曹圓圓　白響恩　肖英杰　楊小軍　鄭劍

摘要：

為評價吳淞口3個建閘方案的可行性，提出一種基于船舶航行仿真的建閘方案選優(yōu)方法.通過觀測和分析黃浦江交通流情況，選出恰當?shù)拇泶筒⑺鸭泶偷拇百Y料建立船舶操縱模型，制作電子海圖.根據(jù)水文氣象信息設計各仿真試驗方案，在考慮船舶習慣航法的基礎上進行單船及大小船交會的仿真試驗；分析重要指標，如航道寬度、轉向角等，確定推薦方案并在此基礎上進行優(yōu)化.該方法能為吳淞口建閘方案的確定提供科學依據(jù)，可作為評價比選建閘方案的有效新途徑.

關鍵詞：

吳淞口水閘； 船舶航行仿真； 航道寬度； 通航孔； 轉向角

中圖分類號： U641.2；U666.158

0 引 言

黃浦江吳淞口的建閘是上海市城市防洪的重大工程，其基本功能是擋潮，綜合功能包括防擋咸潮入侵，遠期預留參與流域行洪調(diào)度、水質(zhì)調(diào)度[1].水閘的建立從防御自然災害的角度來說是必須的，但在一定程度上增加了船舶通航的限制和操縱難度，如果閘寬及閘口方向的設置不合理，則會嚴重限制和妨礙船舶的通航及安全，不利于港口經(jīng)濟的發(fā)展.本文基于船舶航行仿真技術，通過選取適當?shù)耐ê酱泶瓦M行模擬試驗及效果比對，對吳淞口建閘的3種設計方案的通航孔尺度進行可行性分析，為吳淞口建閘方案的確定提供科學依據(jù).

在建閘方案比選方面：有些文獻[25]雖然給出了建閘方案比選的建議，但僅從建閘自身考慮，并未考慮與其密切相關的船舶因素；有些文獻[610]雖然應用了仿真手段，但其研究的都是已有項目工程下的仿真.

本文將兩者相結合，把仿真技術運用到建閘方案的比選上.通過對交通流的觀測和統(tǒng)計，選取代表船型，搜集其船舶資料并建立船舶操縱模型，根據(jù)各方案制作電子海圖.結合水文氣象資料設計各仿真試驗方案，進行船舶航行仿真試驗，包括單船試驗和大小船交會試驗.分析航道寬度、轉向角等實驗數(shù)據(jù)，確定吳淞口建閘方案中的推薦方案，并根據(jù)大小船交會試驗結果，提出船舶交會限制條件下的通航孔寬度值，對推薦方案進行進一步優(yōu)化.

1 船舶運動仿真模型

建立船舶運動仿真數(shù)學模型的基本原理參見文獻[11].為描述船舶的運動，采用如下兩個右手坐標系（見圖1）：一個為固定坐標系O0x0y0z0，固定于地球；另一個為運動坐標系Oxyz，固定于船舶并隨船一起運動.運動坐標系的原點取在船中縱剖面的船垂心處.Ox為船縱軸并指向船首，Oy與船縱剖面垂直并指向右舷，Oz垂直于水線面并指向龍骨.

式中：m為船舶質(zhì)量；Iz為船舶繞z軸的慣性矩；xG為船舶中心距坐標原點的距離；X，Y，N包含了船舶水流動力、慣性力、螺旋槳、舵以及風、浪、流等各種外力.

上述方程忽略了部分影響不大的項，合并慣性力項，并把各種力寫成分離形式，近似有

2 吳淞口水閘船舶航行仿真試驗

2.1 仿真試驗方法概述

涉及工程問題時，物理模型試驗要耗費較大的人力和物力，費時長，還存在比尺效應等問題[12]，實船試驗具有危險性[13].航海仿真技術是系統(tǒng)仿真技術與航海技術相結合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代仿真技術的一個重要分支[14]，可以在項目投資和實施之前，在無實際風險情況下進行考察驗證[15].仿真試驗包括建立仿真區(qū)域的電子海圖，選定仿真用船型并建立模擬操縱用的船舶數(shù)學模型，建立船舶航行、進出港、靠離泊的模擬控制和過程記錄軟件，確定符合實際的模擬方案，統(tǒng)計模擬結果，分析模擬結果并給出模擬結論.

2.2 各方案電子海圖制作

在《黃浦江河口建閘工程吳淞口選址可能性研究》項目的基礎上，根據(jù)上海市水利工程設計研究院有限公司給出的3個備選方案（見圖2），進行電子海圖的制作.

方案1：

將原吳淞導堤拆除，從原堤根處重建一條直導堤并以此為邊界往北圈圍出一片區(qū)域，同時在吳淞口南側平行于北側導堤建設一條導堤并以此為邊界往南圈圍出一片區(qū)域，兩片圈圍區(qū)域之間形成一條平直河段供擋潮閘建設用.

方案2：

在原吳淞導堤基礎上再往外延伸出一條直導堤，同時在吳淞口南側平行于北側導堤建設一條直堤，分別以兩條導堤為邊界向鄰近岸線圈圍成陸，同樣在兩片圈圍區(qū)域之間形成一條平直河段供擋潮閘建設用.

方案3：

不改變原吳淞導堤布局，在吳淞口南側建設一段彎導堤，同樣以兩條導堤為邊界向鄰近岸線圈圍成陸，兩片圈圍區(qū)域之間形成一條彎曲等寬的河道，擋潮閘設于其中.

2.3 代表船型的選取

2013年6月30日中午12時至7月3日中午12時，在吳淞口104號燈浮附近水域設置了觀測線，對這段水域進行了連續(xù)72 h船舶流量觀測，統(tǒng)計得到不同船長的船舶流量，見圖3.

統(tǒng)計結果表明，5 000噸級及以下貨船占比非常高.目前黃浦江需滿足江浙等區(qū)域小型船舶的通航要求，及黃浦江沿岸碼頭的生產(chǎn)要求（進行貨物轉運）.因此，雖然圖3表明船長小于100 m的船舶占比非常高，約為94%，但考慮到需放寬安全裕量，仍選擇船長為120 m左右的5 000噸級貨船為代表船型.

此外，根據(jù)上海港黃浦江沿岸碼頭逐漸外移的趨勢以及上海港布局規(guī)劃，將來黃浦江岸線將主要用于旅游休閑，其中停泊的主要船型為不受楊浦大橋凈空高度限制的大型郵船及其他休閑游艇，其中最大的郵船等級為7萬噸級.

綜上，選取7萬噸級客船和5 000噸級貨船為代表船型，其參數(shù)見表1.

2.4 仿真試驗條件的確定

根據(jù)現(xiàn)場實測的風況和潮流資料，選取頻率最大的風向和各測點最強潮流進行風、流組合，結合工程設計單位給出的水動力情況設計不同的試驗方案.設定6級風，風向為112°，流速為1.8～3.5 kn，在3種建閘方案下兩種代表船型在漲、落潮條件下分別進出黃浦江，共24個試驗.

2.5 航道寬度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模擬試驗結果，對7萬噸級客船和5 000噸級貨船的航道寬度數(shù)據(jù)進行分析，見圖4和5.

2.6 單船航行仿真試驗軌跡圖

當分別選用方案1，2和3時，7萬噸級客船進出黃浦江軌跡疊加圖見圖6.

2.7 轉向角分析

以5 000噸級貨船進出黃浦江為例進行模擬試驗，對轉向角進行分析，結果見圖7.

根據(jù)圖7可知，當分別選用方案1，2和3時，5 000噸級貨船進出黃浦江的轉向角平均值分別為110°，157°和80°.

2.8 大小船交會模擬數(shù)據(jù)分析

在建閘方案3的基礎上，選取7萬噸級客船（大船）和5 000噸級貨船（小船）雙向進出黃浦江進行航行仿真試驗，對其雙向進出黃浦江航道寬度數(shù)據(jù)的分析見圖8，大小船交會航行的軌跡疊加圖見圖9.

由圖8可知，選用方案3時，7萬噸級客船與5 000噸級貨船交會時雙向進出黃浦江所需航跡帶寬度最大值為164 m，疊加后所需航道寬度最大值為247 m.

3 試驗結論

分析對比上述仿真試驗得到的數(shù)據(jù)，可得到以下結論：

（1）根據(jù)航道寬度分析，選用方案3時兩種代表船型所需的最大航跡帶寬度、最大單向航道寬度及最大雙向航道寬度均比選用方案1和2時的小.

（2）根據(jù)轉向角分析，以5 000噸級貨船為例，選用方案3時船舶進出黃浦江的轉向角平均值最小.

（3）根據(jù)上述結果分析，方案3能更好地保證各船舶進出的安全性和便利性，可作為吳淞口水閘建設工程的優(yōu)選方案.同時，由于吳淞口附近船舶流量較大且船舶交通流相對復雜，且吳淞口水閘建立后會改變船舶進出黃浦江的習慣航法，增加操縱難度，因此在選取方案3為推薦方案的基礎上，增加了大小船交會情況下的仿真試驗.其結果表明，若未來吳淞VTS在吳淞口擋潮閘處實施交通組織，可考慮僅允許7萬噸級船舶與5 000噸級以下船舶交會，此時可將通航孔寬度設定為247 m.此外，如有可能，可參照當前吳淞口設置的070°250°導標，建閘后再對應設置相應的導標，減少船舶碰閘的風險.

4 結束語

針對吳淞口3個建閘方案的可行性，提出利用船舶航行仿真技術，根據(jù)交通流統(tǒng)計分析結果確定代表船型，建立船舶操縱模型并制作電子海圖.依據(jù)水文氣象資料設計試驗方案進行單船和大小船交會的航行仿真試驗，分析各方案下航道寬度、轉向角，比較各方案優(yōu)劣.在最優(yōu)方案的基礎上結合大小船交會試驗結果，給出船舶交會限制條件下的通航孔寬度建議值.

本文提出了一種利用仿真技術和分析船舶航行模擬試驗數(shù)據(jù)來評價建閘方案優(yōu)劣的方法.在今后的研究中，可在前人研究方法的基礎上進行創(chuàng)新，找到更多評價工程優(yōu)劣性的新方法.

參考文獻：

[1]胡欣. 黃浦江河口擋潮閘工程選址研究[D]. 南京： 河海大學， 2006.

[2]沈衛(wèi). 東溝船閘改造工程設計方案論證[D]. 上海： 上海海運學院， 2003.

[3]季永興， 陳志偉， 蔡躍軍. 論滇池?？陂l擇址重建的必要性及閘址比選[J]. 環(huán)境科學導刊， 2010， 29（1）： 4548.

[4]楊有軍， 孫飛. 連云港港疏港航道穿越新沂河平交方案閘位選擇[J]. 現(xiàn)代交通技術， 2011， 8（S1）： 130132.

[5]馬虎陽. 江蘇省高郵運東船閘擴容工程閘位方案比選[J]. 交通科技， 2011， 245（2）： 119121.

[6]胡曉琴， 朱志國， 宋偉， 等. 岷江下游航道特定尺度船閘的通過能力仿真[J]. 交通運輸工程與信息學報， 2011， 9（3）： 9398.

[7]沈剛， 伏耀華， 金允龍. 泰州大橋中塔墩防船撞研究[J]. 中國工程科學， 2010， 12（4）： 7377.

[8]劉元豐， 楊渡軍， 陳禾， 等. 三峽庫區(qū)橋區(qū)河段船舶運動模型與仿真研究[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2010， 29（1）： 138141.

[9]張婕姝. 港口生產(chǎn)調(diào)度仿真模型[J]. 上海海事大學學報， 2005， 26（2）： 4246.

[10]王巍. 船舶撞擊橋墩仿真模擬及橋墩防撞措施探討[J]. 市政技術， 2013， 31（4）： 6769， 72.

[11]張慶河， 李炎保. 船舶操縱數(shù)學模型在港口航道設計中的應用[J]. 中國港灣建設， 2000， 1（1）： 4953.

[12]錢旭菲， 朱現(xiàn)場. 航海仿真系統(tǒng)在模擬LNG船舶進出港拖輪配置中的應用[J]. 科技視界， 2012（34）： 2425， 13.

[13]唐風文， 肖英杰， 周偉， 等. 仿真技術在船舶碰撞事故再現(xiàn)中的應用[J]. 水運工程， 2011（10）： 4245.

[14]張蔚. 特定橋區(qū)和閘區(qū)通航方案的模擬試驗研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2007.

[15]施朝健， 陳錦標， 胡勤友. 船舶操縱模擬器開發(fā)和應用的全球協(xié)作[J]. 上海海事大學學報， 2007， 28（1）： 16.

（編輯 趙勉）