船舶操縱模擬器在橋梁／船閘通航方案論證中的應用

黃立文，張 蔚，嚴慶新，熊錫龍，張 鵬

（武漢理工大學 航運學院，武漢430063）

內河水域通航河段上的建設工程，無論施工期還是建成后都會改變水域通航環境，對船舶通航安全造成一定影響。為了確保航道、船舶及工程的安全，工程水域的通航方案必須合理、安全。

在通常情況下，方案的設計是依據己有的各種規范及設計者和航海者的經驗判斷來決定的，這種方法對于各種環境因素的影響，特別是各種環境因素綜合在一起時船舶操縱的合理性、安全性很難做出評價，而且風、流本身就是隨機變化的因素，不可能每一種情況都用實船來進行試驗，因此利用船舶操縱模擬器來進行通航方案的模擬試驗成為一種新的發展趨勢［1］。運用船舶操縱模擬器來進行船舶通航的模擬試驗，分析工程水域的航道特征、水文特征、典型環境條件，在模擬器中來模擬船舶在這些環境條件下的航行狀況，這樣即可以修改設計方案不合理的地方、預估船舶航行風險，還可以優化方案的設計、提出安全保障對策。

1 步驟

1.1 船舶操縱模擬試驗的準備工作

1.1.1 電子海（江）圖的制作

選用最新版的紙質海（江）圖展開數字化工作，電子海（江）圖數據精度關系到船舶的航行安全，應及時更新和添加擬建橋梁、建筑物等影響通航環境的工程，并將其具體的方位、尺寸以及航道經疏浚后的增深值等修改或補充到新的電子海（江）圖上［2］。

1.1.2 風、流等外界環境的模擬

為了模擬實際的航行操縱情況，應向模擬器輸入準確的風、流等資料。應用風壓力系數計算風干擾力，在港灣、航道和近海航道等處的流，一般具有不均勻性、不定常性，根據實測點處的流速、流向，采取在該點處用實測值，在附近點處進行加權平均取值［2-3］。也可以進行簡化，對最不利于船舶安全通航的環境條件，進行定常處理。如僅需論證船舶在某段航道中能否安全操縱，可僅取對操船最不利的定常風向、風速、流向、流速，如需模擬擁擠水域和狹窄航道內船舶操縱，應取得準確的交通流數據，一般是通過進行交通流觀測統計得到［1］，或由經驗豐富的引航員依經驗設定。

1.1.3 船舶模型的建模

目前，現有的船舶模型庫中己經包含了所有常見的船舶的三維模型。在此基礎上，利用相關軟件工具可以快速、逼真地生成用戶要求的特定的船舶模型，大大提高模擬器試驗的范圍和效果。當然，要對常見的模型進行必要的修改和試驗，以適應特定船型的要求。

1.2 試驗方案的設計與實施

準備工作就緒后，依據模擬試驗的目的，結合熟悉實地環境的引航員、船長的實際經驗，擬定初步試驗方案。在實施模擬時，考慮各種環境因素組合中最為不利的影響，對風向風速、流向流速、船舶載況進行適當調整，以便于對試驗結果進行統計分析，得出保障安全通航的環境因素的限制值［2］。由于大型船舶受風、流的作用比較敏感，需要統計風、流影響的限制值。同時，交通流的統計對試驗方案的擬訂也有一定的影響。試驗一般由經驗豐富的引航員或資深的船長來操作或指導操作。

1.3 對模擬結果進行評價

為了能對模擬結果做出客觀的評價，必須在不同環境因素組合下進行一定數量的實時模擬，對試驗結果和相關數據進行記錄，必要時可利用航行重演功能，得出足夠多的試驗數據，便于對試驗結果做出評判，尤其是對在特定條件下船舶通航方案是否合理做出判斷，給出確保船舶安全的航行方法，提出船舶安全通航的保障方案和通航水域交通管理方面的建議等等。圖1為上述模擬試驗步驟的流程圖［1］。

圖1 模擬試驗方案的流程圖

2 應用實例

武漢理工大學航運學院利用英國船商公司的NTPRO 4 000型全任務大型船舶操縱模擬器對中山市35號路長江大橋和紅水河橋鞏水電站進行了船舶通航方案論證的模擬試驗。

2.1 航道及環境

中山市35號路長江大橋是跨越石岐河水道東河段的一座特大橋。石歧河水道屬國家Ⅳ級航道，常水位+0.586m，航道水深約4m，設計通航凈高8.5m，設計通航水位+2.186m。對橋區海損事故進行分析發現，不少事故是在作用于船上的風力大于三到四級以上時發生的，環境條件突變因素（突然增加風力、水位急劇下降，能見度突然降低，風力猛烈增強等）對船舶航行安全起著特別重要的作用。由于橋梁在施工期間安裝采用常規的支架上安裝法，需要臨時占用石歧河的河道，臨時支架施工完畢后，實行雙向的通航，臨時通航道通航凈寬均為16m，通航高度7.5m。

2.2 試驗船型

依據中山市35號路長江大橋航道通航能力，指定模擬通航試驗所用的船舶主尺度見表1。

表1 模擬900t貨船主尺度

2.3 模擬試驗結果分析

航跡帶寬度由各工況情況下的模擬試驗結果直接量取統計，再考慮富裕寬度給出航道所需的寬度，見表2、3。

表2 900t級貨船上行通過中山市35號路長江大橋航跡帶寬度及所需航道寬度

表3 900t級貨船下行通過中山市35號路長江大橋航跡帶寬度及所需航道寬度

鑒于長江大橋施工期間，臨時通航凈寬對比設計通航凈寬非常小，船舶在施工期過橋時應密切注意橋區水域氣象水文條件，并盡量減小偏航角α，在保持舵效的情況下緩速、謹慎過橋，以使船舶安全通過橋孔。

模擬試驗結果顯示，當船舶上行時，橫風（NW風或SE風）風力超過4級時，或當船舶下行時，橫風（NW風或SE風）風力超過5級時，雖采取了正確的操縱方法，但由于風致漂移量較大，造成與防撞欄的安全距離不足，危險性較大。建議NW風或SE風向的風力超過4級時，禁止上行船舶通航，當風力超過5級時，大橋施工區水域采取禁航措施［4］。

2.4 航道及環境情況分析

紅水河是珠江流域西江水系的中上游河段，全長659km，灘多流急，河流比降較大。橋鞏水電站位于紅水河下游河段，壩址所在河道為左凸右凹的轉彎段，河床較窄，壩址往上游到樂灘水電站河道長約75.2km，總體走向為西北～東南向，其中大的轉折點在合山。

2.5 模擬試驗結果分析

上游引航道彎曲段距離閘室最近約129m，根據模擬結果顯示，多次模擬500噸級船隊過閘，進入上游引航道彎曲段航行后，多次模擬時均出現觸碰導航墻現象，導致船隊不能安全通過船閘。

根據模擬結果，上游引航道彎曲半徑較小，引航道彎曲段距離閘室較近，直線段長度不夠，建議設計單位適當調整平面布置，增大引航道的彎曲半徑，增長閘室口前直線段的距離，以滿足船舶（隊）安全進出船閘的要求［5］。

3 結語

船舶操縱模擬器已經廣泛應用于航海教學訓練、海事原因分析和工程設計論證中，并起到了不可忽視的作用。船舶操縱模擬器在通航安全領域的應用，不僅可以增強船舶通航安全，預估航行風險，還可以優化航道的設計，保障通航水域的安全暢通。隨著船舶操縱模擬器設計論證范圍的進一步擴展，將在內河水域的水工工程通航論證中得到更加廣泛的應用。

［1］錢華忠.船舶操縱模擬器在港航設計論證上的應用研究［J］.中國航海，2003（1）：18-22.

［2］張秀鳳，洪碧光，金一丞.船舶操縱模擬器在船舶通航安全評估中的應用［J］.中國航海，2003（3）：24-26.

［3］Katsuro Kijimam，Yasuaki Nakiri.International conference on Marine Simulation and Ship Maneuverability On the Practical Prediction Method for Ship Maneuvering Characteristics［C］.Kanazawa Japan，2003.

［4］黃立文.中山市35號路長江大橋工程通航環境安全評估報告［R］.武漢理工大學航運學院，2006.

［5］黃立文.紅水河橋鞏水電站工程通航安全技術論證研究報告［R］.武漢理工大學航運學院，2006.