船舶操縱模擬試驗在航道設(shè)計方案比選中的應(yīng)用研究

仲 彥，孟 然

(中海油天津液化天然氣有限責(zé)任公司 天津 300452)

0 引 言

港口和航道的設(shè)計問題一般涉及兩個學(xué)科，即港口工程學(xué)和航海技術(shù)學(xué)。涉及到港口工程的問題有水文、地質(zhì)環(huán)境勘測、泥沙運動情況分析及平面規(guī)劃和建筑物設(shè)計等。涉及到航海技術(shù)的問題傳統(tǒng)上主要是考慮船舶運動的空間，如回旋水域、疏浚水深、進(jìn)港航道尺度等，這些尺度的確定主要根據(jù)已有的各種規(guī)范和航海者經(jīng)驗來判定。上述傳統(tǒng)方法對于各種環(huán)境影響，特別是各種環(huán)境因素組合在一起時的船舶操縱安全性、合理性很難作出評價，使得從船舶運動角度對港口、航道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計受到限制。

隨著船舶操縱模擬及計算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，近年來船舶操縱模擬已越來越多地應(yīng)用于港口航道的平面設(shè)計中，船舶操縱與各種環(huán)境動力模擬相結(jié)合，能夠使港口和航道的設(shè)計更為合理。[1-3]

天津 LNG項目需要新建 LNG泊位兩個，其中一個用于?？?FSRU(浮式接收儲存氣化裝置，即帶有氣化裝置的 LNG船)，另一個用于?？?LNG 船接卸 LNG。該項目碼頭工程布置在天津港南疆南側(cè)岸線東端，碼頭前沿距南防波堤軸線70,m，碼頭與陸域之間以引橋連接。LNG及 FSRU泊位采用蝶形墩臺式布置，每個泊位設(shè)置 1座工作平臺、4座靠船墩和6座系纜墩。每個泊位長度均為 400,m，兩個泊位間距 50,m，碼頭總長度為 850,m。工作平臺頂面高程 8.0,m，靠船墩及系纜墩頂面高程為 6.5,m。碼頭前沿停泊水域?qū)挾葹?150,m，設(shè)計底高程-14.5,m。旋回圈直徑為 865,m，設(shè)計底標(biāo)高為-15.0,m。

本項目航道連接港池區(qū)域考慮兩個設(shè)計方案，兩個方案在船舶操縱、通航安全及投資方面均有較大差異，需要進(jìn)行方案比選?？傮w上，航道設(shè)計時所要求的指標(biāo)主要為航行水域的寬度、水深、通航條件、凈高度等，而這些指標(biāo)受到船速、舵角、船舶操縱性能、風(fēng)、浪、潮汐等外界條件和操縱人員技能以及各項指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)作用的影響。因此，本次試驗通過船舶操縱模擬，借助模擬結(jié)果獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，評估各航道設(shè)計方案的確定因素(航行水域的寬度、水深、通航條件等)和不確定性因素(船舶操縱性能、風(fēng)、浪等)，分析各方案的合理性以確定最終推薦方案。[4-5]

1 航道設(shè)計方案簡介

根據(jù)方案一(見圖1)，碼頭方向(按照出港航向)為107,°，港池方向為 148,°，口門內(nèi)航道為 109,°，口門外航道為 126,°。船舶回旋水域位于碼頭前沿，其直徑為865,m。

圖1 航道設(shè)計方案一Fig.1 Design Scheme A

方案二主要對港池的疏浚北邊線進(jìn)行了擴(kuò)寬(見圖2)。對航道進(jìn)行了切角，航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為 375,m，喇叭口下口與外航道夾角為 8,°。

圖2 航道設(shè)計方案二Fig.2 Design Scheme B

2 船舶操縱模擬試驗方案

試驗所用的全任務(wù)大型船舶操縱模擬器采用英國Transas公司的Navi-Trainer型，符合國際海事組織(IMO)STCW78/95公約及國家海事局的相關(guān)要求，獲得挪威船級社(DNV)、英國海運安全局(MSA)、英國勞氏船級社(Lloyd's Register)等權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。設(shè)備包括教練站、4個本船(1個主本船和3個副本船)及 40套桌面系統(tǒng)，主本船為 7通道 270,°弧形柱面視景，副本船為3通道 120,°視景。系統(tǒng)由綜合船橋駕駛臺(IBS)模塊、船舶控制模塊、雷達(dá)/ARPA模塊、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)模塊、全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)模塊、導(dǎo)航儀器模塊、視景系統(tǒng)模塊、音響模擬模塊等構(gòu)成，包括船舶動態(tài)軟件、三維視景軟件、教練監(jiān)控軟件、視景及船模開發(fā)軟件、實物駕駛臺硬件和基于網(wǎng)絡(luò)分布式處理計算機(jī)系統(tǒng)。

該全任務(wù)大型船舶操縱模擬器具有以下主要特點：①能夠完成不同天氣及能見度(晴天、多云、陰天、霧、雨等)、不同海況(風(fēng)、浪、流等)、不同時間(白天、晝夜連續(xù)可變)條件下的航行、操縱模擬。②使用助航儀器、雷達(dá)/ARPA、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)、無線電通訊等為一體的綜合智能導(dǎo)航模擬。③采用六自由度(前后、側(cè)移、船首向變化、縱搖、橫搖、垂蕩)船舶水動力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，能真實地模擬本船在開闊水域的水動力學(xué)特征(包括氣象、潮汐、流的影響)，能真實地模擬本船在受限水域的水動力學(xué)特征(包括淺水、岸壁和船間效應(yīng))，能真實地模擬本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的響應(yīng)。

同時，在模擬器上整合了拖輪子系統(tǒng)，拖輪的操作可以指定到主本船或任何 1個副本船，在指定的拖輪操作船臺上，操作人員可以像操作主本船一樣，而且可以與被拖帶船舶用VHF或?qū)χv機(jī)通信以達(dá)到交互和聯(lián)動，在目標(biāo)拖輪上的視景顯示同樣采用三維 120,°或 270,°的視景顯示。在力學(xué)模型上拖輪子系統(tǒng)和靠離泊子系統(tǒng)中，能根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)流等海況條件實時計算各個拖輪和各條纜繩的受力情況。

試驗船型選取天津 LNG一期主力145,000,m3LNG船，參加試驗的主要人員為天津港引航中心高級引航員、LNG船長、大副及拖輪船長等。根據(jù)該水文氣象統(tǒng)計資料及天津港引航中心高級引航員和 LNG船長的經(jīng)驗，選取風(fēng)向為 NE、SW風(fēng)，風(fēng)速6～7級，漲潮，流速0.3～1.2,kn為試驗工況。根據(jù)工程現(xiàn)場情況及高級引航員經(jīng)驗，船舶進(jìn)港靠泊 LNG泊位(東側(cè)泊位)時更難操作且對航道要求更高，因此本次試驗以船舶進(jìn)港靠泊LNG泊位為主要研究工況。[7,8]

3 試驗結(jié)果及分析

方案一僅進(jìn)行了兩組試驗(見圖 3)，試驗結(jié)果顯示，在漲潮、風(fēng)向為 NE的情況下，引航員尚可以通過操作使船舶勉強通過航道與港池相接觸，但在漲潮、風(fēng)向為 SW 的情況下，引航員無法通過操作船舶克服西南風(fēng)對船舶產(chǎn)生的向北的影響，易出現(xiàn)擱淺事故。通過試驗可以看出，方案一存在的問題是轉(zhuǎn)向較多，在約 1,000,m(不到 3倍設(shè)計船長)的范圍內(nèi)需要拐彎兩次，一個彎約 40,°，一個彎約 20,°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，容易出現(xiàn)危險狀況。

圖3 方案一試驗結(jié)果Fig.3 Experimental result of Scheme A

圖4 方案二試驗結(jié)果Fig.4 Experimental result of Scheme B

表1 船舶操縱模擬試驗結(jié)果Tab.1 List of simulation test results

方案二(見圖4)對港池與航道連接處進(jìn)行了切角，切角后航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為375,m，喇叭口與外航道夾角為8,°，使得船舶可以安全駛過該區(qū)域，方案二在設(shè)定的風(fēng)流條件下，船舶進(jìn)出港都比較容易。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)試驗結(jié)果(見表1)分析，方案一對于漲潮、西南風(fēng) 6級情況下進(jìn)港操船，存在擱淺隱患，因此對港池及航道相接喇叭口處的拓寬是必要的。方案二在擴(kuò)寬喇叭口后，船舶在風(fēng)力及水流作用下向北漂移后，可借助擴(kuò)寬后的區(qū)域安全航行。此外，方案二也滿足其他條件下的靠離泊要求，因此方案二為推薦方案。

在航道設(shè)計方案比選過程中，聘請具有豐富引航經(jīng)驗且十分了解當(dāng)?shù)厮臍庀蟮囊絾T及熟悉船舶操縱特性的LNG船長參與船舶操縱模擬試驗，從實踐出發(fā)獲取數(shù)據(jù)并確定推薦方案，使航道設(shè)計更加適應(yīng)實際操縱特點，能夠保證設(shè)計方案符合水上交通安全的要求?！?/p>

［1］ 張慶河，李炎保. 船舶操縱數(shù)學(xué)模型在港口航道設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 中國港灣建設(shè)，2000(1)：49-53.

［2］ 錢華忠. 船舶操縱模擬器在港航設(shè)計論證上的應(yīng)用研究與設(shè)計[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2002.

［3］ 張秀鳳，金一丞，尹勇，等. 航海模擬器在港口工程設(shè)計中應(yīng)用[J]. 航海技術(shù)，2004(增)：22-25.

［4］ 邊曉麗. 船舶操縱模擬在航道設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 中國水運，2006(3)：48-49.

［5］ 邊曉麗. 海港航道設(shè)計寬度模擬試驗研究[J]. 水運工程，2013(9)：99-102.

［6］ 焦彥波，于慶峰. 日照港30萬t級原油碼頭航道船舶操縱模擬試驗研究分析[J]. 水運工程，2006，(3)：32-35.

［7］ 徐元，鄧健，嚴(yán)慶新. 基于航海模擬器仿真的碼頭工程通航評估[J]. 船海工程，2008，37(3)：84-86.

［8］ 黃立文，張蔚，嚴(yán)慶新，等. 船舶操縱模擬器在橋梁/船閘通航方案論證中的應(yīng)用[J]. 船海工程，2007，36(4)：91-93.