船舶操纵模拟器在桥梁／船闸通航方案论证中的应用

黄立文，张 蔚，严庆新，熊锡龙，张 鹏

（武汉理工大学 航运学院，武汉430063）

内河水域通航河段上的建设工程，无论施工期还是建成后都会改变水域通航环境，对船舶通航安全造成一定影响。为了确保航道、船舶及工程的安全，工程水域的通航方案必须合理、安全。

在通常情况下，方案的设计是依据己有的各种规范及设计者和航海者的经验判断来决定的，这种方法对于各种环境因素的影响，特别是各种环境因素综合在一起时船舶操纵的合理性、安全性很难做出评价，而且风、流本身就是随机变化的因素，不可能每一种情况都用实船来进行试验，因此利用船舶操纵模拟器来进行通航方案的模拟试验成为一种新的发展趋势［1］。运用船舶操纵模拟器来进行船舶通航的模拟试验，分析工程水域的航道特征、水文特征、典型环境条件，在模拟器中来模拟船舶在这些环境条件下的航行状况，这样即可以修改设计方案不合理的地方、预估船舶航行风险，还可以优化方案的设计、提出安全保障对策。

1 步骤

1.1 船舶操纵模拟试验的准备工作

1.1.1 电子海（江）图的制作

选用最新版的纸质海（江）图展开数字化工作，电子海（江）图数据精度关系到船舶的航行安全，应及时更新和添加拟建桥梁、建筑物等影响通航环境的工程，并将其具体的方位、尺寸以及航道经疏浚后的增深值等修改或补充到新的电子海（江）图上［2］。

1.1.2 风、流等外界环境的模拟

为了模拟实际的航行操纵情况，应向模拟器输入准确的风、流等资料。应用风压力系数计算风干扰力，在港湾、航道和近海航道等处的流，一般具有不均匀性、不定常性，根据实测点处的流速、流向，采取在该点处用实测值，在附近点处进行加权平均取值［2-3］。也可以进行简化，对最不利于船舶安全通航的环境条件，进行定常处理。如仅需论证船舶在某段航道中能否安全操纵，可仅取对操船最不利的定常风向、风速、流向、流速，如需模拟拥挤水域和狭窄航道内船舶操纵，应取得准确的交通流数据，一般是通过进行交通流观测统计得到［1］，或由经验丰富的引航员依经验设定。

1.1.3 船舶模型的建模

目前，现有的船舶模型库中己经包含了所有常见的船舶的三维模型。在此基础上，利用相关软件工具可以快速、逼真地生成用户要求的特定的船舶模型，大大提高模拟器试验的范围和效果。当然，要对常见的模型进行必要的修改和试验，以适应特定船型的要求。

1.2 试验方案的设计与实施

准备工作就绪后，依据模拟试验的目的，结合熟悉实地环境的引航员、船长的实际经验，拟定初步试验方案。在实施模拟时，考虑各种环境因素组合中最为不利的影响，对风向风速、流向流速、船舶载况进行适当调整，以便于对试验结果进行统计分析，得出保障安全通航的环境因素的限制值［2］。由于大型船舶受风、流的作用比较敏感，需要统计风、流影响的限制值。同时，交通流的统计对试验方案的拟订也有一定的影响。试验一般由经验丰富的引航员或资深的船长来操作或指导操作。

1.3 对模拟结果进行评价

为了能对模拟结果做出客观的评价，必须在不同环境因素组合下进行一定数量的实时模拟，对试验结果和相关数据进行记录，必要时可利用航行重演功能，得出足够多的试验数据，便于对试验结果做出评判，尤其是对在特定条件下船舶通航方案是否合理做出判断，给出确保船舶安全的航行方法，提出船舶安全通航的保障方案和通航水域交通管理方面的建议等等。图1为上述模拟试验步骤的流程图［1］。

图1 模拟试验方案的流程图

2 应用实例

武汉理工大学航运学院利用英国船商公司的NTPRO 4 000型全任务大型船舶操纵模拟器对中山市35号路长江大桥和红水河桥巩水电站进行了船舶通航方案论证的模拟试验。

2.1 航道及环境

中山市35号路长江大桥是跨越石岐河水道东河段的一座特大桥。石歧河水道属国家Ⅳ级航道，常水位+0.586m，航道水深约4m，设计通航净高8.5m，设计通航水位+2.186m。对桥区海损事故进行分析发现，不少事故是在作用于船上的风力大于三到四级以上时发生的，环境条件突变因素（突然增加风力、水位急剧下降，能见度突然降低，风力猛烈增强等）对船舶航行安全起着特别重要的作用。由于桥梁在施工期间安装采用常规的支架上安装法，需要临时占用石歧河的河道，临时支架施工完毕后，实行双向的通航，临时通航道通航净宽均为16m，通航高度7.5m。

2.2 试验船型

依据中山市35号路长江大桥航道通航能力，指定模拟通航试验所用的船舶主尺度见表1。

表1 模拟900t货船主尺度

2.3 模拟试验结果分析

航迹带宽度由各工况情况下的模拟试验结果直接量取统计，再考虑富裕宽度给出航道所需的宽度，见表2、3。

表2 900t级货船上行通过中山市35号路长江大桥航迹带宽度及所需航道宽度

表3 900t级货船下行通过中山市35号路长江大桥航迹带宽度及所需航道宽度

鉴于长江大桥施工期间，临时通航净宽对比设计通航净宽非常小，船舶在施工期过桥时应密切注意桥区水域气象水文条件，并尽量减小偏航角α，在保持舵效的情况下缓速、谨慎过桥，以使船舶安全通过桥孔。

模拟试验结果显示，当船舶上行时，横风（NW风或SE风）风力超过4级时，或当船舶下行时，横风（NW风或SE风）风力超过5级时，虽采取了正确的操纵方法，但由于风致漂移量较大，造成与防撞栏的安全距离不足，危险性较大。建议NW风或SE风向的风力超过4级时，禁止上行船舶通航，当风力超过5级时，大桥施工区水域采取禁航措施［4］。

2.4 航道及环境情况分析

红水河是珠江流域西江水系的中上游河段，全长659km，滩多流急，河流比降较大。桥巩水电站位于红水河下游河段，坝址所在河道为左凸右凹的转弯段，河床较窄，坝址往上游到乐滩水电站河道长约75.2km，总体走向为西北～东南向，其中大的转折点在合山。

2.5 模拟试验结果分析

上游引航道弯曲段距离闸室最近约129m，根据模拟结果显示，多次模拟500吨级船队过闸，进入上游引航道弯曲段航行后，多次模拟时均出现触碰导航墙现象，导致船队不能安全通过船闸。

根据模拟结果，上游引航道弯曲半径较小，引航道弯曲段距离闸室较近，直线段长度不够，建议设计单位适当调整平面布置，增大引航道的弯曲半径，增长闸室口前直线段的距离，以满足船舶（队）安全进出船闸的要求［5］。

3 结语

船舶操纵模拟器已经广泛应用于航海教学训练、海事原因分析和工程设计论证中，并起到了不可忽视的作用。船舶操纵模拟器在通航安全领域的应用，不仅可以增强船舶通航安全，预估航行风险，还可以优化航道的设计，保障通航水域的安全畅通。随着船舶操纵模拟器设计论证范围的进一步扩展，将在内河水域的水工工程通航论证中得到更加广泛的应用。

［1］钱华忠.船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究［J］.中国航海，2003（1）：18-22.

［2］张秀凤，洪碧光，金一丞.船舶操纵模拟器在船舶通航安全评估中的应用［J］.中国航海，2003（3）：24-26.

［3］Katsuro Kijimam，Yasuaki Nakiri.International conference on Marine Simulation and Ship Maneuverability On the Practical Prediction Method for Ship Maneuvering Characteristics［C］.Kanazawa Japan，2003.

［4］黄立文.中山市35号路长江大桥工程通航环境安全评估报告［R］.武汉理工大学航运学院，2006.

［5］黄立文.红水河桥巩水电站工程通航安全技术论证研究报告［R］.武汉理工大学航运学院，2006.