船舶操縱模擬器在橋梁／船閘通航方案論證中的應(yīng)用

黃立文，張 蔚，嚴(yán)慶新，熊錫龍，張 鵬

（武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢430063）

內(nèi)河水域通航河段上的建設(shè)工程，無論施工期還是建成后都會(huì)改變水域通航環(huán)境，對(duì)船舶通航安全造成一定影響。為了確保航道、船舶及工程的安全，工程水域的通航方案必須合理、安全。

在通常情況下，方案的設(shè)計(jì)是依據(jù)己有的各種規(guī)范及設(shè)計(jì)者和航海者的經(jīng)驗(yàn)判斷來決定的，這種方法對(duì)于各種環(huán)境因素的影響，特別是各種環(huán)境因素綜合在一起時(shí)船舶操縱的合理性、安全性很難做出評(píng)價(jià)，而且風(fēng)、流本身就是隨機(jī)變化的因素，不可能每一種情況都用實(shí)船來進(jìn)行試驗(yàn)，因此利用船舶操縱模擬器來進(jìn)行通航方案的模擬試驗(yàn)成為一種新的發(fā)展趨勢［1］。運(yùn)用船舶操縱模擬器來進(jìn)行船舶通航的模擬試驗(yàn)，分析工程水域的航道特征、水文特征、典型環(huán)境條件，在模擬器中來模擬船舶在這些環(huán)境條件下的航行狀況，這樣即可以修改設(shè)計(jì)方案不合理的地方、預(yù)估船舶航行風(fēng)險(xiǎn)，還可以優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)、提出安全保障對(duì)策。

1 步驟

1.1 船舶操縱模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作

1.1.1 電子海（江）圖的制作

選用最新版的紙質(zhì)海（江）圖展開數(shù)字化工作，電子海（江）圖數(shù)據(jù)精度關(guān)系到船舶的航行安全，應(yīng)及時(shí)更新和添加擬建橋梁、建筑物等影響通航環(huán)境的工程，并將其具體的方位、尺寸以及航道經(jīng)疏浚后的增深值等修改或補(bǔ)充到新的電子海（江）圖上［2］。

1.1.2 風(fēng)、流等外界環(huán)境的模擬

為了模擬實(shí)際的航行操縱情況，應(yīng)向模擬器輸入準(zhǔn)確的風(fēng)、流等資料。應(yīng)用風(fēng)壓力系數(shù)計(jì)算風(fēng)干擾力，在港灣、航道和近海航道等處的流，一般具有不均勻性、不定常性，根據(jù)實(shí)測點(diǎn)處的流速、流向，采取在該點(diǎn)處用實(shí)測值，在附近點(diǎn)處進(jìn)行加權(quán)平均取值［2-3］。也可以進(jìn)行簡化，對(duì)最不利于船舶安全通航的環(huán)境條件，進(jìn)行定常處理。如僅需論證船舶在某段航道中能否安全操縱，可僅取對(duì)操船最不利的定常風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速，如需模擬擁擠水域和狹窄航道內(nèi)船舶操縱，應(yīng)取得準(zhǔn)確的交通流數(shù)據(jù)，一般是通過進(jìn)行交通流觀測統(tǒng)計(jì)得到［1］，或由經(jīng)驗(yàn)豐富的引航員依經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。

1.1.3 船舶模型的建模

目前，現(xiàn)有的船舶模型庫中己經(jīng)包含了所有常見的船舶的三維模型。在此基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件工具可以快速、逼真地生成用戶要求的特定的船舶模型，大大提高模擬器試驗(yàn)的范圍和效果。當(dāng)然，要對(duì)常見的模型進(jìn)行必要的修改和試驗(yàn)，以適應(yīng)特定船型的要求。

1.2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

準(zhǔn)備工作就緒后，依據(jù)模擬試驗(yàn)的目的，結(jié)合熟悉實(shí)地環(huán)境的引航員、船長的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，擬定初步試驗(yàn)方案。在實(shí)施模擬時(shí)，考慮各種環(huán)境因素組合中最為不利的影響，對(duì)風(fēng)向風(fēng)速、流向流速、船舶載況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出保障安全通航的環(huán)境因素的限制值［2］。由于大型船舶受風(fēng)、流的作用比較敏感，需要統(tǒng)計(jì)風(fēng)、流影響的限制值。同時(shí)，交通流的統(tǒng)計(jì)對(duì)試驗(yàn)方案的擬訂也有一定的影響。試驗(yàn)一般由經(jīng)驗(yàn)豐富的引航員或資深的船長來操作或指導(dǎo)操作。

1.3 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)

為了能對(duì)模擬結(jié)果做出客觀的評(píng)價(jià)，必須在不同環(huán)境因素組合下進(jìn)行一定數(shù)量的實(shí)時(shí)模擬，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，必要時(shí)可利用航行重演功能，得出足夠多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出評(píng)判，尤其是對(duì)在特定條件下船舶通航方案是否合理做出判斷，給出確保船舶安全的航行方法，提出船舶安全通航的保障方案和通航水域交通管理方面的建議等等。圖1為上述模擬試驗(yàn)步驟的流程圖［1］。

圖1 模擬試驗(yàn)方案的流程圖

2 應(yīng)用實(shí)例

武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院利用英國船商公司的NTPRO 4 000型全任務(wù)大型船舶操縱模擬器對(duì)中山市35號(hào)路長江大橋和紅水河橋鞏水電站進(jìn)行了船舶通航方案論證的模擬試驗(yàn)。

2.1 航道及環(huán)境

中山市35號(hào)路長江大橋是跨越石岐河水道東河段的一座特大橋。石歧河水道屬國家Ⅳ級(jí)航道，常水位+0.586m，航道水深約4m，設(shè)計(jì)通航凈高8.5m，設(shè)計(jì)通航水位+2.186m。對(duì)橋區(qū)海損事故進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不少事故是在作用于船上的風(fēng)力大于三到四級(jí)以上時(shí)發(fā)生的，環(huán)境條件突變因素（突然增加風(fēng)力、水位急劇下降，能見度突然降低，風(fēng)力猛烈增強(qiáng)等）對(duì)船舶航行安全起著特別重要的作用。由于橋梁在施工期間安裝采用常規(guī)的支架上安裝法，需要臨時(shí)占用石歧河的河道，臨時(shí)支架施工完畢后，實(shí)行雙向的通航，臨時(shí)通航道通航凈寬均為16m，通航高度7.5m。

2.2 試驗(yàn)船型

依據(jù)中山市35號(hào)路長江大橋航道通航能力，指定模擬通航試驗(yàn)所用的船舶主尺度見表1。

表1 模擬900t貨船主尺度

2.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

航跡帶寬度由各工況情況下的模擬試驗(yàn)結(jié)果直接量取統(tǒng)計(jì)，再考慮富裕寬度給出航道所需的寬度，見表2、3。

表2 900t級(jí)貨船上行通過中山市35號(hào)路長江大橋航跡帶寬度及所需航道寬度

表3 900t級(jí)貨船下行通過中山市35號(hào)路長江大橋航跡帶寬度及所需航道寬度

鑒于長江大橋施工期間，臨時(shí)通航凈寬對(duì)比設(shè)計(jì)通航凈寬非常小，船舶在施工期過橋時(shí)應(yīng)密切注意橋區(qū)水域氣象水文條件，并盡量減小偏航角α，在保持舵效的情況下緩速、謹(jǐn)慎過橋，以使船舶安全通過橋孔。

模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)船舶上行時(shí)，橫風(fēng)（NW風(fēng)或SE風(fēng)）風(fēng)力超過4級(jí)時(shí)，或當(dāng)船舶下行時(shí)，橫風(fēng)（NW風(fēng)或SE風(fēng)）風(fēng)力超過5級(jí)時(shí)，雖采取了正確的操縱方法，但由于風(fēng)致漂移量較大，造成與防撞欄的安全距離不足，危險(xiǎn)性較大。建議NW風(fēng)或SE風(fēng)向的風(fēng)力超過4級(jí)時(shí)，禁止上行船舶通航，當(dāng)風(fēng)力超過5級(jí)時(shí)，大橋施工區(qū)水域采取禁航措施［4］。

2.4 航道及環(huán)境情況分析

紅水河是珠江流域西江水系的中上游河段，全長659km，灘多流急，河流比降較大。橋鞏水電站位于紅水河下游河段，壩址所在河道為左凸右凹的轉(zhuǎn)彎段，河床較窄，壩址往上游到樂灘水電站河道長約75.2km，總體走向?yàn)槲鞅薄珫|南向，其中大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在合山。

2.5 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

上游引航道彎曲段距離閘室最近約129m，根據(jù)模擬結(jié)果顯示，多次模擬500噸級(jí)船隊(duì)過閘，進(jìn)入上游引航道彎曲段航行后，多次模擬時(shí)均出現(xiàn)觸碰導(dǎo)航墻現(xiàn)象，導(dǎo)致船隊(duì)不能安全通過船閘。

根據(jù)模擬結(jié)果，上游引航道彎曲半徑較小，引航道彎曲段距離閘室較近，直線段長度不夠，建議設(shè)計(jì)單位適當(dāng)調(diào)整平面布置，增大引航道的彎曲半徑，增長閘室口前直線段的距離，以滿足船舶（隊(duì)）安全進(jìn)出船閘的要求［5］。

3 結(jié)語

船舶操縱模擬器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航海教學(xué)訓(xùn)練、海事原因分析和工程設(shè)計(jì)論證中，并起到了不可忽視的作用。船舶操縱模擬器在通航安全領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以增強(qiáng)船舶通航安全，預(yù)估航行風(fēng)險(xiǎn)，還可以優(yōu)化航道的設(shè)計(jì)，保障通航水域的安全暢通。隨著船舶操縱模擬器設(shè)計(jì)論證范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展，將在內(nèi)河水域的水工工程通航論證中得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］錢華忠.船舶操縱模擬器在港航設(shè)計(jì)論證上的應(yīng)用研究［J］.中國航海，2003（1）：18-22.

［2］張秀鳳，洪碧光，金一丞.船舶操縱模擬器在船舶通航安全評(píng)估中的應(yīng)用［J］.中國航海，2003（3）：24-26.

［3］Katsuro Kijimam，Yasuaki Nakiri.International conference on Marine Simulation and Ship Maneuverability On the Practical Prediction Method for Ship Maneuvering Characteristics［C］.Kanazawa Japan，2003.

［4］黃立文.中山市35號(hào)路長江大橋工程通航環(huán)境安全評(píng)估報(bào)告［R］.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，2006.

［5］黃立文.紅水河橋鞏水電站工程通航安全技術(shù)論證研究報(bào)告［R］.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，2006.