平陸運河第五標段船舶操縱仿真模擬試驗研究

楊斌 何俊輝 閆強

摘要：為研究設計代表船型在平陸運河第五標段航段水文氣象條件下的航行性能狀態，進一步優化初步航道設計方案，確保平陸運河建設的技術及經濟性和合理性，文章結合水流模型計算結果以及MMG模型框架，建立第五標段設計代表船型的操縱運動數學模型，開展各種工況條件下的船舶操縱通航條件模擬試驗。結果表明，平陸運河第五標段設計航道寬度100 m，基本滿足安全通航的要求，并建議第五標段彎曲航段航道寬度拓寬到110 m最合適。

關鍵詞：平陸運河；船舶操縱；船舶模擬仿真；航道

中圖分類號：U661.33 A 02 003 4

0 引言

目前，我國正在向“交通強國”目標積極邁進，為了推動交通產業的進步，提升水上運輸能力，對航道通航條件的要求也在不斷提高。然而，航運環境復雜多變，如河道蜿蜒、水位波動大、各航區航段水文特性存在差異，加之船舶種類繁多、船舶設備狀況不一以及駕駛員素質參差不齊等，這些因素都使得船舶操縱困難，航運安全受到影響。數值模擬/操縱模擬器模擬試驗方法具有安全、經濟、操作簡便、預報快捷以及便于重復試驗等優點，已經成為船舶通航論證的關鍵手段。

馬勁［1］以澳氹第四條跨海大橋為例，探究如何利用船舶操縱仿真模擬試驗解決橋群巷道效應問題。黃明等［2］利用船舶操縱模擬器開展仿真試驗，研究影響LNG船舶靠離泊的惡劣條件因素和關鍵操作，通過實船試驗驗證所提出的操作方案和風險應對措施的有效性。陳立家等［3］在GPU中進行流場渲染，結合計算出的河流水位及速度場信息，基于OpenGL的GLSL多重紋理映射技術對河流流體進行建模與仿真。

為了確保平陸運河建設技術及經濟的合理性，本文依據平陸運河第五標段航段水文氣象，考慮地形、潮流、波浪和風等自然環境，結合水流模型計算結果以及MMG模型框架，建立設計代表船型的操縱運動數學模型，開展各種工況條件下的船舶操縱通航條件模擬試驗，結合試驗結果進一步優化初步航道設計方案。

1 工程概況

平陸運河起源于西江干流西津庫區南寧橫州市的平塘江口，穿過沙坪河與欽江支流舊州江的分水嶺，途經欽州市靈山縣的陸屋鎮，沿著欽江干流向南部進入北部灣的欽州港海域，全長約135 km，是一條通江達海的水運通道。第五標段中的青年樞紐至欽州水上服務區段航道尺度為：6.3 m×90 m×450 m（航道水深×航道寬度×轉彎半徑）。欽州水上服務區至沙井大橋段航道尺度為：6.3 m×100 m×450 m（航道水深×航道寬度×最小彎曲半徑）。

2 代表船型快速性試驗及操縱性試驗

為研究平陸運河“5 000噸級散貨船”和“250 TEU集裝箱船”兩型貨船的快速性和操縱性，分別對該船進行了船?？焖傩栽囼灪筒倏v性試驗研究。

船?？焖傩栽囼炛饕w：阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和自主航行試驗。船模如圖1和圖2所示，船舶參數如下頁表1和表2所示。

船模操縱性試驗主要包括：回旋試驗、倒車制動試驗和Z形操舵試驗。試驗水池配備了計算機實時數據采集、顯示和處理的遙測、遙控系統，以及雙RTK技術的GPS船模實時軌跡測量系統，能夠實時監測船舶的行駛軌跡、航速和漂角。本次試驗的所有數據都將通過該數據采集系統收集。在操縱性試驗中，船模由無線電遙控操作，Z形操舵試驗數據則通過計算機采集后，無線傳輸至岸上的微機進行處理。而在回旋試驗中，數據同樣通過無線傳輸至岸上微機，以記錄船模的行駛軌跡。采用XW-ADU5650型姿態方位組合導航系統測量船模航行姿態，采用XWGPS1030/1040型帶基準站的雙頻RTK-GPS定位系統測量船模重心運動軌跡。試驗船模的舵機由發動機及減速機構成，采用數字式位置控制方式實施操舵。試驗結果如圖3和圖4所示。

3 船舶運動與航道仿真建模

3.1 船舶模型參數

根據《內河通航標準》（GB50139-2014）（以下簡稱《標準》）［4］船型，結合平陸運河設計代表船型，船舶操縱仿真模擬試驗研究項目的設計代表船型選取5 000噸級散貨船和250 TEU集裝箱船，通航船型尺度參數如表3所示。

3.2 水流仿真數值模擬

水流仿真利用了目前全球廣泛應用的CARDINAL軟件，這是一款專門針對流體流動問題進行計算的工具。其所提供的非結構化網格生成器對于處理復雜幾何形狀的網格生成非常高效，能夠生成的網格類型包括二維四邊形網格、三維四面體、六面體和混合網格［5］。在三維流場計算中，垂直流層一般設定在3～5層，最多可達32層。水流數值模擬的精度較高，且計算結果可以導入大型船舶操縱模擬器中進行實際流場模擬，從而全面、真實地揭示水流對船舶航行、靠泊和離泊作業的影響，以及復雜水域對船舶操縱的影響等。平陸運河第五標段各測速點的流速和流向如圖5所示。

3.3 船舶運動模型建模

在內河船舶經驗性操縱運動模型的基礎上，依據MMG模型架構，構建了內河船舶的操縱運動數學模型。MMG模型的標準形式所使用的坐標系統如圖6所示。其中，x0o0y0為大地坐標系，xoy為船體坐標系。

基于牛頓第二定律，船舶的運動方程可表示為式（1），船體力XH、YH、NH的計算方式為式（2），螺旋槳力XP、YP、NP可表示為式（3），舵力XR 、YR 、NR采用舵力的法向分量F，表示為式（4）。

3.4 電子航道圖、地形地貌及流場建立建模

根據試驗水域的通航要素技術資料和設計單位提供的相關資料，將其數字化并進行整理、變換，生成了符合模擬試驗要求的數字化平面圖，并用于展示模擬試驗過程中的模擬航行環境和模擬船舶。此外，在現有最新的海圖基礎上，利用AutoCAD圖和Transas模擬器的Scene Editor建模平臺，建立了相應設計方案的電子航道圖，具體如圖7所示。

4 操船仿真驗證與分析

4.1 試驗方案

根據水域通航自然環境要素分析，對5 000噸級散貨船和250 TEU集裝箱船雙向通航模擬試驗進行了工況設計。平陸運河工程所在地區常風向為N向，出現頻率為26%；次常風NNE向，出現頻率為9.2%；強風向為N向，因此試驗選擇了N風以及相應的6級風力作為試驗的風要素。波浪的方向與風的方向一致，而且試驗區域是一個受潮汐影響的河段，試驗中的波浪高度設定為0.8 m。第五標段水流流場按照青年樞紐最大通航流量（1 000 m3/s）+大潮組合設置。第五標段過第一個彎道后流速增長至1.6 m/s，后趨于平穩，最大流速為1.8 m/s。

4.2 試驗結果

在模擬試驗中，由經驗豐富的船長負責船舶的操縱，根據預先設定的研究工況進行一系列模擬試驗。模擬試驗部分航跡帶如圖8和下頁圖9所示。

4.3 船舶模擬試驗結果分析

根據《標準》，雙向航道中航道寬度計算為上行和下行船舶的航跡帶寬度、上行和下行船舶外舷至航道邊緣的安全距離以及船舶會船時的安全距離之和。其中，貨船的安全距離可取0.67～0.80倍的上行和下行航跡帶寬度之和。經統計5 000噸級散貨船船型和250 TEU集裝箱船船型在工程水域附近上行船舶的最大航跡帶寬度和下行船舶的最大航跡帶寬度，計算出第五標段試驗船舶所需的航道寬度。

依據工程背景以及相關的氣象、水文數據，構建了試驗所需的電子海圖、通航環境模型和設計代表船舶的六自由度數學模型，并采用大型船舶操縱模擬器進行了船舶操縱的仿真試驗。在試驗取得相關數據的基礎上，形成結果分析如下：

（1）彎曲河段的航道不僅自然彎曲且相當狹窄，這限制了船舶通過彎道的尺寸，同時也提升了船舶操縱的難度。在彎曲的航段，水深分布并不均勻，通常凹岸一側的水深較大，而凸岸一側的水深較小。凸岸常常會因淤積形成邊灘，伴隨著沙嘴、沙腳等淤積物，其中一些淤積物甚至潛伏在水下并深入河流中。如果上行船舶沿著岸邊航行時不慎，就可能會因此擱淺。彎曲河段的主流線彎曲，導致兩岸的水位有高有低，常常還會出現逆流、彎流、斜流和回流等不正常的水流，這對船舶的航行安全造成很大的威脅。因此，彎曲的航道對船舶的航行安全有別于直道航行，具有其特殊的影響。

（2）在圖9中，由于第五標段入?？趶澋捞幒降缹挾容^窄、流速較急（1.8～1.9 m/s），且5 000噸級散貨船/250 TEU集裝箱船在下行（南下）進入彎道前，為了保持較好的舵效均未采取適當的減速措施，而下行船舶在順流航行時由于伴流作用影響使其舵效比上行船舶差，且在強風強流條件下其所受風流壓差較大，故在風大、流急、彎道較為曲折、航速較快、入彎前船位偏離航道中心線靠凹岸側等綜合因素條件影響下，導致船舶在轉向過程中船位過于偏向凹岸一側而觸岸；反之，若船舶在彎道轉向時船位過于偏向于航道中心線靠凸岸一側，則船首將被排開，船尾被吸攏，使船產生較大的轉頭力矩而橫越水道，進而導致船舶過于靠近凸岸而形成緊迫局面。

（3）第五標段N風6級、1 000 m3/s+大潮流場條件下5 000噸級散貨船下行（南下）和250 TEU集裝箱船上行（北上）時的最大航跡帶寬度分別為18 m、17 m，所需雙向航道寬度為63 m；250 TEU集裝箱下行（南下）和5 000噸級散貨船上行（北上）時最大航跡帶寬度分別為20 m、19 m，所需雙向航道寬度為70 m。

因此，該標段設計航道寬度為100 m，基本滿足安全通航的要求。

5 結語

（1）設計船型在經過五標段等特殊航段典型彎道時，由于水流的變化較快，導致船舶操縱較為困難，航跡帶明顯增寬。駕駛員應用“上水走緩流，下水走主流，掛高取矮”航法，在進入該彎道前密切注意船位變化，及時用舵，必要時可采取加車等措施保證船舶操縱性。

（2）考慮到船舶在強風強流影響下過彎較為困難，建議船舶避免在彎道處會船，以免發生船舶碰撞或觸岸事故。

（3）第五標段彎曲航段原方案航道設計寬度為100 m，根據仿真模擬試驗數據，設計船型在通過第五標段時，存在一定的操縱難度，此時船舶偏離航道或擱淺、觸岸的風險比其他標段高。

（4）建議第五標段彎曲航段航道寬度拓寬到110 m最合適。

（5）船舶在進入上述特殊水域典型彎道前，值班駕駛員應通知船長上駕駛臺親自操船，謹慎駕駛，加強瞭望。航經該區域的船舶駕駛員應熟悉該段水域的航道、水文、氣象、設施、有關規定，若對以上情況存有疑問，應及時向海事管理部門咨詢。

參考文獻

［1］馬 勁.船舶操縱仿真模擬試驗在解決澳氹第四條跨海大橋橋群巷道效應問題中的應用［J］. 珠江水運，2018（13）：46-47.

［2］黃 明，竇佩軍，王裕平，等. 基于虛擬仿真和實船驗證的惡劣天氣下LNG船舶靠離泊操作分析［J］. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2022，46（4）：743-748.

［3］陳立家，劉錠坤，田延飛，等. 面向船舶操縱模擬器的內河水流三維建模與仿真［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020，44（4）：634-639.

［4］GB 50139-2014，內河通航標準［S］.

［5］張 琴，葉含春，王立洪. 迷宮型灌水器流道結構與水力性能的模擬研究［J］. 農機化研究，2012，34（2）：59-62，75.

收稿日期：2023-09-06