Scentfc Journals Martme Unversty of Szczecn Zeszyty Naukowe Akadema Morska w Szczecne 2008, 13(85) pp. 22 28 2008, 13(85) s. 22 28 Określane zapasu wody pod stępką w porce Ystad na podstawe badań symulacyjnych Determnaton of shp s underkeel water supply n the port of Ystad based on smulaton research Lucjan Gucma, Marta Schoenech 1 Akadema Morska w Szczecne, Instytut Inżyner Ruchu Morskego 70-500 Szczecn, ul. Wały Chrobrego 1 2, tel. 091 48 09 485, e-mal: lucek@am.szczecn.pl 1 Akadema Morska w Szczecne, Instytut Nawgacj Morskej 70-500 Szczecn, ul. Wały Chrobrego 1 2, tel. 091 48 09 393, e-mal: ant81@wp.pl Słowa kluczowe: badana symulacyjne, zapas wody pod stępką, metoda Monte Carlo Abstrakt W artykule zaprezentowano analzę wynków badań symulacyjnych wejść nowo projektowanego promu Past do modernzowanego portu Ystad. Przedstawono także model symulacyjny statku wykorzystany w badanach. Po przeprowadzenu symulacj w czase rzeczywstym model probablstyczny określana zapasu wody pod stępką został dostosowany do oszacowana prawdopodobeństwa kolzj z dnem akwenu. Uzyskane wynk mogą być wykorzystane do oceny ryzyka statków podchodzących do portów. Key words: smulaton research, underkeel clearance, Monte Carlo method Abstract The artcle presents the analyss of smulaton research results of the newly desgned ferry Past enterng the modernzed Ystad Port. The shp smulaton model has also been descrbed. After real tme smulatons the Monte Carlo method of underkeel water supply evaluaton has been appled to assess the probablty of ferry s collson wth the bottom. The results may be used n rsk assessment of shps enterng ports. Wstęp Zapas wody pod stępką statku (UKC) jest najważnejszym czynnkem, który determnuje możlwość kontaktu kadłuba statku z dnem akwenu, dlatego też utrzymane nezerowego zapasu wody pod stępką jest podstawowym zadanem nawgatora w zakrese zachowana bezpeczeństwa statku [1]. Badana zaprezentowane w tym opracowanu mały na celu określene zapasu wody pod stępką promów wchodzących do portu Ystad. Na rezerwę wody pod stępką wpływa osadane statku, które to w znacznym stopnu jest zależne od jego prędkośc [2]. Na podejścu do portu Ystad w nesprzyjających warunkach pogodowych (sła watru) promy ne mogą dowolne zmnejszać prędkośc, poneważ jest to zwązane ze spadkem zdolnośc manewrowych. W artykule zaprezentowano analzę tego zjawska. Badana symulacyjne podejśca do portu Ystad Symulacje podejśca do portu Ystad przeprowadzono dla budowanego w Stoczn Szczecńskej promu Past. Jest to Ro-Pax o długośc całkowtej 207 m zanurzenu 6,3 m. Głównym założenam badań symulacyjnych były: a) Określene optymalnych parametrów: podejśca do rekonstruowanego portu Ystad z uwzględnenem jego kształtu, szerokośc głębokośc; wewnętrznych zewnętrznych falochronów z uwzględnenem ch kształtu oraz falowana w porce; obrotnc z uwzględnenem ch kształtu optymalnej głębokośc; 22 Scentfc Journals 13(85)
Określane zapasu wody pod stępką w porce Ystad na podstawe badań symulacyjnych dwóch nowych mejsc cumowana w porce wewnętrznym z uwzględnenem ch kształtu, długośc, głębokośc, maksymalnej energ cumowana, maksymalnej prędkośc strumen zaśrubowych sterów strumenowych. b) Określene warunków bezpeczeństwa operacj portowych w odnesenu do: dopuszczalnych warunków hydrometeorologcznych dla danego typu statku oraz jego zdolnośc manewrowych; nnych warunków nawgacyjnych ogranczeń, takch jak obecność nnych statków przy nabrzeżach, wykorzystane systemu stałego pozycjonowana na podejścu, oznakowane nawgacyjne system kontrol ruchu statków. c) Określene procedur manewrowych podczas cumowana odcumowana dla różnych typów statków oraz systemów napędowych. d) Określene zapasu wody pod stępką za pomocą metody Monte Carlo. e) Określene stopna wykorzystana slnka głównego podczas wejśca do portu. f) Określene odległośc promu do najbardzej nebezpecznych obektów. g) Przeprowadzene analza scenaruszy typowych sytuacj awaryjnych. Model symulacyjny wykorzystany w badanach jest zbudowany modułowo, gdze wszystke czynnk, jak sły hydrodynamczne dzałające na kadłub, sły oporu śruby urządzeń sterowych oraz wpływ czynnków zewnętrznych są modelowane jako osobne sły, a następne sumowane [3]. Najstotnejszym słam uwzględnonym w modelu są: sła naporu śrub, sła boczna oddzaływana śrub, sły od steru strumenowego głównego, sły prądu, sły watru, sły oddzaływana lodu, momenty sły efektu brzegowego, sły zwązane z płytkowodzem, sły zwązane z oddzaływanem cum kotwc, reakcje na odbojnce oraz tarce pomędzy kadłubem statku a odbojncą, sły od holownków, nne sły momenty. Ogólny schemat modelu symulacyjnego manewrującego statku przedstawono na rysunku 1. Rys.1. Schemat modelu symulacyjnego wykorzystanego w badanach Fg. 1. Dagram of the smulaton model used n the research Zeszyty Naukowe 13(85) 23
Lucjan Gucma, Marta Schoenech Zapas wody pod stępką na podejścu promów do portu Ystad z wykorzystanem metody Monte Carlo Model stochastyczny określana zapasu wody pod stępką został zaprezentowany w publkacj [4, 6, 7]. Opera sę on na metodze Monte Carlo, gdze zapas wody pod stępką statku jest określany za pomocą następującej zależnośc (rysunek 2): UKC = ( H0 + δ Ho) ( T + δt ) + ( Swa + δ Sw) + δ N gdze: δ Ho nepewnośc zwązane z głębokoścą jej określanem, δ T nepewnośc zwązane z zanurzenem jego określanem, δ Sw nepewnośc zwązane z pozomem wody jego określanem, δ N rezerwa nawgacyjna. Ostateczne model określa zapas wody pod stępką, uwzględnając nepewność dotyczącą pomaru głębokośc, błąd określena zanurzena w porce, błąd określena osadana statku, nerównośc dna oraz wpływ falowana. Program jest przystosowany do określana wyżej wymenonych nepewnośc, wykorzystuje rozkłady ch parametry. Poszczególne wartośc wyberane są losowo z rozkładów: głębokość h (uśrednona w wybranych przekrojach 100 m, 0 m, +100 m, 200 m, 300 m od główek portu), błąd sondaży δ BS, rezerwa na zamulene δ Z, błąd określana zanurzena δ T, błąd oceny przechyłu δ P. Dno akwenu + Pozom wody Rys. 2. Koncepcja metody probablstycznej określana zapasu wody pod stępką statku Fg. 2. Concepton of the probablstc method of determnng the water supply under shp s keel Blok oblczenowy losowego zanurzena statku Zanurzene statku wpsywane przez użytkownka poprawane jest o wartość błędu wynkającego z określena zanurzena oraz o wartość błędu oceny przechyłu statku. Zanurzene T w poszczególnej teracj Monte Carlo oblczane jest w następujący sposób: T = T + δ T + δ P gdze: T zanurzene statku przyjęte jako 6,3 m; δ T błąd określena zanurzena przyjęty jako +/ 0,05 m; δ błąd oceny przechyłu przyjęty jako +/ 3. P Blok oblczana pozomu wody Pozom wody PW może być określany bezpośredno z wodowskazów, o le stneje dostęp bezpośredn do pomarów. W prezentowanych badanach do oceny nepewnośc pozomu wody zastosowano rozkład normalny obustronne ucęty o parametrach (0, +/ 0,1 m). Blok oblczana głębokośc Głębokość h przyjęto jako wartość stałą w poszczególnych przekrojach toru wodnego (wartośc zmenają sę od 9 m przed w okolcy główek portu do 8,5 m w porce). Na podstawe przyjętej głębokośc oblczono aktualną głębokość, uwzględnając pozom wody w porce. Blok oblczana osadana statku Osadane O w poszczególnej teracj oblczane jest w trzech etapach. Blok oblcza osadane statku za pomocą sześcu metod określana osadana statku w ruchu (Huusk, Mlword 2, Turner, Hooft, Barrass 1, Barrass 2). Następne uwzględnane są błędy standardowe każdej z metod. Dobór model osadana oraz ch błędy standardowe zostały zweryfkowane na podstawe eksperymentu rzeczywstego z wykorzystanem technk GPS-RTK [4, 5]. Na podstawe tego eksperymentu określono równeż nepewność każdej z metod, co umożlwło przypsane każdej z nch odpowednej wag w = σ /Σσ. Następne z uzyskanych wartośc osadana za pomocą metody bootstrap oblczane jest osadane statku O z uwzględnenem wag poszczególnych metod. Blok oblczana zapasu wody pod stępką Na podstawe uzyskanych wartośc zanurzena, głębokośc, pozomu wody osadana dla poszczególnej teracj, a korzystając z wynków wcześnejszych bloków oblczenowych, określany jest zapas wody pod stępką Z : 24 Scentfc Journals 13(85)
Z = Określane zapasu wody pod stępką w porce Ystad na podstawe badań symulacyjnych ( h + δ + δ ) ( T + O + δ + δ + δ ) Z BS N WP δ Z δ BS gdze: h aktualna głębokość w poszczególnej teracj zależne od przekroju toru wodnego (sondaże z paźdzernka 2007); rezerwa na zamulane, przyjęto rozkład normalny ucęty o parametrach (0, +/ 0,1 m); rezerwa na błąd sondaży, przyjęto rozkład normalny ucęty o parametrach (0, +/ 0,1 m); T zanurzene statku w poszczególnej teracj; O osadane statku w poszczególnej teracj; δ N rezerwa nawgacyjna (0 m); δ WP rezerwa na wysokość pływu (0); δ F rezerwa na falowane (wysokość fal przyjęto jako h = 0,4 m przed główkam portu, h = 0,2 m w główkach h = 0 m w porce). Realzacja badań symulacyjnych Badana symulacyjne polegały na przeprowadzenu ser prób manewrowych w celu wyjaśnena problemu. Uzyskane wynk badań zestawono z kryteram bezpeczeństwa nawgacyjnego. Poszczególne waranty badań określono, uwzględnając następujące okolcznośc: warunk eksploatacyjne danego nabrzeża, wcześnejsze wynk badań (m/f Polona w porce Ystad), badany obszar, warunk nawgacyjne, założena analzy, typ statku, zdolnośc manewrowe. F Symulacje przeprowadzono na symulatorze IRMSym Smart zamplementowanym na komputerze klasy PC z wzualzacją projekcyjną (rys. 3). Rys. 3. Interfejs modelu symulacyjnego (prom wchodzący do portu Ystad) Fg. 3. An nterface of the smulaton model (a ferry enterng the Ystad port) Oprogramowane symulacyjne pozwala na kontrolę obserwację poszczególnych parametrów statku. Każdy warant przeprowadzonych ser symulacyjnych składał sę z mnmum 15 manewrów. Poszczególne dane z przejazdów symulacyjnych były rejestrowane, a następne wykorzystane w modelu probablstycznym określana zapasu wody pod stępką. Wynk badań Na podstawe przeprowadzonych prób symulacyjnych dla poszczególnych badanych warantów określono średną prędkość promów podchodzących do portu Ystad. Wynk dla wschodnego watru o prędkośc 20 m/s zaprezentowano na rysunkach 4 5. 14 12 10 8 6 4 2 0-600 -400-200 0 200 400 600 800-2 -4 Sere1 Sere2 Sere3 Sere4 Sere5 Sere6 Sere7 Sere8 Sere9 Sere10 Sere11 Sere12 Sere13 Sere14 Sere15 Sere16 Sere17 Sere18 średna -6 Rys. 4. Prędkość promu w węzłach na podejścu do portu przy wetrze wschodnm o prędkośc 20 m/s (przyjęto x = 0 jako główk portu) Fg. 4. Ferry s speed n knots at the approach area at the east wnd of 20 m/s (x = 0 has been assumed as heads of the port) Zeszyty Naukowe 13(85) 25
Lucjan Gucma, Marta Schoenech Częstość 7 6 5 4 3 2 1 0 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 Węcej Prędkość statku [w] 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Częstość Łączna wartość % Rys. 5. Hstogram dystrybuanta prędkośc promu w poszczególnych próbach symulacyjnych, w główkach portu przy wetrze wschodnm o prędkośc 20 m/s Fg. 5. Hstogram and dstrbuton functon of the ferry s speed n separate smulaton tests, n port head at the east wnd 20 m/s Spośród wynków analzy przeprowadzonych badań najstotnejsze jest prawdopodobeństwo, że zapas wody pod stępką będze mnejszy od zera (UKC < 0). Wartość tę można nterpretować jako prawdopodobeństwo kolzj statku z dnem akwenu. W celu określena tej wartośc wykorzystano model probablstyczny określana zapasu wody pod stępką. Uzyskane za pomocą metody Monte Carlo hstogramy zapasów wody pod stępką w poszczególnych przekrojach toru podejścowego do portu Ystad przedstawono na rysunkach 6, 7 8. Można zauważyć, że we wszystkch przeprowadzonych symulacjach ne występuje możlwość zerowego zapasu wody pod stępką. a) b) Rys. 6. Hstogramy zapasów wody pod stępką 130 m przed główkam portu przy wysokośc fal 0,4 m wetrze: a) zachodnm o prędkośc 20 m/s, b) wschodnm o prędkośc 20 m/s Fg. 6. Hstograms of water supples under keel 130 m before the port heads at the wave s heght of 0.4 m and the a) west wnd 20 m/s, b) east wnd 20 m/s a) b) Rys. 7. Hstogramy zapasów wody pod stępką w główkach portu Ystad przy wysokośc fal 0,2 m wetrze: a) zachodnm o prędkośc 20 m/s, b) wschodnm o prędkośc 20 m/s Fg. 7. Hstograms of water supples under keel n the heads of Ystad port at the wave s heght of 0.2 m and the a) west wnd 20 m/s, b) east wnd 20 m/s 26 Scentfc Journals 13(85)
Określane zapasu wody pod stępką w porce Ystad na podstawe badań symulacyjnych a) b) Rys. 8. Hstogramy zapasów wody pod stępką 230 m za główkam portu przy wysokośc fal 0 m wetrze: a) zachodnm o prędkośc 20 m/s, b) wschodnm o prędkośc 20 m/s Fg. 8. Hstograms of water supples under keel 230 m behnd the port heads at the wave s heght of 0 m and the a) west wnd 20 m/s, b) east wnd 20 m/s [m] 2wej1W20_2 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 UKC_95% osadane 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-150 -100-50 0 50 100 150 200 250 300 350 główk portu Rys. 9. Zapas wody pod stępką na pozome ufnośc 95% oraz osadane promu Past, podchodzącego do portu Ystad przy wetrze zachodnm o prędkośc 20 m/s (przyjęto x = 0 jako główk portu) Fg. 9. Water supply under keel at the trust level of 95% and groundng of the ferry Past approachng the Ystad port at the west wnd 20 m/s (x = 0 has been assumed as heads of the port) [m] Na rysunku 9 przedstawono natomast prawdopodobeństwo zapasu wody pod stępką promu z 95% pozomem ufnośc oraz osadane statku na poszczególnych odcnkach toru podejścowego do portu Ystad. Wnosk Określony za pomocą modelu probablstycznego, wykorzystującego metodę Monte Carlo, zapas wody pod stępką promu na pozome ufnośc 95% wynósł około 1,65 m w nekorzystnych warunkach nawgacyjnych w okolcy 125 m od główek. Wynka to przede wszystkm z batymetr akwenu oraz osadana jednostk wywołanej prędkoścą, która ne została zredukowana pommo dzałana maszyn wstecz. Prezentowana metoda określana zapasu wody pod stępką może być wykorzystana do określana bezpeczeństwa analzy ryzyka podczas podejśca dowolnych jednostek do portu. Bblografa 1. GUCMA S., JAGNISZCZAK I.: Nawgacja morska dla kaptanów. Szczecn 2006. 2. NOWICKI A.: Wedza o manewrowanu statkam morskm. Podstawy teor praktyk. Trademar, Gdyna 1999. Zeszyty Naukowe 13(85) 27
Lucjan Gucma, Marta Schoenech 3. GUCMA L.: Rsk Modellng of Shp Collsons Factors wth Fxed Port and Offshore Structure (n Polsh). Martme Unversty of Szczecn, Szczecn 2005. 4. GUCMA L., SCHOENEICH M.: Probablstc Model of Underkeel Clearance n Decson Makng Process of Port Captan. Monograph Advances n Marne Navgaton and Safety of Sea Transportaton TransNav 2007, Gdyna 2007. 5. Research work determnaton of squat of m/f Śnadeck by RTK method n Śwnoujśce Port. Martme Unversty of Szczecn, 2006. 6. GUCMA L., SCHOENEICH M.: Określane nepewnośc metod osadana na podstawe badań rzeczywstych przeprowadzonych na prome m/f Jan Śnadeck w porce Śwnoujśce. Proceedngs of the XV Internatonal Scentfc and Techncal Conference The Role of Navgaton n Support of Human Actvty on the Sea, Gdyna 2006. 7. GUCMA L., GUCMA M., PRZYWARTY M., TOMCZAK A.: Eksperymentalne określane rozkładów osadana trymu promu morskego m/f Jan Śnadeck na podejścu w porce Śwnoujśce metodam RTK. Proceedngs of the XV Internatonal Scentfc and Techncal Conference The Role of Navgaton n Support of Human Actvty on the Sea, Gdyna 2006. Recenzent: dr hab. nż. Wesław Galor, prof. AM Akadema Morska w Szczecne 28 Scentfc Journals 13(85)