船舶操縱仿真的狹長通航隧洞航行安全研究

鄧 健， 廖芳達， 謝 澄， 關宏旭， 嚴慶新

(武漢理工大學 a. 航運學院； b. 國家水運安全工程技術研究中心；c. 內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

通航隧洞是一類新型的、特殊的船舶通航設施，在世界范圍內十分稀少。近來年，隨著我國內河(特別是山區河流)航運梯級開發的深入，通航隧洞作為一類新型的通航設施正得到越來越廣泛的應用。2018年貴州烏江構皮灘樞紐建成了我國第一個船舶通航隧洞，長約300 m，可通航500噸級船舶；浙江論證通過了富春江二線船閘，其中包括建設富春江七里瀧航道通航隧道工程，可通航千噸級船舶；目前，正在建設的三峽新通道也初步論證了通航隧洞建設方案。

從建成和規劃的船舶通航隧洞來看，為便于船舶通航，通航隧洞長度一般超過1 km，橫斷面積通常大于200 m2，而其斷面系數小于4，“狹長”是通航隧洞的主要特點。船舶在隧洞中主要采取自航方式通航。狹長通航隧洞由于其通航寬度窄、水深淺、能見度不良和環境封閉等特點，屬于典型的受限航道，但船舶在隧洞中航行性能與敞開式限制性航道有別，隧洞中船舶操縱難度更大，船員心理壓力更高，因此，船舶安全風險比其他水域明顯更高。

國內外對于通航隧洞這一特殊對象的船舶航行安全研究較少。從研究方法來看，目前，對于受限水域內的船舶航行安全問題主要采用船舶操縱模擬器、船舶物理模型試驗和實船試驗等方法來開展；從結果來看，船舶操縱仿真方法是一類有效的研究手段，可針對于多種工況、多類型船舶條件進行研究，是最為有效手段之一。目前，國內外圍繞通航隧洞這一特殊的通航建筑物開展的研究工作較少，但船舶在受限水域內的航行安全研究積累了一定的經驗，國內外開展了廣泛的研究工作。

1) 船舶操縱仿真是一類有效的研究方法。黃立文等[1]運用航海模擬器對內河水域橋梁/船閘通航方案進行研究；徐元等[2]將航海模擬器應用于碼頭工程的通航評估過程中，分析其有效性；唐成港等[3]利用船舶操縱模擬器對船舶系泊安全進行研究；劉軼華等[4]利用大型船舶操縱模擬器對洋口港液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)船舶進行靠離泊風險評估；溫魯等[5]利用船舶操縱模擬器開展關于上海洋山港港區三維視景仿真的研究。

2) 實船試驗和模型試驗也被常用于對通航水域相關問題研究，?？∮畹萚6]基于實船試驗對作業耙吸船對長江口深水航道通航影響進行研究；徐雙喜等[7]對三峽庫區這一特定水域中自航船拖帶航行時的操作性、直航穩定性進行了探討；徐進超等[8]運用物理模型試驗方法，對貴港二線船閘下引航道的布置進行了優化研究。

本文將選取典型的狹長通航隧洞——擬建烏江思林二線通航隧洞工程作為對象，采用航海模擬器構建隧洞通航環境視景、代表船型模型，并由具備豐富駕引經驗的內河船長開展船舶直航試驗、船舶制動沖程操縱試驗和小舵角操縱試驗等3種試驗，分析船舶在通航隧洞內航行操縱的特點與風險，提出適用于狹長隧洞通航船舶航行的駕引方案。為保證研究結果的真實性，本文將使用英國船商公司開發的船舶全任務大型操縱模擬器NT-PRO 6000型模擬器開展研究工作，其獲得多個船級社的認證，已被成功應用于多處重大水工建筑物的通航安全研究，是一種對在復雜通航環境條件下的限制性水域船舶航行安全研究的有效方法。[1-3]

1 研究對象概況

烏江航道是我國規劃的高等級航道，貴州省重要的水路大通道，為進一步對烏江航道通過能力提等擴能，貴州省擬開展烏江二線通航設施的建設，其中，思林二線通航建筑物就是其中的重要部分?？紤]到環保和水土影響，思林二線通航建筑物建設擬使用船閘+通航隧洞+垂直升船機方案，其中，通航隧洞通航采用雙洞單行方案。思林二線通航隧道位于烏江峽谷河段，布置在思林已建通航建筑物左岸280 m處(見圖1)，軸線長2.2 km，隧洞斷面為城門洞型，下部為矩形過水斷面，上部為拱形洞頂，規劃隧洞高度20.0 m，通航隧洞寬16.0 m，高20.0 m，洞內水深5.5 m，為保證通航隧洞內交通、消防安全，在航道兩邊分別設置寬2 m、高4 m的人行橫通道，隧洞內截面圖見圖2。

圖1 思林二線通航建筑物工程圖

圖2 思林二線通航隧洞內截面圖

2 通航環境與船舶模型構建

使用船舶全任務大型操縱模擬器NT-PRO 6000型模擬器開展研究工作(見圖3)，其中最重要的基礎工作就是構建符合實際特征的通航環境視景模型的船舶模型，其建模方法可詳見文獻[2]。

圖3 NT-PRO 6000型船舶操縱模擬器

2.1 電子海圖顯示與信息系統和視景系統的構建

開展船舶通航隧洞的視景建模時，首先要構建模擬水域的電子江圖，并在此基礎上構建通航隧洞的三維視景。本文依據工程設計CAD圖，對隧洞工程水域進行數據錄取、數據轉換、坐標轉換和數據輸入等流程，利用Model Wizard建模平臺建立了相應的電子江圖和相應的航道視景模型，見圖4。

圖4 隧洞內三維視景模型

2.2 船舶三維模型的建立

根據貴州烏江航運的現狀和未來貨運市場的分析，烏江航道貨運主要以干散貨運輸為主。因此，本研究主要選取1 000噸級干散貨船作為模擬仿真對象，模型尺度船型主要參數見表1，建立相對應的船舶三維模型見圖5。

表1 試驗船型主要參數 m

圖5 1 000噸級散貨船三維模型

3 船舶操縱仿真試驗方案設計

3.1 通航環境條件設置

由于隧洞通航環境較為封閉，影響船舶航行的主要因素為氣象、水流、照明和其他因素等。

1) 氣象因素：考慮到隧洞內兩側存在明顯的遮擋，因此隧洞中的風一般順直于航道。據調研該地區夏季主導風向為S風，冬季以NNE風為主，風力以常規風力4級為主，風速為7 m/s。

2) 水流因素：由于隧洞上下游分別建設有船閘和升船機等設施，通常運行時隧洞無水流入和流出，除船型波影響外，一般情況下流速整體很小，因此，試驗中設置初始水流條件為靜水。

3) 照明因素：由于隧洞內照明主要為駕引人員能看清航道及周圍環境，因此，將隧洞入口分為入口0～10 m照度為200 lx、入口10～20 m照度為100 lx和入口20～50 m照度為30 lx等3個入口段，其余為中間段，照度為10 lx。

4) 其他因素：本研究只考慮單艘船舶在隧洞內的航行情況，不考慮多艘船舶在隧洞內航行的相互影響。

3.2 試驗方案的設計

本研究模擬船舶在隧洞內的主要航行狀態，主要開展以下3類試驗：

1) 船舶直航試驗：即對于船舶從引航道進入隧洞、在隧洞內航行和船舶駛離隧洞的全過程進行模擬，以了解船舶通過隧洞整個過程的操作情況。

2) 船舶制動沖程操縱試驗：為了解船舶在通過隧洞過程中進行緊急制動時的操作情況，開展船舶制動試驗，以研究隧洞內緊急制動的距離。

3) 小舵角操縱試驗：由于隧洞內航道順直，因此，船舶操縱基本采用小舵角對船舶進行控制，為考察船舶在小舵角情況下的轉向性，開展小舵角操縱試驗，此試驗控制舵角按照3°進行，當船舶航向變化1°時即進行反向操作，以考察船舶在小舵角情況下的操作。

3.3 試驗人員的選取

由于通航隧洞內航道狹窄，對船舶駕引人員的技能水平要求較高，因此，模擬仿真試驗駕駛人員為持有內河一等船長證書的專業內河船舶駕駛人員。

4 試驗結果分析

4.1 船舶隧洞內航行試驗結果分析

由試驗仿真結果可知：船舶在隧洞中航行的過程主要可分為船舶駛入隧洞、船舶在隧洞內航行和船舶駛出隧洞等3階段，其船舶航行具有較為顯著的區別。孟慶杰等[9-10]采用數值模擬的方法研究船舶進出構皮灘船閘過程，對其特征進行探討，本研究相關結果與船舶進出船閘過程有一定相似性，但也存在明顯的差異。

4.1.1船舶駛入隧洞階段航行試驗結果分析

船舶駛入隧洞的階段的操縱航跡見圖6。船舶在引航道中航行時操縱船舶較為順暢，但船舶在鄰近隧洞口門附近約30 m水域時，艏向開始偏蕩比較厲害，保持航向存在一定困難，駛入隧洞口門后，在隧洞內200～300 m時阻力明顯加大，船舶出現明顯降速，航行速度約在2～3 kn。同時，船舶進入隧洞階段，由于隧洞狹長，隧洞內光線變暗，眼睛無法立刻適應，駕引人員會感覺眼前一片漆黑，即產生黑洞效應。隨著船舶逐漸進入隧洞內，駕引人員會逐步適應隧洞內的環境，但視野受到限制，無法對遠處進行有效瞭望。因此，該階段駕引人員受能見度變化的影響較大。

圖6 船舶駛入隧洞階段的操縱軌跡

在船舶駛入隧洞口門前，由于引航道寬度與航道寬度的差異，使船舶兩側流場具有不對稱性，導致船舶存在側向力與轉艏力矩，可能會發生碰壁或者轉艏的情況。特別是由于隧洞內水域環境既窄又淺，船體周圍流場呈現明顯的岸壁效應與淺水效應，因此，船舶在駛入隧洞過程中總阻力、側向力和轉艏力矩呈現明顯的震蕩。在船舶駛入隧洞后，由于洞內航道尺度狹窄，阻塞系數高，水流將被推入隧洞內而不能及時回流，導致隧洞內水位上升，增加船舶所受阻力。與船舶進出船閘研究不同的是，由于隧洞縱深較大，其出現阻力明顯增加的位置不是進入口門的初始階段，而是深入隧洞內200～300 m。

因此，從保障證船舶航行安全的角度來看，在船舶駛入隧洞的過程中，應在船舶進入隧洞前的初始階段保持一定的航速，船舶航速宜控制在3～5 kn，對準口門中心線行駛，在口門附近水域應把定船舶航向，防止船舶偏蕩撞擊口門，進入口門后要保持勻速航行，把定航向。同時，為防止碰撞，應在船舶和隧洞進口門處采用一定的防碰壁措施。同時，為保障能見度劇烈變化對駕引人員產生的影響，應注意在隧洞入口段合理設置照明條件的過渡。

4.1.2船舶在隧洞中段航行試驗結果分析

船舶在隧洞中段航行過程的操縱航跡見圖7。船舶在進入隧洞內超300 m后船舶降速明顯，但與此同時，在船舶隧洞中段航行過程中由于伴流的影響，航向相對穩定，速度也逐漸平穩。在操縱仿真過程中用車和用舵操作表明：船速控制在一定速度范圍內(1.0～1.6 m/s)較為適宜，低于這一航速時，舵效降低明顯；而超過這一速度時，加車時明顯感覺航行阻力加大，速度提升不明顯。當船舶航行至隧洞末端200～300 m時，隨著越接近隧洞口，船舶水阻力逐漸變小，船舶速度逐漸增大。在船舶隧洞內航行時，能見度條件較洞外下降明顯，因此，照明燈光對船舶瞭望存在較大影響，由于隧洞內缺乏參照物，駕駛船舶不易對準航道中心線位置，用舵不慎極易擦碰岸壁。同時，由于長時間在能見度不良的狹窄水道航行，駕駛人員心理壓力變大，影響船舶操縱。

圖7 船舶在隧洞中段航行過程的操縱軌跡

由于船舶進入隧洞內后附加質量增加，水動力變化明顯，降低船舶航速。通航隧洞對通行船舶航行的影響主要體現在船舶阻力性能和吸底效應兩個方面。在小斷面系數航洞中航行時，存在一個臨界速度，船舶航行時應盡量小于臨界速度，因為，在臨界速度范圍內，船體周圍的流態較復雜且不穩定，船舶的浮態亦很不穩定。為便于船舶對準，在隧洞頂沿航道中心線設置有效的燈光，便于船舶判斷航道中心線并提供有效的照明。在隧洞內行駛時，駕引人員仍需保持高度注意集中，保持航向，船舶接近隧洞出口時，應適當控速，避免出隧洞后航速過大。

4.1.3船舶駛出隧洞階段航行試驗結果分析

船舶駛出隧洞階段的操縱航跡見圖8。當船舶航行至接近隧洞末端200～300 m時，隨著接近隧洞口，船舶水阻力會逐漸變小，船舶航速會相對提高。船舶航行至隧洞口門附近30 m水域時，艏向偏蕩比較厲害，把定航向會出現一定的困難。當船舶駛出隧洞時，駕引人員會因為光線突然變強，視覺也會變得模糊，無法立即看清隧洞外的環境，會對船舶駕駛產生一定影響。隨著船舶逐漸駛出隧洞，駕引人員會適應隧洞外光線，視覺會變得清晰，視野也逐步變得開闊。

圖8 船舶駛出隧洞階段的操縱軌跡

當船舶接近駛出隧洞時，由于船舶兩側流場的不對稱性，導致船舶所受側向力與轉艏力矩不為零。由于船體周圍水域變得更寬闊，船體周圍水體回流速度進一步下降，船舶所受阻力變小，船速增大。但由于流場的不對稱性，船舶仍存在側移與轉艏的可能性，船舶航向不易操控。同時，長時間在隧洞中航行，單一的視覺環境容易使人產生生理疲勞，對外界感知和反應減弱。當船舶駛出隧洞時，光線變化劇烈極易產生白洞效應，對船舶駕駛產生較大影響。因此，從保障船舶航行安全的角度來看，在船舶駛出隧洞的過程中，駕駛人員應在距離洞口300 m處開始注意控制航速，在隧洞內設置提醒標志，提醒駕駛人員及早采取有效控速措施，駛出隧洞的速度不能太快，要留有足夠多的時間調整船舶，以便順利駛出隧洞。船舶距離洞口門越近發生碰壁或者轉艏的可能性越大，因此，在船舶實際運行中，應加大洞口處防碰壁措施。

4.2 船舶制動試驗結果分析

船舶在隧洞內航行過程中，可能由于一些緊急情況，需緊急制動，本研究選取了3種不同情況進行船舶制動試驗。

1) 制動試驗1：初始速度3 kn，船舶停車。

2) 制動試驗2：初始速度3 kn，船舶Slow Astern倒車。

3) 制動試驗3：初始速度3 kn，船舶Half Astern倒車。

制動試驗1的船舶航跡見圖9。船舶制動仿真試驗沖程數據見表2。試驗結果表明：由于船舶隧洞內航行時水阻力較大，因此，整體來看，船舶在隧洞內制動沖程距離較小。

圖9 制動試驗1的船舶航跡

表2 船舶制動仿真試驗沖程數據 m

船舶在隧洞內制動沖程距離較小，有利于在發生緊急情況下的船舶緊急停車，也為隧洞內連續多船航行時的船舶間距提供一定參考。但由于隧洞內航行空間狹小，距離太近會對駕引人員視覺和心理造成較大的壓迫感，同時，由于隧洞內照明燈光對船舶瞭望存在一定影響，船舶無法及時對前船操作進行反應。因此，在保證通過能力的前提下，船舶應與前船保持至少5倍船長的船舶間距，在條件允許的情況下，應盡可能增加兩船間距，以保證船舶通航安全。

4.3 船舶小舵角操縱試驗

由于在隧洞內船舶保持航向多采用小舵角進行控制，故在進行試驗時，控制舵角按照3°進行，當船舶航向變化1°時即可反向操作。試驗結果表明：熟練的駕駛人員在正常條件下船舶操縱航跡帶寬度約為15 m，較之目前隧洞16 m寬度的富余寬度很小，故隧洞內發生船舶擦碰的可能性很大。

為保證船舶及隧洞安全，一方面建議船舶進入隧洞前，需分別在船舶左右兩舷安排專人，通過繩索控制輪胎等吸能裝置于兩舷側，當存在發生擦碰情況時，可及時將碰墊置于船舶與岸壁之間，保證船舶和岸壁的安全；另一方面，在工程設計中應考慮適當增大隧洞內的航道寬度。

5 結束語

狹長隧洞是一類非常新型的樞紐通航建筑物，特別對于山區河流的水運發展意義重大。但由于對隧洞內船舶航行安全的相關研究還極少，本文利用先進的船舶操縱仿真模擬器，針對內河通航隧洞的船舶駕引及安全保障措施開展仿真試驗研究。選取思林二線通航隧洞工程數據為對象，構建隧洞通航環境和代表船型模型，模擬操縱船舶在隧洞航行的過程，從仿真結果得出航行操縱和安全保障的結論。

1) 隧洞通航寬度狹窄，斷面系數小，船舶在通航隧洞航行時受到阻力性能和吸底效應兩個方面影響最大。船舶航行在隧洞內時，容易與隧洞岸壁發生擦碰，對船舶駕駛人員的操縱水平要求高。

2) 船舶在通航隧洞航行時，其航行操縱應注意3個階段：

① 船舶駛入隧洞階段進入口門處水流條件復雜，船舶由于岸壁效應、淺水效應等容易產生偏蕩、撞擊口門，在駕駛過程中應特別注意，并做好防碰撞措施，同時應保持一定航速；

② 船舶隧洞中段航行階段，船舶駛入口門一段距離后會出現明顯降速現象，中段航行時應保持一定速度，約為1.5 m/s，過低或過高都會導致船舶操縱困難或阻力快速增加；

③ 船舶接近隧洞口時，船舶又會出現明顯增速現象，要求駕駛人員聯合使用車舵，保持船舶航向，同時駛出隧洞后時應注意控制船速。

3) 隧洞內能見度較差，且與洞外變化明顯。

① 駕駛人員應始終保持高度注意力，建議通過隧洞時駕駛臺保持2人以上值班；

② 隧洞內盡力提供更好的照明條件，特別是沿著隧洞內航道中心線位置設置有效的燈光，便于船舶判斷航道中線并提供有效的照明。

船舶通航隧洞作為一種新型的船舶通航設施，其安全運營均存在很多問題亟待研究，本文可為船舶在隧洞內安全通航提供有益的參考。