高 曦

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

作為我國(guó)交通“十三五規(guī)劃”實(shí)施的重大成果之一，水路交通迎來(lái)了重大發(fā)展機(jī)遇，港口工程建設(shè)的好壞已經(jīng)成為制約航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵因素。船舶多樣化與現(xiàn)有港口航道通航條件之間存在的矛盾日益突出，在一定程度上限制了行業(yè)的發(fā)展[1]。船舶操縱模擬器既可用于船舶航行水域環(huán)境仿真，又能根據(jù)其操縱特性對(duì)船舶進(jìn)行回旋及靠離泊等模擬操作[2-3]，從而驗(yàn)證港區(qū)碼頭受限水域能否滿(mǎn)足代表船型靠離泊作業(yè)要求。

從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，船舶操縱模擬器能大幅減免人力、物力的消耗，達(dá)到循環(huán)利用；從安全性來(lái)說(shuō)，一切都是在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下運(yùn)行，保障了其安全性；從通用性來(lái)說(shuō)，船舶操縱模擬器是根據(jù)STCW公約相關(guān)規(guī)定制造設(shè)計(jì)的，金一丞等[4]提出了船舶操縱模擬器與STCW78/95修正案之間是相互制約和發(fā)展的關(guān)系，保障了其結(jié)果的可靠性。因此，船舶操縱模擬器應(yīng)用在航道港口建設(shè)中不但可以降低工程花費(fèi)，保障船舶航行安全，還能優(yōu)化航道，增加港口經(jīng)濟(jì)效益，從而提升競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

針對(duì)港區(qū)碼頭通航條件隨季節(jié)變化的問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了該水域一年中占多數(shù)時(shí)間的平灘流量期，在不同風(fēng)況條件下船舶回旋及靠離泊的方法。

1 內(nèi)河港口代表船型建模

船舶在水中所涉及到的力除了自身動(dòng)力，還有風(fēng)、流等外力。為了研究方便，通常把在忽略外力作用下船舶的運(yùn)動(dòng)模型[6]作為建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，此時(shí)船舶所受的力主要是船舶自身裝置產(chǎn)生的力、水動(dòng)力以及其他慣性力等，如圖1所示。

圖1 在靜深水域中作用于船體的力圖

對(duì)于有外力作用下船舶的運(yùn)動(dòng)模型是在上述數(shù)學(xué)模型中加上空氣動(dòng)力、流體動(dòng)力以及機(jī)械力。此時(shí)船舶外部所受的力如圖2所示。

圖2 船體所受的外部力

在描述船舶在水中的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)時(shí)，通常會(huì)采用兩種坐標(biāo)系，即慣性坐標(biāo)系和隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，OX0Y0Z0為慣性坐標(biāo)系，X0OY0平行于靜水水面，OX0軸指向正北，OY0軸指向正東，OZ0軸垂直向下。隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系又稱(chēng)隨體坐標(biāo)系，其中G為船體重心坐標(biāo)原點(diǎn)，Gx、Gy、Gz分別指向船首、右舷及龍骨方向。如圖3所示。

圖3 慣性坐標(biāo)系和隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

圖中：u為縱蕩速度，v為橫蕩速度，r為轉(zhuǎn)首角速度，ψ為航向角，δ為舵角。

由圖3可得他們之間的關(guān)系方程為：

(1)

(2)

上述公式(1)、(2)中,xG0、yG0為船舶重心在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，X0、Y0、N0為慣性坐標(biāo)系下船舶所受到的外力和外力矩，X、Y、N為作用于船體上的外力和外力矩。

根據(jù)以上坐標(biāo)系，考慮到船舶會(huì)受到風(fēng)、流等因素的干擾產(chǎn)生縱蕩、橫蕩、艏搖及橫搖的狀況，以及鎮(zhèn)江港區(qū)物流碼頭設(shè)計(jì)使用的實(shí)際情況，本次試驗(yàn)選用最大代表船型50000噸散貨船作為研究對(duì)象，在船舶操縱模擬器上建立基于四自由度MMG分離模型[7]的散貨船模型。其規(guī)格如表1所示，再運(yùn)用3d Max Design、Civil 3D等軟件建立該船的三維模型，如圖4所示。

表1 模擬試驗(yàn)代表船型

圖4 四自由度散貨船三維模型

2 港口受限水域場(chǎng)景重構(gòu)

港口受限水域場(chǎng)景重構(gòu)需要建立港口航道環(huán)境視景系統(tǒng)，是以該水域電子海圖為依托，把采集到的港口數(shù)據(jù)(地文資料、水文資料等)創(chuàng)建成視景數(shù)據(jù)庫(kù)[8-9]，再利用3ds Max Design 、Civil 3D等軟件計(jì)算分析，最后通過(guò)MultiGen-Paradigm公司的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Vega渲染生成逼真的虛擬可視化場(chǎng)景，同時(shí)配以音效來(lái)給人一種身臨其境的直觀感受[10]。

建立港口視景數(shù)據(jù)庫(kù)需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，主要包括港口地形地貌參數(shù)、兩岸建筑物參數(shù)、助航標(biāo)志物參數(shù)、目標(biāo)船參數(shù)、本船船首模型等。這些數(shù)據(jù)的采集需要借助于無(wú)人機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星航拍等多種現(xiàn)代化手段[11-12]，再把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化預(yù)處理、真實(shí)感生成、三維物體模型建立、紋理細(xì)節(jié)處理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)試等。

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是長(zhǎng)江下游鎮(zhèn)江港區(qū)物流碼頭，位于鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江北岸，南臨長(zhǎng)江、東西北三面與揚(yáng)州市相接，地理坐標(biāo)為31°36′N(xiāo)，119°27′E，區(qū)域面積21.5 km2。其中港口岸線(xiàn)1.9 km，碼頭長(zhǎng)度750 m，可航水域?qū)挾?500 m，主航道水深12.5 m。

在現(xiàn)有最新的規(guī)劃航道碼頭設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上，根據(jù)海事部門(mén)提供的相關(guān)水域港口的AutoCAD總體規(guī)劃圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，建立出對(duì)應(yīng)的電子海圖和相應(yīng)的航道視景[13]。如圖5、6所示。

圖5 碼頭水域的電子海圖

圖6 碼頭水域的三維視景圖

3 模擬仿真實(shí)驗(yàn)案例：長(zhǎng)江鎮(zhèn)江港區(qū)物流碼頭

3.1 代表船型操縱特性

前文已完成了50000噸最大代表船型的建模，利用船舶操縱模擬器檢驗(yàn)該代表船型在空載和滿(mǎn)載情況下的操控特性，將初始速度分別設(shè)定為11.6 knt和9.8 knt，舵角均為右舵15°和35°，經(jīng)多次模擬操縱可得該船型在空載和滿(mǎn)載情況下操控回旋特性，如下圖7、8所示。

圖7 50000噸級(jí)散貨船空載狀態(tài)在舵角為15°和35°時(shí)的回旋特性

圖8 50000噸級(jí)散貨船滿(mǎn)載狀態(tài)在舵角為15°和35°時(shí)的回旋特性

3.2 航行模擬試驗(yàn)軌跡圖

根據(jù)港口受限水域的風(fēng)、流及航道情況，仿真試驗(yàn)的各種環(huán)境參數(shù)都是依據(jù)當(dāng)?shù)氐乃募暗匚馁Y料來(lái)設(shè)置。經(jīng)核實(shí)，該地區(qū)強(qiáng)風(fēng)向?yàn)閃NW向，最大風(fēng)速為16.7 m/s；常風(fēng)向則為ENE～ESE向范圍，所占頻率均為9%。本水域及附近水文條件復(fù)雜，隨季節(jié)變化大，枯水期：流向130°，流速1.5 km/h；平灘流量期：流向129°，流速2.5 km/h；洪水期：流向127°，流速4.5 km/h。

以上述港口碼頭的水文、氣象資料作為模擬船舶靠離泊作業(yè)通航環(huán)境參考值，著重研究平灘流量期，4、6級(jí)風(fēng)況下(重點(diǎn)是6級(jí)強(qiáng)風(fēng))，在船舶操縱模擬器上對(duì)50000噸級(jí)最大代表船型在該受限水域進(jìn)行模擬回旋及靠離泊作業(yè)，得出船舶運(yùn)行軌跡和拖輪使用情況，如圖9～12所示。

圖9 平灘流量、6級(jí)風(fēng)、風(fēng)向070°掉頭離泊軌跡圖

圖10 平灘流量、6級(jí)風(fēng)、風(fēng)向250°掉頭離泊軌跡圖

圖11 平灘流量、6級(jí)風(fēng)、風(fēng)向070°靠泊軌跡圖

圖12 平灘流量、6級(jí)風(fēng)、風(fēng)向250°靠泊軌跡圖

上述4類(lèi)工況條件下，50000噸級(jí)代表船型回旋水域范圍和回旋所需時(shí)間如表2所示。

表2 平灘流量、各風(fēng)況情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)設(shè)計(jì)最大船型50000噸級(jí)散貨船在平灘流量期進(jìn)行靠離泊作業(yè)模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明回旋水域長(zhǎng)軸最大545 m，最小372 m，短軸最大336 m，最小274 m,船舶回旋水域范圍理論值為565 m(2.5倍船長(zhǎng))× 340 m(1.5倍船長(zhǎng))，模擬回旋水域長(zhǎng)軸、短軸均在該范圍內(nèi)。所以該水域尺度能夠滿(mǎn)足最大代表船型50000噸級(jí)散貨船回旋及靠離泊作業(yè)的要求。

碼頭受限水域在不同工況下進(jìn)行船舶靠離泊作業(yè)，占用航道時(shí)間最長(zhǎng)19 min，最短10 min，進(jìn)行上述作業(yè)對(duì)本水域及鄰近水域通航環(huán)境有一定影響。因此，當(dāng)代表船型在港口受限水域進(jìn)行靠離泊作業(yè)時(shí)，必須采取水上交通管制措施來(lái)保障過(guò)往船舶通行安全。

平灘流量情況下，50000噸級(jí)散貨船進(jìn)行靠離泊及掉頭操作，在4～6級(jí)風(fēng)時(shí)，需要配備2艘2×1156 kw(3200匹馬力)全回旋拖輪協(xié)助50000噸級(jí)散貨船(滿(mǎn)載進(jìn)港、空載出港)進(jìn)行船舶靠離泊及掉頭操作。當(dāng)風(fēng)力超過(guò)6級(jí)時(shí)，應(yīng)立即停止靠離泊及掉頭作業(yè)。

4 結(jié)論

船舶運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)能夠?yàn)楦劭诠こ桃?guī)劃建設(shè)提供可行性建議。本文以長(zhǎng)江下游鎮(zhèn)江港區(qū)物流碼頭為例，利用操縱模擬器模擬船舶操縱與環(huán)境視景，參考了不同工況 (風(fēng)、流) 條件下，最大設(shè)計(jì)代表船型在港區(qū)回旋及靠離泊的通航情況，確定最大代表船型通航環(huán)境的可行性。通過(guò)模擬驗(yàn)證，鎮(zhèn)江港區(qū)物流碼頭能夠滿(mǎn)足最大代表船型為50000噸類(lèi)型的船舶通航，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)劃需求。同時(shí)，本文所提基于操縱模擬的內(nèi)河港口受限水域船舶靠離泊方法也能夠?qū)Ω劭诮ㄔO(shè)方案的可行性進(jìn)行有效檢驗(yàn)，預(yù)估航行風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)船舶通航的安全性，從而大幅降低實(shí)驗(yàn)成本和工程風(fēng)險(xiǎn)。