集装箱船坠箱风险分析及安全对策研究
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作者:姜伟 刘开龙 程斌 裴志勇 吴卫国
摘 要：以保障集装箱的安全运输，本文从理论分析和实验研究两方面，对内支线集装箱船发生坠箱时对应的临界横摇角度和角加速度展开研究，建立集装箱坠落临界状态下船舶横倾角度和角加速度关系的数学模型，开发出集姿态感知、信息传输、风险评估及临界预警于一体的集装箱船坠箱预警系统，填补了该领域国内外技术空白，对集装箱船运输安全可靠性具有积极意义。
关键词：集装箱船;坠箱实验;临界状态
中图分类号：U169 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0058-02
1 背景
随着经济全球化的不断发展，大型集装箱货轮活动日益频繁，越来越多的物品以集装箱的形式运输。然而水面环境复杂多变，船舶集装箱落水事故时有发生。据世界海运委员会（WSC）的统计，平均每年约有1390个集装箱坠海（不包括海难事故）（2013 -2016年平均值）。内支线集装箱船航行至长江口时，由于风浪作用使其发生六自由度的运动响应，在横摇、纵摇和首摇的共同作用下，绑扎杆和花篮螺丝会逐渐失去作用，最终导致坠箱事故发生。另外，装卸控制不当，也会造成集装箱的坠落。
坠箱事故不仅给航运企业带来经济损失，还给航道安全带来巨大风险，集装箱装载的危险化学品还会对水域环境造成严重污染。坠箱事故也会导致航运企业的声誉受损并影响企业的竞争力，因此需要高度重视集装箱船舶的安全运输问题。同时建立相关的坠箱预警系统，在出现集装箱坠落风险时，发出警报信号，同时提供安全航行建议，辅助船长决策，以减少或避免坠箱事故的发生，提高船舶运输的安全性，保障安全营运。
本文从理论分析和实验研究两方面，对内支线集装箱船发生坠箱时对应的临界横摇角度和角加速度展开研究，确定集装箱坠落临界状态。实际应用时姿态测量模块实时感知船舶姿态，传输至安全监测程序，实时处理得到每一时刻对应的横摇角度和角加速度，对比集装箱坠落临界状态，设定警报阈值，存在坠箱危险时发出警报音，提示船长作出决策，以消除坠箱危险。将上述各项技术研究成果及模块、程序、警报系统集成，开发出内支线集装箱船坠箱预警系统，用以保障集装箱的安全运输。
2 集装箱临界坠箱状态力学分析
集装箱坠箱形式有两种，一种为摩擦力不足导致的滑动脱落，考虑到最上层集装箱的惯性力最大，假定最上层集装箱脱落为最危险状况，如图1所示;另一种为力矩不平衡导致的转动脱落，如图2所示。
针对两种脱落情况进行力学分析，分别列出临界状态的力学方程，整理得到临界坠落时横摇角加速度与横摇角度的关系，可计算得到各横摇角度θ下的临界角加速度值α，如图4所示，曲线与横坐标轴交点即静态最小坠落角，曲线和坐标轴所包围的区域表示理论值情况下的安全区，曲线下方为危险区。
3 集装箱坠箱实验研究
为真实再现集装箱坠箱过程，对力学分析中未能全面系统考虑的各影响因素进行分析，还进行了集装箱坠箱实验研究。采用缩比为1：50的船模和集装箱模型来模拟实船和实际装载集装箱，集装箱模型的布置以及最高层集装箱模型中心到水线的垂直高度H和最外侧集装箱模型中心距中纵剖面的距离B也采用相同的比例。在最外侧顶层集装箱和甲板正中分别布置姿态测量模块，同时测量集装箱横摇角度和船舶横摇角度，实验布置示意圖如图5所示。测量模块与电脑采用蓝牙通讯方式，数据传输速率采用的是100Hz。
先进行了静态坠落实验，以测量静态临界掉落角。使船舶缓慢横倾直至集装箱掉落，测得静态临界掉落角，实验时取三次实验的最小值为静态临界掉落角。在零度和静态临界掉落角之间，做系列角度的角加速度坠落实验。将船舶横摇角固定在某一角度，通过调整横摇力矩使得船模及集装箱模达到一定的角加速度，如集装箱模型发生坠落，记录此时的横摇角度及角加速度。这样可得到系列横摇角下临界坠落角加速度的关系曲线，如图6所示。曲线上方为安全区不发生坠箱，曲线下方为坠箱危险区，船模实验值较理论值更加安全。实际使用时，为将坠箱风险降到最低，将实验值一次拟合线向安全范围内保留10%裕度，得到实际应用的警戒值。
由式（2）和（4）可知，船模和实船临界角加速度值满足尺寸比例n，故将船模警戒值再除以比例n，针对本目标实船，其横倾角和临界坠落角加速度的关系为，
4 集装箱坠箱预警系统
按照前述建立的船舶横倾角和临界坠落角加速度警戒值的函数关系，基于MATLAB语言开发了集装箱船坠箱预警系统，将该函数关系置于系统内，作为判断集装箱是否存在坠箱危险给出警报的依据。在船上安装姿态传感系统，以实时获取船舶姿态数据，通过通讯模块传输至集装箱船坠箱预警系统，当系统检测到船舶横倾角度和横倾角加速度达到警戒值，可能导致坠箱危险时，发出警报蜂鸣音，同时给出操作建议，以便船长及时作出决策，改善船舶集装箱的安全状态。集装箱船坠箱预警系统计算流程如图6所示。
5 结论
本文对集装箱临界坠箱状态进行力学分析和实验研究，建立集装箱坠落临界状态下船舶横倾角度和角加速度关系的数学模型，开发出集姿态感知、信息传输、风险评估及临界预警于一体的集装箱船坠箱预警系统，填补了该领域国内外技术空白，对集装箱船运输安全可靠性具有积极意义。
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