船舶操縱仿真模擬試驗在解決澳氹第四條跨海大橋橋群巷道效應(yīng)問題中的應(yīng)用

馬勁

摘 要：隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，跨越航道的各類橋梁工程不斷增多，在某一河段內(nèi)連續(xù)建設(shè)多座橋梁形成橋群的現(xiàn)象亦不斷增多。橋群的出現(xiàn)使得航道內(nèi)容易產(chǎn)生“巷道效應(yīng)”，導(dǎo)致通航環(huán)境復(fù)雜化，同時也增加了船舶駕駛?cè)藛T的心理壓力，大大增加了船舶通過橋區(qū)水域的航行風(fēng)險。本文主要針對在已經(jīng)形成橋群的開敞水域上建橋，在無法直接采取一跨過河的橋跨布置的條件下，以澳氹第四條跨海大橋為例，探究如何利用船舶操縱仿真模擬試驗解決橋群巷道效應(yīng)問題。

關(guān)鍵詞：澳氹第四條跨海大橋 船舶操縱仿真模擬試驗 橋群巷道效應(yīng)

1.前言

澳氹第四條跨海大橋起自澳門新城區(qū)填海A區(qū)東側(cè)，與港珠澳大橋口岸人工島連接，跨越澳門外港航道、往內(nèi)港航道，在澳門新城區(qū)填海E1區(qū)登陸，全長約3.5公里。澳門水道現(xiàn)有跨海橋梁3座，自上游往下游分別為澳門西灣大橋、嘉樂庇大橋和友誼大橋，澳氹第四條跨海大橋建成后，將進一步形成橋群區(qū)，容易產(chǎn)生“巷道效應(yīng)”，船舶航經(jīng)該段長約4公里的海域?qū)⑦B續(xù)通過4座跨海大橋，導(dǎo)致通航環(huán)境更為復(fù)雜，因此需開展船舶操縱仿真模擬試驗，為橋梁設(shè)計提供解決方案。

2.船舶操縱仿真模型建立

本次研究首先將收集澳門西灣大橋、嘉樂庇大橋、友誼大橋、澳氹第四條跨海大橋4座大橋的橋型結(jié)構(gòu)、橋梁測量資料、橋區(qū)地形、水文、船舶尺度、船舶結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)資料，分析橋群通航環(huán)境。其次依據(jù)收集的橋區(qū)地形、橋梁以及代表船型資料，結(jié)合水流模型計算成果，考慮地形、潮流、波浪和風(fēng)等自然環(huán)境，利用V.Dragon-4000AT型通航船舶操縱模擬器，建立船舶操縱模擬仿真模型，開展各種工況下、各種類型和噸位船舶、多船會遇避讓、各種氣象及不同航道、橋梁條件下的船舶操縱通航條件模擬試驗。

V.Dragon -4000AT 型通航船舶操縱模擬器由主控臺、1套主本船（360度模擬器）、5套副本船（180度模擬器、2套120度模擬器及2套桌面系統(tǒng)）、2套拖輪模擬器構(gòu)成，采用分布交互仿真（DIS）的設(shè)計思想和先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將系統(tǒng)的各計算機相互連接，本船之間通過三維視景和雷達(dá)圖象互見。模擬器中的各本船功能完備，可完整地模擬船舶駕駛臺操作環(huán)境。主本船具有一個與實船駕駛臺相似的環(huán)境，擁有一套完整的儀器設(shè)備面板，設(shè)備功能和操作性能可達(dá)到實際硬件設(shè)備所能完成的功能。主本船具有大屏幕柱幕投影無縫拼接視景系統(tǒng)，采用幾何校正和邊緣融合技術(shù)，可以做到視景真正地?zé)o縫拼接和高亮度顯示，為操作人員提供最接近真實的景象，并提供望遠(yuǎn)鏡及漫游通道，用于漫游觀測和望遠(yuǎn)鏡觀測360°范圍的視景。副本船視景系統(tǒng)也采用幾何校正和邊緣融合技術(shù)，拖輪操作面板放在副本船駕駛，拖輪的操作由操作人員自己操作。主控室能在整個模擬器試驗中控制、監(jiān)視并重放、分析試驗過程；可設(shè)置航行環(huán)境、交通狀況和特殊海域等條件，圖1為天科所大型船舶操縱模擬器系統(tǒng)。

3.船舶操縱仿真模擬試驗

3.1試驗范圍

上行試驗范圍：起點為擬建澳氹四橋下游2km，終點為已建西灣大橋上游800m；下行試驗范圍：起點為已建西灣大橋上游800m；終點為擬建澳氹四橋下游2km。雙向航行試驗范圍：上行船舶的起點為擬建澳氹四橋下游500m，終點為已建友誼大橋上游500m，下行船舶的起點和終點與上行船舶的相反。

3.2模擬方法和步驟

（1）建立模擬區(qū)域的電子海圖；

（2）建立模擬區(qū)域的三維視景；

（3）研究確定模擬方案；

（4）實施預(yù)定模擬方案；

（5）統(tǒng)計分析模擬結(jié)果并得出模擬結(jié)論。

模擬實驗的操縱人員是海事技術(shù)專業(yè)背景船長，對每一種工況都進行多次船舶操縱模擬仿真試驗，通過回放模擬試驗船舶運動航跡，分析船舶通過橋區(qū)水域的航跡帶寬度、漂角、舵角等航行參數(shù)指標(biāo)，論證船舶能夠安全通過橋群水域所需的橋跨布置方案。

3.3船舶航跡帶研究

通過對澳門水道內(nèi)27組工況（中水18組，20年一遇9組）的仿真試驗航跡進行疊加可以得出雙向航行航跡匯總圖，如圖2所示。對橋群上下游水域進行了航跡帶寬度分析可知，航道內(nèi)規(guī)劃最大船型3000噸級集裝箱船雙向航行時航跡帶寬度為200.1m。為滿足擬建澳氹第四條跨海大橋橋區(qū)水域船舶雙向航行的需求，保障船舶習(xí)慣航路，減小船舶通過橋群水域的風(fēng)險，橋梁設(shè)計單位根據(jù)船舶操縱仿真模擬試驗的成果確定通航孔跨度為280m，設(shè)計通航凈空寬度為247.3m，大于3000噸級集裝箱船雙向航行時航跡帶寬度200.1m，從操縱風(fēng)險分析，無論上行、下行還是雙向航行，3000噸級集裝箱船在橋區(qū)水域所壓舵角及漂角均在10°以內(nèi)，能順利通過橋群水域。

3.4船撞橋概率研究

根據(jù)橋區(qū)仿真模擬試驗結(jié)果分析可知，在橋區(qū)水域航跡帶寬度距離兩側(cè)橋墩的位置越近，產(chǎn)生的碰撞風(fēng)險也最大，因此需要對雙向航行中的上、下行船舶觸碰橋墩的概率進行計算。

AASHTO模型因簡單和實用性較強成為目前應(yīng)用最為廣泛的船橋碰撞概率計算模型。AASHTO模型計算碰撞概率的基本思路為，首先確定船舶的偏航率PA，然后乘以偏航船舶進入船橋撞擊區(qū)的概率，即幾何概率 PG，然后與該類（按通航標(biāo)準(zhǔn)分類）船舶年通航量相乘即可計算出該類船舶的年撞擊率。顯然AASHTO模型中關(guān)于幾何概率的定義認(rèn)為，船舶一旦駛?cè)氪瑯蜃矒魠^(qū)，就會一直保持當(dāng)初的狀態(tài)直到發(fā)生事故，因此缺乏人為因素在碰撞過程中的影響。

KUNZI模型中引入了停船距離參數(shù)s，在綜合了船舶外形尺寸，橋梁外形尺寸，水流情況以及駕駛?cè)藛T的素質(zhì)等各方因素后，認(rèn)為避讓橋梁障礙構(gòu)件所需的最小足夠距離是一個正態(tài)隨機變量。KUNZI模型考慮了人為因素在碰撞過程中的影響，但忽視了船舶的橫向分布，對估算結(jié)果的準(zhǔn)確度造成了較大偏差。

現(xiàn)有的計算船橋碰撞概率的計算模型均存在各自優(yōu)缺點，本次研究以船舶操縱模擬器為依托，在船舶模擬器上得到船舶航跡帶分布，結(jié)合AASHTO模型和KUNZI模型的優(yōu)點，在AASHTO模型的基礎(chǔ)上進行改進，所得到的結(jié)論為：澳門水道內(nèi)1000噸級貨船雙向航行時澳氹四橋整體受碰撞年頻率為1.14×10-5次/年，受3000t集裝箱船碰撞年頻率為7.41×10-5次/年。根據(jù)船撞橋概率研究成果，為保障橋梁及船舶的通航安全，通航孔的橋墩應(yīng)設(shè)置安全可靠的防撞設(shè)施。

4.結(jié)語

綜上所述，通過對開展船舶仿真模擬試驗，明確了在各種工況下澳門水道內(nèi)各種類型和噸位船舶雙向航行船舶航跡帶寬度，從而為橋群水域內(nèi)橋梁所需最小凈空寬度的計算和通航孔橋墩柱布置提供了依據(jù)，實現(xiàn)了通過采取在橋梁平面布置中適當(dāng)加大通航孔跨度的措施，解決橋群巷道效應(yīng)問題，在實際工程中具有良好的應(yīng)用效果。

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