Shipma 軟件在港口工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

印宇軒，龍俞辰，覃 杰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

1 軟件介紹

Shipma 軟件是由荷蘭MARIN 航海中心和三角洲公司（Deltares）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一款快速仿真（Fast-time）操船模擬程序，可快速模擬船舶在港口以及航道（包括內(nèi)河航道）中的操縱行為。有別于常見(jiàn)的實(shí)時(shí)仿真（Real-time）系統(tǒng)，F(xiàn)ast-time 系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

1）建模速度快，運(yùn)行時(shí)間短；

2）配置要求低，試驗(yàn)成本小。

3）操作簡(jiǎn)單，容易上手

因此，該系統(tǒng)特別適用于工程項(xiàng)目前期概念方案和投標(biāo)階段的方案比選，以及工程項(xiàng)目可行性研究和初設(shè)階段的方案論證。根據(jù)PIANC[1]中規(guī)定，采用理論計(jì)算方法[2-3]得到的航道寬度、深度等計(jì)算結(jié)果，還需要得到操船試驗(yàn)論證，該試驗(yàn)論證需涵蓋船舶外形、船首和船尾推進(jìn)器、拖船、基礎(chǔ)設(shè)施情況、環(huán)境條件[4-5]等相關(guān)因素，試驗(yàn)?zāi)M所得結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)優(yōu)化依據(jù)和限制作業(yè)條件被相關(guān)人員和單位所采納。特別的，在施工圖階段，應(yīng)該采用Real-time 系統(tǒng)對(duì)前期Fast-time 軟件模擬所得結(jié)果做最后論證。Shipma 作為一款Fast-time 仿真軟件，其在國(guó)外設(shè)計(jì)單位以及科研單位，尤其是歐洲地區(qū)具有較為廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，其模型試驗(yàn)運(yùn)行流程如下圖所示：

圖1 Shipma 模型流程圖

2 工程概況

某港口工程擴(kuò)建項(xiàng)目位于突尼斯東部哈馬馬特灣內(nèi)，項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括新建長(zhǎng)2 000 m 集裝箱碼頭，兩條防波堤以及港池和航道疏浚。項(xiàng)目平面方案如下圖所示，該方案航道長(zhǎng)1.85 km，寬350 m，疏浚水深-18.5 m。港池寬550 m，回旋圓直徑900 m，疏浚水深均為-17.5 m。南北兩條防波堤分別長(zhǎng)800 m 和1 600 m，為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤頭水深約-10 m。本項(xiàng)目為前期項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)中經(jīng)理論計(jì)算得出各平面尺度，最終通過(guò)Shipma 軟件進(jìn)行模型試驗(yàn)，對(duì)平面方案進(jìn)行論證。

圖2 平面布置圖

3 軟件模擬

3.1 設(shè)計(jì)船型

本項(xiàng)目所用船舶數(shù)學(xué)模型采用Shipma 操縱手冊(cè)[6]中推薦的Abkowitz 水動(dòng)力模型，考慮風(fēng)、浪、流以及水深和船舶吃水等影響。設(shè)計(jì)船型參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)船型輸入條件

設(shè)計(jì)船型對(duì)應(yīng)航速特征值如表2 所示：

表2 設(shè)計(jì)船型航速特征值

該船型最大舵角為35°，同時(shí)為了保證船舶航行安全，舵的操作需控制在最大值的70 %以內(nèi)。

3.2 拖輪

本項(xiàng)目采用2 艘65 t 的ASD（Azimuth stern Driven）型拖輪配合船舶進(jìn)港和離港作業(yè)，具體拖輪參數(shù)如表3 所示：在Shipma 中，拖輪對(duì)設(shè)計(jì)船型施加的作用主要通過(guò)力矩的形式添加到模型中，該力矩大小和拖輪類型，航行速度以及船身系船柱（受力點(diǎn)）位置有關(guān)。此外，拖輪的最大功率被限定為額定功率的70 %，以保證操作安全，1.5 m 波高則被認(rèn)為是拖輪作業(yè)的極限波高。對(duì)于設(shè)計(jì)船舶來(lái)說(shuō)，可捕獲拖繩和獲得拖輪幫助的最大速度為6 節(jié)，相應(yīng)的操作時(shí)間通常假定為10-15 分鐘。

表3 拖輪參數(shù)

3.3 環(huán)境條件

環(huán)境條件中對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)影響最大的因素是風(fēng)、浪和潮流，它們直接影響船舶通行和碼頭可作業(yè)率[7]判定的準(zhǔn)確性，因此相關(guān)數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性要求也是最高的，所以在進(jìn)行模擬前，應(yīng)具備至少一年項(xiàng)目所在地的實(shí)測(cè)氣象、水文和氣候資料。

1）風(fēng)

本項(xiàng)目主風(fēng)向?yàn)镋SE 向，風(fēng)速14.1 m/s，風(fēng)力作用對(duì)整個(gè)區(qū)域的作用視作均布荷載，忽略地形地勢(shì)等對(duì)風(fēng)力的影響。

2）浪

本項(xiàng)目主浪向同風(fēng)向一致，也為ESE 向，波高2.7 m，周期7 s。

3）潮流

該項(xiàng)目防波堤以北區(qū)域流速最大值為1 m/s，防波堤以南區(qū)域流速最大值為1.5 m/s。風(fēng)浪流整體情況如圖3 所示：

圖3 風(fēng)、浪、流場(chǎng)示意圖（黑色、紅色、綠色箭頭分別表示風(fēng)、流、浪）

3.4 操縱定義

操縱定義主要包括航行軌跡定義和自動(dòng)駕駛程序定義，可以根據(jù)實(shí)際情況將軌跡定義和自動(dòng)駕駛程序定義按不同階段劃分。在Shipma 中，船舶由自動(dòng)駕駛儀操縱，該自動(dòng)駕駛儀可以在航跡保持和港口操縱模式下操縱，從而可以實(shí)現(xiàn)一些典型的港口操縱模擬，如加速、減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭等。本項(xiàng)目船舶進(jìn)港和出港操縱定義如表4 所示：

表4 操縱定義表

4 方案論證

4.1 計(jì)算結(jié)果

對(duì)該軟件計(jì)算結(jié)果分析主要圍繞船舶維持既定航行軌跡行駛的能力，即為了維持軌跡而使用的外部力量，包括船舶自身舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速，拖輪功率等是否超過(guò)額定值。如使用的外部力量未超過(guò)各輔助操縱指標(biāo)額定值，則認(rèn)為該船舶可以安全的通行，反之，則認(rèn)為該船舶無(wú)法安全通行，需要對(duì)平面方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。計(jì)算結(jié)果輸出主要包括四部分內(nèi)容；船舶航行軌跡圖、船舶作業(yè)曲線、前拖輪作業(yè)曲線和后拖輪作業(yè)曲線（螺旋槳轉(zhuǎn)速、船速和舵角隨航行路程變化曲線）。從軌跡圖中可以看到，在進(jìn)入口門之前，為最大程度抵抗ESE 方向的風(fēng)和浪，其船頭與航道軸線呈一定角度，在進(jìn)入口門之后，在拖輪的協(xié)助下，船頭逐漸轉(zhuǎn)向軸線方向，船舶順著航道軸線駛?cè)敫鄢貎?nèi)部，整個(gè)過(guò)程未發(fā)生船舶偏航的情況，船舶作業(yè)曲線也同樣反映了這點(diǎn)。船舶航行軌跡如圖4 所示。

圖4 船舶航行軌跡圖

4.2 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算得知，本次船舶維持既定航線通行所需外力大小并未超過(guò)各輔助操縱指標(biāo)額定值，且在滿足以下條件時(shí)，船舶可以安全的進(jìn)行靠離泊作業(yè)：船舶在進(jìn)入口門之前，船速需降至6 節(jié)，以便拖輪靠船作業(yè)，同時(shí)舵角轉(zhuǎn)向10 度以抵抗波浪和潮流的作用。拖輪在船舶完全進(jìn)入口門后10 分鐘完成靠船作業(yè)，開(kāi)始協(xié)助船舶減速和掉頭。在此期間內(nèi)，船舶需調(diào)整推進(jìn)方向往相反方向完成減速，該調(diào)整時(shí)間為10 s。船舶進(jìn)入回旋圓之后，后拖輪開(kāi)始拖動(dòng)船舶進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)向作業(yè)，拖力約540 kN，整個(gè)掉頭時(shí)間約5 分鐘，在此期間內(nèi)，船舶航行距離600 m，約2 倍船長(zhǎng)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，拖輪作業(yè)功率不超過(guò)額定功率70 %，船舶轉(zhuǎn)向舵角不超過(guò)最大轉(zhuǎn)向舵角35°的70 %。

5 結(jié)語(yǔ)

1)Shipma 軟件操作包括設(shè)計(jì)船型輸入、拖輪參數(shù)輸入、風(fēng)浪流自然條件輸入、地形地質(zhì)參數(shù)輸入、航行軌跡輸入、自動(dòng)駕駛程序輸入等步驟。輸出成果包括船舶航行軌跡圖、船舶作業(yè)曲線圖、前拖輪作業(yè)曲線圖和后拖輪作業(yè)曲圖，最終通過(guò)船舶維持既定航行軌跡行駛的能力來(lái)判斷船舶是否可以安全完成進(jìn)出港作業(yè)。

2)Shipma 軟件可以以較低的時(shí)間成本、人力成本和經(jīng)濟(jì)成本完成操船試驗(yàn)，特別適合項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)階段、投標(biāo)階段、工可和初設(shè)階段的方案比選和論證。在利用規(guī)范進(jìn)行理論計(jì)算得到各平面尺度之后，通過(guò)Shipma 軟件進(jìn)行快速仿真模擬，對(duì)各尺度進(jìn)行論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為方案設(shè)計(jì)可靠性提供更有力的依據(jù)。

3)有別于Real-time 仿真系統(tǒng)，Shipma 軟件采用的是Fast-time 仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要船長(zhǎng)或引航員實(shí)際參與船舶駕駛，僅需軟件操作人員根據(jù)實(shí)際情況按船舶航行不同階段擇機(jī)選擇不同的駕駛程式（操作指令），由電腦程序自行完成船舶駕駛即自動(dòng)駕駛程序。但在施工圖階段，仍需要通過(guò)Real-time 仿真系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，對(duì)平面方案進(jìn)行最終驗(yàn)證。

我國(guó)目前設(shè)計(jì)單位較少擁有進(jìn)行船舶操縱模擬試驗(yàn)的人員和設(shè)備，當(dāng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及相關(guān)科研試驗(yàn)時(shí)，主要依托各大院校和科研機(jī)構(gòu)完成，而上述單位又主要以Real-time 仿真程序?yàn)橹?，較少配備Fast-time 系統(tǒng)。這就使得一些前期項(xiàng)目、投標(biāo)類項(xiàng)目在時(shí)間和資金本不充裕的情況下，僅能依靠理論計(jì)算方法得到計(jì)算結(jié)果，這在海外工程項(xiàng)目中存在較大的不利影響。一方面，很多海外項(xiàng)目業(yè)主在項(xiàng)目前期就要求承包商完成必要的科研論證工作，設(shè)計(jì)單位僅通過(guò)理論計(jì)算得到的結(jié)果無(wú)法得到業(yè)主認(rèn)可，不滿足標(biāo)書要求。另一方面，理論計(jì)算所得結(jié)果大多較為保守，這對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)激烈的海外現(xiàn)匯投標(biāo)類項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是非常被動(dòng)的。

綜上所述，本文運(yùn)用Shipma 軟件，以實(shí)際工程項(xiàng)目為例進(jìn)行操船試驗(yàn)，模擬船舶進(jìn)出港全過(guò)程，所得結(jié)果翔實(shí)可靠，可為同類工程設(shè)計(jì)提供很好的參考價(jià)值。