平陆运河第五标段船舶操纵仿真模拟试验研究

杨斌 何俊辉 闫强

摘要：为研究设计代表船型在平陆运河第五标段航段水文气象条件下的航行性能状态，进一步优化初步航道设计方案，确保平陆运河建设的技术及经济性和合理性，文章结合水流模型计算结果以及MMG模型框架，建立第五标段设计代表船型的操纵运动数学模型，开展各种工况条件下的船舶操纵通航条件模拟试验。结果表明，平陆运河第五标段设计航道宽度100 m，基本满足安全通航的要求，并建议第五标段弯曲航段航道宽度拓宽到110 m最合适。

关键词：平陆运河；船舶操纵；船舶模拟仿真；航道

中图分类号：U661.33 A 02 003 4

0 引言

目前，我国正在向“交通强国”目标积极迈进，为了推动交通产业的进步，提升水上运输能力，对航道通航条件的要求也在不断提高。然而，航运环境复杂多变，如河道蜿蜒、水位波动大、各航区航段水文特性存在差异，加之船舶种类繁多、船舶设备状况不一以及驾驶员素质参差不齐等，这些因素都使得船舶操纵困难，航运安全受到影响。数值模拟/操纵模拟器模拟试验方法具有安全、经济、操作简便、预报快捷以及便于重复试验等优点，已经成为船舶通航论证的关键手段。

马劲［1］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。黄明等［2］利用船舶操纵模拟器开展仿真试验，研究影响LNG船舶靠离泊的恶劣条件因素和关键操作，通过实船试验验证所提出的操作方案和风险应对措施的有效性。陈立家等［3］在GPU中进行流场渲染，结合计算出的河流水位及速度场信息，基于OpenGL的GLSL多重纹理映射技术对河流流体进行建模与仿真。

为了确保平陆运河建设技术及经济的合理性，本文依据平陆运河第五标段航段水文气象，考虑地形、潮流、波浪和风等自然环境，结合水流模型计算结果以及MMG模型框架，建立设计代表船型的操纵运动数学模型，开展各种工况条件下的船舶操纵通航条件模拟试验，结合试验结果进一步优化初步航道设计方案。

1 工程概况

平陆运河起源于西江干流西津库区南宁横州市的平塘江口，穿过沙坪河与钦江支流旧州江的分水岭，途经钦州市灵山县的陆屋镇，沿着钦江干流向南部进入北部湾的钦州港海域，全长约135 km，是一条通江达海的水运通道。第五标段中的青年枢纽至钦州水上服务区段航道尺度为：6.3 m×90 m×450 m（航道水深×航道宽度×转弯半径）。钦州水上服务区至沙井大桥段航道尺度为：6.3 m×100 m×450 m（航道水深×航道宽度×最小弯曲半径）。

2 代表船型快速性试验及操纵性试验

为研究平陆运河“5 000吨级散货船”和“250 TEU集装箱船”两型货船的快速性和操纵性，分别对该船进行了船模快速性试验和操纵性试验研究。

船模快速性试验主要涵盖：阻力试验、螺旋桨敞水试验和自主航行试验。船模如图1和图2所示，船舶参数如下页表1和表2所示。

船模操纵性试验主要包括：回旋试验、倒车制动试验和Z形操舵试验。试验水池配备了计算机实时数据采集、显示和处理的遙测、遥控系统，以及双RTK技术的GPS船模实时轨迹测量系统，能够实时监测船舶的行驶轨迹、航速和漂角。本次试验的所有数据都将通过该数据采集系统收集。在操纵性试验中，船模由无线电遥控操作，Z形操舵试验数据则通过计算机采集后，无线传输至岸上的微机进行处理。而在回旋试验中，数据同样通过无线传输至岸上微机，以记录船模的行驶轨迹。采用XW-ADU5650型姿态方位组合导航系统测量船模航行姿态，采用XWGPS1030/1040型带基准站的双频RTK-GPS定位系统测量船模重心运动轨迹。试验船模的舵机由发动机及减速机构成，采用数字式位置控制方式实施操舵。试验结果如图3和图4所示。

3 船舶运动与航道仿真建模

3.1 船舶模型参数

根据《内河通航标准》（GB50139-2014）（以下简称《标准》）［4］船型，结合平陆运河设计代表船型，船舶操纵仿真模拟试验研究项目的设计代表船型选取5 000吨级散货船和250 TEU集装箱船，通航船型尺度参数如表3所示。

3.2 水流仿真数值模拟

水流仿真利用了目前全球广泛应用的CARDINAL软件，这是一款专门针对流体流动问题进行计算的工具。其所提供的非结构化网格生成器对于处理复杂几何形状的网格生成非常高效，能够生成的网格类型包括二维四边形网格、三维四面体、六面体和混合网格［5］。在三维流场计算中，垂直流层一般设定在3～5层，最多可达32层。水流数值模拟的精度较高，且计算结果可以导入大型船舶操纵模拟器中进行实际流场模拟，从而全面、真实地揭示水流对船舶航行、靠泊和离泊作业的影响，以及复杂水域对船舶操纵的影响等。平陆运河第五标段各测速点的流速和流向如图5所示。

3.3 船舶运动模型建模

在内河船舶经验性操纵运动模型的基础上，依据MMG模型架构，构建了内河船舶的操纵运动数学模型。MMG模型的标准形式所使用的坐标系统如图6所示。其中，x0o0y0为大地坐标系，xoy为船体坐标系。

基于牛顿第二定律，船舶的运动方程可表示为式（1），船体力XH、YH、NH的计算方式为式（2），螺旋桨力XP、YP、NP可表示为式（3），舵力XR 、YR 、NR采用舵力的法向分量F，表示为式（4）。

3.4 电子航道图、地形地貌及流场建立建模

根据试验水域的通航要素技术资料和设计单位提供的相关资料，将其数字化并进行整理、变换，生成了符合模拟试验要求的数字化平面图，并用于展示模拟试验过程中的模拟航行环境和模拟船舶。此外，在现有最新的海图基础上，利用AutoCAD图和Transas模拟器的Scene Editor建模平台，建立了相应设计方案的电子航道图，具体如图7所示。

4 操船仿真验证与分析

4.1 试验方案

根据水域通航自然环境要素分析，对5 000吨级散货船和250 TEU集裝箱船双向通航模拟试验进行了工况设计。平陆运河工程所在地区常风向为N向，出现频率为26%；次常风NNE向，出现频率为9.2%；强风向为N向，因此试验选择了N风以及相应的6级风力作为试验的风要素。波浪的方向与风的方向一致，而且试验区域是一个受潮汐影响的河段，试验中的波浪高度设定为0.8 m。第五标段水流流场按照青年枢纽最大通航流量（1 000 m3/s）+大潮组合设置。第五标段过第一个弯道后流速增长至1.6 m/s，后趋于平稳，最大流速为1.8 m/s。

4.2 试验结果

在模拟试验中，由经验丰富的船长负责船舶的操纵，根据预先设定的研究工况进行一系列模拟试验。模拟试验部分航迹带如图8和下页图9所示。

4.3 船舶模拟试验结果分析

根据《标准》，双向航道中航道宽度计算为上行和下行船舶的航迹带宽度、上行和下行船舶外舷至航道边缘的安全距离以及船舶会船时的安全距离之和。其中，货船的安全距离可取0.67～0.80倍的上行和下行航迹带宽度之和。经统计5 000吨级散货船船型和250 TEU集装箱船船型在工程水域附近上行船舶的最大航迹带宽度和下行船舶的最大航迹带宽度，计算出第五标段试验船舶所需的航道宽度。

依据工程背景以及相关的气象、水文数据，构建了试验所需的电子海图、通航环境模型和设计代表船舶的六自由度数学模型，并采用大型船舶操纵模拟器进行了船舶操纵的仿真试验。在试验取得相关数据的基础上，形成结果分析如下：

（1）弯曲河段的航道不仅自然弯曲且相当狭窄，这限制了船舶通过弯道的尺寸，同时也提升了船舶操纵的难度。在弯曲的航段，水深分布并不均匀，通常凹岸一侧的水深较大，而凸岸一侧的水深较小。凸岸常常会因淤积形成边滩，伴随着沙嘴、沙脚等淤积物，其中一些淤积物甚至潜伏在水下并深入河流中。如果上行船舶沿着岸边航行时不慎，就可能会因此搁浅。弯曲河段的主流线弯曲，导致两岸的水位有高有低，常常还会出现逆流、弯流、斜流和回流等不正常的水流，这对船舶的航行安全造成很大的威胁。因此，弯曲的航道对船舶的航行安全有别于直道航行，具有其特殊的影响。

（2）在图9中，由于第五标段入海口弯道处航道宽度较窄、流速较急（1.8～1.9 m/s），且5 000吨级散货船/250 TEU集装箱船在下行（南下）进入弯道前，为了保持较好的舵效均未采取适当的减速措施，而下行船舶在顺流航行时由于伴流作用影响使其舵效比上行船舶差，且在强风强流条件下其所受风流压差较大，故在风大、流急、弯道较为曲折、航速较快、入弯前船位偏离航道中心线靠凹岸侧等综合因素条件影响下，导致船舶在转向过程中船位过于偏向凹岸一侧而触岸；反之，若船舶在弯道转向时船位过于偏向于航道中心线靠凸岸一侧，则船首将被排开，船尾被吸拢，使船产生较大的转头力矩而横越水道，进而导致船舶过于靠近凸岸而形成紧迫局面。

（3）第五标段N风6级、1 000 m3/s+大潮流场条件下5 000吨级散货船下行（南下）和250 TEU集装箱船上行（北上）时的最大航迹带宽度分别为18 m、17 m，所需双向航道宽度为63 m；250 TEU集装箱下行（南下）和5 000吨级散货船上行（北上）时最大航迹带宽度分别为20 m、19 m，所需双向航道宽度为70 m。

因此，该标段设计航道宽度为100 m，基本满足安全通航的要求。

5 结语

（1）设计船型在经过五标段等特殊航段典型弯道时，由于水流的变化较快，导致船舶操纵较为困难，航迹带明显增宽。驾驶员应用“上水走缓流，下水走主流，挂高取矮”航法，在进入该弯道前密切注意船位变化，及时用舵，必要时可采取加车等措施保证船舶操纵性。

（2）考虑到船舶在强风强流影响下过弯较为困难，建议船舶避免在弯道处会船，以免发生船舶碰撞或触岸事故。

（3）第五标段弯曲航段原方案航道设计宽度为100 m，根据仿真模拟试验数据，设计船型在通过第五标段时，存在一定的操纵难度，此时船舶偏离航道或搁浅、触岸的风险比其他标段高。

（4）建议第五标段弯曲航段航道宽度拓宽到110 m最合适。

（5）船舶在进入上述特殊水域典型弯道前，值班驾驶员应通知船长上驾驶台亲自操船，谨慎驾驶，加强瞭望。航经该区域的船舶驾驶员应熟悉该段水域的航道、水文、气象、设施、有关规定，若对以上情况存有疑问，应及时向海事管理部门咨询。

参考文献

［1］马 劲.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［J］. 珠江水运，2018（13）：46-47.

［2］黄 明，窦佩军，王裕平，等. 基于虚拟仿真和实船验证的恶劣天气下LNG船舶靠离泊操作分析［J］. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2022，46（4）：743-748.

［3］陈立家，刘锭坤，田延飞，等. 面向船舶操纵模拟器的内河水流三维建模与仿真［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（4）：634-639.

［4］GB 50139-2014，内河通航标准［S］.

［5］张 琴，叶含春，王立洪. 迷宫型灌水器流道结构与水力性能的模拟研究［J］. 农机化研究，2012，34（2）：59-62，75.

收稿日期：2023-09-06