanie decyzji dotyczących bezpiecznego wejścia statku do portu z punktu widzenia dopuszczalnych warunków zewnętrznych opiera się najczęściej tylko na bieżących pomiarach wiatru. 2. Ocena ryzyka wejścia statku do portu Vorobyov [10] podał model do oceny prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym przy oddziaływaniu wiatru i fali w zależności od 15

6 Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu prędkości statku (2). Przy założeniu, że kąt kursowy statku ψ, kąt dryfu β oraz bezwymiarowa prędkość kątowa ω są małe (1): gdzie: L ω = ψ& u L długość statku między pionami [m], u prędkość statku [m/s]. ψ 0,4; β 0,2; ω 0,1 (1) Rozwiązaniem układu równań opisujących ruch statku na torze wodnym jest wielowymiarowy proces Markowa, którego funkcja gęstości spełnia równania Fokkera Plancka Kołmogorowa. ψ ξ β y u x B n η Rys. 4. Układ współrzędnych Fig. 4. Coordinates system Prawdopodobieństwo, że statek nie przekroczy granic toru wodnego (tj. pasa o szerokości B n ), przy oddziaływaniu wiatru i fali, można określić korzystając z nierówności Czebyszewa, zaproponowanej przez Vorobyova [10]: 16

7 Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu 1 Bn B P xf X13 + X15 < 2 2L < 4L xf k + 2 x k + k ,13 f 13,15 15,15 ( B B) n 2 (1) gdzie: P prawdopodobieństwo utrzymania się statku na torze, L długość statku między pionami, B szerokość statku na wodnicy, B n szerokość toru wodnego, x f współrzędna środka wodnicy, x x f /L, f X i (t) funkcje losowe (składowe wektorowego procesu Markowa), X 13 funkcja losowa opisująca kąt kursowy statku ψ, X 15 funkcja losowa opisująca przemieszczenie poprzeczne statku η, k i,j współczynniki korelacji dla zadanej wartości B n. Ryzyko wejścia do portu dla wybranego statku można obliczyć na podstawie podanego wyżej prawdopodobieństwa jako iloczyn: R = ( 1 P) S gdzie: P prawdopodobieństwo utrzymania się statku na torze, S skutki. Skutki będą zależeć od odległości statku od konstrukcji hydrotechnicznych i jego prędkości [5, 6]. W przedstawionym modelu prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze, nie zostały uwzględnione parametry prądu. Zakończenie Znajomość warunków hydrometeorologicznych oraz prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym umożliwia zredukowanie ryzyka. Aby zaprezentować model dla prawdopodobieństwa utrzymania się statku na torze wodnym oraz by model ten mógł być zastosowany do oceny ryzyka statku w dowolnych warunkach, należy w nim uwzględnić model oddziaływania prądu. 17

8 Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu Literatura 1. Abramowicz-Gerigk T., Investigations on standards for ship manoeuvring performance at slow speed in constrained space, Proceedings of International Conference Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, IMAM 2005, Lisbon Burciu Z., Modelowanie obszarów poszukiwania w aspekcie bezpieczeństwa transportu ludzi na morzu, Prace Naukowe Transport z. 50, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, s. 128, Warszawa Faltinsen O., Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press, London Fathi D., ShipX Vessel Responses (VERES), Marintek AS Trondheim 2004, marintek.sintef.no/. 5. Gucma L., Modelowanie czynników ryzyka zderzenia jednostek pływających z konstrukcjami portowymi, Akademia Morska Szczecin, Studia nr 44, Szczecin Gucma S., Inżynieria ruchu morskiego, Okrętownictwo i Żegluga, Gdańsk Hwang W., Jakobsen B., Barr R., Ankudinov V., Fuller N., Vest L., Morris M., McGovern A., Landsburg A., An Exploratory Study to Characterize Ship Manoeuvring Performance at Slow Speed, Proceedings of International Conference of Manoeuvring and Control MCMC2003. Kanazawa, Japan, Jesper W., Rorbak K., Vessel Traffic System for Safe Navigation and Improved Port Access, 9. Perez T., Fossen T., Sorensen A., A Disscussion about Seakeeping and Manoeuvring Models for Surface Vessels, Technical Report (MSS-TR-001), 2004, Vorobyov Y.L., Kosoy M.B., The navigational width for a vessel going on the trajectory in shallow water under wind and wave, Proceedings of International Conference Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, IMAM Lisbon Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Recenzent prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Stanisław Gucma Adresy Autorów 18

9 Wpływ czynników hydrometeorologicznych na bezpieczeństwo wejścia statku do portu dr inż. Teresa Abramowicz-Gerigk dr hab. inż. kpt.ż.w. Zbigniew Burciu, prof. AM w Gdyni Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny Gdynia, Al. Jana Pawła II 3 tagerigk@am.gdynia.pl, telefon: