基于船舶航行仿真的吳淞口建閘方案優(yōu)化

曹圓圓　白響恩　肖英杰　楊小軍　鄭劍

摘要：

為評(píng)價(jià)吳淞口3個(gè)建閘方案的可行性，提出一種基于船舶航行仿真的建閘方案選優(yōu)方法.通過(guò)觀測(cè)和分析黃浦江交通流情況，選出恰當(dāng)?shù)拇泶筒⑺鸭泶偷拇百Y料建立船舶操縱模型，制作電子海圖.根據(jù)水文氣象信息設(shè)計(jì)各仿真試驗(yàn)方案，在考慮船舶習(xí)慣航法的基礎(chǔ)上進(jìn)行單船及大小船交會(huì)的仿真試驗(yàn)；分析重要指標(biāo)，如航道寬度、轉(zhuǎn)向角等，確定推薦方案并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化.該方法能為吳淞口建閘方案的確定提供科學(xué)依據(jù)，可作為評(píng)價(jià)比選建閘方案的有效新途徑.

關(guān)鍵詞：

吳淞口水閘； 船舶航行仿真； 航道寬度； 通航孔； 轉(zhuǎn)向角

中圖分類(lèi)號(hào)： U641.2；U666.158

0 引 言

黃浦江吳淞口的建閘是上海市城市防洪的重大工程，其基本功能是擋潮，綜合功能包括防擋咸潮入侵，遠(yuǎn)期預(yù)留參與流域行洪調(diào)度、水質(zhì)調(diào)度[1].水閘的建立從防御自然災(zāi)害的角度來(lái)說(shuō)是必須的，但在一定程度上增加了船舶通航的限制和操縱難度，如果閘寬及閘口方向的設(shè)置不合理，則會(huì)嚴(yán)重限制和妨礙船舶的通航及安全，不利于港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.本文基于船舶航行仿真技術(shù)，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)耐ê酱泶瓦M(jìn)行模擬試驗(yàn)及效果比對(duì)，對(duì)吳淞口建閘的3種設(shè)計(jì)方案的通航孔尺度進(jìn)行可行性分析，為吳淞口建閘方案的確定提供科學(xué)依據(jù).

在建閘方案比選方面：有些文獻(xiàn)[25]雖然給出了建閘方案比選的建議，但僅從建閘自身考慮，并未考慮與其密切相關(guān)的船舶因素；有些文獻(xiàn)[610]雖然應(yīng)用了仿真手段，但其研究的都是已有項(xiàng)目工程下的仿真.

本文將兩者相結(jié)合，把仿真技術(shù)運(yùn)用到建閘方案的比選上.通過(guò)對(duì)交通流的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)，選取代表船型，搜集其船舶資料并建立船舶操縱模型，根據(jù)各方案制作電子海圖.結(jié)合水文氣象資料設(shè)計(jì)各仿真試驗(yàn)方案，進(jìn)行船舶航行仿真試驗(yàn)，包括單船試驗(yàn)和大小船交會(huì)試驗(yàn).分析航道寬度、轉(zhuǎn)向角等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定吳淞口建閘方案中的推薦方案，并根據(jù)大小船交會(huì)試驗(yàn)結(jié)果，提出船舶交會(huì)限制條件下的通航孔寬度值，對(duì)推薦方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化.

1 船舶運(yùn)動(dòng)仿真模型

建立船舶運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)學(xué)模型的基本原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[11].為描述船舶的運(yùn)動(dòng)，采用如下兩個(gè)右手坐標(biāo)系（見(jiàn)圖1）：一個(gè)為固定坐標(biāo)系O0x0y0z0，固定于地球；另一個(gè)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Oxyz，固定于船舶并隨船一起運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在船中縱剖面的船垂心處.Ox為船縱軸并指向船首，Oy與船縱剖面垂直并指向右舷，Oz垂直于水線面并指向龍骨.

式中：m為船舶質(zhì)量；Iz為船舶繞z軸的慣性矩；xG為船舶中心距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；X，Y，N包含了船舶水流動(dòng)力、慣性力、螺旋槳、舵以及風(fēng)、浪、流等各種外力.

上述方程忽略了部分影響不大的項(xiàng)，合并慣性力項(xiàng)，并把各種力寫(xiě)成分離形式，近似有

2 吳淞口水閘船舶航行仿真試驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)方法概述

涉及工程問(wèn)題時(shí)，物理模型試驗(yàn)要耗費(fèi)較大的人力和物力，費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，還存在比尺效應(yīng)等問(wèn)題[12]，實(shí)船試驗(yàn)具有危險(xiǎn)性[13].航海仿真技術(shù)是系統(tǒng)仿真技術(shù)與航海技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重要分支[14]，可以在項(xiàng)目投資和實(shí)施之前，在無(wú)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況下進(jìn)行考察驗(yàn)證[15].仿真試驗(yàn)包括建立仿真區(qū)域的電子海圖，選定仿真用船型并建立模擬操縱用的船舶數(shù)學(xué)模型，建立船舶航行、進(jìn)出港、靠離泊的模擬控制和過(guò)程記錄軟件，確定符合實(shí)際的模擬方案，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果，分析模擬結(jié)果并給出模擬結(jié)論.

2.2 各方案電子海圖制作

在《黃浦江河口建閘工程吳淞口選址可能性研究》項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，根據(jù)上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司給出的3個(gè)備選方案（見(jiàn)圖2），進(jìn)行電子海圖的制作.

方案1：

將原吳淞導(dǎo)堤拆除，從原堤根處重建一條直導(dǎo)堤并以此為邊界往北圈圍出一片區(qū)域，同時(shí)在吳淞口南側(cè)平行于北側(cè)導(dǎo)堤建設(shè)一條導(dǎo)堤并以此為邊界往南圈圍出一片區(qū)域，兩片圈圍區(qū)域之間形成一條平直河段供擋潮閘建設(shè)用.

方案2：

在原吳淞導(dǎo)堤基礎(chǔ)上再往外延伸出一條直導(dǎo)堤，同時(shí)在吳淞口南側(cè)平行于北側(cè)導(dǎo)堤建設(shè)一條直堤，分別以?xún)蓷l導(dǎo)堤為邊界向鄰近岸線圈圍成陸，同樣在兩片圈圍區(qū)域之間形成一條平直河段供擋潮閘建設(shè)用.

方案3：

不改變?cè)瓍卿翆?dǎo)堤布局，在吳淞口南側(cè)建設(shè)一段彎導(dǎo)堤，同樣以?xún)蓷l導(dǎo)堤為邊界向鄰近岸線圈圍成陸，兩片圈圍區(qū)域之間形成一條彎曲等寬的河道，擋潮閘設(shè)于其中.

2.3 代表船型的選取

2013年6月30日中午12時(shí)至7月3日中午12時(shí)，在吳淞口104號(hào)燈浮附近水域設(shè)置了觀測(cè)線，對(duì)這段水域進(jìn)行了連續(xù)72 h船舶流量觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)得到不同船長(zhǎng)的船舶流量，見(jiàn)圖3.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，5 000噸級(jí)及以下貨船占比非常高.目前黃浦江需滿足江浙等區(qū)域小型船舶的通航要求，及黃浦江沿岸碼頭的生產(chǎn)要求（進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)運(yùn)）.因此，雖然圖3表明船長(zhǎng)小于100 m的船舶占比非常高，約為94%，但考慮到需放寬安全裕量，仍選擇船長(zhǎng)為120 m左右的5 000噸級(jí)貨船為代表船型.

此外，根據(jù)上海港黃浦江沿岸碼頭逐漸外移的趨勢(shì)以及上海港布局規(guī)劃，將來(lái)黃浦江岸線將主要用于旅游休閑，其中停泊的主要船型為不受楊浦大橋凈空高度限制的大型郵船及其他休閑游艇，其中最大的郵船等級(jí)為7萬(wàn)噸級(jí).

綜上，選取7萬(wàn)噸級(jí)客船和5 000噸級(jí)貨船為代表船型，其參數(shù)見(jiàn)表1.

2.4 仿真試驗(yàn)條件的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)況和潮流資料，選取頻率最大的風(fēng)向和各測(cè)點(diǎn)最強(qiáng)潮流進(jìn)行風(fēng)、流組合，結(jié)合工程設(shè)計(jì)單位給出的水動(dòng)力情況設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)方案.設(shè)定6級(jí)風(fēng)，風(fēng)向?yàn)?12°，流速為1.8～3.5 kn，在3種建閘方案下兩種代表船型在漲、落潮條件下分別進(jìn)出黃浦江，共24個(gè)試驗(yàn).

2.5 航道寬度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)7萬(wàn)噸級(jí)客船和5 000噸級(jí)貨船的航道寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4和5.

2.6 單船航行仿真試驗(yàn)軌跡圖

當(dāng)分別選用方案1，2和3時(shí)，7萬(wàn)噸級(jí)客船進(jìn)出黃浦江軌跡疊加圖見(jiàn)圖6.

2.7 轉(zhuǎn)向角分析

以5 000噸級(jí)貨船進(jìn)出黃浦江為例進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)向角進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖7.

根據(jù)圖7可知，當(dāng)分別選用方案1，2和3時(shí)，5 000噸級(jí)貨船進(jìn)出黃浦江的轉(zhuǎn)向角平均值分別為110°，157°和80°.

2.8 大小船交會(huì)模擬數(shù)據(jù)分析

在建閘方案3的基礎(chǔ)上，選取7萬(wàn)噸級(jí)客船（大船）和5 000噸級(jí)貨船（小船）雙向進(jìn)出黃浦江進(jìn)行航行仿真試驗(yàn)，對(duì)其雙向進(jìn)出黃浦江航道寬度數(shù)據(jù)的分析見(jiàn)圖8，大小船交會(huì)航行的軌跡疊加圖見(jiàn)圖9.

由圖8可知，選用方案3時(shí)，7萬(wàn)噸級(jí)客船與5 000噸級(jí)貨船交會(huì)時(shí)雙向進(jìn)出黃浦江所需航跡帶寬度最大值為164 m，疊加后所需航道寬度最大值為247 m.

3 試驗(yàn)結(jié)論

分析對(duì)比上述仿真試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)航道寬度分析，選用方案3時(shí)兩種代表船型所需的最大航跡帶寬度、最大單向航道寬度及最大雙向航道寬度均比選用方案1和2時(shí)的小.

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)向角分析，以5 000噸級(jí)貨船為例，選用方案3時(shí)船舶進(jìn)出黃浦江的轉(zhuǎn)向角平均值最小.

（3）根據(jù)上述結(jié)果分析，方案3能更好地保證各船舶進(jìn)出的安全性和便利性，可作為吳淞口水閘建設(shè)工程的優(yōu)選方案.同時(shí)，由于吳淞口附近船舶流量較大且船舶交通流相對(duì)復(fù)雜，且吳淞口水閘建立后會(huì)改變船舶進(jìn)出黃浦江的習(xí)慣航法，增加操縱難度，因此在選取方案3為推薦方案的基礎(chǔ)上，增加了大小船交會(huì)情況下的仿真試驗(yàn).其結(jié)果表明，若未來(lái)吳淞VTS在吳淞口擋潮閘處實(shí)施交通組織，可考慮僅允許7萬(wàn)噸級(jí)船舶與5 000噸級(jí)以下船舶交會(huì)，此時(shí)可將通航孔寬度設(shè)定為247 m.此外，如有可能，可參照當(dāng)前吳淞口設(shè)置的070°250°導(dǎo)標(biāo)，建閘后再對(duì)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)標(biāo)，減少船舶碰閘的風(fēng)險(xiǎn).

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)吳淞口3個(gè)建閘方案的可行性，提出利用船舶航行仿真技術(shù)，根據(jù)交通流統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果確定代表船型，建立船舶操縱模型并制作電子海圖.依據(jù)水文氣象資料設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行單船和大小船交會(huì)的航行仿真試驗(yàn)，分析各方案下航道寬度、轉(zhuǎn)向角，比較各方案優(yōu)劣.在最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上結(jié)合大小船交會(huì)試驗(yàn)結(jié)果，給出船舶交會(huì)限制條件下的通航孔寬度建議值.

本文提出了一種利用仿真技術(shù)和分析船舶航行模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)建閘方案優(yōu)劣的方法.在今后的研究中，可在前人研究方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，找到更多評(píng)價(jià)工程優(yōu)劣性的新方法.

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（編輯 趙勉）