Учет и оценка влияния фактической аппликаты центра тяжести груза на безопасность эксплуатации контейнеровоза

Во введении обоснована актуальность темы и рассмотрена разработанность проблематики диссертационного исследования, определены область, объект и предмет, сформулированы цель и задачи, указаны научная новизна, практическая и теоретическая значимость исследования и положения, выносимые на защиту.
В первой главе идентифицированы специфические угрозы безопасности, выполнена оценка рисков и проведен анализ аварийности морских контейнерных перевозок. Оценка рисков в судоходстве осуществляется в соответствии с рекомендациями ИМО (MSC- MEPC.2/Circ.12/Rev.2) и процедурами СУБ судоходной компании. Специфические риски вморских контейнерных перевозках включают в себя различные нарушения впланировании загрузки судна, включая ошибки в размещении контейнеров по соответствующим факторам безопасности (остойчивость, прочность, посадка, разделение опасных грузов, видимость с мостика и других) и нарушении технологии перевозки грузов.
Отдельное внимание уделено аварийности с потерей за борт и повреждением контейнеров при плавании судна в штормовых условиях. Подчеркнуто, что учет характеристик контейнеров и перевозимых в них грузов является критически важным в обеспечении безопасности перевозок. Установлено, что основными причинами аварий являются нарушения технологии морской перевозки контейнеров. Анализ аварийности и соответствующие положения теории корабля показали, что метацентрическая высота (МЦВ) является одним из основных критериев опасной бортовой качки, которая в значительной степени способствует потере контейнеров за борт. В результате был сделан вывод о том, что для учета фактических характеристик контейнеров необходимо внедрение соответствующих отраслевых требований и применение коммуникационной сети, позволяющей оперативно обмениваться данными о грузе, включая фактическую массу и аппликату центра тяжести (ЦТ) контейнеров, между всеми участниками перевозки.
Во второй главе были изучены требования правил классификационных обществ (КО) и соответствующих стандартов в отношении нормирования аппликаты ЦТ контейнеров. Было установлено, что эти нормы отличаются весьма значительно, составляя от 33 до 50% высоты контейнера. В правилах одного КО могут содержаться разные нормы. В результате
был сделан вывод о том, что существующие правила применения нормированной аппликаты ЦТ контейнеров не позволяют в полной мере обеспечить безопасность эксплуатации контейнеровоза. Было обозначено, что для определения фактической аппликаты ЦТ груженого контейнера необходимо прежде всего определить аппликаты ЦТ порожних контейнеров соответствующего типа. Для этого в работе были произведены расчеты с использованием конструктивных характеристик контейнеров разного типа. В результате было установлено, что аппликата ЦТ порожних контейнеров составляет от 40 до 44% их высоты вместо стандартных 50%. В продолжение обозначенной в первой главе проблемы потери контейнеров за борт были изучены допустимые нормы нагрузки на элементы конструкции контейнеров.
Планирование загрузки контейнеровоза является одним из ключевых факторов обеспечения его безопасной эксплуатации. Предложен алгоритм, в основе которого лежит сформулированный в настоящей диссертационной работе принцип «разрешено- запрещено». Этот принцип основан на предварительном определении разрешенных и запрещенных к погрузке каждого конкретного контейнера ячеек. Графически алгоритм определения подходящих с точки зрения безопасности контейнерных ячеек на судне показан на рисунке 1.
Рисунок 1 – Алгоритм планирования загрузки контейнеров для обеспечения безопасности: А – разрешенная ячейка, F – свободная ячейка, P – запрещенная ячейка. Учитываемые параметры безопасности: DG – опасные грузы, OG – негабаритные грузы; RF – рефрижераторные грузы; WT – весовые нагрузки; ST – остойчивость; TD – посадка; NV – видимость с ходового мостика; 20/40 – размеры контейнера
Особенности размещения контейнеров в зависимости от их типа: (1) Генеральный контейнер. Применимы ограничения: (1, 3, 6 – 9). (2) Рефрижераторный контейнер. Применимы ограничения: (1 – 4, 6 – 9). (3) Контейнер с опасным грузом. Применимы ограничения: (1, 3, 4, 6 – 9). (4) Контейнер с негабаритными грузами. Применимы ограничения: (1, 3, 5, 6 – 9).
Ограничения: [1] При погрузке любого контейнера прежде всего должна быть найдена пустая ячейка. [2] При погрузке рефрижераторного контейнера для него должна быть найдена пустая рефрижераторная ячейка. [3] Для любого контейнера должна быть найдена ячейка соответствующего размера: 20 или 40 футов. [4] Для контейнеров

с опасными грузами прежде всего и для рефрижераторных контейнеров в отдельных случаях необходимо учитывать возможные конфликты с другими контейнерами на борту. [5] Контейнеры с негабаритными грузами могут требовать, чтобы смежные ячейки были пустыми. [6] Масса любого контейнера определяет выполнение требований по местной и общей продольной прочности, включая деформации корпуса судна. [7] Масса и координаты контейнерной ячейки для каждого контейнера определяют остойчивость судна и, в частности, МЦВ. [8] Масса и координаты контейнерной ячейки каждого контейнера определяют посадку судна. [9] Высота контейнера (высота штабеля) и координаты контейнерной ячейки определяют выполнение требований к видимости с ходового мостика. [6 – 9] Согласно технологии погрузки и перевозки, более тяжелые контейнеры грузятся в нижние ярусы, а более легкие – в верхние ярусы.
Для количественной оценки результатов планирования загрузки в соответствии с предложенной методикой была сформулирована целевая функция:
∑ ∑ ∑ ( + + + + + 40 ) → , (1) =1 =1 =1
где σS – штрафная санкция за нарушение в размещении контейнеров с точки зрения требований безопасности, выражаемая в принятых условных единицах; Pijk – количество запрещенных к погрузке ячеек по соответствующему параметру безопасности.
Взвешенная (штрафная) сумма от количества запрещенных ячеек, в которые немогут быть погружены контейнеры по причине возникновения конфликтов с требованиями безопасности, должна быть минимальной. Такой результат ожидается при эффективном планировании загрузки. Ограничения целевой функции сформулированы таким образом, чтобы была показана зависимость каждого из факторов безопасности от планируемого к погрузке контейнера и / или ячейки, в которую его планируют погрузить. Ограничения основаны на лимите каждой ячейки и контейнера по соответствующему параметру: массе, размере, нагрузке и т.д. Ниже приведен пример определения ограничения по остойчивости, выраженного через характеристики контейнера.
Исправленная МЦВ рассчитывается следующим образом:
где ∑
∑
=КМ−( + )−∑ , (2) 0
– компонента, включающая в себя весовую нагрузку и аппликату ЦТ контейнеров.
Весовой лимит ячейки по МЦВ рассчитывается следующим образом:
∑ −∑
где

∀ ∈ , ∈ , ∈ , (3) – масса контейнера; – аппликата ЦТ контейнера (R – требуемая).
=

Количество ячеек, запрещенных к погрузке контейнера из-за превышения весового лимита по МЦВ:
|{ }|=|{ ∈ | > }| ∀ ∈ , ∈ , ∈ . (4)
Если при планировании загрузки подходящих ячеек не будет обнаружено, то придется или отказаться от погрузки данного контейнера, или внести допустимые изменения в план загрузки. Предложенный принцип планирования загрузки контейнеровоза позволяет минимизировать или полностью избежать ситуаций, когда возникает необходимость изменять размещение некоторых контейнеров после составления грузового плана. Модульная структура целевой функции позволяет учитывать дополнительные факторы безопасности и адаптировать его применение под конкретные условия, включая добавление или удаление учитываемых факторов безопасности.
Предложенная методика формирования палубного контейнерного штабеля ступенями позволяет определять конфигурацию штабеля для обеспечения требуемой дальности видимости, с учетом посадки судна и разной высоты контейнеров (рисунок 2).
«Мертвая зона» видимости рассчитывается следующим образом:
′ ( +0,75)∗( h1− )
= h1− − +(∆ −∆ ) − − 0,75. (5)
Максимально допустимая высота контейнерного штабеля рассчитывается по формуле:
′′
=( h1 −( +∆ ))∗( + − )− +( ′ +∆ ). (6)
′ + 0,75 +
Количество контейнеров, которые могут быть погружены без нарушения требований к видимости с ходового мостика, и их комбинация по типам определяется по формуле:
′= ∗h + ∗h , , ∈Z+, (7)
где m – количество ярусов контейнеров стандартной высоты (hC); n – количество ярусов контейнеров увеличенной высоты (хай-кьюбов, hHC).
Рисунок 2 – Номенклатура обозначений конструктивных элементов и параметров
Расчет количества ярусов контейнеров одного типа при известном количестве ярусов контейнеров другого типа в штабеле осуществляется по формулам:
с (8) =⌊ − ∗h ⌋, ≥1 , ∈ ,
h
с (9) =⌊ − ∗h ⌋, ≥1 , ∈ .
h
Для оперативного обмена данными и текущего контроля за планированием загрузки в работе предложена система оперативного контроля грузовых операций контейнеровоза (СОКГОК), алгоритм функционирования которой включает в себя:
Этап 1: контейнер прибывает на территорию контейнерного терминала, или контейнер затаривается грузом и опечатывается, уже будучи на терминале. Определяется фактическая масса и аппликата ЦТ контейнера.
Этап 2: установленное на проходной порта оборудование для сканирования индивидуального номера контейнера считывает данные контейнера.
Этап 3: информация о контейнере автоматически передается оператору, который делает инициирующую запись в СОКГОК. Данные из системы СОКГОК поступают портовому координатору загрузки и на судно.
Этап 4: контейнер получает направление в место хранения в порту.
Этап 5: при перегрузке на терминале снова определяется фактическая масса контейнера.
Этап 6: полученные данные снова передаются оператору и вносятся в СОКГОК. Этап 7: контейнер устанавливают на соответствующей контейнерной площадке. Этап 8: портовый координатор обрабатывает информацию о контейнере и включает
его в грузовой план судна.
Этап 9: портовый координатор передает грузовой план на судно. Контейнер грузится
на судно.
Этап 10: после погрузки контейнера на судно данные в СОКГОК обновляются
и передаются портовому координатору и на судно. Программа расчета остойчивости и прочности судна автоматически обновляется.
Этап 11: грузовой помощник капитана проверяет состояние загрузки судна.
Портовый координатор загрузки судна, составляя грузовой план, учитывает полученные данные о контейнере, включая его проверенную массу брутто и фактическую аппликату ЦТ. Информация, получаемая на судне из СОКГОК в режиме реального времени, позволяет обновлять состояние загрузки судна, его остойчивость, посадку и нагрузки на корпус. Кроме этого, идет постоянное сличение реальной загрузки судна с грузовым планом. При отклонениях от плана грузовая программа выдает предупреждение.
В третьей главе предложены методики учета и оценки влияния фактической аппликаты ЦТ контейнера на такие эксплуатационные параметры судна, как остойчивость, нагрузки на палубный контейнерный штабель и параметры бортовой качки.
Рисунок 2.9 – Принципиальная организационная схема СОКГОК
Методика учета влияния фактической аппликаты ЦТ груза на остойчивость контейнеровоза позволяет учесть и оценить, какое влияние на МЦВ оказывает фактическая аппликата ЦТ контейнера по сравнению с нормированной. ЦТ контейнерного штабеля относительно основной плоскости рассчитывается по формуле:
= ∑ ∈ + , (10) ∑ ∈
где Mi – масса контейнера; VCGi – аппликата ЦТ контейнера; D – возвышение основания, на которое погружен контейнер, над основной плоскостью судна.
Аппликата ЦТ груженого контейнера определяется по формуле:
= + , (11)
+
где mEC – масса порожнего контейнера; VCGEC – аппликата ЦТ порожнего контейнера; mC – масса груза в контейнере; VCGC – аппликата ЦТ груза в контейнере.
МЦВ (GM) рассчитывается по формуле:
= − , (12)
где КМ – аппликата метацентра и KG – аппликата ЦТ судна, измеряемые от киля. Значение KG судна рассчитывается по формуле:
= ∑ ,
(13)
где ΣMz – суммарный момент весовых нагрузок; W – весовое водоизмещение судна.
На основе расчетных формул, используемых в работе, сформулирована схематическая зависимость, приведенная на рисунке3, где стрелками показаны воздействия одного фактора на другой. Каждому воздействию присвоен свой номер и знак
«+» или «–», означающий прямую и обратную зависимости соответственно.
Краткая формулировка методики учета фактической аппликаты ЦТ контейнера:
1) Определить ЦТ порожнего контейнера.
2) Определить ЦТ груза в контейнере.
3) Определить ЦТ груженого контейнера по формуле (11).
4) Определить ЦТ штабелей контейнеров (KGs) для каждого бэя по формуле (10). 5) Внести в бланк расчета остойчивости или в грузовую программу полученные
значения KGs контейнерных штабелей.
6) Получить измененное значение KG судна (KG’) и соответствующее измененное значение МЦВ (GM’).
7) Определить изменение МЦВ судна как ΔGM = GM’ – GM.
Фактическая аппликата ЦТ контейнера практически всегда будет меньше нормированной. ЦТ судна практически всегда будет расположен ниже расчетного, что приведет к увеличению МЦВ. Предложенная методика может использоваться совместно с СОКГОК, что позволит в реальном времени получать фактическое значение МЦВ контейнеровоза. Учет фактического положения ЦТ контейнеров позволяет оптимизировать составление грузового плана и балластировку судна по таким критериям как минимизация неэффективного балласта, распределение балласта для обеспечения допустимых нагрузок на корпус судна и требуемая посадка.
Рисунок 3 – Диаграмма зависимости МЦВ от аппликаты ЦТ контейнеров
Это может способствовать снижению чрезмерной МЦВ и обеспечить определенный экономический эффект, заключающийся в снижении расхода топлива и уменьшении портовых и канальных сборов.
МЦВ оказывает влияние на нагрузки, действующие на палубные контейнеры (рисунок4). Ее фактическое и нормированное значения будут формировать разные по величине нагрузки
Рисунок 4 – Схема действия сил на палубный контейнерный штабель при бортовой качке
1. = ( +0,1 +| |
h
= ( +( − ) ).
2. = ( +0,1 −| |
h
= ( +( − ) ).
3. = ( −0,1 +| |
h
= ( +( − ) ).
4. = ( −0,1 −| |
h
= ( +( − ) ).
на контейнерный штабель, рассчитываемые
по следующим формулам:
), (14) (15) ), (16) (17) ), (18) (19) ), (20) (21)
где М – масса контейнера (штабеля); yi – расстояние от диаметральной плоскости судна до ЦТ контейнера, м; zi – аппликата ЦТ контейнера от основной плоскости, м; g – ускорение

= +1

h

свободного падения (9,81 м/с2); θ – угол крена, град; aroll – ускорение бортовой качки, рад/с2; aheave – ускорение вертикальной качки, м/с2.
Поперечная нагрузка, действующая на верхние угловые фитинги Ftti и нижние угловые фитинги Ftbi контейнера, определяется по формулам:
Вертикальная нагрузка Fvi, действующая на каждый днищевой угловой фитинг контейнера в i-м ярусе, определяется по формуле:

= . (24)
Распределенные нагрузки, действующие на палубный контейнерный штабель, определяются по следующим формулам:
1) Сила поперечной деформации (Racking Load), действующая на верхний угловой фитинг с одной стороны торцевых стенок контейнера в i-м ярусе из-за поперечных
нагрузок:
2) Сдвигающая сила (Shear Load), действующая на каждый нижний угловой фитинг
контейнера в i-м ярусе из-за горизонтальных нагрузок:
=0,5∑( + ). (26)
=
= + ,
2 2 (22)
=(1− ) + . (23) 2 2

= − +1
=∑ + ∑ . (25)
3)Сжимающая сила (Compressive Load), действующая на угловую стойку контейнера в i-м ярусе из-за вертикальных нагрузок и опрокидывающих моментов, действующих на контейнеры:
− −1 −
= ∑ +∑(
=
−1)+∑( −1). (27) ( +1)
=
4) Сжимающая сила (Compressive Load), действующая на нижний угловой фитинг контейнера в i-м ярусе из-за вертикальных нагрузок и опрокидывающих моментов, действующих на контейнеры:
=

=

=

= +1

− −1 −
= ∑ + ∑ (

−1) + ∑ ( −1). (28) ( +1)
5) Подъемная сила (Lifting Load), действующая на угловую стойку контейнера в i-м ярусе из-за вертикальных нагрузок и опрокидывающих моментов, действующих на контейнеры:
− −1 −
=− ∑ +∑(
=
−1)+∑( −1). (29) ( +1)
=
6) Подъемная сила (Lifting Load), действующая на нижний угловой фитинг контейнера в i-м ярусе из-за вертикальных нагрузок и опрокидывающих моментов, действующих на контейнеры:
=

− −1 −
=−∑ +∑(
=
−1)+∑( −1). (30) ( +1)
=
В основе предложенной методики лежит сделанный ранее вывод о том, что аппликата ЦТ контейнера оказывает влияние на МЦВ судна, а также гипотеза о том, что и сама аппликата ЦТ контейнера, и МЦВ оказывают влияние на величину нагрузок,
действующих на контейнерный штабель. На основе расчетных формул, используемых в работе, сформулирована схематическая зависимость, приведенная на рисунке 5.
Рисунок 5 – Диаграмма зависимости нагрузок на палубный контейнерный штабель от МЦВ и аппликаты ЦТ контейнеров
В настоящей работе исследовано влияние фактической МЦВ, рассчитанной с учетом фактической аппликаты ЦТ контейнеров, на формирование условий, способствующих возникновению опасной бортовой качки, и предложена методика по учету и оценке этого влияния. Для контейнеровоза опасной следует считать качку, амплитуда которой превышает установленное значение, на которое рассчитана система крепления контейнеров. Основными видами опасной бортовой качки судна являются гармонический резонанс (ГР) и параметрический резонанс (ПР). В рамках проведенного исследования установлены следующие условия.
Для ГР: Тθ = ТЕ. Волнение с траверзных курсовых углов (КУ): 450 – 1350 . Для ПР: Тθ = 2ТЕ. Волнение с носовых (00 – 450 ) и кормовых (1350 – 1800 ) КУ. Длина волны от 120 до 390 метров (0,4L ≤ λ ≤ 1,3L). Скорость судна (Vc) от 12 до 19 узлов. МЦВ от 1,3 до 10 м. Важно подчеркнуть, что при необходимости могут применяться и другие условия, например, траверзные волны для оценки возможности возникновения ПР.
Графическая интерпретация зон возможного ГР показана на рисунке6. Зоны сформированы граничными значениями МЦВ и Vc, взятыми из установленного диапазона: (1,3; 12), (1,3; 19), (10,0; 12) и (10,0; 19). Зеленым показана зона, в которой наступление ГР считается невозможным для данных условий, желтым – зона, где возможный резонанс не рассматривается как ГР по заданным условиям (КУ не в секторе 450 – 1350 ), а красным – зона возможного ГР. На рисунке наглядно показано изменение зон возможного ГР в зависимости от контролируемых параметров МЦВ и Vc и неконтролируемого параметра λ. Он позволяет определить, каким образом МЦВ влияет на формирование условий, способствующих возникновению ГР, и что можно предпринять для выхода из зоны резонанса. Для выхода из условий ГР необходимо учитывать фактическую МЦВ и изменять

курс и скорость судна таким образом, чтобы изменить ТЕ. В отдельных случаях, после тщательной оценки рисков, может быть произведена балластировка для изменения МЦВ судна с целью изменения Тθ. Эти меры приведут к нарушению равенства Тθ = ТЕ и позволят выйти из резонансной зоны.
Анализ условий возможного ГР и его зависимости от фактической МЦВ должен включать в себя следующее:
1) Учет фактической МЦВ судна.
2) Определение фактического периода бортовой качки судна (Тθ).
3) Сопоставление периодов бортовой качки на основе фактической и расчетной МЦВ.
4) Оценка характеристик волнения: длина, высота, период и угол набегания волны.
Рисунок 6 – Зоны возможного ГР при разных длинах волн
5) Оценка характеристик движения судна: курс и скорость.
6) Определение опасных сочетаний периодов Тθ и ТЕ, прежде всего, когда Тθ = ТЕ. Для учета и оценки влияния МЦВ на ПР в настоящей диссертации используется
методика ИМО (MSC.1/Circ.1627) и РМРС (Сборник нормативно-методических материалов, No 24). В соответствии с этой методикой существуют 2 уровня оценочных критериев.
Уровень 1. Судно считается не подверженным ПР, если выполняются следующие условия:
1 ≤
{ ( − )
где GM – фактическая МЦВ для спокойного моря, м; 1– амплитуда изменений значений
МЦВ, рассчитываемая определенным образом, м; VD – объемное водоизмещение поватерлинию, соответствующую высоте борта D, м3; V – фактическое объемное водоизмещение судна, м3; AW – площадь ватерлинии, соответствующая осадке dm, м2; dm – средняя фактическая осадка, м; RPR – оценочный критерий ПР.
1 = − , (32) 2
где – поперечный момент инерции площади ватерлинии при осадке dH, м4; – поперечный момент инерции площади ватерлинии при осадке dL, м4; = + – максимальное значение средней осадки на волнении, м; = − – минимальное
значение средней осадки на волнении, м; = min ( − ; ∗ ), м; = min( − 2
− 0,25 ; ∗ ), м; − 0,25 ≥ 0; dfull – максимальное значение осадки в грузу, м;
−
≥ 1,0 ,
(31)
SW = 0,0167.
Момент инерции площади ватерлинии рассчитывется по формуле:
= ∗ ,
, , , (33)
где BМ – метацентрический радиус для данной осадки, м. Значение BM и V выбирается из гидростатических данных (таблиц) судна. При этом значение может быть получено в готовом виде или рассчитано как = − , где КМ и КВ – аппликаты метацентра и центра плавучести судна соответственно.
Уровень 2. Судно считается не подверженным ПР, если выполняются следующие условия:
С1 ≤ 0,06 (34) Критерий С1 рассчитывается следующим образом:

С =∑ , (35) 1
=1
где Wi – весовой коэффициент волны, определяемый установленным образом; Ci – критерий выполнения установленных требований к изменению МЦВ или скорости судна наволнении, принимающий значений 0, если требования выполняются, и 1, если не выполняются; N – количество оцениваемых сценариев волнения.
Для каждого сценария волнения требования к изменению МЦВ считаются выполненными, если соблюдаются следующие условия:
( , ) > 0
{ ( , ) < , (36) ( , ) где ( , ), м – половина разницы между максимальным и минимальным значениями расчетной МЦВ, с учетом того, что судно сбалансировано по погружению и дифференту на серии волн, характеризующихся высотой Hi и длиной λi; ( , ), м – среднее значение расчетной МЦВ, с учетом того, что судно аналогично сбалансировано. Скорость судна считается соответствующей требованиям для выбранного сценария волнения при условии: VPRi > VS, (37) где = |2 √ ( , ) − √ | – скорость судна, соответствующая условиям ПР,
при ( , ) > 0, м; VS – текущая скорость судна, м/с.
Выполнение полных расчетов по описанной методике может быть весьма
затруднительно для судоводителя в реальных условиях эксплуатации судна. В настоящей диссертации предложена адаптированная методика, позволяющая облегчить расчеты. Эта методика предлагает упрощенные формулы для расчета следующих параметров.
Момент инерции площади ватерлинии (Ix):
= 3√ 3 , (38)
2
, , ,
где kw – коэффициент, зависящий от осадки судна dH или dL соответственно; Cw – коэффициент полноты площади ватерлинии для осадок dH или dL соответственно; L – длина судна, м; В – ширина судна, м.
Коэффициент полноты площади ватерлинии определяется уравнением регрессии: С = 1 + 1 ∗ , (39)
Коэффициенты и для осадки судна dm могут быть рассчитаны через уравнения регрессии:
{ = 2+ 2∗ , (40) = 3+ 3∗
где а1, a2, a3 – константы; b1, b2, b3 – коэффициенты регрессии.

Рисунок 7 – К расчету МЦВ судна на волнении: а) полный вариант расчета;
б) упрощенный вариант расчета
В качестве независимой величины уравнений регрессии выбрана осадка судна как один из наиболее доступных и контролируемых параметров, вычисляемый, в том числе, с помощью программы загрузки и остойчивости, в любой момент рейса.
Для расчета критерия 1 уровня 2 подверженности ПР необходимо определение расчетных элементов для каждой расчетной станции (шпангоута) судна, в зависимости от ее положения на волне. Полный расчет (рисунок 7, а)) выполнить достаточно сложно, особенно судоводителю в практических условиях эксплуатации судна. Поэтому целесообразно несколько упростить расчеты, применив метод
Этот метод заключается в том, что применяются две расчетные ватерлинии и, соответственно, два значения момента инерции ее площади – максимальная (при dH)
и минимальная (при dL), как показано на рисунке 7, б). Значение и минимальной МЦВ рассчитывается по формуле:
, = ( + , ) − .
Аппликата центра тяжести судна (KG) известна и для конкретных условий загрузки судна остается неизменной. Аппликата центра плавучести судна (КВ) может быть рассчитана для соответствующей осадки, с использованием уравнения регрессии:
, = ( 4 + 4 ∗ , ). (3.52) Для более точного вычисления объемного водоизмещения целесообразно первоначально выбрать три диапазона осадок на основе гидростатических данных. Практически достижимой минимальной относительной погрешностью вычисления объемного водоизмещения можно считать 1%, а абсолютной погрешностью – величину,
рассчитываемую по формуле:
∆Абс= 2,5 ∗ , (3.53) где 2,5 – условная принятая точность снятия осадки судоводителем, см; tcm – количество
тонн на 1 сантиметр осадки судна (максимальное значение).
В результате может быть составлена система регрессионных уравнений для каждого
диапазона осадок:
=( + ∗ )/ 5 5
{ =( 6 + 6 ∗ )/ .
=( + ∗ )/ 7 7
(3.54)
На основе расчетных формул, используемых в работе, сформулирована схематическая зависимость, приведенная на рисунке 8.
Для оперативной оценки возможного попадания судна в ГР или ПР была разработана диаграмма резонансных зон бортовой качки. Она составлена по подобию диаграммы Ю. В. Ремеза, для облегчения ее применения. Вместо семейства кривых периодов бортовой качки построено семейство кривых МЦВ. Диаграмма строится для каждого судна
,
эквивалентных ватерлиний.
максимальной (3.51)

Рисунок 8 – Диаграмма зависимости параметров бортовой качки судна от МЦВ
и аппликаты ЦТ контейнеров
Для практического учета фактической аппликаты ЦТ контейнеров при планировании загрузки и эксплуатации судна сформулирована объединяющая методика, схематически представленная на рисунке 9:
1) Перед приемкой контейнера к перевозке должна быть определена его фактическая масса брутто и аппликата ЦТ.
2) Фактические данные о контейнере должны быть занесены в сопроводительные (грузовые) документы с четким указанием, что эти данные являются проверенными.
3) Фактические данные о контейнере должны быть переданы всем участникам процесса перевозки посредством имеющихся или перспективных систем обмена данными. 4) При планировании загрузки контейнеровоза должны учитываться только
фактические данные о контейнерах, с тем чтобы получить реальные данные об остойчивости, прочности и посадке судна.
5) Значение фактической МЦВ контейнеровоза должно использоваться для оценки эффективности системы крепления палубных контейнерных штабелей в предстоящем рейсе, с учетом расчетных нагрузок на контейнеры.
6) Значение фактической МЦВ контейнеровоза должно использоваться при планировании и выполнении рейса судна для идентификации и оценки потенциально опасных условий плавания, с учетом возможного попадания в опасную резонансную качку.
Рисунок 9 – Схема реализации методики учета фактической аппликаты ЦТ контейнеров
В четвертой главе выполнены численный анализ и оценки для подтверждения гипотезы диссертации и проверки работоспособности и эффективности предложенных методик.
Анализ и оценка 1. Влияние аппликаты ЦТ контейнера на МЦВ контейнеровоза. Оценка состоит из двух частей. В первой части оцениваются максимально и минимально возможные изменения МЦВ для типовых случаев загрузки. Во второй части оценивается влияние фактической аппликаты ЦТ контейнера на МЦВ для типовых случаев загрузки согласно РД 31.11.21.18–96.
в зависимости от его характеристик и значимого диапазона длин волн. Эта диаграмма наглядно отражает суть проводимого исследования о влиянии МЦВ на бортовую качку судна.

Для выполнения первой части оценки были выбраны два экстремальных изменения аппликаты ЦТ контейнеров: на 0,15 м (минимальная) и на 1,06 м (максимальная), а также рассмотрены 10 наиболее характерных типовых вариантов загрузки судна, взятых из«Информации об остойчивости». Для варианта загрузки 3_2 была определена возможность откатки лишнего балласта для приведения судна к минимально допустимому значению МЦВ в 1,3 м. Основные результаты первой части оценки:
1) МЦВ увеличилась в диапазоне от 0,06 до 0,10 м при понижении ЦТ контейнера на 0,15 м, или на 40 – 66% от изменения аппликаты ЦТ контейнера.
2) МЦВ увеличилась на 0,49 – 0,72 м при понижении ЦТ контейнера на 1,06 м, или на 46 – 61% от изменения аппликаты ЦТ контейнера.
3) Учет фактической МЦВ позволяет выполнить откатку лишнего балласта, что может обеспечить существенный экономический эффект. Для рассмотренных случаев возможная откатка балласта составила 2233 т при понижении аппликаты ЦТ на 0,15 м и 6611 т – при понижении на 1,06 м.
Для выполнения второй части оценки были определены фактические аппликаты ЦТ для 87 типовых вариантов загрузки контейнеров, приведенных в РД 31.11.21.18–96. Основные результаты второй части оценки:
1) Приведенные варианты загрузки имеют фактические значения аппликаты ЦТ контейнеров, отличающиеся от нормированной на величину от 0,10 до 0,96 м.
2) Значения фактической МЦВ судна для рассмотренных вариантов загрузки отличаются от расчетных значений на величину от 0,06 до 0,64 м.
Анализ и оценка 2. Нагрузки, действующие на палубный контейнерный штабель сучетом фактического значения МЦВ. Были просчитаны 96 вариантов палубных контейнерных штабелей с учетом их размещения на судне и конфигурации.
Основные результаты выполненной оценки:
1) Увеличение МЦВ привело к увеличению ускорения бортовой качки. 2)Увеличение МЦВ привело к увеличению всех нагрузок, действующих
на контейнерный штабель, на величину от 2,71 до 25,25% относительно стандартной МЦВ. 3) Одновременное изменение МЦВ (GM) и аппликаты ЦТ контейнеров (VCGi) оказывает более сложнопрогнозируемое влияние на нагрузки контейнерного штабеля. Еслиувеличение GM вызвано только снижением VCGi относительно стандартного значения, то большинство нагрузок на контейнеры, у которых VCGi ниже, будут меньше,
чем на контейнеры, у которых VCGi выше.
Анализ и оценка 3. Определение условий опасной бортовой качки в зависимости
от МЦВ. Оценка была выполнена на примере 122 случаев загрузки, взятых из опыта эксплуатации судна и «Информации об остойчивости». Оценивалось влияние МЦВ на углы набегания волн, способствующих возникновению ГР. Анализ полученных результатов:
1) При МЦВ ниже некоторого значения (здесь < 2,0 метра), ГР не наступает при любой скорости судна в рассматриваемом диапазоне. 2) Чем больше МЦВ, тем шире диапазон скоростей судна, при которых может наступить ГР. Здесь при МЦВ ≥ 6 м ГР может наступить при любой скорости судна. 3) Чем меньше скорость судна, тем выше значение МЦВ, при которой может наступить ГР, и наоборот. 4) С увеличением длины волны возможность попадания судна в ГР увеличивается, поскольку увеличивается диапазон опасных КУ волн, достигая максимума при длине волны свыше 1,15L (здесь – 350 м и более). Была выполнена оценка влияния МЦВ на возможность возникновения ПР по критериям ИМО с использованием стандартной и предложенной упрощенной методик. В результате оценки по критерию 1 были сделаны следующие выводы: 1) Увеличение МЦВ при неизменной осадке снижает подверженность судно ПР по критерию уровня 1. 2) Упрощенная методика дает результаты, приближенные к опасным условиям, что позволяет применять ее на практике без опасений оказаться в большей опасности, чем при использовании стандартной методики. В результате оценки по критерию 1 уровня 2 были сделаны следующие выводы: 1) Чем меньше МЦВ, тем судно, в целом, больше подвержено ПР. 2) При МЦВ от 1,3 до 2,05 м наблюдается неоднозначное изменение критерия VPRi. Увеличение МЦВ от 2,06 м и более приводит к увеличению критерия VPRi. 3) Увеличение длины волны влияет на критерий VPRi в связке с МЦВ. При МЦВ до 1,84 м изменение критерия VPRi неоднозначно. При МЦВ 1,85 м и более увеличение длины волны приводит к увеличению критерия VPRi. 4) Увеличение осадки на величину критерия VPRi не влияет. 5) Чем выше VPRi, тем больше диапазон эксплуатационных скоростей судна, при которых не будет возникать ПР. Анализ и оценка 4. Предложенная упрощенная методика оценки подверженности судна ПР основана на выявлении зависимости между исследуемыми параметрами. Эта зависимость была определена с применением корреляционного анализа (рисунки 11-13). Рисунок 11 – Результаты корреляционного анализа величин d и Cw Выводы: Рисунок 12 – Результаты корреляционного анализа величин dm и kw(IH) Рисунок 13 – Результаты корреляционного анализа величин dm и kw(IL) 1) Между осадкой судна (d) и коэффициентом полноты площади ватерлинии (Сw) существует прямая функциональная зависимость и очень высокая корреляционная связь, что позволяет использовать для расчетов соответствующее уравнение регрессии. 2) Зависимость между средней осадкой судна (dm) и коэффициентом kw очевидна, поскольку от осадки судна зависят и коэффициент полноты площади ватерлинии (Cw), и, соответственно, моменты инерции площади ватерлинии, для расчета которых и введен коэффициент kw. Эта зависимость также подтверждается высокой корреляционной связью. 3) Вычисления параметров по предложенной методике показали незначительные относительные погрешности (от 0 до 9,48% при среднем распределенном значении 4,94%), что делает обоснованным ее применение на практике. 4)Предложенная методика может применяться на любом контейнеровозе, при условии применения в расчетах его параметров и условий эксплуатации. 5) Точность расчетных параметров и коэффициенты регрессионных уравнений могут быть отрегулированы для достижения максимальной точности при использовании предложенной методики на конкретном контейнеровозе. Анализ и оценка5. Была выполнена оценка эффективности предложенной диаграммы резонансных зон. Выводы: 1) Разработанная диаграмма позволяет непосредственно оценивать возможность попадания судна в ГР и ПР по значению МЦВ и сравнивать соответствующие условия при изменении МЦВ. Она применима в том числе и для тех условий, которые в настоящем исследовании не рассматривались как приоритетные. 2) Рассмотренные примеры показывают, что: Рисунок 4.8 – Пример использования диаграммы резонансных зон бортовой качки а) Основной диапазон эксплуатационных значений МЦВ и длин волн лежит в левой части диаграммы. б) ГР возможен с КУ волн, близких к траверзу и позади траверза. в) ПР для условий Тθ = 2ТЕ может наступить при широком спектре КУ волнения, включая кормовые, носовые и траверзные. ПР при Тθ = ТЕ, хоть и не рассматривается по условиям исследования, но в большей степени вероятен на волнении с кормовых КУ, чем с носовых КУ. г) При оценке ПР для условий Тθ = 2ТЕ изменение фактической МЦВ приводит кчетырехкратному изменению условной МЦВ и весьма существенному изменению диапазона КУ волнения, способствующего возникновению ПР. 2) Внести изменения в национальные «Правила перевозки грузов в контейнерах морским транспортом» (РД31.11.21.18-96): указать фактическое положение ЦТ для каждого рассмотренного типового варианта загрузки контейнера. 3) Внести изменения в правила РМРС: указать четкие нормы в отношении аппликаты ЦТ контейнера и приоритетное использование фактической аппликаты ЦТ контейнеров для расчета остойчивости и других эксплуатационных параметров. 4) Актуализировать формат файла UN / EDIFACT BAPLIE: включить квалификатор VCG (verified center of gravity), указывающий фактическое значение аппликаты ЦТ контейнера в файле обмена данными для планирования загрузки контейнеровоза. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Идентифицированные в процессе диссертационного исследования специфические угрозы безопасности, выполненные оценка рисков и анализ аварийности в морских контейнерных перевозках позволяют сделать вывод о том, что основной причиной аварий является нарушение технологии перевозок. При этом действующие правила и методики По исследований, в настоящей сформулированы рекомендации: 1) Внести изменения в Правило 2 «Информация о грузе» Главы VI СОЛАС-74: включить требование об обязательном определении фактической аппликаты ЦТ контейнера и включении этих данных в грузовые документы, передачи всем участникам процесса перевозки для последующего использования при планировании и определении эксплуатации (остойчивость, загрузки параметров судна нагрузки на палубный штабель и т.д.). результатам выполненных работе, следующие планирования загрузки контейнеровозов имеют определенные недостатки, требующие усовершенствования существующих и разработки новых методик. Реализация в грузовых программах предложенного в работе алгоритма планирования загрузки, основанного на принципе «разрешено-запрещено», позволит приоритетно обеспечить безопасность эксплуатации контейнеровоза по заданным критериям. Формирование контейнерных штабелей методом ступеней позволит не только обеспечить требуемую видимость с мостика, но и максимально использовать контейнеровместимость судна. Оперативный обмен данными в рамках предложенной в работе системы оперативного контроля грузовых операций контейнеровоза (СОКГОК) призван обеспечить участников процесса перевозки фактическими данными о контейнерах и судне для недопущения нарушений требований безопасности. Для проверки гипотезы диссертационного исследования были разработаны методики учета и оценки влияния аппликаты ЦТ контейнеров на МЦВ и производные эксплуатационные параметры: нагрузки на палубный контейнерный штабель и параметры бортовой качки. С целью облегчить применение судоводителями существующих методик учета МЦВ в реальных условиях эксплуатации были предложены их упрощенные варианты и разработана диаграмма резонансных зон бортовой качки судна в зависимости от МЦВ. Их работоспособность и эффективность были проверены с использованием параметров крупнотоннажного контейнеровоза и разнообразных вариантов загрузки, позволивших выполнить сравнение исходных и полученных фактических данных. Полученные результаты показали достаточную точность предложенных методик и подтвердили гипотезу диссертационного исследования, что позволяет считать обоснованным их применение на практике. Предложенные в работе методики универсальны и могут применяться для любого контейнеровоза при учете соответствующих характеристик судна и условий эксплуатации. Это подтверждается успешным применением отдельных результатов исследования судоходными компаниями, эксплуатирующими контейнеровозы. Результаты исследования позволили сформулировать ряд рекомендаций по внесению изменений в существующие правила и нормативные документы, относящиеся к морской перевозке контейнеров. Считается, что эти рекомендации позволят утвердить вотрасли новые стандарты и правила, которые будут способствовать обеспечению безопасности морских контейнерных перевозок. Очевидным достоинством предложенных в работе методик является то, что учет фактической аппликаты ЦТ контейнеров и рассчитанной на ее основе фактической МЦВ, не приводя к дополнительным расходам судовладельца, позволяет контролировать эксплуатационные параметры контейнеровоза для обеспечения безопасности его эксплуатации. Учет фактической аппликаты ЦТ контейнеров, кроме обеспечения безопасности эксплуатации контейнеровоза, также может обеспечить и существенный экономический эффект, заключающийся в экономии топлива, которая может составлять 1,5-2% по массе в год на одно судно. Это, в свою очередь, дает основания рассчитывать и на существенный экологический эффект, заключающийся в снижении выбросов в атмосферу вредных загрязняющих веществ: оксидов серы (SOx) и азота (NOx), а также мелкодисперсной пыли и озоноразрушающих веществ. Дальнейшие исследования проблематики, рассмотренной в настоящей диссертации, могут быть направлены на разработку новых методов автоматизированного планирования загрузки контейнеровоза, в том числе на основе предложенного принципа «разрешено- запрещено». Перспективной представляется разработка современной программно- аппаратной части системы СОКГОК с функцией поддержки принятия решений судоводителем. Особого внимания заслуживает разработка автоматизированной системы определения, контроля и учета фактических эксплуатационных параметров контейнеровоза, таких как остойчивость, посадка и прочность, позволяющей оперативно определять потенциально опасные условия эксплуатации судна, включая возможность возникновения опасной бортовой качки и чрезмерных деформаций корпуса судна.