基于操纵模拟的内河港口受限水域船舶靠离泊方法研究

高 曦

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

作为我国交通“十三五规划”实施的重大成果之一，水路交通迎来了重大发展机遇，港口工程建设的好坏已经成为制约航运发展的关键因素。船舶多样化与现有港口航道通航条件之间存在的矛盾日益突出，在一定程度上限制了行业的发展[1]。船舶操纵模拟器既可用于船舶航行水域环境仿真，又能根据其操纵特性对船舶进行回旋及靠离泊等模拟操作[2-3]，从而验证港区码头受限水域能否满足代表船型靠离泊作业要求。

从经济性来说，船舶操纵模拟器能大幅减免人力、物力的消耗，达到循环利用；从安全性来说，一切都是在计算机虚拟环境下运行，保障了其安全性；从通用性来说，船舶操纵模拟器是根据STCW公约相关规定制造设计的，金一丞等[4]提出了船舶操纵模拟器与STCW78/95修正案之间是相互制约和发展的关系，保障了其结果的可靠性。因此，船舶操纵模拟器应用在航道港口建设中不但可以降低工程花费，保障船舶航行安全，还能优化航道，增加港口经济效益，从而提升竞争力[5]。

针对港区码头通航条件随季节变化的问题，本文重点研究了该水域一年中占多数时间的平滩流量期，在不同风况条件下船舶回旋及靠离泊的方法。

1 内河港口代表船型建模

船舶在水中所涉及到的力除了自身动力，还有风、流等外力。为了研究方便，通常把在忽略外力作用下船舶的运动模型[6]作为建立船舶运动数学模型的基础，此时船舶所受的力主要是船舶自身装置产生的力、水动力以及其他惯性力等，如图1所示。

图1 在静深水域中作用于船体的力图

对于有外力作用下船舶的运动模型是在上述数学模型中加上空气动力、流体动力以及机械力。此时船舶外部所受的力如图2所示。

图2 船体所受的外部力

在描述船舶在水中的运动态势时，通常会采用两种坐标系，即惯性坐标系和随船运动坐标系，OX0Y0Z0为惯性坐标系，X0OY0平行于静水水面，OX0轴指向正北，OY0轴指向正东，OZ0轴垂直向下。随船运动坐标系又称随体坐标系，其中G为船体重心坐标原点，Gx、Gy、Gz分别指向船首、右舷及龙骨方向。如图3所示。

图3 惯性坐标系和随船运动坐标系

图中：u为纵荡速度，v为横荡速度，r为转首角速度，ψ为航向角，δ为舵角。

由图3可得他们之间的关系方程为：

(1)

(2)

上述公式(1)、(2)中,xG0、yG0为船舶重心在惯性坐标系中的坐标，X0、Y0、N0为惯性坐标系下船舶所受到的外力和外力矩，X、Y、N为作用于船体上的外力和外力矩。

根据以上坐标系，考虑到船舶会受到风、流等因素的干扰产生纵荡、横荡、艏摇及横摇的状况，以及镇江港区物流码头设计使用的实际情况，本次试验选用最大代表船型50000吨散货船作为研究对象，在船舶操纵模拟器上建立基于四自由度MMG分离模型[7]的散货船模型。其规格如表1所示，再运用3d Max Design、Civil 3D等软件建立该船的三维模型，如图4所示。

表1 模拟试验代表船型

图4 四自由度散货船三维模型

2 港口受限水域场景重构

港口受限水域场景重构需要建立港口航道环境视景系统，是以该水域电子海图为依托，把采集到的港口数据(地文资料、水文资料等)创建成视景数据库[8-9]，再利用3ds Max Design 、Civil 3D等软件计算分析，最后通过MultiGen-Paradigm公司的开发平台Vega渲染生成逼真的虚拟可视化场景，同时配以音效来给人一种身临其境的直观感受[10]。

建立港口视景数据库需要大量的数据作为支撑，主要包括港口地形地貌参数、两岸建筑物参数、助航标志物参数、目标船参数、本船船首模型等。这些数据的采集需要借助于无人机、雷达、卫星航拍等多种现代化手段[11-12]，再把这些数据进行优化预处理、真实感生成、三维物体模型建立、纹理细节处理、结构优化和调试等。

本次实验模拟的是长江下游镇江港区物流码头，位于镇江市长江北岸，南临长江、东西北三面与扬州市相接，地理坐标为31°36′N，119°27′E，区域面积21.5 km2。其中港口岸线1.9 km，码头长度750 m，可航水域宽度1500 m，主航道水深12.5 m。

在现有最新的规划航道码头设计图基础上，根据海事部门提供的相关水域港口的AutoCAD总体规划图进行坐标转换、数据处理，建立出对应的电子海图和相应的航道视景[13]。如图5、6所示。

图5 码头水域的电子海图

图6 码头水域的三维视景图

3 模拟仿真实验案例：长江镇江港区物流码头

3.1 代表船型操纵特性

前文已完成了50000吨最大代表船型的建模，利用船舶操纵模拟器检验该代表船型在空载和满载情况下的操控特性，将初始速度分别设定为11.6 knt和9.8 knt，舵角均为右舵15°和35°，经多次模拟操纵可得该船型在空载和满载情况下操控回旋特性，如下图7、8所示。

图7 50000吨级散货船空载状态在舵角为15°和35°时的回旋特性

图8 50000吨级散货船满载状态在舵角为15°和35°时的回旋特性

3.2 航行模拟试验轨迹图

根据港口受限水域的风、流及航道情况，仿真试验的各种环境参数都是依据当地的水文及地文资料来设置。经核实，该地区强风向为WNW向，最大风速为16.7 m/s；常风向则为ENE～ESE向范围，所占频率均为9%。本水域及附近水文条件复杂，随季节变化大，枯水期：流向130°，流速1.5 km/h；平滩流量期：流向129°，流速2.5 km/h；洪水期：流向127°，流速4.5 km/h。

以上述港口码头的水文、气象资料作为模拟船舶靠离泊作业通航环境参考值，着重研究平滩流量期，4、6级风况下(重点是6级强风)，在船舶操纵模拟器上对50000吨级最大代表船型在该受限水域进行模拟回旋及靠离泊作业，得出船舶运行轨迹和拖轮使用情况，如图9～12所示。

图9 平滩流量、6级风、风向070°掉头离泊轨迹图

图10 平滩流量、6级风、风向250°掉头离泊轨迹图

图11 平滩流量、6级风、风向070°靠泊轨迹图

图12 平滩流量、6级风、风向250°靠泊轨迹图

上述4类工况条件下，50000吨级代表船型回旋水域范围和回旋所需时间如表2所示。

表2 平滩流量、各风况情况下实验数据表

3.3 实验数据分析

对设计最大船型50000吨级散货船在平滩流量期进行靠离泊作业模拟试验，结果表明回旋水域长轴最大545 m，最小372 m，短轴最大336 m，最小274 m,船舶回旋水域范围理论值为565 m(2.5倍船长)× 340 m(1.5倍船长)，模拟回旋水域长轴、短轴均在该范围内。所以该水域尺度能够满足最大代表船型50000吨级散货船回旋及靠离泊作业的要求。

码头受限水域在不同工况下进行船舶靠离泊作业，占用航道时间最长19 min，最短10 min，进行上述作业对本水域及邻近水域通航环境有一定影响。因此，当代表船型在港口受限水域进行靠离泊作业时，必须采取水上交通管制措施来保障过往船舶通行安全。

平滩流量情况下，50000吨级散货船进行靠离泊及掉头操作，在4～6级风时，需要配备2艘2×1156 kw(3200匹马力)全回旋拖轮协助50000吨级散货船(满载进港、空载出港)进行船舶靠离泊及掉头操作。当风力超过6级时，应立即停止靠离泊及掉头作业。

4 结论

船舶运动仿真技术能够为港口工程规划建设提供可行性建议。本文以长江下游镇江港区物流码头为例，利用操纵模拟器模拟船舶操纵与环境视景，参考了不同工况 (风、流) 条件下，最大设计代表船型在港区回旋及靠离泊的通航情况，确定最大代表船型通航环境的可行性。通过模拟验证，镇江港区物流码头能够满足最大代表船型为50000吨类型的船舶通航，达到设计规划需求。同时，本文所提基于操纵模拟的内河港口受限水域船舶靠离泊方法也能够对港口建设方案的可行性进行有效检验，预估航行风险，增强船舶通航的安全性，从而大幅降低实验成本和工程风险。