基于船舶操縱模擬的某海港碼頭港內水域布置優化

張定軍，高 鵬，趙傳剛，陳立家

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071；2.武漢理工大學，武漢430063）

基于船舶操縱模擬的某海港碼頭港內水域布置優化

張定軍1，高 鵬1，趙傳剛1，陳立家2

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071；2.武漢理工大學，武漢430063）

針對自然水深不足且較為復雜的港內水域，僅僅依據規范條文提出的設計方案不能完全滿足船舶港內作業的需要。文章結合某工程實例，應用船舶操縱模擬試驗，研究了船舶港內作業對于港池水域的要求，根據試驗結果對港池水域布置方案進行了優化。

船舶操縱模擬；港內水域布置；優化

港內水域是船舶在港內航行、制動、回旋及靠離泊作業所需要的水域范圍，港內水域布置是港口總平面設計的重要組成部分。在咨詢設計階段，如何將港內水域布置設計與船舶實際作業要求相結合，使港內水域布置經濟合理地滿足使用要求，設計及科研人員進行了一系列的探索。

20世紀末21世紀初期，科研設計人員利用船舶操縱數學模型對港口水域布置及船舶靠離泊作業進行研究。樂美龍、陸惠生等［1］系統地論述了船舶操縱仿真數學模型，包括船舶操縱基本模型、水動力、螺旋槳推力及扭距、主機扭距、舵力及其力矩、風、浪、流、錨、纜、拖輪的作用力、淺水影響及側壁效應，最后給出了主要仿真結果和主要結論。張慶河、李炎保等［2］對船舶操縱數學模型的組成，并對其在港口、航道設計中應用的典型例子進行了介紹，指出了船舶操縱數學模型的進一步發展方向和它在港口、航道設計中的應用前景。船舶操縱數學模型方便易行，但無法體現駕船者實際操縱等因素，隨著大型船舶操縱模擬器的出現，船舶操縱實時仿真模擬有了可能，船舶操縱數學模型近年來已較少使用。

船舶操縱模擬器主要利用計算機技術，同時結合船舶水動力學等學科，模擬不同環境中船舶的操縱情況，能夠逼真的模擬出三維虛擬環境和與實船相似的操作環境。船舶操縱模擬是根據工程水域的自然條件對船舶及航行環境進行建模，運用船舶操縱模擬器，對工程設計船型在不同環境因素影響下靠離泊作業的航行狀態及運行軌跡進行實時仿真，從而驗證工程港內水域布置方案的合理性和有效性，確定港口運營時船舶港內作業條件及拖輪配置等。由于船舶操縱模擬可以模擬不同天氣、不同海況、不同時間條件下，各種類型、大小的船舶的航行及操縱，能真實地模擬本船受到的淺水、岸壁及船間效應，能真實地模擬靠離碼頭操作中本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的響應，目前在我國港航工程設計論證中已廣泛使用。劉洪波、彭再華，汪鋒等［3］根據巴拿馬某工程水、陸域特點，從國內外規范要求和船舶操縱模擬試驗情況，探討該項目港池水域尺度布置的合理性。

由于各國家和地區海況條件的不同，各國規范和手冊對水域布置的理解和要求也有一定差異，而隨著我國“一帶一路”戰略的實施，我國在海外設計和施工的港口項目越來越多，依據中國的規范進行設計，應充分考慮建設區域的自然、地質條件等，必要時進行研究和論證。本文結合某工程實例，探討通過船舶操縱模擬試驗，對于天然水深有限且港內水域較為復雜的港口，在保證船舶在港內安全作業的前提下，合理確定港內水域邊界，優化港內水域布置［4-9］。

1 工程概況

某海港碼頭位于環抱式防波堤掩護的港池范圍內，總平面布置如圖1所示。

設計船型為10 000DWT散貨船，拖輪采用1 500HP拖輪，船型主尺度如表1所示。

項目所在地氣候屬熱帶季風氣候。全年分旱季和雨季兩個季節：5～11月為雨季，12月至翌年4月為旱季。受季風影響，雨季主導風向為SW向，旱季為E向，全年主導風向為SW向風。受防波堤掩護，港內的流速和波浪都較小。

2 港內水域布置基本方案

本工程為EPC工程，由于自然水深不足，港池停泊水域、回旋水域、支航道均需疏浚形成。從總承包方的角度，希望設計方案應盡可能減小港內水域疏浚面積和工程量。本工程碼頭垂直于岸線采用棧橋式布置，雙側布置泊位，設計將回旋水域布置在碼頭端部，設置支航道連接碼頭泊位與公用航道，船舶制動水域位于支航道上。

由于歐美標準對港內水域布置僅提供了一些原則性的說明，本工程設計首先參照中國海港總體設計規范，初步擬定停泊水域及回旋水域尺度如表2所示，港內水域布置如圖2所示。

圖1 總平面布置圖Fig.1 General layout

表1 船型尺度表Tab.1 Dimension of vessels

表2 停泊水域及回旋水域尺度表Tab.2 Dimension of berthing area&turning area

圖2 港內水域布置圖（初設設計方案）Fig.2 Layout of water area(basic design option)

3 拖輪選型

拖輪需要根據風、浪、流情況確定船舶總拖力，從而確定拖輪選型。

根據風要素，擬建區域最不利橫向風速為12 m/s，根據海港總體設計規范（JTS 165-2013）計算，在風作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為20 t。

根據浪要素，通過模型試驗，防波堤修建以后，港內水域最不利橫浪的有效波高為0.95 m，按照規范計算，在橫浪作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為11 t。

根據流要素，通過模型試驗，防波堤修建以后，港內水域潮流流速在0.3 m/s左右，按照規范計算，在橫流作用下10 000DWT散貨船所需的拖輪拖力為20 t。

故綜上所述，設計船型靠離泊作業所需要的拖輪總拖力為20 t，即需要的拖輪總功率為2 400 hp，結合建設單位要求，選擇2 艘1 500 hp拖輪。

4 船舶操縱模擬試驗及方案優化

本工程兩側泊位共用的回旋水域位于碼頭端部，支航道與主航道及碼頭前沿線均為垂直關系，船舶在港內水域作業時需多次轉向，且存在靠離泊、回旋等操作過程，為了驗證本工程港內水域布置方案的合理性和有效性，確定港口運營時船舶港內作業條件及拖輪配置等，設計單位委托有關科研單位進行了船舶操縱模擬試驗。

根據本項目的特點、自然條件和布置方案，結合設計要求，本船舶操縱模擬分別實施了正常狀態下設計船型進出港航道航行、靠離泊作業及應急狀態下船舶出港特殊操作試驗模擬，試驗工況組次分為（表3）：

（1）東北季風季節，大潮乘潮漲急時段：四級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業；

（2）東北季風季節，大潮乘潮漲急時段：六、八級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業；

（3）西南季風季節，大潮乘潮漲急時段：四級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業；

（4）西南季風季節，大潮乘潮漲急時段：六、八級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業；

（5）東北季風季節，中、小潮乘潮流緩時段：四級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，八、九級壓載船舶出港航行作業；

（6）東北季風季節，中、小潮乘潮流緩時段：六、八級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，八、九級壓載船舶出港航行作業。

表3 船舶操縱模擬試驗工況表Tab.3 Ship maneuvering simulation test conditions

船舶模擬操縱人員選用具有相應等級船舶實船駕駛經驗的人員，每組組合工況模擬試驗進行多次，記錄相應的模擬試驗結果和航跡。

港內最大東北向和西南向波浪的有效波高為0.95 m，兩種工況船舶航跡和拖輪作業情況如圖3所示。其中在東北風情況下，按照初步設計方案水域布置會出現擱淺事故，在西南風情況下，船舶能夠完成應急離泊作業。

將各工況船舶操縱模擬的船舶在港內的航行航跡轉化成模擬航道邊線統一繪制到平面圖中，得到的設計方案水域邊界與船舶航行模擬航道邊界關系如圖4所示。

通過船舶操縱模擬試驗的船舶在港內的模擬航道邊界與初設設計方案確定的港池邊界進行對比（圖4），可以發現，在回旋水域的東西兩側，大量的試驗船舶模擬航道邊界超出擬定的港池邊界之外，意味著在實際運行時船舶可能擱淺；而在停泊水域的外側，尚有較大的空間未被試驗船舶模擬航道邊界覆蓋，意味著停泊水域外側有優化的空間。

圖3 9級設計船型應急離泊航跡帶（東北風、西南風）Fig.3 The swept path of emergency departure condition (NE,SW wind)

本工程采用對試驗船舶模擬航道邊界選用95%保證率進行包絡的方法確定本工程的港內水域邊界，對港內水域布置進行優化設計（圖4）。優化前后的港內水域疏浚面積和疏浚工程量對比如圖5、表4所示。

圖4 設計方案水域邊界與船舶航行模擬航道邊界關系圖Fig.4 Boundary of water area and swept paths

圖5 港內水域邊界優化前后對比圖Fig.5 Comparison of water area boundary before and after optimization

5 結語

（1）對于碼頭兩側布置泊位，回旋水域位于碼頭端部的情況，兩側泊位停泊水域的寬度加上碼頭結構寬度，基本與回旋圓直徑相當，在布置港內水域邊界時，若回旋水域邊界以停泊水域外側邊界延伸，港池寬度往往不能滿足船舶在港內作業的要求，需沿垂直碼頭軸線方向進行加寬，停泊水域以喇叭口或外側局部加寬的方式與回旋水域銜接。

表4 港內水域布置優化對比表Tab.4 Comparing table of layout optimization

（2）船舶操縱模擬可以根據工程水域的自然條件對船舶及航行環境進行建模，運用船舶操縱模擬器，對工程設計船型在不同環境因素影響下靠離泊作業的航行狀態及運行軌跡進行實時仿真，可以用來指導或驗證港內水域以及航道等的布置設計，確定港口運營時船舶港內作業條件及拖輪配置等。

（3）按照碼頭實際運營過程中不同工況出現的概率，每種工況進行多次模擬試驗，得到不同工況對應次數的試驗船舶多條模擬航道邊界，然后結合工程特點和船舶駕駛等因素，選用95%的保證率（PIANC推薦值）對模擬航道邊界進行包絡，以此確定港內水域邊界。

［1］樂美龍，陸惠生，汪希齡，等.船舶操縱模擬器操縱仿真數學模型［J］.中國航海，1999（1）：75-84. LE M L，LU H S，WANG X L，et al.A Mathematical Model of Ship Maneuvering Simulation［J］.Navigation of China，1999（1）：75-84.

［2］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）：49-51. ZHANG Q H，LI Y B.Application of Mathematical Model for Ship Maneuvering in Designs of Harbours and Waterways［J］.China Harbour Engineering，2000（1）：49-51.

［3］賈明明，熊錫龍.船舶操縱模擬器的仿真技術研究［J］.中國水運，2016（4）：73-75. JIA M M，XIONG X L.Simulation Technique of Ship Maneuvering Simulator［J］.China Water Transport，2016（4）：73-75.

［4］劉洪波，彭再華，汪鋒.巴拿馬某港口工程水域尺度探討［J］.水運工程，2011（9）：133-135. LIU H B，PENG Z H，WANG F.On rational water scale about a project in Panama［J］.Port&Waterway Engineering，2011（9）：133-135.

［5］JTS165-2013，海港總體設計規范［S］.

［6］武漢理工大學航運學院.越南沿海海港工程船舶操縱模擬試驗研究報告［R］.武漢：武漢理工大學航運學院，2013.

［7］Moffatt&Nichol.Ship maneuvering study for proposed container terminal［R］.Long Beach，Calif，USA：Moffatt&Nicho，2010.

［8］Thoresen C A.Port designer′s handbook［M］.2nd ed.London：Thomas Telford Limited，2010.

［9］梅蕾，汪鋒，姜俊杰.海港港池和回旋水域平面尺度研究［J］.水運工程，2015（7）：102-107. MEI L，WANG F，JIANG J J.Plane dimensions of harbor berthing basin and turning area［J］.Port&Waterway Engineering，2015 （7）：102-107.

Layout optimization of inner water area of a seaport based on ship maneuvering simulation

ZHANG Ding?jun1,GAO Peng1,ZHAO Chuan?gang1,CHEN Li?jia2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China）

For the insufficient of natural water depth and the complex port inner water area,the layout plan based on the specification may not meet the requirements of the ships′operations in the harbor.Combined with an engineering example,the requirements of the ships′operations in the port inner water area were studied through ship maneuvering simulation,and the layout plan of port inner water area was optimized by the simulation results.

ship maneuvering simulation;layout of port inner water area;optimization

U 661.73；U 651

A

1005-8443（2016）06-0589-04

2016-07-22；

2016-11-30

張定軍（1974-），男，高級工程師，主要從事港口、航道工程咨詢與設計工作。

Biography：ZHANG Ding?jun（1974-），male，senior engineer.