船舶操纵仿真模拟试验在解决澳氹第四条跨海大桥桥群巷道效应问题中的应用

马劲

摘 要：随着中国基础设施建设的高速发展，跨越航道的各类桥梁工程不断增多，在某一河段内连续建设多座桥梁形成桥群的现象亦不断增多。桥群的出现使得航道内容易产生“巷道效应”，导致通航环境复杂化，同时也增加了船舶驾驶人员的心理压力，大大增加了船舶通过桥区水域的航行风险。本文主要针对在已经形成桥群的开敞水域上建桥，在无法直接采取一跨过河的桥跨布置的条件下，以澳氹第四条跨海大桥为例，探究如何利用船舶操纵仿真模拟试验解决桥群巷道效应问题。

关键词：澳氹第四条跨海大桥 船舶操纵仿真模拟试验 桥群巷道效应

1.前言

澳氹第四条跨海大桥起自澳门新城区填海A区东侧，与港珠澳大桥口岸人工岛连接，跨越澳门外港航道、往内港航道，在澳门新城区填海E1区登陆，全长约3.5公里。澳门水道现有跨海桥梁3座，自上游往下游分别为澳门西湾大桥、嘉乐庇大桥和友谊大桥，澳氹第四条跨海大桥建成后，将进一步形成桥群区，容易产生“巷道效应”，船舶航经该段长约4公里的海域将连续通过4座跨海大桥，导致通航环境更为复杂，因此需开展船舶操纵仿真模拟试验，为桥梁设计提供解决方案。

2.船舶操纵仿真模型建立

本次研究首先將收集澳门西湾大桥、嘉乐庇大桥、友谊大桥、澳氹第四条跨海大桥4座大桥的桥型结构、桥梁测量资料、桥区地形、水文、船舶尺度、船舶结构等基础资料，分析桥群通航环境。其次依据收集的桥区地形、桥梁以及代表船型资料，结合水流模型计算成果，考虑地形、潮流、波浪和风等自然环境，利用V.Dragon-4000AT型通航船舶操纵模拟器，建立船舶操纵模拟仿真模型，开展各种工况下、各种类型和吨位船舶、多船会遇避让、各种气象及不同航道、桥梁条件下的船舶操纵通航条件模拟试验。

V.Dragon -4000AT 型通航船舶操纵模拟器由主控台、1套主本船（360度模拟器）、5套副本船（180度模拟器、2套120度模拟器及2套桌面系统）、2套拖轮模拟器构成，采用分布交互仿真（DIS）的设计思想和先进的网络技术，将系统的各计算机相互连接，本船之间通过三维视景和雷达图象互见。模拟器中的各本船功能完备，可完整地模拟船舶驾驶台操作环境。主本船具有一个与实船驾驶台相似的环境，拥有一套完整的仪器设备面板，设备功能和操作性能可达到实际硬件设备所能完成的功能。主本船具有大屏幕柱幕投影无缝拼接视景系统，采用几何校正和边缘融合技术，可以做到视景真正地无缝拼接和高亮度显示，为操作人员提供最接近真实的景象，并提供望远镜及漫游通道，用于漫游观测和望远镜观测360°范围的视景。副本船视景系统也采用几何校正和边缘融合技术，拖轮操作面板放在副本船驾驶，拖轮的操作由操作人员自己操作。主控室能在整个模拟器试验中控制、监视并重放、分析试验过程；可设置航行环境、交通状况和特殊海域等条件，图1为天科所大型船舶操纵模拟器系统。

3.船舶操纵仿真模拟试验

3.1试验范围

上行试验范围：起点为拟建澳氹四桥下游2km，终点为已建西湾大桥上游800m；下行试验范围：起点为已建西湾大桥上游800m；终点为拟建澳氹四桥下游2km。双向航行试验范围：上行船舶的起点为拟建澳氹四桥下游500m，终点为已建友谊大桥上游500m，下行船舶的起点和终点与上行船舶的相反。

3.2模拟方法和步骤

（1）建立模拟区域的电子海图；

（2）建立模拟区域的三维视景；

（3）研究确定模拟方案；

（4）实施预定模拟方案；

（5）统计分析模拟结果并得出模拟结论。

模拟实验的操纵人员是海事技术专业背景船长，对每一种工况都进行多次船舶操纵模拟仿真试验，通过回放模拟试验船舶运动航迹，分析船舶通过桥区水域的航迹带宽度、漂角、舵角等航行参数指标，论证船舶能够安全通过桥群水域所需的桥跨布置方案。

3.3船舶航迹带研究

通过对澳门水道内27组工况（中水18组，20年一遇9组）的仿真试验航迹进行叠加可以得出双向航行航迹汇总图，如图2所示。对桥群上下游水域进行了航迹带宽度分析可知，航道内规划最大船型3000吨级集装箱船双向航行时航迹带宽度为200.1m。为满足拟建澳氹第四条跨海大桥桥区水域船舶双向航行的需求，保障船舶习惯航路，减小船舶通过桥群水域的风险，桥梁设计单位根据船舶操纵仿真模拟试验的成果确定通航孔跨度为280m，设计通航净空宽度为247.3m，大于3000吨级集装箱船双向航行时航迹带宽度200.1m，从操纵风险分析，无论上行、下行还是双向航行，3000吨级集装箱船在桥区水域所压舵角及漂角均在10°以内，能顺利通过桥群水域。

3.4船撞桥概率研究

根据桥区仿真模拟试验结果分析可知，在桥区水域航迹带宽度距离两侧桥墩的位置越近，产生的碰撞风险也最大，因此需要对双向航行中的上、下行船舶触碰桥墩的概率进行计算。

AASHTO模型因简单和实用性较强成为目前应用最为广泛的船桥碰撞概率计算模型。AASHTO模型计算碰撞概率的基本思路为，首先确定船舶的偏航率PA，然后乘以偏航船舶进入船桥撞击区的概率，即几何概率 PG，然后与该类（按通航标准分类）船舶年通航量相乘即可计算出该类船舶的年撞击率。显然AASHTO模型中关于几何概率的定义认为，船舶一旦驶入船桥撞击区，就会一直保持当初的状态直到发生事故，因此缺乏人为因素在碰撞过程中的影响。

KUNZI模型中引入了停船距离参数s，在综合了船舶外形尺寸，桥梁外形尺寸，水流情况以及驾驶人员的素质等各方因素后，认为避让桥梁障碍构件所需的最小足够距离是一个正态随机变量。KUNZI模型考虑了人为因素在碰撞过程中的影响，但忽视了船舶的横向分布，对估算结果的准确度造成了较大偏差。

现有的计算船桥碰撞概率的计算模型均存在各自优缺点，本次研究以船舶操纵模拟器为依托，在船舶模拟器上得到船舶航迹带分布，结合AASHTO模型和KUNZI模型的优点，在AASHTO模型的基础上进行改进，所得到的结论为：澳门水道内1000吨级货船双向航行时澳氹四桥整体受碰撞年频率为1.14×10-5次/年，受3000t集装箱船碰撞年频率为7.41×10-5次/年。根据船撞桥概率研究成果，为保障桥梁及船舶的通航安全，通航孔的桥墩应设置安全可靠的防撞设施。

4.结语

综上所述，通过对开展船舶仿真模拟试验，明确了在各种工况下澳门水道内各种类型和吨位船舶双向航行船舶航迹带宽度，从而为桥群水域内桥梁所需最小净空宽度的计算和通航孔桥墩柱布置提供了依据，实现了通过采取在桥梁平面布置中适当加大通航孔跨度的措施，解决桥群巷道效应问题，在实际工程中具有良好的应用效果。

参考文献：

[1]JTJ311-97.通航海轮桥梁通航标准[S].北京：中交水运规划设计院，1997.

[2]DB44/T 1355-2014.广东省沿海航道通航标准[S].广州：广东省标准化研究院，2014.