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: podsystemu drogi wodnej, 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 : wykonywany manewr, parametry techniczne drogi wodnej, parametry techniczne stosowanych systemów nawigacyjnych, panujce warunki hydrometeorologiczne, 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: gboko akwenu, wymiary poziome akwenu okrelone na zadanej izobacie (gbokoci). Parametry podsystemów okrelenia pooenia statku na danym odcinku drogi wodnej to: dostpno, niezawodno, 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: parametrów poszczególnych odcinków (gbokoci i dostpnych szerokoci); rodzaju wykonywanych manewrów na tych odcinkach; warunków hydrometeorologicznych panujcych na tych odcinkach; 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: dugo statku (cakowita L c i midzy pionami L pp ), szeroko (B), 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: prdko dopuszczalna, 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: pora doby (np. bez ogranicze lub pora dzienne), widzialno (np. bez ogranicze lub s 2Mm), maksymalna prdko statku,
160 Stanisaw Gucma dopuszczalna prdko wiatru, kierunek wiatru, dopuszczalna prdko prdu, kierunek prdu, wysoko fali, dugo fali, rezerwa na minimalny stan wody, warunki lodowe, 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: pory dziennej (dobra widzialno), pory nocnej (dobra widzialno), 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: system podstawowy, system dodatkowy. 5. Projektowane systemy okrelenia pooenia statku na zadanej drodze wodnej musz spenia wymogi: dostpnoci systemu okrelania pozycji, niezawodnoci systemu okrelenia pozycji, 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 (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 (1) d n a zatem: d f (2) N i gdzie: d d n N i 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 [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: badany maksymalny statek manewruje na drodze wodnej, gdzie pozycja okrelana jest we wspórzdnych prostoktnych; 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; wspórzdne opisujce te podzbiory s iloczynami kartezjaskimi: X1 x Y1; X2 x Y2; X3 x Y3; 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; 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); 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: wielko akwenu dostpnego dla eglugi; zapas wody pod stpk. Przyjmujc powysze zaoenia i warunki, funkcj celu optymalizacji parametrów dróg wodnych mona zapisa w postaci: (3)
Optymalizacja parametrów systemu morskich dróg wodnych w ujciu inynierii 163 gdzie: f 1 D ;h xy, przy czym (x, y) X1 x Y1, A1 = f 2D,h xy f 3D,h xy f D f 5 ( D ) czyli: 4 przy jednym z dwóch ogranicze: F, D (4) h xy 1. d ijk (1 ) D(t) (5) p(x,y)d(t) h xy (t) T xy (t) + xy (t) gdzie: D(t) 2. R l R akc (6) dostpny akwen eglugowy (speniony warunek bezpiecznej gbokoci w momencie t), d ijk (1 - ) bezpieczny obszar manewrowy i-tego statku wykonywujcego j-ty manewr w k-tych warunkach nawigacyjnych okrelony na poziomie ufnoci 1 -, R l R akc h xy T xy xy 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: dugo cakowita: szeroko: zanurzenie: 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: 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; 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: 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: PNS: zawsze niezalenie od pory doby i widzialnoci; Metody terestryczne (optyczne): zawsze przy dobrej widzialnoci niezalenie od pory doby; 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]: PNS 1- = 0,997 Metoda terestryczna (optyczna) 1- = 0,997 Metoda radarowa 1- = 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: metoda terestryczna dzie, metoda terestryczna noc, metoda radarowa, 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: 200 m od 0,0 km do 26,8 km toru; 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