船舶操縱模擬器在船舶系泊安全中的應用探討

唐成港+許鵬+劉敬賢+嚴慶新

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展，船舶運動仿真技術日趨成熟，船舶操縱模擬器在船舶安全研究領域的應用也越來越廣泛。本文將船舶操縱模擬器引入到船舶系泊安全研究中，首先對船舶系泊安全影響因素進行了梳理，并對其作用機理進行了分析；然后運用船舶操縱模擬器對船舶系泊狀態下的三維視景、船舶運動模型進行建模，對船舶系泊時的泊穩安全進行了仿真研究。最后通過一個實例驗證了船舶操縱模擬器解決系泊船舶泊穩問題的可行性。本文一方面為船舶系泊安全研究提供了一種新思路，另一方面也可為碼頭船舶安全系泊提供一定技術支撐。

關鍵詞：船舶操縱模擬器；系泊安全影響因素；船舶運動模型；泊穩安全

中圖分類號：U675 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）08-0031-02

隨著船舶大型化的發展，碼頭建造等級越來越大，靠泊船型也呈現出大型化的趨勢，而大型船舶的系泊安全問題也日益突出，船舶系泊時斷纜事故時有發生，給港口企業運營、船舶安全帶來巨大損失。目前，針對船舶系泊安全的研究方法主要有物理模型試驗和理論受力計算兩種，物理模型試驗由于限于縮尺船模尺度的影響精度受到了一定影響，而理論受力分析往往計算的是靜態狀態下的系纜受力，沒有綜合考慮風、浪、流等因素綜合條件的泊穩情況。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，船舶運動仿真技術也日趨成熟，其中應用最為廣泛的是船舶操縱模擬器，其在港口碼頭建設、航道設計、橋梁建設、工程改造等方面的應用得到了國內外同行的一致認可。

1 船舶系泊安全影響因素

1.1 風

風是影響船舶泊穩狀態的重要因素之一，其作用力的計算目前采用的主要是《港口工程荷載規范》、《OCIMF Mooring Equipment Guidelines（Third Edition）》和《Unified Facilities Criteria Design： Moorings》中提供的方法。上述三種方法在計算恒定風力或靜態纜繩受力方面還比較準確，但在風、浪、流條件比較復雜的開敞式碼頭，其船舶荷載精度會大大降低。

1.2 波（涌）浪

波浪對船舶系泊安全的影響主要體現在波浪和涌浪兩個方面，根據國際航運協會（PIANC）的統計數據表明，對船舶系泊安全影響最大的因素是涌浪，特別是長周期的涌浪。涌浪不僅影響船舶的橫搖，而且對船舶的垂蕩影響較大、。不同波高、波浪周期條件下，船舶各位置纜繩受力隨波高增大而增大，隨波浪周期增大而增大。

1.3 流

流速的大小和方向也是影響系泊船舶泊穩狀態的重要因素。根據船舶系泊經驗，水流流向與碼頭軸線間的夾角越大，流壓越大；而流壓中心越靠近船舯位置，對系泊船舶越不利。

2 船舶系泊安全仿真試驗

2.1 系泊安全仿真試驗程序

2.1.1 系泊安全仿真模型構建

運用船舶操縱模擬器進行系泊安全仿真試驗時的模型構建主要包括三大部分：電子海圖的創建、視景模型的構建和試驗船型的六自由度船舶數學模型的構建。其中，電子海圖的創建是根據現有碼頭、航道等通航要素資料和工程設計相關資料后，分別將其數字化，對不同投影方式生成的數字化海圖數據進行整理、變換，形成符合本模擬試驗要求的數字化平面海圖。視景模型的構建是在采集工程水域視景資料的基礎上，用3D Max或AutoCAD等主流建模工具進行三維模型建立及優化，然后將紋理材質圖片進行渲染，生成真實感很強的三維模型，最后進行數據結構優化，地理地形細節層次處理和導入到船舶操縱模擬器進行調試等。船舶數學模型的構建是運用船舶操縱模擬器自帶的建模軟件對試驗船舶進行建模，建立符合實際環境的三維視景系統及具有六自由度的特征船舶數學模型。

2.1.2 工況設置

船舶系泊安全試驗的工況設置主要包括：載況、帶纜方式、靠泊方式、纜繩特性、船舶出纜孔位置、碼頭系纜設施分布、風浪（涌）流條件等。上述這些條件均可以在試驗開始前或建模過程中設置妥當，每一組試驗反映的是一種工況條件下的泊穩情況，而泊穩條件具體是體現在纜繩受力上，如果纜繩受力在瞬間達到其破斷力，那么纜繩就會繃斷，從而引發系泊斷纜事故。試驗過程中一旦發生斷纜，試驗立即終止，并分析其纜繩受力數據，得出試驗結論。

2.2 實例驗證

2.2.1 工程概況

本文選用煙臺西港30萬噸級原油碼頭作為實例驗證，煙臺西港30萬噸級原油碼頭采用“蝶形”離岸設置，泊位長度470m，前沿水域寬度120m，方位130°～310°，碼頭前沿底高程-25.0m。碼頭設置6座圓形系纜墩及4座圓形靠船墩，其中1#，6#艏艉纜墩設快速脫纜鉤1500kN（4鉤）各1套，2#～5#橫纜墩設快速脫纜鉤1500kN（3鉤）各1套。靠船墩兼倒纜墩，每座靠船墩上設快速脫纜鉤1000kN（雙鉤）1套。試驗船型為30萬噸級油船，船長334m，船寬60.0m，型深31.2m，滿載吃水22.5m，碼頭平面布置如圖1所示。

2.2.2 泊穩試驗方法

試驗初始，使用拖輪將試驗船舶頂靠在泊位上，然后分別帶好纜繩，并用纜車絞緊，帶到纜樁上，纜繩上樁受力10t左右，然后撤走拖輪，并將風浪流等自然條件逐漸加強至試驗工況，在加強過程中適當合理調整纜繩狀態，并記錄纜繩受力狀態。

2.2.3 試驗工況設置及試驗結果

在每一種工況試驗過程中，船舶操縱模擬器均可以計算出20根纜繩的受力大小。由試驗結果來看，30萬噸級油輪在壓載、NE風9級、浪高3.5m，涌高3.0m，涌浪周期7s，模擬實測流速的情況下，船舶橫纜受力較大，并在上述工況條件下船艏部橫纜發生了斷纜。將此結果與船舶系靠泊試驗（物模試驗）進行了對比，結果發現，30萬噸級油船在壓載，漲潮流，橫浪，風速23.0m/s（9級）工況下，艏橫纜（2根）受力也最大，為1587kN，單根纜繩受力793.5kN，也發生了斷纜（物模試驗單根纜繩破斷力81t）。本文提出的運用船舶運動仿真模擬的方法計算的船舶系泊纜繩受力結果與船舶系纜物模試驗具有較好的一致性。

3 結論

（1）在船舶系泊安全研究方面引入船舶操縱模擬器進行了探討，結果顯示，船舶操縱模擬器在分析計算船舶系泊纜繩受力方面與船舶系纜物模試驗具有很好的一致性，且在工況設置、系纜方案優化配置、成本控制等方面體現出優越性。

（2）外界自然環境條件（風、浪、流等）的變化是影響船舶系泊安全的主要因素，特別是對于開敞式碼頭，波（涌）浪高度、波（涌）浪周期對泊穩的影響尤為明顯，在實際生產過程中，應盡量避免船舶固有橫搖周期接近波（涌）浪周期，從而使船舶偏離橫搖諧振區，改善泊穩條件。

（3）本文提供了一種研究船舶系泊安全的新思路，運用船舶操縱模擬器研究系泊船舶在不同工況條件下的泊穩狀況可以為碼頭實際運營的系纜管理提供參考，也可以為確定碼頭泊位的抗風浪等級提供技術支撐。

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