船舶操縱模擬試驗在航道設計方案比選中的應用研究

仲 彥，孟 然

(中海油天津液化天然氣有限責任公司 天津 300452)

0 引 言

港口和航道的設計問題一般涉及兩個學科，即港口工程學和航海技術學。涉及到港口工程的問題有水文、地質環境勘測、泥沙運動情況分析及平面規劃和建筑物設計等。涉及到航海技術的問題傳統上主要是考慮船舶運動的空間，如回旋水域、疏浚水深、進港航道尺度等，這些尺度的確定主要根據已有的各種規范和航海者經驗來判定。上述傳統方法對于各種環境影響，特別是各種環境因素組合在一起時的船舶操縱安全性、合理性很難作出評價，使得從船舶運動角度對港口、航道進行優化設計受到限制。

隨著船舶操縱模擬及計算機多媒體技術的發展，近年來船舶操縱模擬已越來越多地應用于港口航道的平面設計中，船舶操縱與各種環境動力模擬相結合，能夠使港口和航道的設計更為合理。[1-3]

天津 LNG項目需要新建 LNG泊位兩個，其中一個用于停靠 FSRU(浮式接收儲存氣化裝置，即帶有氣化裝置的 LNG船)，另一個用于停靠 LNG 船接卸 LNG。該項目碼頭工程布置在天津港南疆南側岸線東端，碼頭前沿距南防波堤軸線70,m，碼頭與陸域之間以引橋連接。LNG及 FSRU泊位采用蝶形墩臺式布置，每個泊位設置 1座工作平臺、4座靠船墩和6座系纜墩。每個泊位長度均為 400,m，兩個泊位間距 50,m，碼頭總長度為 850,m。工作平臺頂面高程 8.0,m，靠船墩及系纜墩頂面高程為 6.5,m。碼頭前沿停泊水域寬度為 150,m，設計底高程-14.5,m。旋回圈直徑為 865,m，設計底標高為-15.0,m。

本項目航道連接港池區域考慮兩個設計方案，兩個方案在船舶操縱、通航安全及投資方面均有較大差異，需要進行方案比選?？傮w上，航道設計時所要求的指標主要為航行水域的寬度、水深、通航條件、凈高度等，而這些指標受到船速、舵角、船舶操縱性能、風、浪、潮汐等外界條件和操縱人員技能以及各項指標互相關聯作用的影響。因此，本次試驗通過船舶操縱模擬，借助模擬結果獲得的相關數據和資料，評估各航道設計方案的確定因素(航行水域的寬度、水深、通航條件等)和不確定性因素(船舶操縱性能、風、浪等)，分析各方案的合理性以確定最終推薦方案。[4-5]

1 航道設計方案簡介

根據方案一(見圖1)，碼頭方向(按照出港航向)為107,°，港池方向為 148,°，口門內航道為 109,°，口門外航道為 126,°。船舶回旋水域位于碼頭前沿，其直徑為865,m。

圖1 航道設計方案一Fig.1 Design Scheme A

方案二主要對港池的疏浚北邊線進行了擴寬(見圖2)。對航道進行了切角，航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為 375,m，喇叭口下口與外航道夾角為 8,°。

圖2 航道設計方案二Fig.2 Design Scheme B

2 船舶操縱模擬試驗方案

試驗所用的全任務大型船舶操縱模擬器采用英國Transas公司的Navi-Trainer型，符合國際海事組織(IMO)STCW78/95公約及國家海事局的相關要求，獲得挪威船級社(DNV)、英國海運安全局(MSA)、英國勞氏船級社(Lloyd's Register)等權威機構的認證。設備包括教練站、4個本船(1個主本船和3個副本船)及 40套桌面系統，主本船為 7通道 270,°弧形柱面視景，副本船為3通道 120,°視景。系統由綜合船橋駕駛臺(IBS)模塊、船舶控制模塊、雷達/ARPA模塊、電子海圖顯示與信息系統(ECDIS)模塊、全球海上遇險與安全系統(GMDSS)模塊、導航儀器模塊、視景系統模塊、音響模擬模塊等構成，包括船舶動態軟件、三維視景軟件、教練監控軟件、視景及船模開發軟件、實物駕駛臺硬件和基于網絡分布式處理計算機系統。

該全任務大型船舶操縱模擬器具有以下主要特點：①能夠完成不同天氣及能見度(晴天、多云、陰天、霧、雨等)、不同海況(風、浪、流等)、不同時間(白天、晝夜連續可變)條件下的航行、操縱模擬。②使用助航儀器、雷達/ARPA、電子海圖顯示與信息系統(ECDIS)、無線電通訊等為一體的綜合智能導航模擬。③采用六自由度(前后、側移、船首向變化、縱搖、橫搖、垂蕩)船舶水動力數學模型的基礎上，能真實地模擬本船在開闊水域的水動力學特征(包括氣象、潮汐、流的影響)，能真實地模擬本船在受限水域的水動力學特征(包括淺水、岸壁和船間效應)，能真實地模擬本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的響應。

同時，在模擬器上整合了拖輪子系統，拖輪的操作可以指定到主本船或任何 1個副本船，在指定的拖輪操作船臺上，操作人員可以像操作主本船一樣，而且可以與被拖帶船舶用VHF或對講機通信以達到交互和聯動，在目標拖輪上的視景顯示同樣采用三維 120,°或 270,°的視景顯示。在力學模型上拖輪子系統和靠離泊子系統中，能根據當前的風流等海況條件實時計算各個拖輪和各條纜繩的受力情況。

試驗船型選取天津 LNG一期主力145,000,m3LNG船，參加試驗的主要人員為天津港引航中心高級引航員、LNG船長、大副及拖輪船長等。根據該水文氣象統計資料及天津港引航中心高級引航員和 LNG船長的經驗，選取風向為 NE、SW風，風速6～7級，漲潮，流速0.3～1.2,kn為試驗工況。根據工程現場情況及高級引航員經驗，船舶進港靠泊 LNG泊位(東側泊位)時更難操作且對航道要求更高，因此本次試驗以船舶進港靠泊LNG泊位為主要研究工況。[7,8]

3 試驗結果及分析

方案一僅進行了兩組試驗(見圖 3)，試驗結果顯示，在漲潮、風向為 NE的情況下，引航員尚可以通過操作使船舶勉強通過航道與港池相接觸，但在漲潮、風向為 SW 的情況下，引航員無法通過操作船舶克服西南風對船舶產生的向北的影響，易出現擱淺事故。通過試驗可以看出，方案一存在的問題是轉向較多，在約 1,000,m(不到 3倍設計船長)的范圍內需要拐彎兩次，一個彎約 40,°，一個彎約 20,°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，容易出現危險狀況。

圖3 方案一試驗結果Fig.3 Experimental result of Scheme A

圖4 方案二試驗結果Fig.4 Experimental result of Scheme B

表1 船舶操縱模擬試驗結果Tab.1 List of simulation test results

方案二(見圖4)對港池與航道連接處進行了切角，切角后航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為375,m，喇叭口與外航道夾角為8,°，使得船舶可以安全駛過該區域，方案二在設定的風流條件下，船舶進出港都比較容易。

4 結論與建議

根據試驗結果(見表1)分析，方案一對于漲潮、西南風 6級情況下進港操船，存在擱淺隱患，因此對港池及航道相接喇叭口處的拓寬是必要的。方案二在擴寬喇叭口后，船舶在風力及水流作用下向北漂移后，可借助擴寬后的區域安全航行。此外，方案二也滿足其他條件下的靠離泊要求，因此方案二為推薦方案。

在航道設計方案比選過程中，聘請具有豐富引航經驗且十分了解當地水文氣象的引航員及熟悉船舶操縱特性的LNG船長參與船舶操縱模擬試驗，從實踐出發獲取數據并確定推薦方案，使航道設計更加適應實際操縱特點，能夠保證設計方案符合水上交通安全的要求?！?/p>

［1］ 張慶河，李炎保. 船舶操縱數學模型在港口航道設計中的應用[J]. 中國港灣建設，2000(1)：49-53.

［2］ 錢華忠. 船舶操縱模擬器在港航設計論證上的應用研究與設計[D]. 大連：大連海事大學，2002.

［3］ 張秀鳳，金一丞，尹勇，等. 航海模擬器在港口工程設計中應用[J]. 航海技術，2004(增)：22-25.

［4］ 邊曉麗. 船舶操縱模擬在航道設計中的應用[J]. 中國水運，2006(3)：48-49.

［5］ 邊曉麗. 海港航道設計寬度模擬試驗研究[J]. 水運工程，2013(9)：99-102.

［6］ 焦彥波，于慶峰. 日照港30萬t級原油碼頭航道船舶操縱模擬試驗研究分析[J]. 水運工程，2006，(3)：32-35.

［7］ 徐元，鄧健，嚴慶新. 基于航海模擬器仿真的碼頭工程通航評估[J]. 船海工程，2008，37(3)：84-86.

［8］ 黃立文，張蔚，嚴慶新，等. 船舶操縱模擬器在橋梁/船閘通航方案論證中的應用[J]. 船海工程，2007，36(4)：91-93.