基于船舶操縱模擬的某海港碼頭港內(nèi)水域布置優(yōu)化

張定軍，高 鵬，趙傳剛，陳立家

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.武漢理工大學(xué)，武漢430063）

基于船舶操縱模擬的某海港碼頭港內(nèi)水域布置優(yōu)化

張定軍1，高 鵬1，趙傳剛1，陳立家2

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.武漢理工大學(xué)，武漢430063）

針對自然水深不足且較為復(fù)雜的港內(nèi)水域，僅僅依據(jù)規(guī)范條文提出的設(shè)計(jì)方案不能完全滿足船舶港內(nèi)作業(yè)的需要。文章結(jié)合某工程實(shí)例，應(yīng)用船舶操縱模擬試驗(yàn)，研究了船舶港內(nèi)作業(yè)對于港池水域的要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對港池水域布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。

船舶操縱模擬；港內(nèi)水域布置；優(yōu)化

港內(nèi)水域是船舶在港內(nèi)航行、制動(dòng)、回旋及靠離泊作業(yè)所需要的水域范圍，港內(nèi)水域布置是港口總平面設(shè)計(jì)的重要組成部分。在咨詢設(shè)計(jì)階段，如何將港內(nèi)水域布置設(shè)計(jì)與船舶實(shí)際作業(yè)要求相結(jié)合，使港內(nèi)水域布置經(jīng)濟(jì)合理地滿足使用要求，設(shè)計(jì)及科研人員進(jìn)行了一系列的探索。

20世紀(jì)末21世紀(jì)初期，科研設(shè)計(jì)人員利用船舶操縱數(shù)學(xué)模型對港口水域布置及船舶靠離泊作業(yè)進(jìn)行研究。樂美龍、陸惠生等［1］系統(tǒng)地論述了船舶操縱仿真數(shù)學(xué)模型，包括船舶操縱基本模型、水動(dòng)力、螺旋槳推力及扭距、主機(jī)扭距、舵力及其力矩、風(fēng)、浪、流、錨、纜、拖輪的作用力、淺水影響及側(cè)壁效應(yīng)，最后給出了主要仿真結(jié)果和主要結(jié)論。張慶河、李炎保等［2］對船舶操縱數(shù)學(xué)模型的組成，并對其在港口、航道設(shè)計(jì)中應(yīng)用的典型例子進(jìn)行了介紹，指出了船舶操縱數(shù)學(xué)模型的進(jìn)一步發(fā)展方向和它在港口、航道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景。船舶操縱數(shù)學(xué)模型方便易行，但無法體現(xiàn)駕船者實(shí)際操縱等因素，隨著大型船舶操縱模擬器的出現(xiàn)，船舶操縱實(shí)時(shí)仿真模擬有了可能，船舶操縱數(shù)學(xué)模型近年來已較少使用。

船舶操縱模擬器主要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合船舶水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科，模擬不同環(huán)境中船舶的操縱情況，能夠逼真的模擬出三維虛擬環(huán)境和與實(shí)船相似的操作環(huán)境。船舶操縱模擬是根據(jù)工程水域的自然條件對船舶及航行環(huán)境進(jìn)行建模，運(yùn)用船舶操縱模擬器，對工程設(shè)計(jì)船型在不同環(huán)境因素影響下靠離泊作業(yè)的航行狀態(tài)及運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，從而驗(yàn)證工程港內(nèi)水域布置方案的合理性和有效性，確定港口運(yùn)營時(shí)船舶港內(nèi)作業(yè)條件及拖輪配置等。由于船舶操縱模擬可以模擬不同天氣、不同海況、不同時(shí)間條件下，各種類型、大小的船舶的航行及操縱，能真實(shí)地模擬本船受到的淺水、岸壁及船間效應(yīng)，能真實(shí)地模擬靠離碼頭操作中本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的響應(yīng)，目前在我國港航工程設(shè)計(jì)論證中已廣泛使用。劉洪波、彭再華，汪鋒等［3］根據(jù)巴拿馬某工程水、陸域特點(diǎn)，從國內(nèi)外規(guī)范要求和船舶操縱模擬試驗(yàn)情況，探討該項(xiàng)目港池水域尺度布置的合理性。

由于各國家和地區(qū)海況條件的不同，各國規(guī)范和手冊對水域布置的理解和要求也有一定差異，而隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國在海外設(shè)計(jì)和施工的港口項(xiàng)目越來越多，依據(jù)中國的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮建設(shè)區(qū)域的自然、地質(zhì)條件等，必要時(shí)進(jìn)行研究和論證。本文結(jié)合某工程實(shí)例，探討通過船舶操縱模擬試驗(yàn)，對于天然水深有限且港內(nèi)水域較為復(fù)雜的港口，在保證船舶在港內(nèi)安全作業(yè)的前提下，合理確定港內(nèi)水域邊界，優(yōu)化港內(nèi)水域布置［4-9］。

1 工程概況

某海港碼頭位于環(huán)抱式防波堤掩護(hù)的港池范圍內(nèi)，總平面布置如圖1所示。

設(shè)計(jì)船型為10 000DWT散貨船，拖輪采用1 500HP拖輪，船型主尺度如表1所示。

項(xiàng)目所在地氣候?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)氣候。全年分旱季和雨季兩個(gè)季節(jié)：5～11月為雨季，12月至翌年4月為旱季。受季風(fēng)影響，雨季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W向，旱季為E向，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W向風(fēng)。受防波堤掩護(hù)，港內(nèi)的流速和波浪都較小。

2 港內(nèi)水域布置基本方案

本工程為EPC工程，由于自然水深不足，港池停泊水域、回旋水域、支航道均需疏浚形成。從總承包方的角度，希望設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡可能減小港內(nèi)水域疏浚面積和工程量。本工程碼頭垂直于岸線采用棧橋式布置，雙側(cè)布置泊位，設(shè)計(jì)將回旋水域布置在碼頭端部，設(shè)置支航道連接碼頭泊位與公用航道，船舶制動(dòng)水域位于支航道上。

由于歐美標(biāo)準(zhǔn)對港內(nèi)水域布置僅提供了一些原則性的說明，本工程設(shè)計(jì)首先參照中國海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范，初步擬定停泊水域及回旋水域尺度如表2所示，港內(nèi)水域布置如圖2所示。

圖1 總平面布置圖Fig.1 General layout

表1 船型尺度表Tab.1 Dimension of vessels

表2 停泊水域及回旋水域尺度表Tab.2 Dimension of berthing area&turning area

圖2 港內(nèi)水域布置圖（初設(shè)設(shè)計(jì)方案）Fig.2 Layout of water area(basic design option)

3 拖輪選型

拖輪需要根據(jù)風(fēng)、浪、流情況確定船舶總拖力，從而確定拖輪選型。

根據(jù)風(fēng)要素，擬建區(qū)域最不利橫向風(fēng)速為12 m/s，根據(jù)海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 165-2013）計(jì)算，在風(fēng)作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為20 t。

根據(jù)浪要素，通過模型試驗(yàn)，防波堤修建以后，港內(nèi)水域最不利橫浪的有效波高為0.95 m，按照規(guī)范計(jì)算，在橫浪作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為11 t。

根據(jù)流要素，通過模型試驗(yàn)，防波堤修建以后，港內(nèi)水域潮流流速在0.3 m/s左右，按照規(guī)范計(jì)算，在橫流作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為20 t。

故綜上所述，設(shè)計(jì)船型靠離泊作業(yè)所需要的拖輪總拖力為20 t，即需要的拖輪總功率為2 400 hp，結(jié)合建設(shè)單位要求，選擇2 艘1 500 hp拖輪。

4 船舶操縱模擬試驗(yàn)及方案優(yōu)化

本工程兩側(cè)泊位共用的回旋水域位于碼頭端部，支航道與主航道及碼頭前沿線均為垂直關(guān)系，船舶在港內(nèi)水域作業(yè)時(shí)需多次轉(zhuǎn)向，且存在靠離泊、回旋等操作過程，為了驗(yàn)證本工程港內(nèi)水域布置方案的合理性和有效性，確定港口運(yùn)營時(shí)船舶港內(nèi)作業(yè)條件及拖輪配置等，設(shè)計(jì)單位委托有關(guān)科研單位進(jìn)行了船舶操縱模擬試驗(yàn)。

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)、自然條件和布置方案，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，本船舶操縱模擬分別實(shí)施了正常狀態(tài)下設(shè)計(jì)船型進(jìn)出港航道航行、靠離泊作業(yè)及應(yīng)急狀態(tài)下船舶出港特殊操作試驗(yàn)?zāi)M，試驗(yàn)工況組次分為（表3）：

（1）東北季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時(shí)段：四級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)；

（2）東北季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時(shí)段：六、八級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)；

（3）西南季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時(shí)段：四級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)；

（4）西南季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時(shí)段：六、八級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)；

（5）東北季風(fēng)季節(jié)，中、小潮乘潮流緩時(shí)段：四級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，八、九級壓載船舶出港航行作業(yè)；

（6）東北季風(fēng)季節(jié)，中、小潮乘潮流緩時(shí)段：六、八級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，八、九級壓載船舶出港航行作業(yè)。

表3 船舶操縱模擬試驗(yàn)工況表Tab.3 Ship maneuvering simulation test conditions

船舶模擬操縱人員選用具有相應(yīng)等級船舶實(shí)船駕駛經(jīng)驗(yàn)的人員，每組組合工況模擬試驗(yàn)進(jìn)行多次，記錄相應(yīng)的模擬試驗(yàn)結(jié)果和航跡。

港內(nèi)最大東北向和西南向波浪的有效波高為0.95 m，兩種工況船舶航跡和拖輪作業(yè)情況如圖3所示。其中在東北風(fēng)情況下，按照初步設(shè)計(jì)方案水域布置會(huì)出現(xiàn)擱淺事故，在西南風(fēng)情況下，船舶能夠完成應(yīng)急離泊作業(yè)。

將各工況船舶操縱模擬的船舶在港內(nèi)的航行航跡轉(zhuǎn)化成模擬航道邊線統(tǒng)一繪制到平面圖中，得到的設(shè)計(jì)方案水域邊界與船舶航行模擬航道邊界關(guān)系如圖4所示。

通過船舶操縱模擬試驗(yàn)的船舶在港內(nèi)的模擬航道邊界與初設(shè)設(shè)計(jì)方案確定的港池邊界進(jìn)行對比（圖4），可以發(fā)現(xiàn)，在回旋水域的東西兩側(cè)，大量的試驗(yàn)船舶模擬航道邊界超出擬定的港池邊界之外，意味著在實(shí)際運(yùn)行時(shí)船舶可能擱淺；而在停泊水域的外側(cè)，尚有較大的空間未被試驗(yàn)船舶模擬航道邊界覆蓋，意味著停泊水域外側(cè)有優(yōu)化的空間。

圖3 9級設(shè)計(jì)船型應(yīng)急離泊航跡帶（東北風(fēng)、西南風(fēng)）Fig.3 The swept path of emergency departure condition (NE,SW wind)

本工程采用對試驗(yàn)船舶模擬航道邊界選用95%保證率進(jìn)行包絡(luò)的方法確定本工程的港內(nèi)水域邊界，對港內(nèi)水域布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖4）。優(yōu)化前后的港內(nèi)水域疏浚面積和疏浚工程量對比如圖5、表4所示。

圖4 設(shè)計(jì)方案水域邊界與船舶航行模擬航道邊界關(guān)系圖Fig.4 Boundary of water area and swept paths

圖5 港內(nèi)水域邊界優(yōu)化前后對比圖Fig.5 Comparison of water area boundary before and after optimization

5 結(jié)語

（1）對于碼頭兩側(cè)布置泊位，回旋水域位于碼頭端部的情況，兩側(cè)泊位停泊水域的寬度加上碼頭結(jié)構(gòu)寬度，基本與回旋圓直徑相當(dāng)，在布置港內(nèi)水域邊界時(shí)，若回旋水域邊界以停泊水域外側(cè)邊界延伸，港池寬度往往不能滿足船舶在港內(nèi)作業(yè)的要求，需沿垂直碼頭軸線方向進(jìn)行加寬，停泊水域以喇叭口或外側(cè)局部加寬的方式與回旋水域銜接。

表4 港內(nèi)水域布置優(yōu)化對比表Tab.4 Comparing table of layout optimization

（2）船舶操縱模擬可以根據(jù)工程水域的自然條件對船舶及航行環(huán)境進(jìn)行建模，運(yùn)用船舶操縱模擬器，對工程設(shè)計(jì)船型在不同環(huán)境因素影響下靠離泊作業(yè)的航行狀態(tài)及運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，可以用來指導(dǎo)或驗(yàn)證港內(nèi)水域以及航道等的布置設(shè)計(jì)，確定港口運(yùn)營時(shí)船舶港內(nèi)作業(yè)條件及拖輪配置等。

（3）按照碼頭實(shí)際運(yùn)營過程中不同工況出現(xiàn)的概率，每種工況進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)，得到不同工況對應(yīng)次數(shù)的試驗(yàn)船舶多條模擬航道邊界，然后結(jié)合工程特點(diǎn)和船舶駕駛等因素，選用95%的保證率（PIANC推薦值）對模擬航道邊界進(jìn)行包絡(luò)，以此確定港內(nèi)水域邊界。

［1］樂美龍，陸惠生，汪希齡，等.船舶操縱模擬器操縱仿真數(shù)學(xué)模型［J］.中國航海，1999（1）：75-84. LE M L，LU H S，WANG X L，et al.A Mathematical Model of Ship Maneuvering Simulation［J］.Navigation of China，1999（1）：75-84.

［2］張慶河，李炎保.船舶操縱數(shù)學(xué)模型在港口航道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國港灣建設(shè)，2000（1）：49-51. ZHANG Q H，LI Y B.Application of Mathematical Model for Ship Maneuvering in Designs of Harbours and Waterways［J］.China Harbour Engineering，2000（1）：49-51.

［3］賈明明，熊錫龍.船舶操縱模擬器的仿真技術(shù)研究［J］.中國水運(yùn)，2016（4）：73-75. JIA M M，XIONG X L.Simulation Technique of Ship Maneuvering Simulator［J］.China Water Transport，2016（4）：73-75.

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［5］JTS165-2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院.越南沿海海港工程船舶操縱模擬試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢：武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，2013.

［7］Moffatt&Nichol.Ship maneuvering study for proposed container terminal［R］.Long Beach，Calif，USA：Moffatt&Nicho，2010.

［8］Thoresen C A.Port designer′s handbook［M］.2nd ed.London：Thomas Telford Limited，2010.

［9］梅蕾，汪鋒，姜俊杰.海港港池和回旋水域平面尺度研究［J］.水運(yùn)工程，2015（7）：102-107. MEI L，WANG F，JIANG J J.Plane dimensions of harbor berthing basin and turning area［J］.Port&Waterway Engineering，2015 （7）：102-107.

Layout optimization of inner water area of a seaport based on ship maneuvering simulation

ZHANG Ding?jun1,GAO Peng1,ZHAO Chuan?gang1,CHEN Li?jia2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China）

For the insufficient of natural water depth and the complex port inner water area,the layout plan based on the specification may not meet the requirements of the ships′operations in the harbor.Combined with an engineering example,the requirements of the ships′operations in the port inner water area were studied through ship maneuvering simulation,and the layout plan of port inner water area was optimized by the simulation results.

ship maneuvering simulation;layout of port inner water area;optimization

U 661.73；U 651

A

1005-8443（2016）06-0589-04

2016-07-22；

2016-11-30

張定軍（1974-），男，高級工程師，主要從事港口、航道工程咨詢與設(shè)計(jì)工作。

Biography：ZHANG Ding?jun（1974-），male，senior engineer.