船舶操縱仿真模擬試驗在解決澳氹第四條跨海大橋橋群巷道效應問題中的應用

馬勁

摘 要：隨著中國基礎設施建設的高速發展，跨越航道的各類橋梁工程不斷增多，在某一河段內連續建設多座橋梁形成橋群的現象亦不斷增多。橋群的出現使得航道內容易產生“巷道效應”，導致通航環境復雜化，同時也增加了船舶駕駛人員的心理壓力，大大增加了船舶通過橋區水域的航行風險。本文主要針對在已經形成橋群的開敞水域上建橋，在無法直接采取一跨過河的橋跨布置的條件下，以澳氹第四條跨海大橋為例，探究如何利用船舶操縱仿真模擬試驗解決橋群巷道效應問題。

關鍵詞：澳氹第四條跨海大橋 船舶操縱仿真模擬試驗 橋群巷道效應

1.前言

澳氹第四條跨海大橋起自澳門新城區填海A區東側，與港珠澳大橋口岸人工島連接，跨越澳門外港航道、往內港航道，在澳門新城區填海E1區登陸，全長約3.5公里。澳門水道現有跨海橋梁3座，自上游往下游分別為澳門西灣大橋、嘉樂庇大橋和友誼大橋，澳氹第四條跨海大橋建成后，將進一步形成橋群區，容易產生“巷道效應”，船舶航經該段長約4公里的海域將連續通過4座跨海大橋，導致通航環境更為復雜，因此需開展船舶操縱仿真模擬試驗，為橋梁設計提供解決方案。

2.船舶操縱仿真模型建立

本次研究首先將收集澳門西灣大橋、嘉樂庇大橋、友誼大橋、澳氹第四條跨海大橋4座大橋的橋型結構、橋梁測量資料、橋區地形、水文、船舶尺度、船舶結構等基礎資料，分析橋群通航環境。其次依據收集的橋區地形、橋梁以及代表船型資料，結合水流模型計算成果，考慮地形、潮流、波浪和風等自然環境，利用V.Dragon-4000AT型通航船舶操縱模擬器，建立船舶操縱模擬仿真模型，開展各種工況下、各種類型和噸位船舶、多船會遇避讓、各種氣象及不同航道、橋梁條件下的船舶操縱通航條件模擬試驗。

V.Dragon -4000AT 型通航船舶操縱模擬器由主控臺、1套主本船（360度模擬器）、5套副本船（180度模擬器、2套120度模擬器及2套桌面系統）、2套拖輪模擬器構成，采用分布交互仿真（DIS）的設計思想和先進的網絡技術，將系統的各計算機相互連接，本船之間通過三維視景和雷達圖象互見。模擬器中的各本船功能完備，可完整地模擬船舶駕駛臺操作環境。主本船具有一個與實船駕駛臺相似的環境，擁有一套完整的儀器設備面板，設備功能和操作性能可達到實際硬件設備所能完成的功能。主本船具有大屏幕柱幕投影無縫拼接視景系統，采用幾何校正和邊緣融合技術，可以做到視景真正地無縫拼接和高亮度顯示，為操作人員提供最接近真實的景象，并提供望遠鏡及漫游通道，用于漫游觀測和望遠鏡觀測360°范圍的視景。副本船視景系統也采用幾何校正和邊緣融合技術，拖輪操作面板放在副本船駕駛，拖輪的操作由操作人員自己操作。主控室能在整個模擬器試驗中控制、監視并重放、分析試驗過程；可設置航行環境、交通狀況和特殊海域等條件，圖1為天科所大型船舶操縱模擬器系統。

3.船舶操縱仿真模擬試驗

3.1試驗范圍

上行試驗范圍：起點為擬建澳氹四橋下游2km，終點為已建西灣大橋上游800m；下行試驗范圍：起點為已建西灣大橋上游800m；終點為擬建澳氹四橋下游2km。雙向航行試驗范圍：上行船舶的起點為擬建澳氹四橋下游500m，終點為已建友誼大橋上游500m，下行船舶的起點和終點與上行船舶的相反。

3.2模擬方法和步驟

（1）建立模擬區域的電子海圖；

（2）建立模擬區域的三維視景；

（3）研究確定模擬方案；

（4）實施預定模擬方案；

（5）統計分析模擬結果并得出模擬結論。

模擬實驗的操縱人員是海事技術專業背景船長，對每一種工況都進行多次船舶操縱模擬仿真試驗，通過回放模擬試驗船舶運動航跡，分析船舶通過橋區水域的航跡帶寬度、漂角、舵角等航行參數指標，論證船舶能夠安全通過橋群水域所需的橋跨布置方案。

3.3船舶航跡帶研究

通過對澳門水道內27組工況（中水18組，20年一遇9組）的仿真試驗航跡進行疊加可以得出雙向航行航跡匯總圖，如圖2所示。對橋群上下游水域進行了航跡帶寬度分析可知，航道內規劃最大船型3000噸級集裝箱船雙向航行時航跡帶寬度為200.1m。為滿足擬建澳氹第四條跨海大橋橋區水域船舶雙向航行的需求，保障船舶習慣航路，減小船舶通過橋群水域的風險，橋梁設計單位根據船舶操縱仿真模擬試驗的成果確定通航孔跨度為280m，設計通航凈空寬度為247.3m，大于3000噸級集裝箱船雙向航行時航跡帶寬度200.1m，從操縱風險分析，無論上行、下行還是雙向航行，3000噸級集裝箱船在橋區水域所壓舵角及漂角均在10°以內，能順利通過橋群水域。

3.4船撞橋概率研究

根據橋區仿真模擬試驗結果分析可知，在橋區水域航跡帶寬度距離兩側橋墩的位置越近，產生的碰撞風險也最大，因此需要對雙向航行中的上、下行船舶觸碰橋墩的概率進行計算。

AASHTO模型因簡單和實用性較強成為目前應用最為廣泛的船橋碰撞概率計算模型。AASHTO模型計算碰撞概率的基本思路為，首先確定船舶的偏航率PA，然后乘以偏航船舶進入船橋撞擊區的概率，即幾何概率 PG，然后與該類（按通航標準分類）船舶年通航量相乘即可計算出該類船舶的年撞擊率。顯然AASHTO模型中關于幾何概率的定義認為，船舶一旦駛入船橋撞擊區，就會一直保持當初的狀態直到發生事故，因此缺乏人為因素在碰撞過程中的影響。

KUNZI模型中引入了停船距離參數s，在綜合了船舶外形尺寸，橋梁外形尺寸，水流情況以及駕駛人員的素質等各方因素后，認為避讓橋梁障礙構件所需的最小足夠距離是一個正態隨機變量。KUNZI模型考慮了人為因素在碰撞過程中的影響，但忽視了船舶的橫向分布，對估算結果的準確度造成了較大偏差。

現有的計算船橋碰撞概率的計算模型均存在各自優缺點，本次研究以船舶操縱模擬器為依托，在船舶模擬器上得到船舶航跡帶分布，結合AASHTO模型和KUNZI模型的優點，在AASHTO模型的基礎上進行改進，所得到的結論為：澳門水道內1000噸級貨船雙向航行時澳氹四橋整體受碰撞年頻率為1.14×10-5次/年，受3000t集裝箱船碰撞年頻率為7.41×10-5次/年。根據船撞橋概率研究成果，為保障橋梁及船舶的通航安全，通航孔的橋墩應設置安全可靠的防撞設施。

4.結語

綜上所述，通過對開展船舶仿真模擬試驗，明確了在各種工況下澳門水道內各種類型和噸位船舶雙向航行船舶航跡帶寬度，從而為橋群水域內橋梁所需最小凈空寬度的計算和通航孔橋墩柱布置提供了依據，實現了通過采取在橋梁平面布置中適當加大通航孔跨度的措施，解決橋群巷道效應問題，在實際工程中具有良好的應用效果。

參考文獻：

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[2]DB44/T 1355-2014.廣東省沿海航道通航標準[S].廣州：廣東省標準化研究院，2014.