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第一章 從知識到直覺的旅程
整部著作的核心使命,在於打破傳統航海教育將操船歸類為依賴天賦與模糊經驗的「感性藝術(Seamanship)」,將其提升為嚴謹的**「流體動力學實踐(Hydrodynamic Practice)」**12。作者結合二十餘年貨櫃船船長、長江及港口引水人的第一線實務,以及長榮海運訓練中心的教學精華,建立了一套將理論物理深植為駕駛台團隊在緊急 1 分鐘內激發「正確直覺(Correct Intuition)」的實戰體系34。 一、 貫穿全書的兩大 BHRM 靈魂支柱義氣文化(Accountability / 當責精神)定義:「在正確的時間做正確的事(Doing the right thing at the right time)」。實務貫穿:超越被動聽命與事後卸責。當危機逼近、溝通失效(如錯過轉向點 WOP 或引水人陷入分心自滿)時,值班航行員(OOW)基於全船最高安全利益,果斷接管操縱(Taking over the con)——大聲喊出標準舵令 “Starboard 10”、眼神直視操舵工並點頭確認意圖、瞬間核對船位並立即通報船長。這種在關鍵時刻為全船擋下災難、承擔責任的精神,正是航海人員生死與共最高境界的「義氣」。自我主張(Assertiveness / 果敢溝通)定義:自信且堅定地表達專業關切與安全主張,突破階級尊卑與文化藩籬。實務貫穿:將日常「心演(Mental Simulation)」轉化為專業勇氣3。依情境緊迫性將溝通劃分為 「說出(Speak / Remind)」(時間充裕時)、「通知(Inform / Direct)」(抵達 WOP 時)與 「指示(Instruct / Command)」(錯過 WOP 或危險偏向時)三個層級,化體制盲區為團隊主動干預的安全防線。 二、 核心流體力學突破與實戰觀念1. 旋迴四階段理論(Four-Stage Turning Model)傳統造船廠與 IMO 規範僅劃分三個旋迴階段,且假設樞紐點(Pivot Point)位於船體幾何中心13。本書首創**「第四階段(COG 穩定階段)」**,揭示了對地航向(COG)滯後於船艏向(Heading)的物理現實56:第一階段(引導/初始):僅舵推力作用於船尾產生側踢(Side-kick),需 1.0–1.5 倍船長(SL)建立動量,船首仍在原航線上7。第二階段(發展/加速):船首迎水側不對稱水阻與離心力形成力偶,旋迴速率(ROT)急劇加快89。空載船(Ballast)因水阻減少,前進距離會意外增加 0.5 SL8。第三階段(平衡/過渡減速):傳統上使用反舵(Counter-rudder)或正舵(Midship)降低 ROT 並穩向10。第四階段(COG 穩定階段):船艏向雖到達目標航向,但殘餘漂角(Drift Angle)導致 COG 尚未同步轉過,船尾向外擺動(外漂)引發觸礁5more_horiz。4 種 COG 穩定操縱法:保持航向與維持航速:向前推進 2 SL 後,向外側橫移約 1 個船寬並穩定(以時間換取空間)12。保持航向與增加航速(最推薦):加車引入縱向推力快速縮小漂角,前進距離增加 0.5 SL,但橫向外漂量大幅縮減至半個船寬(以船速換取空間)1213。保持航向與降低航速(錯誤操作):減速導致縱向推力驟降、漂角擴大,產生劇烈不可控外漂(鐵達尼號效應 Titanic Effect)1112。循環舵(Rudder Cycling)穩定:連續交替使用左右滿舵,利用流體阻力煞車消散航速並強行收束 COG(以空間換取減速)1214。2. 前進距離(Advance)的雙重物理修正傳統前進距離僅計算 Heading 改變 90° 的距離,本書提出兩項強制修正:第一修正(COG 旋轉滯後修正):修正 COG 完全轉過 90° 前,船體繼續沿原航向推進的距離5。第二修正(船尾外擺漂角修正):計算漂角導致船尾超出旋迴曲線向外擺動的幅度15。(例如:300m 巨輪在 30° 漂角下,船尾外擺高達 138.5 公尺,若在 250m 寬防波堤口轉向將直接觸礁15)。3. 圖形化實時情境覺知(Graphical Situational Awareness)一分鐘定律(One-Minute Law):受限水域中每降低 1 節航速需滑行 1.5–2.0 SL16;轉向延誤 1 分鐘(約 400 公尺)即超越不可逆極限距離1718。3 分鐘 SOG 速度向量(傻瓜的指揮棒):將雷達/ECDIS 的對地速度向量延伸 3 分鐘,若向量末端觸及河岸或淺灘,直觀提示 3 分鐘內將發生擱淺,大幅釋放大腦記憶數字的心理壓力19。漂角與 ROT 倍數法則:大型貨櫃船的 ROT 讀數約為漂角的 3 倍(15°/min ROT 對應約 5° 漂角)2021。若 COG 讀數反常地落在 Heading 的內側/靠岸側,證實有強大的岸吸力正在將整艘船橫向拉向淺灘2223。4. 窮人的拖船(Poor Man's Tug)與無拖船極限離靠泊樞紐點(PP)動態位移:進車時 PP 位於前 1/4 SL,倒車時移至後 1/4 SL124。倒車時船首側推器獲得長力臂,控制極為靈敏;但倒車航速必須限制在 3–4 節以下,否則側推效能會急劇衰減2425。無拖船平行離泊 SOP:利用「向岸滿舵(On Shore Hard)」配合短暫主機「進車衝舵(Kick Ahead)」,拉緊前倒纜將船尾擺出26more_horiz;或利用吹離岸風、船首側推器與離岸舵,實現全船平行離泊(Parallel Unberthing),避免船首飛簷(Bow Flare)撞擊岸吊2930。 三、 國際重大海難事故的水動力學與 BHRM 解構巴爾的摩「達利號(DALI)」撞橋案(Ch 3 & Ch 1)事故解構:01:25 全船斷電,在距離 17 號橋墩 3.7 SL(1,037 公尺)處失控1731。因主機關閉缺乏螺旋槳排出流,左舵 20 度與左滿舵完全失去舵效18more_horiz。船頭因慣性向右劇烈偏轉(峰值 ROT 7.5°/min),累積 4°~18° 漂角死鎖1734。教訓:船長的安全窗口只有 1 分鐘4;在強流狹窄水道中,死守**「對地航向(COG 140°)」**與航道中線,比單純維持 Heading 更為關鍵419。釜山「米蘭橋號(Milano Bridge)」觸碰碼頭案(Ch 2)事故解構:空載壓瀉狀態下尾吃水過淺(螺旋槳露出 1/3,浸水舵面積僅剩 64%),加上 8.4–9.5 節過高進場航速與 1.5 分鐘轉向延誤(前進距離多出 240 公尺)912。救濟戰術:極限狀況下唯有執行**「循環舵(Rudder Cycling)」**,利用大漂角與船體水阻發揮流體煞車,能在迅速消散航速的同時,強行將 COG 推離碼頭1214。「Cap Blanche 號」擱淺案與 PPU 數位導航陷阱(Ch 3)事故解構:在大霧中引水人過度依賴 PPU 的「預測器(Predictor)」,但因 PPU 連接至資料更新緩慢且經算法平滑化(Smoothing)處理的船載 AIS,產生了高達 1 倍船長的位置與軌跡時間延遲(Lag),畫出「完美過彎」的虛假導航航跡35more_horiz。教訓:航行員絕不能單憑 PPU 預測器,必須交叉比對雷達 0.5 海浬 VRM 距離環(3 分鐘向量)與深水線,堅持**「走深水一側」**2039。「Bow Triumph 號」撞碼頭案與貝克舵(Becker Rudder)水動力失速(Ch 3)事故解構:配備高升力襟翼舵(貝克舵,升力係數 $C_L$ 達 2.0–2.6)的油輪,因過度貼近東側淺灘,觸發強烈的岸壁效應(岸吸力與岸推力)40more_horiz。領港員在驚慌下執行「全速前進 + Full Becker(50° 極限舵角)」,導致舵板攻角過大引發邊界層分離與斷崖式失速(Stall),且加車數倍放大了岸吸力與 Squat 下沉量,將船隻牢牢鎖死41more_horiz。破鎖逆向操作:面對岸壁水動力鎖定,正確的非典型救船術是果斷「減速停車(Stop Engine)」+ 正舵(Midships)。停車能使岸吸力與 Squat 幾何級數暴跌,正舵能消除水下擋水牆阻力,隨後配合「緊急全速倒車 + 拋雙錨」,利用倒車水墊效應與錨鏈拉力強行拉回船頭46more_horiz
售價 NT$ 300
作者序:從知識到直覺的旅程
以李⽂愚(
Captain Gilbert Lee
)船⻑的第ㄧ⼈稱視⾓撰寫,直接融⼊您的核⼼論點。
船隻的迴轉特性必須經過仔細研究,以便在駕駛船隻應對各種情境時,能充分理解其物理極限。我
最初嘗試將迴轉過程劃分為三個階段,主要是為了避碰的⽬的。為了避免船舶在進出不同交通密度區域
及接近淺⽔區時發⽣碰撞,船⻑在操船時必須適當考量船⾸與船尾的動態。這些早期研究將不同的碰撞
⾵險區域區分開來,以便具有不同經驗與技能⽔準的海員能夠有效應⽤。
然⽽,理論必須接受現實的考驗。當某家航運公司的船隊在台灣某個頂級港⼝先後發⽣了兩起截然
不同的事故(⼀艘進港、⼀艘出港)時,傳統的三階段迴轉理論在實際的擁擠引⽔⽔域中顯得不⾜,這
點變得昭然若揭。這樣的體悟促成了本⽂的核⼼提議:將船舶迴轉的主要影響因素劃分為四個截然不同
的階段,強調它們在控制迴轉、提升狀況意識以及預防未來海難⽅麵的關鍵重要性。
然⽽,詳盡的技術分析與本研究的⾃願推廣,並不⾜以防⽌下⼀起事故的發⽣。正如我在
25
年的教
學與指揮⽣涯中所體悟到的⼈為因素(
Human Element
),教科書僅僅是⼀個知識庫。在千鈞⼀發的緊急
關頭,根本沒有時間計算;唯有正確的直覺才能解決問題,⽽不是做那些徒勞且驚慌失措的掙扎。
本書獻給那些致⼒於培養此種直覺的⼈。
理解迴轉中的各項要素即是「知識庫」。正確應⽤這些不同要素來影響船舶性能即是「技能⽔準」。
瞬間明⽩哪怕隻是其中單⼀要素的短缺將如何衝擊船舶的最終迴轉性能,就是我們所需要的「直覺」。
我期盼本書能填補紙上談兵與我們在安全防線最後關鍵⼀分鐘內本能反應之間的鴻溝。
前⾔⼀:學術界與資深船⻑視⾓
——
「超越教室:分秒決策的解剖學」
當吉伯特
·
李船⻑⼆⼗五年前⾸次在⻑榮訓練中⼼展開教學時,他帶著資深船⻑中少有的謙遜,踏上
深⼊理解操船物理⼒的探索之旅。在隨後的四分之⼀世紀裡,他體悟到⼀個海事院校經常忽略的關鍵真
理:龐⼤的知識庫並不保證航⾏安全。
本書是⼀部關於安全的經典⼤師之作,因為它拒絕停留在理論層⾯。李船⻑將迴轉劃分為四個階段——
這誕⽣於對台灣擁擠港⼝實際船隊事故的分析
——
重新定義了我們教授船舶操船的⽅式。它引領海
員展開⼀場認知之旅,從知識(記住⼒量)到技能(應⽤舵與⾞的操作),再到直覺(當某個要素失效
時,本能地預測船舶⾏為)。
在⼤型貨櫃船⽇益巨⼤、安全餘裕不斷縮減的時代,本書不僅教導海員如何轉向,更訓練他們的⼼
智在突發狀況中求⽣。這是每⼀位專業航海⼈員書架上不可或缺的必讀之作。
前⾔⼆:引⽔⼈視⾓
——
「掌握外向橫移:擁擠⽔域中的關鍵第四階段」
在受限且擁擠的引⽔⽔域中,空間是奢侈品,時間是敵⼈。雖然傳統船廠試航數據將迴轉簡化為平
坦的幾何曲線,但實務引⽔⼈深知真實世界遠⽐這更加動態。
李船⻑這項突破性的⼯作,透過引⼊迴轉第四階段:對地航向(
COG
)穩定過程,揭⽰了傳統模型
的致命盲點。透過嚴謹的物理⽅程式以及從《達利輪》(
Dali
)斷橋與港⼝碰撞等災難中贏得的⾎淚教
訓,他證明了當船⾸向穩定時,轉向從未真正結束;唯有當漂流⾓消除且
COG
穩定時,轉向才算完
成。
透過教導海員如何在第四階段利⽤循環舵(
Rudder Cycling
)
*
與
*
預留轉速(
Reserved RPM
),本
書提供了引⽔⼈應對劇烈漂移、淺⽔效應和突發緊急狀況所需的實⽤⼯具。李船⻑成功將引⽔「藝術」
編纂成可操作、具直覺性的科學。
摘要
船舶必須經過仔細的旋迴特性研究,以便在不同的航⾏情況下操作船舶時,能充分理解其操作限
制。最初,將旋迴過程劃分為三個階段是為了避免碰撞。為了減輕因交通密集及接近淺⽔區⽽產⽣的碰
撞⾵險,船⻑必須周詳考慮船⾸與船尾在避碰操船時的運動。這些框架為不同經驗與技能⽔準的海員區
分了碰撞⾵險。然⽽,在某家航運公司的船隊於進出台灣某主要港⼝發⽣兩起事故後,三階段旋迴理論
在擁擠⽔域的實際應⽤中顯得不⾜。
本⽂建議將影響船舶旋迴的主要因素擴展為四個不同的階段,並評估其在旋迴過程中的重要性,以
提升態勢感知並預防未來事故。由於「⼈為因素」本質上僅基於知識基礎,僅靠詳細分析與對本研究的
熱情推廣,仍不⾜以完全消除未來的事故。在緊急情況下,唯有正確的直覺才能有效解決問題⽽不作無
謂的努⼒。直覺源⾃對此知識基礎的扎實理解,並結合熟練的技巧。理解旋迴要素構成知識基礎,⽽正
確運⽤這些要素來影響船舶性能則代表技能⽔準;能⽴即辨識單⼀要素的缺乏如何影響最終的旋迴表
現,即是現場所需的直覺。
關鍵字:
旋迴特性;舵推⼒;⽔阻;離⼼⼒;動量;前進距離
專⽤術語:
前進距離(
Advance
):
從轉舵位置起算,沿原航向⽅向測量⾄航向改變
90∘
之點的距離。
漂⾓(
Drift Angle
):
船艏向與其旋迴曲線切線⽅向(對地航向,即
COG
)之間的夾⾓。
迴轉⽀點
/
樞紐點(
Pivot Point
):
船體縱向中⼼線上的⼀個⾮固定點,該點承受的淨側向⼒
為零(不會將其推向左舷或右舷)。
切線航向(
Tangent Course
):
迴轉⽀點處與旋迴曲線相切的航向,代表對地航向(
COG
)。
⾵壓差
/
流壓差(
Leeway
):
依據⽬前航向與航速推算出的推測位置,與實際船舶位置之間
的位移距離。
1.
引⾔
全世界每天建造數千艘船舶,也有數千名當值駕駛員(
OOW
)在海上航⾏。引⼈注⽬的是,由造船
廠提供並張貼在駕駛台上的船舶旋迴特性,竟然很少受到質疑或討論。這個現象凸顯了本研究所探討的
⼀個關鍵⼈為因素:年輕海員無批判地吸收知識的傾向,或是經驗豐富的海員盲從權威、忽視眼前顯⽽
易⾒的事實之習慣,即使在
DGPS
(差分全球定位系統)與先進陀螺羅經的輔助下依然如此。
造船廠試航所提供的傳統旋迴圈,其設計⽬的是假設旋迴中⼼(迴轉⽀點
/
樞紐點)位於船舶幾何
中⼼來決定戰術直徑。然⽽,樞紐點並⾮位於幾何中⼼,⽽是位於距離船⾸約三分之⼀⾄四分之⼀船⻑
的位置。正如《
ABS Guide for Vessel Maneuverability
》(
2017
年
2
⽉更新版)中所圖⽰的,旋迴圈通
常並不是以真正的樞紐點來繪製的。雖然樞紐點⾃幾何中⼼的這種位移對前進距離(
Advance
)的影響
有限,但
ABS
圖紙中的數值主要作為法規參考,旨在驗證依據
ABS
規則建造的船舶是否符合國際海事
組織(
IMO
)的操縱性能決議。為了說明這些操作上的差異,我們的討論在評估前進距離時,將採⽤正
確的樞紐點位置。
前進距離的第⼀個差異產⽣於對地航向(
COG
)並未與船艏向同時達到
的改變。在
COG
完全
轉變
之前,船舶會繼續沿著原航向⽅向前進(如圖
4
中的紫線所⽰)⽽產⽣新的前進距離。
當
COG
改變
後,影響前進距離的第⼆個現象是漂⾓(
Drift Angle
)
——
在
ABS
圖⽰中定義為
船艏向與旋迴曲線切線之間的夾⾓。較⼤的漂⾓會產⽣額外的前進距離,如圖
4
中的紅線所⽰(其中包
含了船尾向外擺動所增加的前進量)。船舶的旋迴運動並不會在航向或
COG
改變
的那⼀刻精確停
⽌;相反地,⼀旦啟動,改變航向或
COG
需要⼀個減速過渡期才能穩定在新的航向上。從轉舵的那⼀
刻起,直到最終穩定在新航向為⽌,船舶樞紐點的軌跡與漂⾓直接影響了避碰與引⽔過程中的前進距
離。
為了考量這些動態變化,傳統的前進距離需要進⾏兩項關鍵修正:第⼀,修正船舶
COG
完成
旋轉前所前進的距離;第⼆,修正船尾因漂⾓在原航向⽅向上的外掃距離
(
超出旋迴曲線
)
。評估旋迴各階
段中作⽤的合⼒,對於安全操船同樣⾄關重要。本研究旨在為海員提供對這些⼒的更深層理解,確保他
們能夠識別標準操作假設在關鍵情況下何時可能失效。
《
ABS Guide for Vessel Maneuverability
》(
2017
年
2
⽉更新版)
圖
1
:
船舶旋迴時的作⽤⼒
圖
2
:
旋迴的第⼀與第⼆階段
2.
避碰的三個旋迴階段
2.1
每個旋迴階段作⽤著哪些⼒?
2.1.1
第⼀階段
主要作⽤⼒:
在第⼀階段中,僅有舵的推⼒(
Lift force
)作⽤於船尾,為主要的主導⼒(⾒圖
2
)。
側向推⼒產⽣:
舵板產⽣側向推⼒(舉⼒),逐漸引發「側踢(
Side-kick
)」效應。
⼒矩累積時間:
這種側向推⼒從滿舵(
Wheel over
)那⼀刻起緩慢累積,⼀點⼀滴地將本船
船尾向外推移。通常需要
1.0
⾄
1.5
倍船⻑的前進距離(
Advance
),才能在船尾建⽴⾜夠的
側向動量。
船⾸⾏為:
在此初始階段,船⾸不受任何側向⼒影響,因此仍保持在原航線上。
舵⾓影響:
較⼤的舵⾓會增加側向推⼒。在緊急情況下,優先採⽤「滿舵(
Hard-over
rudder
)」,以縮短前進距離並加速過渡到旋迴第⼆階段。
延⻑的前進距離:
若未打滿舵⽽使⽤較⼩的舵⾓,作⽤於船尾的側向推⼒則需要
1.5
⾄
2.0
倍
船⻑的前進距離,第⼆階段的作⽤⼒才會加⼊並協助船舶旋迴。
碰撞⾵險:
由於此時船⾸尚未離開原航線,⽽船尾卻向外踢出
1.0
⾄
1.5
倍船寬,因此在第⼀
階段發⽣的碰撞,通常是由於沒有旋迴⼒作⽤於船⾸,導致本船船⾸直接撞擊其他船舶。
2.1.2
第⼆階段
作⽤中的⼒:
三種⼒同時作⽤於船舶:延續⾃第⼀階段的舵推⼒、船體在船⾸阻擋⽔流所產
⽣的⽔阻,以及沿原航向⽅向的前進船舶動量(如圖
4
所⽰)。
不對稱⽔流:
在經歷第⼀階段後,當航向改變
⾄
時,船體兩側的⽔流就會變得不平
衡。
阻⼒增加:
朝前的⼀側會承受較⼤的⽔阻。具體⽽⾔,縱向船體兩側的⽔阻會發⽣顯著變
化,這是因為船⾸的舷弧板轉向迎⾵側,導致⽔阻在第⼀階段後急劇上升
(
本來是流線型,轉
過來後變成檔⽔⾯積增加
)
。
船尾阻⼒與離⼼⼒:
由於船體流線型設計,樞紐點(
Pivot point
)
aft
(後⽅)後縮,隨船體
轉動後,流線的⽔阻更少,⽽這種減少⼜會被船舶旋迴產⽣的離⼼⼒所抵消。
船⾸阻滯:
在樞紐點前⽅,⽔阻將船⾸向內推向旋迴曲線內部,從⽽減少前進距離,並與離
⼼⼒形成⼀個⼒偶,加速旋迴速率。
制動效應:
這種增加的⽔阻提供了強⼤的制動效應,可縮短前進距離(圖
2
)。
吃⽔與載貨的依賴性:
離⼼⼒與船舶的速度及其沿原航向攜帶的質量成正⽐。在輕載吃⽔狀
況下,即船上無貨物(如進出乾塢前後),前⽅的⽔阻因吃⽔淺⽽減少,後⽅的離⼼⼒也因船
上無貨物質量⽽減少。因此,船舶的旋迴速率會⽐預期的⼤幅下降,⽽在第⼆階段中,前進距
離會出乎意料地增加
0.5
倍船⻑。
船體作為動態舵:
在此階段,整個船體在⽔中就像⼀個⼤舵,但其運作⽅向與舵板不同。舵
板主要受旋迴內側的⽔阻⽀配,⽽旋迴中的船體則主要受船頭旋迴⽅向外側的阻⼒⽀配。
階段動態:
第⼆階段剛開始時,離⼼⼒⼤於⽔阻,導致旋迴速率的加速⽐僅靠舵⼒的第⼀階
段快得多。⽔阻將船⾸推⼊旋迴曲線內側,⽽龐⼤的船體和船尾(可能⻑
400
公尺、寬
60
公
尺)在第⼆階段暫時仍停留在原航線上。
時間與距離:
當使⽤未打滿的舵時,完成第⼆階段通常需要額外
0.5
⾄
1.0
倍船⻑的距離。
碰撞⾵險與戰術現實:
此階段發⽣的碰撞往往是其他船舶撞擊本船船尾,因為船尾仍停留在
原碰撞航線上。理解前兩個階段的船體響應表明,碰撞無法純粹在這個時間範圍和前進距離內
避免。
對於在河流中⾯臨迎⾯碰撞⾵險的⾼級值班駕駛員(
OOW
)或船⻑⽽⾔,前兩個階段是他們
唯⼀的實際避碰⼿段,因為他們極少有機會執⾏超過
的轉向。這⼀操作現實是從⻑賜輪
(
Mv Ever Given
)事故中得出的關鍵教訓,當時該船最終的擱淺航向與蘇伊⼠運河的⼀般航
⾏⽅向僅僅相差
。
2.1.3
第三階段
⼒的平衡:
三種⼒或是達到固定的輸出,建⽴起穩定的旋迴速率,或延續第⼆階段的加速狀
態。
向減速階段過渡:
雖然前兩個階段涉及加速過程,但第三階段需要減速才能將船舶穩定在新
航向上。此階段發⽣的碰撞,往往源於對碰撞⾵險的誤判,因為碰撞點並不在原航線上,或在
⾼度壓⼒狀況下失去對航向的控制。
標準操縱與外⼒:
通常在沒有外⼒(⾵或
/
及流)的情況下,當給定舵令時,轉向會從第⼀階
段開始,這是⼀個統⼀的過程,此時船舶⼀開始是沿直線⾏進,沒有不平衡的⽔阻或離⼼⼒。
反舵應⽤:
為了穩定在新的航向上,海員傳統上會在到達預定航向前提前打
或
的反
舵,以⼀點⼀點地降低旋迴速率,最終穩定在所需的航向上。
複雜因素:
在緊迫的碰撞局⾯或多船交會情況下,船舶可能同時受到⽔阻、旋迴動量,或是
外部⾵、流⼒的影響。當第三階段的減速過程開始時,船舶並⾮處於穩定狀態。
法規空⽩:
這個關鍵的減速過程不受
IMO
或船級社的管轄。如何掌控最低舵效
/
航速並能在第
三階段維持適當的舵效,依然是船舶操縱中的經典挑戰。
減速操縱:
在第⼆階段旋迴速率加快後,海員會將舵回正(
Midship
)或在穩定前打反舵以降
低旋迴速率
——
這就是避碰操縱中應⽤的減速穩向過程。
這些旋迴原理看似簡單,然⽽像是《歌詩達協和號(
Costa Concordia
)》這樣的全損案例證明,我
們的整體研究仍然不⾜以在船舶旋迴⾏為⽅⾯建⽴必要的態勢感知。
圖
3
:
泊位前的
旋迴
3.
擁擠⽔域中的四階段旋迴
在操縱空間受限的狹窄⽔域中,僅⽤三個階段來分析旋迴是不⾜夠的。例如,當船舶在抵達泊位前
執⾏
轉向時(如圖
3
所⽰),要明確界定旋迴結束的位置相當困難。在參考圖中,船舶在⼩島北⽅
完成
對地
航向改變,然⽽這卻發⽣在其最終碰撞(
allision
)位置前⽅僅僅兩倍船⻑之處。很明顯
地,為了防⽌未來發⽣事故,必須引⼊第四階段來考量船舶的穩定過程。
若傳統上將第三階段定義為船舶轉向到達所需航向的點(如圖
4
中的橘線所⽰),則第四階段則涵蓋
了將船舶穩定在新航向上所需的穩定過程。在圖
3
中,儘管船舶可能已經達到
ABS
表定的最⼤前進距離
(
Advance distance
),但它尚未穩定,導致在第四階段時,隨著船尾向旋迴曲線外側擺動⽽發⽣了碰
撞。
3.1
旋迴時的最⼤前進距離
圖
4
:
旋迴特性修正圖
3.2
數學範例
對於⼀艘船⻑()為
300
公尺、船寬()為
60
公尺、漂⾓()為
,且樞紐點(
PP
)位於
距離船⾸四分之⼀船⻑處的船舶:
將相同的公式應⽤於
170
公尺乘
30
公尺的船舶則為:
第⼀修正(對地航向
COG
偏移):
在造船廠的旋迴圖表中(圖
4
左圖),船艏向改變
的
位置與旋迴曲線的頂點並不重合。傳統定義的前進距離(橘線)是指船艏向改變
時,沿原
航向⽅向所⾏駛的距離。然⽽,在此位置時,船舶的對地航向(
COG
)尚未完全轉過
。船
體會繼續向前移動,直到到達紫⾊線的位置,此時
COG
才完全轉過
。套⽤此
COG
修
正,是針對前進距離進⾏的第⼀項必要調整。
第⼆修正(船尾擺動):
由於標註在
船艏向改變處的傳統前進距離未針對
COG
進⾏修
正,因此若將漂⾓納⼊考量以決定最⼤前進距離(紫⾊修正線),就會發現船尾會超出旋迴曲
線向外擺動,其幅度與漂⾓成正⽐。這種船尾的位移需要對前進距離進⾏第⼆項修正。
以李⽂愚(
Captain Gilbert Lee
)船⻑的第ㄧ⼈稱視⾓撰寫,直接融⼊您的核⼼論點。
船隻的迴轉特性必須經過仔細研究,以便在駕駛船隻應對各種情境時,能充分理解其物理極限。我
最初嘗試將迴轉過程劃分為三個階段,主要是為了避碰的⽬的。為了避免船舶在進出不同交通密度區域
及接近淺⽔區時發⽣碰撞,船⻑在操船時必須適當考量船⾸與船尾的動態。這些早期研究將不同的碰撞
⾵險區域區分開來,以便具有不同經驗與技能⽔準的海員能夠有效應⽤。
然⽽,理論必須接受現實的考驗。當某家航運公司的船隊在台灣某個頂級港⼝先後發⽣了兩起截然
不同的事故(⼀艘進港、⼀艘出港)時,傳統的三階段迴轉理論在實際的擁擠引⽔⽔域中顯得不⾜,這
點變得昭然若揭。這樣的體悟促成了本⽂的核⼼提議:將船舶迴轉的主要影響因素劃分為四個截然不同
的階段,強調它們在控制迴轉、提升狀況意識以及預防未來海難⽅麵的關鍵重要性。
然⽽,詳盡的技術分析與本研究的⾃願推廣,並不⾜以防⽌下⼀起事故的發⽣。正如我在
25
年的教
學與指揮⽣涯中所體悟到的⼈為因素(
Human Element
),教科書僅僅是⼀個知識庫。在千鈞⼀發的緊急
關頭,根本沒有時間計算;唯有正確的直覺才能解決問題,⽽不是做那些徒勞且驚慌失措的掙扎。
本書獻給那些致⼒於培養此種直覺的⼈。
理解迴轉中的各項要素即是「知識庫」。正確應⽤這些不同要素來影響船舶性能即是「技能⽔準」。
瞬間明⽩哪怕隻是其中單⼀要素的短缺將如何衝擊船舶的最終迴轉性能,就是我們所需要的「直覺」。
我期盼本書能填補紙上談兵與我們在安全防線最後關鍵⼀分鐘內本能反應之間的鴻溝。
前⾔⼀:學術界與資深船⻑視⾓
——
「超越教室:分秒決策的解剖學」
當吉伯特
·
李船⻑⼆⼗五年前⾸次在⻑榮訓練中⼼展開教學時,他帶著資深船⻑中少有的謙遜,踏上
深⼊理解操船物理⼒的探索之旅。在隨後的四分之⼀世紀裡,他體悟到⼀個海事院校經常忽略的關鍵真
理:龐⼤的知識庫並不保證航⾏安全。
本書是⼀部關於安全的經典⼤師之作,因為它拒絕停留在理論層⾯。李船⻑將迴轉劃分為四個階段——
這誕⽣於對台灣擁擠港⼝實際船隊事故的分析
——
重新定義了我們教授船舶操船的⽅式。它引領海
員展開⼀場認知之旅,從知識(記住⼒量)到技能(應⽤舵與⾞的操作),再到直覺(當某個要素失效
時,本能地預測船舶⾏為)。
在⼤型貨櫃船⽇益巨⼤、安全餘裕不斷縮減的時代,本書不僅教導海員如何轉向,更訓練他們的⼼
智在突發狀況中求⽣。這是每⼀位專業航海⼈員書架上不可或缺的必讀之作。
前⾔⼆:引⽔⼈視⾓
——
「掌握外向橫移:擁擠⽔域中的關鍵第四階段」
在受限且擁擠的引⽔⽔域中,空間是奢侈品,時間是敵⼈。雖然傳統船廠試航數據將迴轉簡化為平
坦的幾何曲線,但實務引⽔⼈深知真實世界遠⽐這更加動態。
李船⻑這項突破性的⼯作,透過引⼊迴轉第四階段:對地航向(
COG
)穩定過程,揭⽰了傳統模型
的致命盲點。透過嚴謹的物理⽅程式以及從《達利輪》(
Dali
)斷橋與港⼝碰撞等災難中贏得的⾎淚教
訓,他證明了當船⾸向穩定時,轉向從未真正結束;唯有當漂流⾓消除且
COG
穩定時,轉向才算完
成。
透過教導海員如何在第四階段利⽤循環舵(
Rudder Cycling
)
*
與
*
預留轉速(
Reserved RPM
),本
書提供了引⽔⼈應對劇烈漂移、淺⽔效應和突發緊急狀況所需的實⽤⼯具。李船⻑成功將引⽔「藝術」
編纂成可操作、具直覺性的科學。
摘要
船舶必須經過仔細的旋迴特性研究,以便在不同的航⾏情況下操作船舶時,能充分理解其操作限
制。最初,將旋迴過程劃分為三個階段是為了避免碰撞。為了減輕因交通密集及接近淺⽔區⽽產⽣的碰
撞⾵險,船⻑必須周詳考慮船⾸與船尾在避碰操船時的運動。這些框架為不同經驗與技能⽔準的海員區
分了碰撞⾵險。然⽽,在某家航運公司的船隊於進出台灣某主要港⼝發⽣兩起事故後,三階段旋迴理論
在擁擠⽔域的實際應⽤中顯得不⾜。
本⽂建議將影響船舶旋迴的主要因素擴展為四個不同的階段,並評估其在旋迴過程中的重要性,以
提升態勢感知並預防未來事故。由於「⼈為因素」本質上僅基於知識基礎,僅靠詳細分析與對本研究的
熱情推廣,仍不⾜以完全消除未來的事故。在緊急情況下,唯有正確的直覺才能有效解決問題⽽不作無
謂的努⼒。直覺源⾃對此知識基礎的扎實理解,並結合熟練的技巧。理解旋迴要素構成知識基礎,⽽正
確運⽤這些要素來影響船舶性能則代表技能⽔準;能⽴即辨識單⼀要素的缺乏如何影響最終的旋迴表
現,即是現場所需的直覺。
關鍵字:
旋迴特性;舵推⼒;⽔阻;離⼼⼒;動量;前進距離
專⽤術語:
前進距離(
Advance
):
從轉舵位置起算,沿原航向⽅向測量⾄航向改變
90∘
之點的距離。
漂⾓(
Drift Angle
):
船艏向與其旋迴曲線切線⽅向(對地航向,即
COG
)之間的夾⾓。
迴轉⽀點
/
樞紐點(
Pivot Point
):
船體縱向中⼼線上的⼀個⾮固定點,該點承受的淨側向⼒
為零(不會將其推向左舷或右舷)。
切線航向(
Tangent Course
):
迴轉⽀點處與旋迴曲線相切的航向,代表對地航向(
COG
)。
⾵壓差
/
流壓差(
Leeway
):
依據⽬前航向與航速推算出的推測位置,與實際船舶位置之間
的位移距離。
1.
引⾔
全世界每天建造數千艘船舶,也有數千名當值駕駛員(
OOW
)在海上航⾏。引⼈注⽬的是,由造船
廠提供並張貼在駕駛台上的船舶旋迴特性,竟然很少受到質疑或討論。這個現象凸顯了本研究所探討的
⼀個關鍵⼈為因素:年輕海員無批判地吸收知識的傾向,或是經驗豐富的海員盲從權威、忽視眼前顯⽽
易⾒的事實之習慣,即使在
DGPS
(差分全球定位系統)與先進陀螺羅經的輔助下依然如此。
造船廠試航所提供的傳統旋迴圈,其設計⽬的是假設旋迴中⼼(迴轉⽀點
/
樞紐點)位於船舶幾何
中⼼來決定戰術直徑。然⽽,樞紐點並⾮位於幾何中⼼,⽽是位於距離船⾸約三分之⼀⾄四分之⼀船⻑
的位置。正如《
ABS Guide for Vessel Maneuverability
》(
2017
年
2
⽉更新版)中所圖⽰的,旋迴圈通
常並不是以真正的樞紐點來繪製的。雖然樞紐點⾃幾何中⼼的這種位移對前進距離(
Advance
)的影響
有限,但
ABS
圖紙中的數值主要作為法規參考,旨在驗證依據
ABS
規則建造的船舶是否符合國際海事
組織(
IMO
)的操縱性能決議。為了說明這些操作上的差異,我們的討論在評估前進距離時,將採⽤正
確的樞紐點位置。
前進距離的第⼀個差異產⽣於對地航向(
COG
)並未與船艏向同時達到
的改變。在
COG
完全
轉變
之前,船舶會繼續沿著原航向⽅向前進(如圖
4
中的紫線所⽰)⽽產⽣新的前進距離。
當
COG
改變
後,影響前進距離的第⼆個現象是漂⾓(
Drift Angle
)
——
在
ABS
圖⽰中定義為
船艏向與旋迴曲線切線之間的夾⾓。較⼤的漂⾓會產⽣額外的前進距離,如圖
4
中的紅線所⽰(其中包
含了船尾向外擺動所增加的前進量)。船舶的旋迴運動並不會在航向或
COG
改變
的那⼀刻精確停
⽌;相反地,⼀旦啟動,改變航向或
COG
需要⼀個減速過渡期才能穩定在新的航向上。從轉舵的那⼀
刻起,直到最終穩定在新航向為⽌,船舶樞紐點的軌跡與漂⾓直接影響了避碰與引⽔過程中的前進距
離。
為了考量這些動態變化,傳統的前進距離需要進⾏兩項關鍵修正:第⼀,修正船舶
COG
完成
旋轉前所前進的距離;第⼆,修正船尾因漂⾓在原航向⽅向上的外掃距離
(
超出旋迴曲線
)
。評估旋迴各階
段中作⽤的合⼒,對於安全操船同樣⾄關重要。本研究旨在為海員提供對這些⼒的更深層理解,確保他
們能夠識別標準操作假設在關鍵情況下何時可能失效。
《
ABS Guide for Vessel Maneuverability
》(
2017
年
2
⽉更新版)
圖
1
:
船舶旋迴時的作⽤⼒
圖
2
:
旋迴的第⼀與第⼆階段
2.
避碰的三個旋迴階段
2.1
每個旋迴階段作⽤著哪些⼒?
2.1.1
第⼀階段
主要作⽤⼒:
在第⼀階段中,僅有舵的推⼒(
Lift force
)作⽤於船尾,為主要的主導⼒(⾒圖
2
)。
側向推⼒產⽣:
舵板產⽣側向推⼒(舉⼒),逐漸引發「側踢(
Side-kick
)」效應。
⼒矩累積時間:
這種側向推⼒從滿舵(
Wheel over
)那⼀刻起緩慢累積,⼀點⼀滴地將本船
船尾向外推移。通常需要
1.0
⾄
1.5
倍船⻑的前進距離(
Advance
),才能在船尾建⽴⾜夠的
側向動量。
船⾸⾏為:
在此初始階段,船⾸不受任何側向⼒影響,因此仍保持在原航線上。
舵⾓影響:
較⼤的舵⾓會增加側向推⼒。在緊急情況下,優先採⽤「滿舵(
Hard-over
rudder
)」,以縮短前進距離並加速過渡到旋迴第⼆階段。
延⻑的前進距離:
若未打滿舵⽽使⽤較⼩的舵⾓,作⽤於船尾的側向推⼒則需要
1.5
⾄
2.0
倍
船⻑的前進距離,第⼆階段的作⽤⼒才會加⼊並協助船舶旋迴。
碰撞⾵險:
由於此時船⾸尚未離開原航線,⽽船尾卻向外踢出
1.0
⾄
1.5
倍船寬,因此在第⼀
階段發⽣的碰撞,通常是由於沒有旋迴⼒作⽤於船⾸,導致本船船⾸直接撞擊其他船舶。
2.1.2
第⼆階段
作⽤中的⼒:
三種⼒同時作⽤於船舶:延續⾃第⼀階段的舵推⼒、船體在船⾸阻擋⽔流所產
⽣的⽔阻,以及沿原航向⽅向的前進船舶動量(如圖
4
所⽰)。
不對稱⽔流:
在經歷第⼀階段後,當航向改變
⾄
時,船體兩側的⽔流就會變得不平
衡。
阻⼒增加:
朝前的⼀側會承受較⼤的⽔阻。具體⽽⾔,縱向船體兩側的⽔阻會發⽣顯著變
化,這是因為船⾸的舷弧板轉向迎⾵側,導致⽔阻在第⼀階段後急劇上升
(
本來是流線型,轉
過來後變成檔⽔⾯積增加
)
。
船尾阻⼒與離⼼⼒:
由於船體流線型設計,樞紐點(
Pivot point
)
aft
(後⽅)後縮,隨船體
轉動後,流線的⽔阻更少,⽽這種減少⼜會被船舶旋迴產⽣的離⼼⼒所抵消。
船⾸阻滯:
在樞紐點前⽅,⽔阻將船⾸向內推向旋迴曲線內部,從⽽減少前進距離,並與離
⼼⼒形成⼀個⼒偶,加速旋迴速率。
制動效應:
這種增加的⽔阻提供了強⼤的制動效應,可縮短前進距離(圖
2
)。
吃⽔與載貨的依賴性:
離⼼⼒與船舶的速度及其沿原航向攜帶的質量成正⽐。在輕載吃⽔狀
況下,即船上無貨物(如進出乾塢前後),前⽅的⽔阻因吃⽔淺⽽減少,後⽅的離⼼⼒也因船
上無貨物質量⽽減少。因此,船舶的旋迴速率會⽐預期的⼤幅下降,⽽在第⼆階段中,前進距
離會出乎意料地增加
0.5
倍船⻑。
船體作為動態舵:
在此階段,整個船體在⽔中就像⼀個⼤舵,但其運作⽅向與舵板不同。舵
板主要受旋迴內側的⽔阻⽀配,⽽旋迴中的船體則主要受船頭旋迴⽅向外側的阻⼒⽀配。
階段動態:
第⼆階段剛開始時,離⼼⼒⼤於⽔阻,導致旋迴速率的加速⽐僅靠舵⼒的第⼀階
段快得多。⽔阻將船⾸推⼊旋迴曲線內側,⽽龐⼤的船體和船尾(可能⻑
400
公尺、寬
60
公
尺)在第⼆階段暫時仍停留在原航線上。
時間與距離:
當使⽤未打滿的舵時,完成第⼆階段通常需要額外
0.5
⾄
1.0
倍船⻑的距離。
碰撞⾵險與戰術現實:
此階段發⽣的碰撞往往是其他船舶撞擊本船船尾,因為船尾仍停留在
原碰撞航線上。理解前兩個階段的船體響應表明,碰撞無法純粹在這個時間範圍和前進距離內
避免。
對於在河流中⾯臨迎⾯碰撞⾵險的⾼級值班駕駛員(
OOW
)或船⻑⽽⾔,前兩個階段是他們
唯⼀的實際避碰⼿段,因為他們極少有機會執⾏超過
的轉向。這⼀操作現實是從⻑賜輪
(
Mv Ever Given
)事故中得出的關鍵教訓,當時該船最終的擱淺航向與蘇伊⼠運河的⼀般航
⾏⽅向僅僅相差
。
2.1.3
第三階段
⼒的平衡:
三種⼒或是達到固定的輸出,建⽴起穩定的旋迴速率,或延續第⼆階段的加速狀
態。
向減速階段過渡:
雖然前兩個階段涉及加速過程,但第三階段需要減速才能將船舶穩定在新
航向上。此階段發⽣的碰撞,往往源於對碰撞⾵險的誤判,因為碰撞點並不在原航線上,或在
⾼度壓⼒狀況下失去對航向的控制。
標準操縱與外⼒:
通常在沒有外⼒(⾵或
/
及流)的情況下,當給定舵令時,轉向會從第⼀階
段開始,這是⼀個統⼀的過程,此時船舶⼀開始是沿直線⾏進,沒有不平衡的⽔阻或離⼼⼒。
反舵應⽤:
為了穩定在新的航向上,海員傳統上會在到達預定航向前提前打
或
的反
舵,以⼀點⼀點地降低旋迴速率,最終穩定在所需的航向上。
複雜因素:
在緊迫的碰撞局⾯或多船交會情況下,船舶可能同時受到⽔阻、旋迴動量,或是
外部⾵、流⼒的影響。當第三階段的減速過程開始時,船舶並⾮處於穩定狀態。
法規空⽩:
這個關鍵的減速過程不受
IMO
或船級社的管轄。如何掌控最低舵效
/
航速並能在第
三階段維持適當的舵效,依然是船舶操縱中的經典挑戰。
減速操縱:
在第⼆階段旋迴速率加快後,海員會將舵回正(
Midship
)或在穩定前打反舵以降
低旋迴速率
——
這就是避碰操縱中應⽤的減速穩向過程。
這些旋迴原理看似簡單,然⽽像是《歌詩達協和號(
Costa Concordia
)》這樣的全損案例證明,我
們的整體研究仍然不⾜以在船舶旋迴⾏為⽅⾯建⽴必要的態勢感知。
圖
3
:
泊位前的
旋迴
3.
擁擠⽔域中的四階段旋迴
在操縱空間受限的狹窄⽔域中,僅⽤三個階段來分析旋迴是不⾜夠的。例如,當船舶在抵達泊位前
執⾏
轉向時(如圖
3
所⽰),要明確界定旋迴結束的位置相當困難。在參考圖中,船舶在⼩島北⽅
完成
對地
航向改變,然⽽這卻發⽣在其最終碰撞(
allision
)位置前⽅僅僅兩倍船⻑之處。很明顯
地,為了防⽌未來發⽣事故,必須引⼊第四階段來考量船舶的穩定過程。
若傳統上將第三階段定義為船舶轉向到達所需航向的點(如圖
4
中的橘線所⽰),則第四階段則涵蓋
了將船舶穩定在新航向上所需的穩定過程。在圖
3
中,儘管船舶可能已經達到
ABS
表定的最⼤前進距離
(
Advance distance
),但它尚未穩定,導致在第四階段時,隨著船尾向旋迴曲線外側擺動⽽發⽣了碰
撞。
3.1
旋迴時的最⼤前進距離
圖
4
:
旋迴特性修正圖
3.2
數學範例
對於⼀艘船⻑()為
300
公尺、船寬()為
60
公尺、漂⾓()為
,且樞紐點(
PP
)位於
距離船⾸四分之⼀船⻑處的船舶:
將相同的公式應⽤於
170
公尺乘
30
公尺的船舶則為:
第⼀修正(對地航向
COG
偏移):
在造船廠的旋迴圖表中(圖
4
左圖),船艏向改變
的
位置與旋迴曲線的頂點並不重合。傳統定義的前進距離(橘線)是指船艏向改變
時,沿原
航向⽅向所⾏駛的距離。然⽽,在此位置時,船舶的對地航向(
COG
)尚未完全轉過
。船
體會繼續向前移動,直到到達紫⾊線的位置,此時
COG
才完全轉過
。套⽤此
COG
修
正,是針對前進距離進⾏的第⼀項必要調整。
第⼆修正(船尾擺動):
由於標註在
船艏向改變處的傳統前進距離未針對
COG
進⾏修
正,因此若將漂⾓納⼊考量以決定最⼤前進距離(紫⾊修正線),就會發現船尾會超出旋迴曲
線向外擺動,其幅度與漂⾓成正⽐。這種船尾的位移需要對前進距離進⾏第⼆項修正。
