基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域劃定方法

李永泉 李元奎 崔金龍

摘 要：在大連海事大學大型船舶操縱模擬器的基礎上，根據(jù)業(yè)內(nèi)橋區(qū)水域的一般劃定標準，設計出基于船舶操縱模擬器的橋區(qū)水域的劃定方法，包括模擬區(qū)域電子海圖的構(gòu)建，模擬方案的確定和實施、模擬結(jié)果的統(tǒng)計和分析并得出最后的結(jié)論，并基于實例提出相應的橋區(qū)水域設計的方案和建議。

關(guān)鍵詞：船舶操縱模擬器;橋區(qū)水域;通航;橋梁

中圖分類號：U698? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0068-03

近年來，由于中國基建的飛速發(fā)展，各地的基礎建設都在如火如荼的建設當中，其中因為各種地形、河流原因建設起的橋梁，會大大縮短兩岸之間的交通、運輸?shù)瘸杀荆龠M當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，對當?shù)鼐哂兄卮蟮慕?jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義。跨江、跨海橋梁一般不是一孔跨過通航水域的內(nèi)河橋梁或通航水域中不設橋墩的非限制性橋梁，布設在通航水域的橋墩以及通航孔在一定程度上限制了船舶的航行，將會對船舶的正常航行和橋梁安全造成巨大的影響。

橋梁作為航道上一種大型通航建筑，其影響水域不僅是橋孔區(qū)域，也包括前后河段[1]。橋梁及其影響船舶通航安全的前后河段即為通常意義上的“橋區(qū)水域”。按照《中華人民共和國橋區(qū)水域水上交通安全管理辦法》的規(guī)定“橋區(qū)水域，是指橋梁軸線兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的水域，其范圍由交通運輸主管部門會同航道管理機構(gòu)、海事管理機構(gòu)及橋梁建設或管理單位確定并公布”，因此，橋區(qū)水域的劃定是保障船舶通航安全和橋梁安全的重要手段，橋區(qū)水域是指由可通航橋梁兩側(cè)若干距離之間、因橋梁的存在而影響或可能影響船舶操縱或安全航行的水域。

橋區(qū)水域的劃定方法在各類標準規(guī)范中沒有明確規(guī)定，采用船舶操縱模擬器是當前主流的方式之一[2]，本文通過利用大型船舶操縱模擬器，對擬建鹽泰錫常宜鐵路過江通道的橋區(qū)水域劃定方法進行研究，為管理部分劃定橋區(qū)水域提供建議。

1 橋區(qū)水域范圍的劃定標準

相關(guān)標準規(guī)范方面，根據(jù)《內(nèi)河通航標準》的規(guī)定，橋區(qū)河段應為橋區(qū)上游頂推船隊長度4倍或拖帶船隊長度3倍范圍的河段，以及橋梁下游頂推船隊長度2倍或拖帶船隊長度1.5倍范圍內(nèi)的河段[3]。船舶操縱安全方面，按照《中華人民共和國橋區(qū)水域水上交通安全管理辦法》的規(guī)定，船舶進入橋區(qū)水域前，應保持主機、舵、錨、航行信號、導航設備、拖帶設備及應急設備處于良好技術(shù)狀態(tài);如果遇有水文、氣象條件影響船舶安全通過時，或本船操縱能力受限或航行設備故障等不能確保安全通過的情形時，船舶不得通過橋梁[4]。上下游橋梁橋區(qū)水域劃定經(jīng)驗方面，通過研究現(xiàn)有內(nèi)河橋梁及跨海橋梁橋區(qū)水域范圍的規(guī)定，總結(jié)得出，橋梁可通航船舶的噸位越大，橋區(qū)水域的范圍也越大，越接近長江下游的橋梁，其橋區(qū)水域的范圍一般也越大。根據(jù)以上三個方面，可以大致判定橋區(qū)水域范圍，以此來限定船舶操縱模擬器的模擬實驗區(qū)間和范圍。

2 模擬器用于橋區(qū)水域判定的方法

本文使用大連海事大學航海仿真實驗室的V.Dragon-5000型大型船舶操縱模擬器進行船舶操縱模擬試驗。該模擬器平臺具有較高的仿真精度，模擬器的性能指標完全滿足挪威船級社（DNV）有關(guān)大型船舶操縱模擬器的性能標準（NO.RP-DTP-23-99 Rev.1）和其他國際公認的模擬器標準以及中國海事局和STCW 78/95公約對用于培訓和適任評估的模擬器的性能要求。大型船舶操縱模擬器在橋區(qū)水域的應用流程圖如圖1所示：

模擬實驗的操縱人員是一般操縱人員、內(nèi)河船長、海輪船長等（試驗人員操縱技能不同，以達到試驗的普遍性），對每一種工況都進行了多次模擬試驗，對正式模擬試驗，通過回訪模擬試驗船舶運動航跡，在分析模擬試驗數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)集體討論選取最合理的結(jié)果作為實驗結(jié)果。

3 模擬試驗設計

3.1擬建橋梁工程情況

擬建鹽泰錫常宜鐵路過江通道擬采用橋梁跨越長江方案，工程位于長江下游澄通河段福姜沙水道，距上游江陰長江大橋約3.4km，下游1.3km為福南水道和福北水道航路分汊點。擬建橋位上游設有上行航路（寬度200 m）、分割段（寬度100 m）、下行航路（寬度200 m）和上、下行船舶推薦航路（寬度200 m），工程位置航道定制線深水航道寬度達1100 m，如圖2所示。

3.2模擬試驗工況設定

（1）船型選擇。根據(jù)《長江干線發(fā)展規(guī)劃》和《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》，結(jié)合長江南京以下深水航道工程江陰長江大橋以上河段設計代表船型、以及工程河段通航船舶實際情況和港口規(guī)劃情況，本項目選用5萬噸級、10萬噸級、10萬噸、15萬噸、20萬噸級船舶作為代表船型。通過調(diào)研和采集在長江段航行的各噸級實際船舶的性能參數(shù)，對長江內(nèi)實際運營的船舶構(gòu)建運動數(shù)學模型，作為試驗船舶，具體船舶如表1所示。

（2）流場的選擇。根據(jù)實測水文資料和數(shù)模研究成果，考慮最不利原則，選擇順流流場作為試驗條件，船舶上行試驗時選擇枯季漲潮流、船舶下行試驗時選擇洪季落潮流和20年一遇落潮流。

（3）風場選擇。考慮最不利原則，選擇順風風場為試驗條件，按照《中華人民共和國江蘇海事局橋梁水域水上交通安全監(jiān)督管理規(guī)定》規(guī)定：風力達到7級以上時，禁止船隊通過橋梁水域，因此風力選擇為6級、7級，其中橋梁方案的試驗工況見表1。

3.3 船舶正常工況下的模擬試驗

在主機失控、舵機失控、主機舵機均失控的條件下，船舶駛近橋區(qū)水域時，可能無法通過自身的操縱能力保證在橋區(qū)水域的航行安全，需要借助救援力量才能避免通航風險，根據(jù)橋區(qū)水域管理規(guī)定，在橋區(qū)水域內(nèi)禁止漂航，因此，橋區(qū)水域劃定應采用船舶正常航行工況下的試驗結(jié)果。

根據(jù)擬建橋梁工程航道水域特點，本文采用5萬噸散貨船（滿載）、10萬噸油輪（減載）、15萬噸級散貨船（減載）和20萬噸散貨船（減載），在不利風場和流場條件下的（順風6/7級，枯季漲潮流）進行了模擬試驗。

3.3.1上行試驗

試驗小結(jié)：船舶在正常工況下的上行模擬試驗結(jié)果如圖3所示，20萬噸級散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1309 m，且橫距較大，有發(fā)生擱淺和碰撞碼頭的風險;15萬噸級散貨船減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1213 m，且橫距較大，有發(fā)生擱淺和碰撞碼頭的風險;10萬噸油輪減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1022 m;5噸級散貨船滿載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為756 m。

3.3.2下行試驗

試驗小結(jié)：船舶在正常工況下的下行模擬試驗結(jié)果如圖4所示，20萬噸級散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1725 m，有發(fā)生擱淺的風險;15萬噸級散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1311 m;10萬噸油輪減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1296 m;5噸級散貨船滿載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1093 m。

3.4 模擬試驗結(jié)果分析

通過調(diào)研橋梁工程水域的船舶流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，江陰海事局轄區(qū)2020年船舶累計進出港32.25萬艘，同比增長3.04%，10萬噸級以上船舶進出艘次為1500左右，全年數(shù)量不多，且占比較少。

根據(jù)模擬試驗結(jié)果顯示，在正常工況下，由于航道寬度所限，試驗過程中20萬噸散貨船狀態(tài)下旋回時橫距較大，在工程河段無法完成旋回操縱，有發(fā)生擱淺或碰撞碼頭的風險，15萬噸級船舶得到旋回進距后面臨擱淺和碰撞碼頭的風險，10萬噸級船舶和5萬噸級船舶在合適的時機操縱可完成大角度左旋回，在得到旋回進距后仍有一定的操縱空間。

綜上所述，充分考慮船舶操縱性能，采用10萬噸級船舶的模擬試驗結(jié)果，由旋回進距與一倍船長之和作為橋梁區(qū)水域的取值范圍，即橋梁軸線上游1600 m，下游1300 m的水域范圍作為擬建鹽泰錫常宜鐵路過江橋梁的橋區(qū)水域的參考取值，而對于10萬噸級以上大型船舶需通過加強監(jiān)管或增加保障措施等保障其通過橋區(qū)水域。

4 結(jié)語

大型船舶操縱模擬器已經(jīng)在通航安全評估中有著廣泛的應用，而通過利用大型船舶操縱模擬器模擬船舶在橋區(qū)水域的不同操縱狀態(tài)，并利用相關(guān)實例驗證了此方法的有效性，不僅可以科學精確地反映船舶的航行過程，也節(jié)省了實船回轉(zhuǎn)試驗等的諸多成本。此方法可以為橋區(qū)水域范圍的判別和劃定提供一種可靠經(jīng)濟的方式，為行業(yè)的安全持續(xù)向好發(fā)展創(chuàng)造機遇。

參考文獻：

[1]林巧.重慶菜園壩橋群河段橋梁間距與通航條件研究[D].重慶交通大學，2010.

[2]王應橋.船舶操縱模擬器用于橋梁通航安全評估的方法[J].中國水運（下半月刊），2010，10（10）：95-96.

[3]GB 50139-2014，內(nèi)河通航標準[S].

[4]王晶.寬闊河道上航道定線與橋梁建設的相互影響分析[J].中國水運（下月），2016，16（06）：253+256.

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（3132021138）