長江口深水航道超大型船舶交會仿真

閆化然+曾祥堃 肖英杰

摘要：為提升超大型船舶在長江口深水航道內(nèi)的雙向通航能力，以實(shí)際航道尺度為邊界條件，在三自由度MMG模型的基礎(chǔ)上，考慮淺水效應(yīng)、船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)，建立船舶操縱運(yùn)動模型。利用MATLAB對10萬噸級的散貨船和集裝箱船交會進(jìn)行仿真，并對風(fēng)、流和兩船不同間距對船舶交會的影響進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明，長江口深水航道的寬度可基本滿足船寬之和在90 m內(nèi)的超大型船舶交會。

關(guān)鍵詞：

長江口； 深水航道； 超大型船舶； 船舶交會； 船間效應(yīng)

中圖分類號： U661.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Simulation on encountering of very large ships on

deepwater channel of Yangtze River estuary

YAN Huarana， ZENG Xiangkunb， XIAO Yingjiea

（a. Merchant Marine College； b. Information Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to enhance the twoway passing ability of very large ships on the deepwater channel of the Yangtze River estuary， based on the MMG model with 3 degrees of freedom， a ship manoeuvring motion model is built， where the boundary condition is the actual scale of the deepwater channel， and the shallow water effect， the shiptoship interaction effect and the bank effect are considered. The encountering of the 100 000 t bulk carriers and the 100 000 t container ships is simulated with MATLAB， and the effects of the wind， the current， and the different distance between the ships on the encountering of the two ships are analyzed. The simulation results show that the deepwater channel width of the Yangtze River estuary can basically satisfy the encountering demand of two very large ships， where the sum of their widths is no more than 90 m.

Key words：

Yangzte River estuary； deepwater channel； very large ship； ship encountering； shiptoship interaction effect

0引言

《長江口深水航道船舶超寬交會通航安全管理辦法》（以下簡稱《辦法》）規(guī)定，一般情況下長江口深水航道船舶雙向交會時(shí)，兩船總寬不得超過80 m，因此深水航道同一時(shí)間段內(nèi)只能供1艘寬度超過40 m的超大型船舶航行。近年來船舶大型化發(fā)展迅速，由深水航道進(jìn)出長江沿線港口的寬度在40 m以上的超大型船舶逐年增多，加之超大型船舶需乘潮進(jìn)出港，長江口深水航道雙向通航的效率在《辦法》的約束下受到了嚴(yán)重影響。在確保通航安全的前提下，放寬船舶雙向交會時(shí)的船舶寬度限制，對提升超大型船舶在長江口深水航道內(nèi)的通航效率尤為重要[1]。

在影響船舶雙向通航的因素中，除了航道的設(shè)計(jì)水深、寬度、邊坡比、轉(zhuǎn)彎半徑以及軸線布置等之外，淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)和船間效應(yīng)也是需要考慮的。我國現(xiàn)行的《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》對雙向航道的設(shè)計(jì)作了較詳細(xì)的規(guī)定，但缺少淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)和船間效應(yīng)的具體量化標(biāo)準(zhǔn)[2]。國內(nèi)外的學(xué)者對該方面的研究主要集中在理論計(jì)算和數(shù)模試驗(yàn)方面，研究表明在受限航道中船舶運(yùn)動受船舶尺度、船速、吃水、水深、船間距離和岸壁形狀等多種因素影響，運(yùn)動較復(fù)雜。本文在現(xiàn)有理論和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三自由度MMG（Manoeuvring Model Group）模型，結(jié)合實(shí)際航道條件和船型數(shù)據(jù)，利用MATLAB對長江口深水航道超大型船舶交會進(jìn)行仿真研究。

1航道雙向通航尺度分析

根據(jù)《辦法》，如果交會的兩船總寬度B1+B2滿足80 m

會時(shí)，不僅受到淺水效應(yīng)的影響，還可能因d的不同而受到船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的影響[3]。

2船舶操縱運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

2.1MMG模型及淺水修正

船舶的實(shí)際運(yùn)動是一種具有6個(gè)自由度、非常復(fù)雜的運(yùn)動。在建模仿真時(shí)，從船舶模型的實(shí)用性出發(fā)，主要研究兩船近距離相互駛過時(shí)的相互作用，因此只建立縱向、橫向和轉(zhuǎn)艏3個(gè)自由度的MMG船舶運(yùn)動模型[4]。

（m+mX）u-（m+mY）vr=FXH+FXP+FXR

（m+mY）v-（m+mY）ur=FYH+FYP+

FYR+FYCF

（IZZ+JZZ）r=MH+MP+MR+MCM

式中：m，mX，mY，IZZ和JZZ分別為船舶質(zhì)量、縱向附加質(zhì)量、橫向附加質(zhì)量、船舶慣性矩和附加慣性矩，其中mX，mY和JZZ的淺水修正模型采用李美菁淺水修正；FX和FY分別為船舶縱向和橫向受力；M為船舶所受力矩；下標(biāo)H，P和R分別代表船體、螺旋槳和舵；FYCF和MCM分別代表船間效應(yīng)力和力矩。FXP，F(xiàn)YP，F(xiàn)XR，F(xiàn)YR，MP和MR采用常規(guī)模型公式計(jì)算。FXH，F(xiàn)YH和MH采用小漂角時(shí)的貴島流體動力模型計(jì)算。

FXH=Xuuu2+Xvvv2+Xvrvr+Xrrr2

FYH=Yvv+Yrr+Y|v|vvv+Y|v|rvr+

Y|r|rrr

MH=Nvv+Nrr+N|v|vvv+Nvvrv2r+Nvrrvr2

式中：Xuuu2為直航阻力；Xvvv2，Xvrvr和Xrrr2為由船舶運(yùn)動引起的阻力；Yvv，Yrr，Nvv，Nrr為線性水動力及力矩，依據(jù)盛子寅淺水近似公式計(jì)算；Y|v|vvv，Y|v|r|v|r，Y|r|rrr，N|v|vvv，Nvvrv2r，Nvrrvr2為非線性水動力及力矩，淺水中采用貴島試驗(yàn)回歸估算公式計(jì)算[4]。

2.2岸壁效應(yīng)的力和力矩

由圖1可知，長江口深水航道的岸壁屬于平緩斜坡型岸壁。Norrbin給出的岸壁效應(yīng)計(jì)算模型[5]為

YB=Y（1+0.377h0k+19.53u2k/（gL）+

0.067 3k3-0.098 8dk3/h）

NB=N（1-0.750h0k+81.80u2k/（gL）-

0.033 1k3+0.015 9dk3/h）

Y=ρCbBdu2η0（0.059 2+0.372 0d2/h2）

N=-ρCbLBdu2η0（0.002 5+0.075 5d2/h2）

式中：YB和NB為斜坡型岸壁影響下的岸壁效應(yīng)的力和力矩；Y和N為直壁影響下的岸壁效應(yīng)的力和力矩；ρ為水密度；Cb為方形系數(shù)；B為船寬；d為吃水；h為水深；η0為船寬B與船中至航道水面邊界距離的比值；k為航道岸壁傾斜的程度（k值越小，岸壁越陡峭）。從岸壁效應(yīng)計(jì)算模型可以看出，船舶受到的力和力矩與船中到岸壁的距離成反比，與岸壁的傾斜程度成反比。由航道設(shè)計(jì)圖可知，長江口深水航道邊坡比較小，岸壁平緩，且航道邊線與兩岸護(hù)堤距離都在

2 km以上，因此岸壁效應(yīng)較小，基本可以忽略[67]。

2.3船間效應(yīng)力和力矩模型

《長江口深水航道（12.5 m）試通航期間通航安全管理辦法》規(guī)定，長江口北槽深水航道內(nèi)禁止追越，因此僅研究對遇時(shí)的船間效應(yīng)，見圖2。國內(nèi)外的學(xué)者對船間效應(yīng)做了較多的研究[814]?？紤]到VARYANI等[1213]研究船間效應(yīng)時(shí)采用的船型主要是散貨船和集裝箱船，同時(shí)船間作用力和力矩的計(jì)算結(jié)果也適合添加到MMG船舶運(yùn)動方程中，因而本文中船間效應(yīng)的計(jì)算選取VARYANI等的通用計(jì)算模型。

FYCF=-0.47sin（0.86πt）e-0.95t2（1+0.18t）×

h/d1.5-2.252SPL-1.25L1L2-2.50.5U2U1+1

MCM=-0.47sin（0.86πt）e-0.9t2（1+0.18t）×

A（t）h/d1.5-2.252SPL-1.25L1L2-2.50.5U2U1+1

式中：SP為兩船距離；L1和L2分別為兩船長度；ST12為兩船重心間的縱向距離；t=2.0ST12/（L1+L2），ST12=（U1+U2）t，U1，U2>0；A（t）=1-a·e-b（t-t0+Δ）。具體參數(shù)取值參照文獻(xiàn)[13]。

3仿真實(shí)例

3.1仿真精度預(yù)報(bào)

經(jīng)實(shí)際流量觀測，在進(jìn)出長江口深水航道的大型船舶中，集裝箱船和散貨船占60%以上，因此仿真船型選取10萬噸級的散貨船和集裝箱船。為能夠客觀地反映兩種船型在航道內(nèi)交會的過程，基于響應(yīng)曲線對PD自動舵保向性能進(jìn)行參數(shù)整定，并采用MATLAB對船舶交會進(jìn)行仿真研究[14]。

為驗(yàn)證仿真模型的精度，對10萬噸級的散貨船和集裝箱船分別進(jìn)行了深水滿舵右旋回仿真試驗(yàn)。兩種船的參數(shù)見表1。將試驗(yàn)結(jié)果與參考文獻(xiàn)[1415]中的實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)縱向距離、橫向距離和定常回轉(zhuǎn)直徑相似度均在80%以上，見圖3。

3.2無風(fēng)流時(shí)兩船不同會遇間距仿真

船舶速度的選取依據(jù)實(shí)際大型船舶交會速度，一般為10～12 kn，因此仿真時(shí)取兩船對水速度11 kn。圖4和5為船速11 kn，交會間距分別為1倍船寬（1B=42 m）、2倍船寬（2B=84 m）和3倍船寬（3B=126 m）時(shí)兩艘10萬噸級散貨船的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。

圖6和7為船速11 kn，交會間距分別為1倍船寬（1B=43.8 m）、2倍船寬（2B=87.6 m）和3倍船寬（3B=131.4 m）時(shí)10萬噸級散貨船（左）與10萬噸級集裝箱船（右）的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。

由圖4和6可知，在初始階段兩船按照各自的原航向行駛，當(dāng)兩船接近到一定程度后船間效應(yīng)力和力矩起作用，打破了船舶與水動力的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致船舶各自向外舷側(cè)偏轉(zhuǎn)。由圖5和7可知：發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，PD自動舵根據(jù)航向和轉(zhuǎn)艏角速度的偏差產(chǎn)生糾偏舵角，使船舶盡快回到原航向上；隨著交會距離的增加，糾偏舵角也變小變穩(wěn)；船間效應(yīng)對散貨船的影響大于對集裝箱船的影響，集裝箱船的舵效較好，可以更快地回到原航向上。endprint

3.3橫風(fēng)影響下的兩船不同交會間距仿真

長江口附近水域風(fēng)向的季節(jié)性特征十分明顯（歷年春季平均常風(fēng)向?yàn)镾E～SEE，頻率為25%；夏季平均常風(fēng)向?yàn)镾～SE，頻率為51%；秋季平均常風(fēng)向?yàn)镹NE～NE，頻率為28%；冬季平均常風(fēng)向?yàn)镹～NW，頻率為49%），因而船舶風(fēng)壓差角也會隨季節(jié)的變化而不斷變化。另外，根據(jù)《辦法》，超寬船舶交會時(shí)蒲氏風(fēng)力不大于5級，因此選取最不利的工況——兩船受右橫風(fēng)5級進(jìn)行模擬。圖8和9分

下的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。

圖10和11分別為右橫風(fēng)5級時(shí)，10萬噸級散貨船（左）和集裝箱船（右）不同間距下的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。

從圖8～11與圖4～7的對比可以看出：在橫風(fēng)作用下船間效應(yīng)的擾動加大，船舶偏轉(zhuǎn)后回到原航向上所需的舵角也相應(yīng)增大，所需的時(shí)間也增長；所有的船舶軌跡仍在深水航道內(nèi)。

3.4風(fēng)流作用下的兩船不同交會間距仿真

船舶在航道中航行時(shí)，常受到風(fēng)流的共同影響。

在長江口深水航道交會航段兩側(cè)均有護(hù)堤，基本不存在橫流的影響，在順直航段水流沿航道方向，且《辦法》規(guī)定大型船舶交會時(shí)流速不大于2 kn。

圖12和13分別為右橫風(fēng)5級、流速2 kn時(shí)，兩艘航速為11 kn的10萬噸級散貨船不同間距下的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。圖14和15分別為右橫風(fēng)5級、流速2 kn時(shí)，10萬噸級散貨船（順流，左）與集裝箱船（頂流，右）不同間距下的交會仿真軌跡和操舵過程曲線。

從圖12～15與圖8～11的對比可以看出，在橫風(fēng)和水流的影響下，頂流船舵效較好，船間效應(yīng)不明顯，而順流船橫向偏移距離進(jìn)一步加大，船舶為糾偏所需的滿舵時(shí)間也較長，船舶操縱難度較大。

3.5船舶橫向偏移距離

兩船在不同間距和風(fēng)流條件下交會時(shí)，船間效應(yīng)的大小也反映在船舶的橫向偏移距離上。統(tǒng)計(jì)可

得船舶橫向偏移距離，見表2。

由表2可知：載重量相近的散貨船和集裝箱船交會時(shí)，船舶尺度較小的散貨船受船間效應(yīng)的影響較大。在橫風(fēng)影響下，船舶的橫向偏移距離較無風(fēng)流時(shí)大；在水流影響下，順流船的橫向偏移距離進(jìn)一步加大。間距為1倍船寬的10萬噸級散貨船與集裝箱船

交會時(shí)，散貨船在風(fēng)流影響下橫向偏移量達(dá)30 m，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)避免該種交會情況。當(dāng)船舶交會間距為2倍船寬及以上時(shí)，船間效應(yīng)對船舶的影響大幅減小。當(dāng)船舶交會間距為3倍船寬及以上時(shí)，船間效應(yīng)對船舶的影響較小，超大型船舶交會安全性較高。

3.6船舶交會過程控制

超大型船舶在深水航道行駛時(shí)，只要安全可行應(yīng)當(dāng)各自盡量靠本船右舷一側(cè)行駛，加強(qiáng)與對向航行船舶的聯(lián)系，避免兩船在彎道處交會。

在交會之前，兩船應(yīng)各自提前調(diào)整自己的船位，使船舶左舷距航道分隔線1倍船寬以上，即控制會遇間距在2倍船寬及以上，同時(shí)降低船速至10～12 kn，減少興波阻力的影響。在交會時(shí)，對受船間效應(yīng)影響明顯的較小船舶，應(yīng)利用大舵角抑制船舶偏轉(zhuǎn)，盡量減少船舶的橫向偏移；對受橫風(fēng)影響大或順流舵效不好的船舶，可提前操舵。需注意的是，抑制偏轉(zhuǎn)的大舵角不宜用時(shí)過長，應(yīng)及時(shí)回舵并把定，以免糾偏過度使船首越過分隔線進(jìn)入他船航道。交會結(jié)束后，可適當(dāng)加車以增加舵效，盡快穩(wěn)定船首向，控制船舶在航道內(nèi)行駛。

4結(jié)論

通過分析10萬噸級的超大型散貨船和集裝箱船在長江口深水航道雙向通航的仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）長江口深水航道順直航段可基本滿足船寬之和在90 m以內(nèi)的10萬噸級超大型散貨船和集裝箱船交會。（2）隨著兩船交會距離的增加，船間效應(yīng)的影響逐漸減弱，船舶橫向偏轉(zhuǎn)的距離逐漸減?。划?dāng)船舶交會間距為2倍船寬及以上時(shí)，船間效應(yīng)對船舶的影響大幅減?。划?dāng)船舶交會間距為3倍船寬及以上時(shí)，船間效應(yīng)對船舶的影響較小，交會安全性較高。

（3）不同尺度的船舶會遇時(shí)，較小船舶受船間效應(yīng)的影響較為明顯，應(yīng)及時(shí)操舵控制船舶偏轉(zhuǎn)。

（4）在風(fēng)流的影響下，船舶受船間效應(yīng)的影響產(chǎn)生的偏移量較無風(fēng)流時(shí)大；在5級橫風(fēng)的影響下，船間效應(yīng)使順流船橫向偏移量較大，超大型船舶會遇危險(xiǎn)性較高，因此應(yīng)禁止受5級或以上橫風(fēng)影響的超大型船舶在深水航道交會。

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（編輯賈裙平）endprint