仲 彥，孟 然

(中海油天津液化天然氣有限責(zé)任公司 天津 300452)

0 引 言

港口和航道的設(shè)計(jì)問題一般涉及兩個(gè)學(xué)科，即港口工程學(xué)和航海技術(shù)學(xué)。涉及到港口工程的問題有水文、地質(zhì)環(huán)境勘測、泥沙運(yùn)動(dòng)情況分析及平面規(guī)劃和建筑物設(shè)計(jì)等。涉及到航海技術(shù)的問題傳統(tǒng)上主要是考慮船舶運(yùn)動(dòng)的空間，如回旋水域、疏浚水深、進(jìn)港航道尺度等，這些尺度的確定主要根據(jù)已有的各種規(guī)范和航海者經(jīng)驗(yàn)來判定。上述傳統(tǒng)方法對(duì)于各種環(huán)境影響，特別是各種環(huán)境因素組合在一起時(shí)的船舶操縱安全性、合理性很難作出評(píng)價(jià)，使得從船舶運(yùn)動(dòng)角度對(duì)港口、航道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)受到限制。

隨著船舶操縱模擬及計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，近年來船舶操縱模擬已越來越多地應(yīng)用于港口航道的平面設(shè)計(jì)中，船舶操縱與各種環(huán)境動(dòng)力模擬相結(jié)合，能夠使港口和航道的設(shè)計(jì)更為合理。[1-3]

天津 LNG項(xiàng)目需要新建 LNG泊位兩個(gè)，其中一個(gè)用于停靠 FSRU(浮式接收儲(chǔ)存氣化裝置，即帶有氣化裝置的 LNG船)，另一個(gè)用于停靠 LNG 船接卸 LNG。該項(xiàng)目碼頭工程布置在天津港南疆南側(cè)岸線東端，碼頭前沿距南防波堤軸線70,m，碼頭與陸域之間以引橋連接。LNG及 FSRU泊位采用蝶形墩臺(tái)式布置，每個(gè)泊位設(shè)置 1座工作平臺(tái)、4座靠船墩和6座系纜墩。每個(gè)泊位長度均為 400,m，兩個(gè)泊位間距 50,m，碼頭總長度為 850,m。工作平臺(tái)頂面高程 8.0,m，靠船墩及系纜墩頂面高程為 6.5,m。碼頭前沿停泊水域?qū)挾葹?150,m，設(shè)計(jì)底高程-14.5,m。旋回圈直徑為 865,m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-15.0,m。

本項(xiàng)目航道連接港池區(qū)域考慮兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，兩個(gè)方案在船舶操縱、通航安全及投資方面均有較大差異，需要進(jìn)行方案比選?？傮w上，航道設(shè)計(jì)時(shí)所要求的指標(biāo)主要為航行水域的寬度、水深、通航條件、凈高度等，而這些指標(biāo)受到船速、舵角、船舶操縱性能、風(fēng)、浪、潮汐等外界條件和操縱人員技能以及各項(xiàng)指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)作用的影響。因此，本次試驗(yàn)通過船舶操縱模擬，借助模擬結(jié)果獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，評(píng)估各航道設(shè)計(jì)方案的確定因素(航行水域的寬度、水深、通航條件等)和不確定性因素(船舶操縱性能、風(fēng)、浪等)，分析各方案的合理性以確定最終推薦方案。[4-5]

1 航道設(shè)計(jì)方案簡介

根據(jù)方案一(見圖1)，碼頭方向(按照出港航向)為107,°，港池方向?yàn)?148,°，口門內(nèi)航道為 109,°，口門外航道為 126,°。船舶回旋水域位于碼頭前沿，其直徑為865,m。

圖1 航道設(shè)計(jì)方案一Fig.1 Design Scheme A

方案二主要對(duì)港池的疏浚北邊線進(jìn)行了擴(kuò)寬(見圖2)。對(duì)航道進(jìn)行了切角，航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為 375,m，喇叭口下口與外航道夾角為 8,°。

圖2 航道設(shè)計(jì)方案二Fig.2 Design Scheme B

2 船舶操縱模擬試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用的全任務(wù)大型船舶操縱模擬器采用英國Transas公司的Navi-Trainer型，符合國際海事組織(IMO)STCW78/95公約及國家海事局的相關(guān)要求，獲得挪威船級(jí)社(DNV)、英國海運(yùn)安全局(MSA)、英國勞氏船級(jí)社(Lloyd's Register)等權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。設(shè)備包括教練站、4個(gè)本船(1個(gè)主本船和3個(gè)副本船)及 40套桌面系統(tǒng)，主本船為 7通道 270,°弧形柱面視景，副本船為3通道 120,°視景。系統(tǒng)由綜合船橋駕駛臺(tái)(IBS)模塊、船舶控制模塊、雷達(dá)/ARPA模塊、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)模塊、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)模塊、導(dǎo)航儀器模塊、視景系統(tǒng)模塊、音響模擬模塊等構(gòu)成，包括船舶動(dòng)態(tài)軟件、三維視景軟件、教練監(jiān)控軟件、視景及船模開發(fā)軟件、實(shí)物駕駛臺(tái)硬件和基于網(wǎng)絡(luò)分布式處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

該全任務(wù)大型船舶操縱模擬器具有以下主要特點(diǎn)：①能夠完成不同天氣及能見度(晴天、多云、陰天、霧、雨等)、不同海況(風(fēng)、浪、流等)、不同時(shí)間(白天、晝夜連續(xù)可變)條件下的航行、操縱模擬。②使用助航儀器、雷達(dá)/ARPA、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)、無線電通訊等為一體的綜合智能導(dǎo)航模擬。③采用六自由度(前后、側(cè)移、船首向變化、縱搖、橫搖、垂蕩)船舶水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，能真實(shí)地模擬本船在開闊水域的水動(dòng)力學(xué)特征(包括氣象、潮汐、流的影響)，能真實(shí)地模擬本船在受限水域的水動(dòng)力學(xué)特征(包括淺水、岸壁和船間效應(yīng))，能真實(shí)地模擬本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的響應(yīng)。

同時(shí)，在模擬器上整合了拖輪子系統(tǒng)，拖輪的操作可以指定到主本船或任何 1個(gè)副本船，在指定的拖輪操作船臺(tái)上，操作人員可以像操作主本船一樣，而且可以與被拖帶船舶用VHF或?qū)χv機(jī)通信以達(dá)到交互和聯(lián)動(dòng)，在目標(biāo)拖輪上的視景顯示同樣采用三維 120,°或 270,°的視景顯示。在力學(xué)模型上拖輪子系統(tǒng)和靠離泊子系統(tǒng)中，能根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)流等海況條件實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)拖輪和各條纜繩的受力情況。

試驗(yàn)船型選取天津 LNG一期主力145,000,m3LNG船，參加試驗(yàn)的主要人員為天津港引航中心高級(jí)引航員、LNG船長、大副及拖輪船長等。根據(jù)該水文氣象統(tǒng)計(jì)資料及天津港引航中心高級(jí)引航員和 LNG船長的經(jīng)驗(yàn)，選取風(fēng)向?yàn)?NE、SW風(fēng)，風(fēng)速6～7級(jí)，漲潮，流速0.3～1.2,kn為試驗(yàn)工況。根據(jù)工程現(xiàn)場情況及高級(jí)引航員經(jīng)驗(yàn)，船舶進(jìn)港靠泊 LNG泊位(東側(cè)泊位)時(shí)更難操作且對(duì)航道要求更高，因此本次試驗(yàn)以船舶進(jìn)港靠泊LNG泊位為主要研究工況。[7,8]

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

方案一僅進(jìn)行了兩組試驗(yàn)(見圖 3)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在漲潮、風(fēng)向?yàn)?NE的情況下，引航員尚可以通過操作使船舶勉強(qiáng)通過航道與港池相接觸，但在漲潮、風(fēng)向?yàn)?SW 的情況下，引航員無法通過操作船舶克服西南風(fēng)對(duì)船舶產(chǎn)生的向北的影響，易出現(xiàn)擱淺事故。通過試驗(yàn)可以看出，方案一存在的問題是轉(zhuǎn)向較多，在約 1,000,m(不到 3倍設(shè)計(jì)船長)的范圍內(nèi)需要拐彎兩次，一個(gè)彎約 40,°，一個(gè)彎約 20,°，船舶航跡呈“S”形，船舶操縱困難，容易出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。

圖3 方案一試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental result of Scheme A

圖4 方案二試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental result of Scheme B

表1 船舶操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 List of simulation test results

方案二(見圖4)對(duì)港池與航道連接處進(jìn)行了切角，切角后航道與港池連接處呈喇叭口形狀，喇叭口上口寬度為 635,m，下口寬度為375,m，喇叭口與外航道夾角為8,°，使得船舶可以安全駛過該區(qū)域，方案二在設(shè)定的風(fēng)流條件下，船舶進(jìn)出港都比較容易。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(見表1)分析，方案一對(duì)于漲潮、西南風(fēng) 6級(jí)情況下進(jìn)港操船，存在擱淺隱患，因此對(duì)港池及航道相接喇叭口處的拓寬是必要的。方案二在擴(kuò)寬喇叭口后，船舶在風(fēng)力及水流作用下向北漂移后，可借助擴(kuò)寬后的區(qū)域安全航行。此外，方案二也滿足其他條件下的靠離泊要求，因此方案二為推薦方案。

在航道設(shè)計(jì)方案比選過程中，聘請(qǐng)具有豐富引航經(jīng)驗(yàn)且十分了解當(dāng)?shù)厮臍庀蟮囊絾T及熟悉船舶操縱特性的LNG船長參與船舶操縱模擬試驗(yàn)，從實(shí)踐出發(fā)獲取數(shù)據(jù)并確定推薦方案，使航道設(shè)計(jì)更加適應(yīng)實(shí)際操縱特點(diǎn)，能夠保證設(shè)計(jì)方案符合水上交通安全的要求?！?/p>

［1］ 張慶河，李炎保. 船舶操縱數(shù)學(xué)模型在港口航道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國港灣建設(shè)，2000(1)：49-53.

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