Забезпечення безпеки льодового плавання в неарктичних водах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Забезпечення безпеки льодового плавання в неарктичних водах

Мельник Олексій Миколайович кандидат технічних наук, доцент, доцент кафедри судноводіння та морської безпеки. Одеський національний морський університет

Никитюк Петро Володимирович старший викладач кафедри судноводіння і морської безпеки, Одеський національний морський університет,

Котенко Олег Васильович старший викладач кафедри безпеки життєдіяльності,екологіїта хімії,Одеськийнаціональнийморський

університет

Васильченко Олександра Євгеніївна асистент кафедри безпеки життєдіяльності,екологіїта хімії,Одеськийнаціональнийморський

університет

Анотація

Забезпечення безпеки льодового плавання є важливим аспектом, особливо в умовах крижаних чи полярних регіонів. В статті обговорюються різні аспекти та методи, що використовуються для забезпечення безпеки суден та екіпажів під час навігації у крижаних водах. У статті наведено огляд ризиків та небезпек, пов'язаних із льодовим плаванням, таких як крижані гори, затори льоду, мінливі льодові умови та екстремальні погодні умови. Запропоновано обговорення наукових методів, що використовуються для вивчення та прогнозування льодових умов, таких як дослідження льоду, моделювання льодових процесів та системи моніторингу та попередження. Розглядаються різні нормативні документи, що регулюють плавання суден у льодових умовах, такі як Міжнародний кодекс з льодового плавання та Кодекс безпеки судноплавства у льодах. В роботі наголошується на важливості дотримання цих стандартів та рекомендацій для забезпечення безпеки екіпажів та суден. Інші важливі аспекти, що розглядаються у статті, включають навчання екіпажів, використання спеціалізованого обладнання для вимірювання товщини та міцності льоду, а також розробку стратегій та планів дій у разі виникнення аварійних ситуацій. У представленій статті було досліджено різноманітні методи, спрямовані на забезпечення безпеки в умовах льодового плавання. Автори наголошують на важливості адаптації цих методів до унікальних умов кожного конкретного регіону, а також на постійному оновленні знань і навичок, якими повинні володіти екіпажі суден, щоб ефективно реагувати на льодові умови, що постійно змінюються. Стаття також підкреслює необхідність врахування унікальних умов кожного регіону та постійне оновлення знань та навичок екіпажів для ефективного реагування на льодові умови, що змінюються. Загалом узагальнюються основні принципи та підходи, що використовуються для забезпечення безпеки льодового плавання, які залежать від комплексного підходу, який охоплює адекватну оцінку льодових умов, застосування спеціальної техніки і суден а також розробку і дотримання нормативних вимог.

Ключові слова Безпека судна, льодові умови, метод кінцевих елементів, безпечна швидкість, фактори безпеки, вплив льоду.

Melnyk Oleksiy Mykolaiovych PhD in Engineering, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Navigation and Maritime Safety, Odesa National Maritime University

Nykytyuk Petro Volodymyrovych Senior Lecturer at the Department of Navigation and Maritime Safety, Odesa National Maritime University

Kotenko Oleh Vasyliovych Senior Lecturer at the Department of Life Safety, Ecology and Chemistry, Odesa National Maritime University

Vasylchenko Oleksandra Yevheniivna Assistant of the Department of Life Safety, Ecology and Chemistry, Odesa National Maritime University

ENSURING THE SAFETY OF ICE NAVIGATION IN NON-ARCTIC

WATERS безпека судна льодовий екіпаж

Abstract. Ensuring the safety of ice navigation is an important aspect, especially in icy or polar regions. The article discusses the various aspects and methods used to ensure the safety of ships and crews while navigating in icy waters. The article provides an overview of the risks and hazards associated with ice navigation, such as ice mountains, ice jams, changing ice conditions and extreme weather conditions. A discussion of the scientific methods used to study and predict ice conditions, such as ice research, ice process modeling, and monitoring and warning systems, is offered. Various regulatory documents governing the navigation of ships in ice conditions, such as the International Code for Ice Navigation and the Code for the Safety of Navigation in Ice, are considered. The paper emphasizes the importance of complying with these standards and recommendations to ensure the safety of crews and vessels. Other important aspects discussed in the article include crew training, the use of specialized equipment to measure ice thickness and strength, and the development of strategies and contingency plans in the event of an emergency. This article examines various methods aimed at ensuring safety in ice navigation. The authors emphasize the importance of adapting these methods to the unique conditions of each specific region, as well as the need to constantly update the knowledge and skills that ship crews must have in order to effectively respond to constantly changing ice conditions. The article also emphasizes the need to take into account the unique conditions of each region and to constantly update the knowledge and skills of crews to effectively respond to changing ice conditions. The article summarizes the main principles and approaches used to ensure ice navigation safety, which depend on a comprehensive approach that includes an adequate assessment of ice conditions, the use of special equipment and vessels, and the development and compliance with regulatory requirements.

Keywords: ship safety, ice conditions, finite element method, safe speed, safety factors, ice impact.

Постановка проблеми в галузі безпеки плавання полягає в необхідності розроблення та застосування ефективних методів і підходів, що забезпечать мінімізацію ризиків і підвищення безпеки під час плавання в умовах льоду.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Льодове плавання становить особливі виклики та загрози, такі як товщина та стан льоду, мінливість погодних умов, наявність підводних перешкод тощо. Ці фактори можуть призвести до зіткнень, пошкоджень суден, аварій та втрати людських життів.

Огляд літератури наводить такі дослідження, пов'язані із забезпеченням безпеки льодового плавання. У [1] автори досліджували антарктичні льодові карти та їхній вплив на безпеку навігації в Південному океані. Робота [2] надає дані про оцінку безпеки та економічної ефективності навігації в льодових умовах на Північному морському шляху. У праці [3] запропоновано концепцію інформаційної системи на борту судна на основі ризику для забезпечення безпеки суднової експлуатації в умовах льоду. У статті [4] представлено систему моніторингу навколишнього середовища під назвою Ice cam, яка має значення для навігації та безпеки в полярних морях. An, Lei і співавтори [5] досліджували ризики навігації в Північно-Східному проході Арктики на основі моделі POLARIS. Автори роботи [6] розробили інтегровану модель оцінки ризику для безпечної навігації в Арктиці. Shu, Yaqing і співавтори [7] представили модель планування маршруту для суден за допомогою криголама в льодовитих водах Північного морського шляху на основі оптимального управління. Наукові праці [8-9] розглянули основні проблеми безпеки та потенційні загрози для судноплавної галузі та запропонували ймовірнісний метод оцінювання гідрометеорологічних умов та їхнього впливу на ефективність експлуатації судна.

Проблема безпеки льодового плавання залежить від безлічі чинників, включно з надійністю і міцністю корпусів суден, кваліфікацією екіпажів, оцінкою льодових умов, прогнозуванням погоди та ефективним управлінням ризиками. Недостатня увага до цих аспектів може призвести до серйозних наслідків, включно з аваріями, втратою вантажів і негативними наслідками для навколишнього середовища.

Мета статті - вивчення та узагальненні основних принципів і методів, які застосовуються для забезпечення безпеки льодового плавання, огляд та аналіз різних підходів, технологій і нормативних вимог, які допомагають мінімізувати ризики та підвищити безпеку під час плавання в умовах льоду.

Виклад основного матеріалу

Безпека льодового плавання залежить від безлічі чинників, включно з надійністю і міцністю суден, кваліфікацією екіпажів, оцінкою льодових умов, прогнозуванням погоди та ефективним управлінням ризиками. Недостатня увага до цих аспектів може призвести до серйозних наслідків, включно з аваріями, втратою вантажів і пошкодженням навколишнього середовища. Тому основним завданням є розробка і застосування сучасних методів і технологій, а також забезпечення відповідного навчання і підготовки екіпажів для ефективного реагування на мінливі льодові умови. Це охоплює розробку надійних систем моніторингу льоду, застосування спеціальної техніки та суден, адекватне планування маршрутів і управління швидкістю суден, а також дотримання нормативних вимог і міжнародних стандартів безпеки плавання суден в неарктичних водах та є важливим напрямком для досліджень з метою забезпечення безпеки льодового плавання, враховуючи їхнє географічне положення та природні умови.

Неарктичні води - це водні території, розташовані поза Арктичного кола. Це можуть бути моря, океани, затоки та протоки, які межують з Арктичним регіоном або знаходяться в його близькості, але самі не входять до нього і мають характерні риси, пов'язані з холодним кліматом, наявністю льоду та іншими особливостями, близькими до арктичного регіону. Вони можуть представляти певні виклики та вимагати специфічного підходу під час планування та здійснення льодового плавання. У цих водах можуть існувати різні класи льоду, мінливі льодові умови та вимоги до безпеки суден під час плавання. Забезпечення безпеки льодового плавання є важливим завданням і для цього застосовуються різні наукові методи, деякі з них представлені у табл.1:

Методи забезпечення безпеки льодового плавання

Таблиця 1

Плавання суден в льодових умовах регулюється кількома нормативними документами, включаючи:

* Міжнародний кодекс з льодового плавання (International Code for Ships Operating in Polar Waters, або Полярний кодекс). Кодекс розроблений Міжнародною морською організацією (ММО) та містить стандарти та рекомендації для безпечної навігації суден у полярних водах. Він включає вимоги до проектування, обладнання та експлуатації суден, а також рекомендації щодо безпеки екіпажу та операцій.

• Кодекс безпеки судноплавства по льоду (Code of Safe Practice for Ships Operating in Polar Waters). Кодекс також розроблений ММО та містить рекомендації щодо безпечних операцій суден у полярних водах. Він включає рекомендації щодо оцінки та управління ризиками, підготовки суден та екіпажів, обміну інформацією про льодові умови та інші аспекти безпеки.

• Міжнародна конвенція з пошуку та порятунку в морі (International Convention on Maritime Search and Rescue, або SAR Конвенція). Ця конвенція, розроблена ММО, встановлює загальноприйняті стандарти та регуляції для пошуку та порятунку в морі. Вона включає вимоги до координації рятувальних операцій, обміну інформацією та співробітництва між державами для забезпечення ефективного реагування на надзвичайні ситуації.

• Національні правила та регуляції. Окрім міжнародних документів, кожна країна має свої національні правила та регуляції, які регулюють льодове плавання суден у їхній юрисдикції. Ці правила можуть включати вимоги до сертифікації суден, навчання екіпажів, протоколів обміну інформацією та інших аспектів безпеки.

Важливо відзначити, що конкретні нормативні документи та вимоги можуть різнитися залежно від регіону та типу льодового плавання (наприклад, полярні води або води з помірним кліматом). Рекомендується звертатися до міжнародних та національних організацій.

Безпека судна при плаванні в льодових умовах є критично важливим аспектом, який потребує спеціальних заходів та застережень. Існує декілька факторів і моделей безпеки, які беруться до уваги при проектуванні суден для експлуатації в таких умовах. Такі фактори безпеки є складним та багатогранним питанням, але в осиновому повинні враховувати наступне:

Таблиця 2

Фактори безпеки під час проектування суден

Важливо відзначити, що безпека судна в льодових умовах також залежить від актуальності інформації про льодові умови та льодові прогнози. Надання точної та своєчасної інформації про стан льоду може допомогти екіпажу приймати усвідомлені рішення та вибирати найбезпечніші маршрути.

Загалом безпека судна при плаванні в льодових умовах потребує поєднання спеціалізованого обладнання, технічних рішень, кваліфікованого екіпажу та дотримання рекомендацій та вимог нормативних документів. Такий комплексний підхід дозволяє знизити ризики та забезпечити безпеку плавання у льодових умовах.

Деякі загальні формули, які можуть бути застосовні при моделюванні безпеки судна в льодових умовах, мають загальний характер і не враховують специфічні особливості кожного судна чи регіону:

1. Опір льоду (Ice Resistance):

F = C x A x R x Vn(1)

де F - опір льоду (Н), C - коефіцієнт, що залежить від типу льоду, A - площа контакту судна та льоду (м2), R - середня міцність льоду (кПа), V- швидкість судна (м/с), n - показник ступеня, зазвичай, приблизно 0.5.

2. Оцінка товщини льоду (Ice Thickness Estimation):

h = (k x S) / (r x (T - Tf))?

де h - товщина льоду (м), k - коефіцієнт, що залежить від типу льоду, S - міцність льоду (кПа), r - щільність льоду (кг/м3), T - температура навколишнього середовища (°С) , Tf - температура плавлення льоду (°С).

3. Потужність навантаження на лід (Ice Load Capacity)

W = C x A x S x G(3)

де W - вантажопідйомність льоду (кН), C - коефіцієнт, що залежить від типу льоду, A - площа контакту судна та льоду (м²), S - міцність льоду (кПа), G - питома вага льоду (кН/м³).

4. Визначення оптимальної швидкості судна у льодових умовах:

VЃZpt = (k x S) / (C x A)?

де Vopt - оптимальна швидкість судна, k - коефіцієнт, що залежить від типу льоду, S - міцність льоду (кПа), C - коефіцієнт опору льоду, A - площа контакту судна та льоду (м2).

Наприклад, розрахунку опору льоду для судна з льодовим класом - 1B використовуємо коефіцієнт опору льоду C = 1.0. Площа контакту судна та льоду можна розрахувати, прийнявши проекцію носової частини судна на льодову поверхню: A = довжина судна ^х ширина, судна = 180 м х 30 м = 5400 м². Приймаємо середню міцність твердого льоду R =15 МПа. Швидкість судна - 10 вузлів (умовна швидкість для навігації в льодовій обстановці). Показник ступеня n приймаємо рівним 0.5. Підставивши значення формулу отримаємо опір льоду рівне 81 900 000 МН що є дуже високим значенням і вказує на значний опір, з яким судно стикається при плаванні в льодових умовах. Це свідчить про те, що судно має мати достатню міцність і здатність долати опір льоду, щоб забезпечити безпеку плавання.

Для порівняння, типовий опір судна льоду в звичайних умовах може бути на кілька порядків менше цього значення. Однак у льодових умовах, особливо в неарктичних регіонах, товщина, льоду та його міцність можуть значно зростати, що призводить до збільшення опору льоду.

Високий опір льоду вимагає вжиття відповідних заходів безпеки, таких як вибір оптимальної швидкості плавання, зміцнення корпусу судна, використання спеціальних криголамів або супровід судна криголамним судном.

Що стосується визначення оптимальної швидкості судна у льодах, то такий розрахунок включає облік різних факторів, таких як тип льоду, його товщина, міцність, концентрація, а також характеристики самого судна. Одним із методів визначення оптимальної швидкості може бути аналіз залежності опору судна від швидкості руху. Зазвичай зі збільшенням швидкості судна опір льоду також зростає, і на певному рівні подальше збільшення швидкості може призвести до значного зростання опору та втрати ефективності руху. Також важливо враховувати фактори безпеки, наприклад, можливість судна маневрувати та стійко долати льодові перешкоди за певної швидкості.

Крім того, при плаванні у льодах необхідно враховувати можливість появи небезпечних явищ, таких як утворення тріщин та крижаних брил, які можуть пошкодити судно. Також, при плаванні у льодах слід враховувати можливі зміни морського дна, такі як утворення підводних гір і льодів, що дрейфують, які можуть призвести до пошкодження судна.

Також необхідно враховувати, що жодна модель чи метод не може гарантувати повну безпеку плавання, тому важливим є комплексний підхід до забезпечення безпеки судна, що включає не лише оцінку ризиків, але й вжиття відповідних заходів щодо їх управління та мінімізації. Наприклад, для забезпечення безпеки плавання при плаванні в льодових умовах можуть використовуватися такі методи та заходи:

• використання спеціальних криголамів;

• використання льодових буксирних суден, які можуть допомогти у маневруванні у льодових полях;

• своєчасне оновлення карт та даних про умови плавання в льодових умовах;

• навчання та тренування членів екіпажу для плавання в льодових умовах;

• регулярне технічне обслуговування та перевірка обладнання на готовність до плавання у льодових умовах.

Наприклад, в рамках аналізу міцності судна при впливі льоду широко застосовується метод кінцевих елементів (Finite Element Method, FEM). Цей метод є ефективним інструментом для моделювання та аналізу складної поведінки матеріалів та структур при впливі різних навантажень, включаючи вплив крижаних утворень.

Метод кінцевих елементів ґрунтується на дискретизації безперервної структури на кінцеву кількість елементів, що дозволяє проводити детальне моделювання та розрахунки у кожному елементі. У контексті аналізу міцності судна при впливі льоду, особлива увага приділяється моделюванню взаємодії між судном та льодом, а також розподілу напружень та деформацій у різних частинах корпусу судна.

Метод кінцевих елементів дозволяє проводити різні розрахунки та сценарії для оцінки міцності судна при впливі льоду, включаючи оцінку максимальних навантажень, динамічні навантаження та довготривалу дію крижаних утворень. Це допомагає інженерам та проектувальникам розробляти більш безпечні та ефективні судна для плавання в льодових умовах.

Для розробки методів забезпечення безпеки судна в льодових умовах можуть бути включені такі елементи:

• Аналіз динамічної взаємодії судна та льоду включаючи моделювання сил і моментів, що виникають при контакті судна з льодом, а також взаємодія між льодом та структурою судна. Моделювання динамічної взаємодії може бути засноване на фізичних принципах та експериментальних даних. може включати додаткові фактори, такі як пружність льоду, деформації та тріщини, а також вплив хвилювання та поточних.

• У льодових умовах матеріали судна піддаються низьким температурам, що може викликати морозну напругу. Моделювання цих напружень може включати врахування теплообміну між судном та навколишнім середовищем, зміну розмірів та властивостей матеріалів за низьких температур.

• Аналіз небезпечних ситуацій таких як зіткнення з масивними льодами, утворення тріщин у льоду, плавучі крижини тощо. Це дозволяє визначити критичні умови та розробити стратегії запобігання аварійним ситуаціям.

• Інтеграція сенсорів та навігаційних систем з тим, щоб отримати інформацію від датчиків, таких як радари, сонари та системи відеоспостереження, а також дані про стан льоду та погодні умови. Це допомагає в реальному часі оцінювати ситуацію та приймати обґрунтовані рішення при плаванні у льодових умовах.

Більш складні моделі можуть враховувати геометрію судна, включаючи форму корпусу, наявність виступів, гострих кромок та інших особливостей, які можуть впливати взаємодію з льодом. Вплив льодових умов на системи судна, такі як пропульсивні системи, кермові пристрої.

Моделювання пошкоджень та міцності судна при впливі льоду, включаючи оцінку ризику проникнення води в корпус судна та деформації його конструкції.

Висновки

В результаті всебічного аналізу факторів, пов'язаних із забезпеченням безпеки льодового плавання в неарктичних водах, можна зробити такі науково обґрунтовані висновки. Визначення льодового класу судна відіграє важливу роль у його здатності долати льодові умови. При цьому облік параметрів льоду, включаючи тип, товщину та міцність, має суттєве значення для визначення оптимальних маршрутів та швидкостей плавання, що сприяє мінімізації ризиків зіткнення з льодом. Погодні умови, включаючи температуру повітря та швидкість вітру, також є важливими факторами, що вимагають обліку, оскільки вони впливають на формування та переміщення льодових утворень. Розрахунок оптимальної швидкості судна ґрунтується на кількох змінних, таких як тип льоду, його міцність та площа контакту судна та льоду. Достовірні дані про льодові умови та погоду є необхідними для прийняття поінформованих рішень та забезпечення безпеки плавання. Загалом забезпечення безпеки льодового плавання потребує комплексного підходу, обліку різноманітних факторів та використання науково обґрунтованих даних для зниження ризиків та забезпечення успішної навігації в льодових умовах.

Література:

1. Scardilli, Alvaro & Salvo, Constanza & Saez, Ludmila. (2022). Southern Ocean ice charts at the Argentine Naval Hydrographic Service and their impact on safety of navigation. Frontiers in Marine Science. 9. 971894. 10.3389/fmars.2022.971894.

2. Pastusiak, Tadeusz. (2018). Assessment of safety and economy of navigation in ice on the Northen Sea route. AUTOBUSY - Technika Eksploatacja Systemy Transportowe. 19. 193-197. 10.24136/atest.2018.062.

3. Yakimov, Vladimir. (2023). A concept for onboard risk-based information system to ensure the safety of ship operation in ice conditions. AIP Conference Proceedings. 2700. 060001. 10.1063/5.0125036.

4. N.E., Hughes. (2001). Ice cam: For the polar seas, an environmental monitoring solution with implications for navigation and safety. 42. 36-40.

5. An, Lei & Ma, Long & Wang, Hui & Zhang, Heng-Yu & Li, Zhen-Hua. (2022). Research on navigation risk of the Arctic Northeast Passage based on POLARIS. Journal of Navigation. 75. 1-21. 10.1017/S0373463322000042.

6. Zhang, Chi & Zhang, Di & Zhang, Mingyang & Lang, Xiao & Mao, Wengang. (2020). An integrated risk assessment model for safe Arctic navigation. Transportation Research Part A: Policy and Practice. 142. 101-114. 10.1016/j.tra.2020.10.017.

7. Shu, Yaqing & Zhu, Yujie & Xu, Feng & Gan, Langxiong & Lee, Paul & Yin, Jianchuan & Chen, Jihong. (2023). Path planning for ships assisted by the icebreaker in ice-covered waters in the Northern Sea Route based on optimal control. Ocean Engineering. 267. 113182. 10.1016/j.oceaneng.2022.113182.

8. Melnyk, O., Onyshchenko, S., Koryakin, K. (2021) Nature and origin of major security concerns and potential threats to the shipping industry. Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport. 113, 145-153. ISSN: 0209-3324. https://doi.org/10.20858/sjsutst.2021.113.11

9. Onyshchenko S., Melnyk O. (2021) Probabilistic Assessment Method of Hydrometeorological Conditions and their Impact on the Efficiency of Ship Operation. Journal of Engineering Science and Technology Review 14 (6), 132 - 136. https://doi.org 10.25103/jestr.146.15

References

1. Scardilli, Alvaro & Salvo, Constanza & Saez, Ludmila. (2022). Southern Ocean ice charts at the Argentine Naval Hydrographic Service and their impact on safety of navigation. Frontiers in Marine Science. 9. 971894. 10.3389/fmars.2022.971894.

2. Pastusiak, Tadeusz. (2018). Assessment of safety and economy of navigation in ice on the Northen Sea route. AUTOBUSY - Technika Eksploatacja Systemy Transportowe. 19. 193-197. 10.24136/atest.2018.062.

3. Yakimov, Vladimir. (2023). A concept for onboard risk-based information system to ensure the safety of ship operation in ice conditions. AIP Conference Proceedings. 2700. 060001. 10.1063/5.0125036.

4. N.E., Hughes. (2001). Ice cam: For the polar seas, an environmental monitoring solution with implications for navigation and safety. 42. 36-40.

5. An, Lei & Ma, Long & Wang, Hui & Zhang, Heng-Yu & Li, Zhen-Hua. (2022). Research on navigation risk of the Arctic Northeast Passage based on POLARIS. Journal of Navigation. 75. 1-21. 10.1017/S0373463322000042.

6. Zhang, Chi & Zhang, Di & Zhang, Mingyang & Lang, Xiao & Mao, Wengang. (2020). An integrated risk assessment model for safe Arctic navigation. Transportation Research Part A: Policy and Practice. 142. 101-114. 10.1016/j.tra.2020.10.017.

7. Shu, Yaqing & Zhu, Yujie & Xu, Feng & Gan, Langxiong & Lee, Paul & Yin, Jianchuan & Chen, Jihong. (2023). Path planning for ships assisted by the icebreaker in ice- covered waters in the Northern Sea Route based on optimal control. Ocean Engineering. 267. 113182. 10.1016/j.oceaneng.2022.113182.

8. Melnyk, O., Onyshchenko, S., Koryakin, K. (2021) Nature and origin of major

security concerns and potential threats to the shipping industry. Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport. 113,145-153. ISSN:0209-3324.

https://doi.org/10.20858/sjsutst.2021.113.11

9. Onyshchenko S., Melnyk O. (2021) Probabilistic Assessment Method of Hydrometeorological Conditions and their Impact on the Efficiency of Ship Operation. Journal of Engineering Science and Technology Review 14 (6), 132 - 136. https://doi.org 10.25103/jestr.146.15

Размещено на Allbest.ru