錢塘江航道大型客旅船安全通航適應(yīng)性研究

韓冰翰 馬晶

摘 要：現(xiàn)有錢塘江的主力游輪為50米級(jí)，難以完全滿足休閑、旅游等需求，有必要對(duì)錢塘江大型客旅船通航可行性進(jìn)行研究。分析錢塘江五個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)航段，基于MMG思想建立90-110米三種客旅船運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)航段的電子江圖和雷達(dá)圖像，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建航段的三維航行場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上，通過船舶操縱模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證、分析90-110m客旅船在錢塘江航道安全通航的可行性。

關(guān)鍵詞：船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型;電子江圖;三維場(chǎng)景;客旅船

中圖分類號(hào)：U698 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0065-03

近期，杭州市政府順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的脈絡(luò)，提出了“擁江發(fā)展”戰(zhàn)略，到2035年，杭州將規(guī)劃形成以錢塘江為中軸的市域“擁江發(fā)展”格局。目前錢塘江上的主力游輪為50米級(jí)，難以適應(yīng)休閑、旅游等多功能要求，急需尺度較大的客旅船加入。船舶本身的性能和尺度相當(dāng)程度上決定了水上旅游的質(zhì)量，為了加快打造錢塘江水上旅游項(xiàng)目，很有必要對(duì)錢塘江大型客旅船通航進(jìn)行可行性研究。

本文選取錢塘江典型航道，通過船舶操縱模擬試驗(yàn)，參照維京內(nèi)河游輪，驗(yàn)證、分析90-110m的客旅船在錢塘江航道安全通航的可行性及通航限制條件。

1技術(shù)方案

本文的技術(shù)路線如圖1所示：

（1） 通航環(huán)境分析。分析錢塘江水域的地理位置、自然環(huán)境、水文環(huán)境。

（2） 錢塘江航段通航特征分析。結(jié)合航道的基本情況（包括航道寬度、水深、轉(zhuǎn)彎半徑等），綜合分析航道的規(guī)劃定位、營(yíng)運(yùn)船舶特點(diǎn)、過河建筑物通航凈空尺度等方面因素。

（3） 模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。具體包括模擬試驗(yàn)航道、水文、氣象條件、船型等。

（4） 模擬船舶數(shù)學(xué)模型建模。為模擬試驗(yàn)的客旅船建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

（5） 錢塘江典型航段三維場(chǎng)景建模。建立模擬水域的陸地建筑物、航標(biāo)、河道等三維模型，構(gòu)建模擬試驗(yàn)場(chǎng)景。

（6） 錢塘江典型航段電子江圖開發(fā)、雷達(dá)圖像模擬。

（7） 錢塘江水域水文特征模擬。通過數(shù)學(xué)模型模擬航段的流場(chǎng)。

（8） 模擬試驗(yàn)。請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的、熟悉航道水域自然和地理環(huán)境的操船人員進(jìn)行船舶操縱。

（9） 依托研究資料和模擬試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)游輪錢塘江大型客旅船通航的可行性進(jìn)行論證。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立

基于分離模型（MMG）的思想構(gòu)建大型客旅船運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，模擬船舶的車舵響應(yīng)、慣性和旋回性等方面的操縱性應(yīng)與實(shí)船應(yīng)基本一致，所建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的有關(guān)性能參數(shù)符合IMO的“船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)”的相關(guān)要求。如圖2所示為船舶模型的相關(guān)影響因素：

本文參照維京內(nèi)河游輪，考慮錢塘江航段的航行限制，建立三條客旅船的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，這三條船的船長(zhǎng)分別為92m、96m和110m、船寬均為11.2m，最大吃水均為2.5m，客旅船數(shù)學(xué)模型開發(fā)的部分界面如圖3所示：

2.2電子江圖開發(fā)

根據(jù)錢塘江水域的河道圖、平面布置圖及相關(guān)航道工程資料，進(jìn)行數(shù)字化后形成電子江圖。本文采用了面向?qū)ο蟮姆椒?，參照S-57標(biāo)準(zhǔn)，生成和顯示電子江圖。

在S-57模式中，對(duì)于真實(shí)物體的定義分為描述特征和空間特征兩種。前者是對(duì)物體除幾何信息外的描述，而后者主要是描述物體的幾何信息，但也可包括其他信息的描述。理論數(shù)據(jù)模型見圖4。

2.3三維航行場(chǎng)景模擬

三維航行場(chǎng)景是用戶在模擬試驗(yàn)時(shí)獲取船舶航行信息的最直接、數(shù)量最大的來源，一個(gè)好的三維場(chǎng)景可以使用戶有身臨其境的感覺。

三維場(chǎng)景建模工作主要包括：建模資料搜集、建模數(shù)據(jù)處理、紋理圖片處理、紋理映射、三維地形地貌建模、三維物體建模、細(xì)節(jié)層次處理、模型整合及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫調(diào)試安裝等。三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)研制流程參見圖5。

場(chǎng)景建模軟件采用Multigen公司的Creator，建模的基本原則是： 使用盡可能少的三角面片數(shù)和紋理量來構(gòu)建逼真的模型。場(chǎng)景管理軟件采用OpenSceneGraph（OSG），通過對(duì)OSG的場(chǎng)景圖進(jìn)行重點(diǎn)分析，利用場(chǎng)景圖的強(qiáng)大功能來管理和顯示模擬的場(chǎng)景。

3 船模試驗(yàn)

本文結(jié)合實(shí)地考察、調(diào)研分析，選取錢塘江的嚴(yán)州大橋—富春江大壩段、富春江船閘、富春江大壩—窄溪段、窄溪—聞家堰段、聞家堰—八堡段等五個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)航段進(jìn)行重點(diǎn)研究。建立三條客旅船運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，如圖6所示;開發(fā)主要航段的電子江圖及雷達(dá)圖像，如圖7所示;建立相應(yīng)航段的三維航行場(chǎng)景，如圖8所示。在分析各航道水文、氣象、等基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)方案。如表1為嚴(yán)州大橋—富春江大壩段的部分模擬試驗(yàn)方案，圖9為船模試驗(yàn)所用的船舶操縱模擬器。

如圖10為表1中試驗(yàn)3的航跡截圖及相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過對(duì)上述模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出客旅船在不同通航條件下的航跡帶寬度、所需轉(zhuǎn)彎半徑等數(shù)據(jù)，如圖10為96米客船通過富春江特大橋區(qū)域的航跡帶寬度、離橋墩最近距離、偏航距統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié)論

通過對(duì)錢塘江水域水文氣象資料的分析，以及五個(gè)典型航段的船舶操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果分析，綜合考慮多方因素，在目前掌握的水文氣象條件下，對(duì)通航標(biāo)準(zhǔn)做一定的限制，并采取必要的安全管理措施的前提下，模擬試驗(yàn)船型（船長(zhǎng)92米、96米）可以在充分使用側(cè)推器的前提下，保證船舶的安全通航。試驗(yàn)船型（船長(zhǎng)110米）在該水域航行的難度非常大。同時(shí)對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)航段，通過模擬試驗(yàn)也給出了具體的通航限制條件和安全保障措施。

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基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（2019039）;國(guó)家自然科學(xué)基金（52071312）