船舶操縱仿真的狹長通航隧洞航行安全研究

鄧 健， 廖芳達， 謝 澄， 關宏旭， 嚴慶新

(武漢理工大學 a. 航運學院； b. 國家水運安全工程技術研究中心；c. 內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

通航隧洞是一類新型的、特殊的船舶通航設施，在世界范圍內十分稀少。近來年，隨著我國內河(特別是山區(qū)河流)航運梯級開發(fā)的深入，通航隧洞作為一類新型的通航設施正得到越來越廣泛的應用。2018年貴州烏江構皮灘樞紐建成了我國第一個船舶通航隧洞，長約300 m，可通航500噸級船舶；浙江論證通過了富春江二線船閘，其中包括建設富春江七里瀧航道通航隧道工程，可通航千噸級船舶；目前，正在建設的三峽新通道也初步論證了通航隧洞建設方案。

從建成和規(guī)劃的船舶通航隧洞來看，為便于船舶通航，通航隧洞長度一般超過1 km，橫斷面積通常大于200 m2，而其斷面系數(shù)小于4，“狹長”是通航隧洞的主要特點。船舶在隧洞中主要采取自航方式通航。狹長通航隧洞由于其通航寬度窄、水深淺、能見度不良和環(huán)境封閉等特點，屬于典型的受限航道，但船舶在隧洞中航行性能與敞開式限制性航道有別，隧洞中船舶操縱難度更大，船員心理壓力更高，因此，船舶安全風險比其他水域明顯更高。

國內外對于通航隧洞這一特殊對象的船舶航行安全研究較少。從研究方法來看，目前，對于受限水域內的船舶航行安全問題主要采用船舶操縱模擬器、船舶物理模型試驗和實船試驗等方法來開展；從結果來看，船舶操縱仿真方法是一類有效的研究手段，可針對于多種工況、多類型船舶條件進行研究，是最為有效手段之一。目前，國內外圍繞通航隧洞這一特殊的通航建筑物開展的研究工作較少，但船舶在受限水域內的航行安全研究積累了一定的經驗，國內外開展了廣泛的研究工作。

1) 船舶操縱仿真是一類有效的研究方法。黃立文等[1]運用航海模擬器對內河水域橋梁/船閘通航方案進行研究；徐元等[2]將航海模擬器應用于碼頭工程的通航評估過程中，分析其有效性；唐成港等[3]利用船舶操縱模擬器對船舶系泊安全進行研究；劉軼華等[4]利用大型船舶操縱模擬器對洋口港液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船舶進行靠離泊風險評估；溫魯?shù)萚5]利用船舶操縱模擬器開展關于上海洋山港港區(qū)三維視景仿真的研究。

2) 實船試驗和模型試驗也被常用于對通航水域相關問題研究，常俊宇等[6]基于實船試驗對作業(yè)耙吸船對長江口深水航道通航影響進行研究；徐雙喜等[7]對三峽庫區(qū)這一特定水域中自航船拖帶航行時的操作性、直航穩(wěn)定性進行了探討；徐進超等[8]運用物理模型試驗方法，對貴港二線船閘下引航道的布置進行了優(yōu)化研究。

本文將選取典型的狹長通航隧洞——擬建烏江思林二線通航隧洞工程作為對象，采用航海模擬器構建隧洞通航環(huán)境視景、代表船型模型，并由具備豐富駕引經驗的內河船長開展船舶直航試驗、船舶制動沖程操縱試驗和小舵角操縱試驗等3種試驗，分析船舶在通航隧洞內航行操縱的特點與風險，提出適用于狹長隧洞通航船舶航行的駕引方案。為保證研究結果的真實性，本文將使用英國船商公司開發(fā)的船舶全任務大型操縱模擬器NT-PRO 6000型模擬器開展研究工作，其獲得多個船級社的認證，已被成功應用于多處重大水工建筑物的通航安全研究，是一種對在復雜通航環(huán)境條件下的限制性水域船舶航行安全研究的有效方法。[1-3]

1 研究對象概況

烏江航道是我國規(guī)劃的高等級航道，貴州省重要的水路大通道，為進一步對烏江航道通過能力提等擴能，貴州省擬開展烏江二線通航設施的建設，其中，思林二線通航建筑物就是其中的重要部分?？紤]到環(huán)保和水土影響，思林二線通航建筑物建設擬使用船閘+通航隧洞+垂直升船機方案，其中，通航隧洞通航采用雙洞單行方案。思林二線通航隧道位于烏江峽谷河段，布置在思林已建通航建筑物左岸280 m處(見圖1)，軸線長2.2 km，隧洞斷面為城門洞型，下部為矩形過水斷面，上部為拱形洞頂，規(guī)劃隧洞高度20.0 m，通航隧洞寬16.0 m，高20.0 m，洞內水深5.5 m，為保證通航隧洞內交通、消防安全，在航道兩邊分別設置寬2 m、高4 m的人行橫通道，隧洞內截面圖見圖2。

圖1 思林二線通航建筑物工程圖

圖2 思林二線通航隧洞內截面圖

2 通航環(huán)境與船舶模型構建

使用船舶全任務大型操縱模擬器NT-PRO 6000型模擬器開展研究工作(見圖3)，其中最重要的基礎工作就是構建符合實際特征的通航環(huán)境視景模型的船舶模型，其建模方法可詳見文獻[2]。

圖3 NT-PRO 6000型船舶操縱模擬器

2.1 電子海圖顯示與信息系統(tǒng)和視景系統(tǒng)的構建

開展船舶通航隧洞的視景建模時，首先要構建模擬水域的電子江圖，并在此基礎上構建通航隧洞的三維視景。本文依據(jù)工程設計CAD圖，對隧洞工程水域進行數(shù)據(jù)錄取、數(shù)據(jù)轉換、坐標轉換和數(shù)據(jù)輸入等流程，利用Model Wizard建模平臺建立了相應的電子江圖和相應的航道視景模型，見圖4。

圖4 隧洞內三維視景模型

2.2 船舶三維模型的建立

根據(jù)貴州烏江航運的現(xiàn)狀和未來貨運市場的分析，烏江航道貨運主要以干散貨運輸為主。因此，本研究主要選取1 000噸級干散貨船作為模擬仿真對象，模型尺度船型主要參數(shù)見表1，建立相對應的船舶三維模型見圖5。

表1 試驗船型主要參數(shù) m

圖5 1 000噸級散貨船三維模型

3 船舶操縱仿真試驗方案設計

3.1 通航環(huán)境條件設置

由于隧洞通航環(huán)境較為封閉，影響船舶航行的主要因素為氣象、水流、照明和其他因素等。

1) 氣象因素：考慮到隧洞內兩側存在明顯的遮擋，因此隧洞中的風一般順直于航道。據(jù)調研該地區(qū)夏季主導風向為S風，冬季以NNE風為主，風力以常規(guī)風力4級為主，風速為7 m/s。

2) 水流因素：由于隧洞上下游分別建設有船閘和升船機等設施，通常運行時隧洞無水流入和流出，除船型波影響外，一般情況下流速整體很小，因此，試驗中設置初始水流條件為靜水。

3) 照明因素：由于隧洞內照明主要為駕引人員能看清航道及周圍環(huán)境，因此，將隧洞入口分為入口0～10 m照度為200 lx、入口10～20 m照度為100 lx和入口20～50 m照度為30 lx等3個入口段，其余為中間段，照度為10 lx。

4) 其他因素：本研究只考慮單艘船舶在隧洞內的航行情況，不考慮多艘船舶在隧洞內航行的相互影響。

3.2 試驗方案的設計

本研究模擬船舶在隧洞內的主要航行狀態(tài)，主要開展以下3類試驗：

1) 船舶直航試驗：即對于船舶從引航道進入隧洞、在隧洞內航行和船舶駛離隧洞的全過程進行模擬，以了解船舶通過隧洞整個過程的操作情況。

2) 船舶制動沖程操縱試驗：為了解船舶在通過隧洞過程中進行緊急制動時的操作情況，開展船舶制動試驗，以研究隧洞內緊急制動的距離。

3) 小舵角操縱試驗：由于隧洞內航道順直，因此，船舶操縱基本采用小舵角對船舶進行控制，為考察船舶在小舵角情況下的轉向性，開展小舵角操縱試驗，此試驗控制舵角按照3°進行，當船舶航向變化1°時即進行反向操作，以考察船舶在小舵角情況下的操作。

3.3 試驗人員的選取

由于通航隧洞內航道狹窄，對船舶駕引人員的技能水平要求較高，因此，模擬仿真試驗駕駛人員為持有內河一等船長證書的專業(yè)內河船舶駕駛人員。

4 試驗結果分析

4.1 船舶隧洞內航行試驗結果分析

由試驗仿真結果可知：船舶在隧洞中航行的過程主要可分為船舶駛入隧洞、船舶在隧洞內航行和船舶駛出隧洞等3階段，其船舶航行具有較為顯著的區(qū)別。孟慶杰等[9-10]采用數(shù)值模擬的方法研究船舶進出構皮灘船閘過程，對其特征進行探討，本研究相關結果與船舶進出船閘過程有一定相似性，但也存在明顯的差異。

4.1.1船舶駛入隧洞階段航行試驗結果分析

船舶駛入隧洞的階段的操縱航跡見圖6。船舶在引航道中航行時操縱船舶較為順暢，但船舶在鄰近隧洞口門附近約30 m水域時，艏向開始偏蕩比較厲害，保持航向存在一定困難，駛入隧洞口門后，在隧洞內200～300 m時阻力明顯加大，船舶出現(xiàn)明顯降速，航行速度約在2～3 kn。同時，船舶進入隧洞階段，由于隧洞狹長，隧洞內光線變暗，眼睛無法立刻適應，駕引人員會感覺眼前一片漆黑，即產生黑洞效應。隨著船舶逐漸進入隧洞內，駕引人員會逐步適應隧洞內的環(huán)境，但視野受到限制，無法對遠處進行有效瞭望。因此，該階段駕引人員受能見度變化的影響較大。

圖6 船舶駛入隧洞階段的操縱軌跡

在船舶駛入隧洞口門前，由于引航道寬度與航道寬度的差異，使船舶兩側流場具有不對稱性，導致船舶存在側向力與轉艏力矩，可能會發(fā)生碰壁或者轉艏的情況。特別是由于隧洞內水域環(huán)境既窄又淺，船體周圍流場呈現(xiàn)明顯的岸壁效應與淺水效應，因此，船舶在駛入隧洞過程中總阻力、側向力和轉艏力矩呈現(xiàn)明顯的震蕩。在船舶駛入隧洞后，由于洞內航道尺度狹窄，阻塞系數(shù)高，水流將被推入隧洞內而不能及時回流，導致隧洞內水位上升，增加船舶所受阻力。與船舶進出船閘研究不同的是，由于隧洞縱深較大，其出現(xiàn)阻力明顯增加的位置不是進入口門的初始階段，而是深入隧洞內200～300 m。

因此，從保障證船舶航行安全的角度來看，在船舶駛入隧洞的過程中，應在船舶進入隧洞前的初始階段保持一定的航速，船舶航速宜控制在3～5 kn，對準口門中心線行駛，在口門附近水域應把定船舶航向，防止船舶偏蕩撞擊口門，進入口門后要保持勻速航行，把定航向。同時，為防止碰撞，應在船舶和隧洞進口門處采用一定的防碰壁措施。同時，為保障能見度劇烈變化對駕引人員產生的影響，應注意在隧洞入口段合理設置照明條件的過渡。

4.1.2船舶在隧洞中段航行試驗結果分析

船舶在隧洞中段航行過程的操縱航跡見圖7。船舶在進入隧洞內超300 m后船舶降速明顯，但與此同時，在船舶隧洞中段航行過程中由于伴流的影響，航向相對穩(wěn)定，速度也逐漸平穩(wěn)。在操縱仿真過程中用車和用舵操作表明：船速控制在一定速度范圍內(1.0～1.6 m/s)較為適宜，低于這一航速時，舵效降低明顯；而超過這一速度時，加車時明顯感覺航行阻力加大，速度提升不明顯。當船舶航行至隧洞末端200～300 m時，隨著越接近隧洞口，船舶水阻力逐漸變小，船舶速度逐漸增大。在船舶隧洞內航行時，能見度條件較洞外下降明顯，因此，照明燈光對船舶瞭望存在較大影響，由于隧洞內缺乏參照物，駕駛船舶不易對準航道中心線位置，用舵不慎極易擦碰岸壁。同時，由于長時間在能見度不良的狹窄水道航行，駕駛人員心理壓力變大，影響船舶操縱。

圖7 船舶在隧洞中段航行過程的操縱軌跡

由于船舶進入隧洞內后附加質量增加，水動力變化明顯，降低船舶航速。通航隧洞對通行船舶航行的影響主要體現(xiàn)在船舶阻力性能和吸底效應兩個方面。在小斷面系數(shù)航洞中航行時，存在一個臨界速度，船舶航行時應盡量小于臨界速度，因為，在臨界速度范圍內，船體周圍的流態(tài)較復雜且不穩(wěn)定，船舶的浮態(tài)亦很不穩(wěn)定。為便于船舶對準，在隧洞頂沿航道中心線設置有效的燈光，便于船舶判斷航道中心線并提供有效的照明。在隧洞內行駛時，駕引人員仍需保持高度注意集中，保持航向，船舶接近隧洞出口時，應適當控速，避免出隧洞后航速過大。

4.1.3船舶駛出隧洞階段航行試驗結果分析

船舶駛出隧洞階段的操縱航跡見圖8。當船舶航行至接近隧洞末端200～300 m時，隨著接近隧洞口，船舶水阻力會逐漸變小，船舶航速會相對提高。船舶航行至隧洞口門附近30 m水域時，艏向偏蕩比較厲害，把定航向會出現(xiàn)一定的困難。當船舶駛出隧洞時，駕引人員會因為光線突然變強，視覺也會變得模糊，無法立即看清隧洞外的環(huán)境，會對船舶駕駛產生一定影響。隨著船舶逐漸駛出隧洞，駕引人員會適應隧洞外光線，視覺會變得清晰，視野也逐步變得開闊。

圖8 船舶駛出隧洞階段的操縱軌跡

當船舶接近駛出隧洞時，由于船舶兩側流場的不對稱性，導致船舶所受側向力與轉艏力矩不為零。由于船體周圍水域變得更寬闊，船體周圍水體回流速度進一步下降，船舶所受阻力變小，船速增大。但由于流場的不對稱性，船舶仍存在側移與轉艏的可能性，船舶航向不易操控。同時，長時間在隧洞中航行，單一的視覺環(huán)境容易使人產生生理疲勞，對外界感知和反應減弱。當船舶駛出隧洞時，光線變化劇烈極易產生白洞效應，對船舶駕駛產生較大影響。因此，從保障船舶航行安全的角度來看，在船舶駛出隧洞的過程中，駕駛人員應在距離洞口300 m處開始注意控制航速，在隧洞內設置提醒標志，提醒駕駛人員及早采取有效控速措施，駛出隧洞的速度不能太快，要留有足夠多的時間調整船舶，以便順利駛出隧洞。船舶距離洞口門越近發(fā)生碰壁或者轉艏的可能性越大，因此，在船舶實際運行中，應加大洞口處防碰壁措施。

4.2 船舶制動試驗結果分析

船舶在隧洞內航行過程中，可能由于一些緊急情況，需緊急制動，本研究選取了3種不同情況進行船舶制動試驗。

1) 制動試驗1：初始速度3 kn，船舶停車。

2) 制動試驗2：初始速度3 kn，船舶Slow Astern倒車。

3) 制動試驗3：初始速度3 kn，船舶Half Astern倒車。

制動試驗1的船舶航跡見圖9。船舶制動仿真試驗沖程數(shù)據(jù)見表2。試驗結果表明：由于船舶隧洞內航行時水阻力較大，因此，整體來看，船舶在隧洞內制動沖程距離較小。

圖9 制動試驗1的船舶航跡

表2 船舶制動仿真試驗沖程數(shù)據(jù) m

船舶在隧洞內制動沖程距離較小，有利于在發(fā)生緊急情況下的船舶緊急停車，也為隧洞內連續(xù)多船航行時的船舶間距提供一定參考。但由于隧洞內航行空間狹小，距離太近會對駕引人員視覺和心理造成較大的壓迫感，同時，由于隧洞內照明燈光對船舶瞭望存在一定影響，船舶無法及時對前船操作進行反應。因此，在保證通過能力的前提下，船舶應與前船保持至少5倍船長的船舶間距，在條件允許的情況下，應盡可能增加兩船間距，以保證船舶通航安全。

4.3 船舶小舵角操縱試驗

由于在隧洞內船舶保持航向多采用小舵角進行控制，故在進行試驗時，控制舵角按照3°進行，當船舶航向變化1°時即可反向操作。試驗結果表明：熟練的駕駛人員在正常條件下船舶操縱航跡帶寬度約為15 m，較之目前隧洞16 m寬度的富余寬度很小，故隧洞內發(fā)生船舶擦碰的可能性很大。

為保證船舶及隧洞安全，一方面建議船舶進入隧洞前，需分別在船舶左右兩舷安排專人，通過繩索控制輪胎等吸能裝置于兩舷側，當存在發(fā)生擦碰情況時，可及時將碰墊置于船舶與岸壁之間，保證船舶和岸壁的安全；另一方面，在工程設計中應考慮適當增大隧洞內的航道寬度。

5 結束語

狹長隧洞是一類非常新型的樞紐通航建筑物，特別對于山區(qū)河流的水運發(fā)展意義重大。但由于對隧洞內船舶航行安全的相關研究還極少，本文利用先進的船舶操縱仿真模擬器，針對內河通航隧洞的船舶駕引及安全保障措施開展仿真試驗研究。選取思林二線通航隧洞工程數(shù)據(jù)為對象，構建隧洞通航環(huán)境和代表船型模型，模擬操縱船舶在隧洞航行的過程，從仿真結果得出航行操縱和安全保障的結論。

1) 隧洞通航寬度狹窄，斷面系數(shù)小，船舶在通航隧洞航行時受到阻力性能和吸底效應兩個方面影響最大。船舶航行在隧洞內時，容易與隧洞岸壁發(fā)生擦碰，對船舶駕駛人員的操縱水平要求高。

2) 船舶在通航隧洞航行時，其航行操縱應注意3個階段：

① 船舶駛入隧洞階段進入口門處水流條件復雜，船舶由于岸壁效應、淺水效應等容易產生偏蕩、撞擊口門，在駕駛過程中應特別注意，并做好防碰撞措施，同時應保持一定航速；

② 船舶隧洞中段航行階段，船舶駛入口門一段距離后會出現(xiàn)明顯降速現(xiàn)象，中段航行時應保持一定速度，約為1.5 m/s，過低或過高都會導致船舶操縱困難或阻力快速增加；

③ 船舶接近隧洞口時，船舶又會出現(xiàn)明顯增速現(xiàn)象，要求駕駛人員聯(lián)合使用車舵，保持船舶航向，同時駛出隧洞后時應注意控制船速。

3) 隧洞內能見度較差，且與洞外變化明顯。

① 駕駛人員應始終保持高度注意力，建議通過隧洞時駕駛臺保持2人以上值班；

② 隧洞內盡力提供更好的照明條件，特別是沿著隧洞內航道中心線位置設置有效的燈光，便于船舶判斷航道中線并提供有效的照明。

船舶通航隧洞作為一種新型的船舶通航設施，其安全運營均存在很多問題亟待研究，本文可為船舶在隧洞內安全通航提供有益的參考。