港口航道和码头通航安全评估
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第 32 卷
第4 期
2006 年 11 月
大 连 海 事 大 学 学 报 Journal of Dalian Maritime University
Vol.
32No. 4
Nov
2006 文章编号 :100627736(2006)0420043205
Ξ
港口航道和码头通航安全评估
(集美大学 航海学院 ,福建 厦门
361021)
张寿桂 ,翁跃宗 ,熊振南
摘要 :为了满足对福建液化天然气站线 10 万 t 级液化天然气船舶码头工程通航安全评估需求 ,就通航安全
评估工作中的船舶操纵模拟器运用、船舶运动数学模型的建立、电子海图和码头
CAD 数据转换及叠加、虚拟
通航环境生成、评估仿真模拟试验方案的设计与实施以及船舶航迹带生成系统等关键技术问题进行简要的
论述.且运用大型船舶操纵模拟器和船舶航迹带生成系统 ,对 10 万 t 级液化天然气船舶的航行安全问题进行 仿真模拟 ,并对模拟仿真结果进行分析评价 ,进而提出通航安全方面的合理化建议.关键词 :港口航道Π
; 液化天然气船舶 ;通航安全 ;安全评估 ;船舶模拟器 码头中图分类号 :U 651.
3文献标识码 :A 0
引 言
港口及其持续稳定的发展是沿海地区经济繁
1
评估系统的组成
采用某校研发的全功能大型船舶操纵模拟 荣的基础保证.当前 ,各沿海城市的港口建设规模 正日益扩大 ,码头的新建、进出港船舶数量和吨位
也逐渐增加 ,港口航道正由自然港向人工深水港 不断延伸 ,港口交通日趋繁忙.近年来 ,大量事故 统计分析表明 ,港口及其附近水域已成为海上交 通事故的多发区 ,给港口安全、港口生态环境和港
口繁荣发展带来了较大的负面影响.为此 ,中国海 事主管部门要求各港口拟建港口工程水域必须做 港口航道通航环境安全评估 ,以确保拟建港口工 程水域的通航安全以及船舶靠离泊安全操纵和项 目工程的安全运作.基于港口航道通航安全评估的应用需求 ,运 用大型船舶操纵模拟器和船舶航迹带生成系统 , 对 10 万 t 级液化天然气(LNG) 船舶航行安全问题 进行了模拟仿真 ,对模拟仿真结果进行分析评价 , 就船舶安全航行的航道设计宽度和码头前沿靠离 泊的极限条件进行了工程论证 ,进而提出通航安 全方面的合理化建议.
1.
1船舶操纵模拟器
器 ,该系统具有油船、散货船、集装箱船、滚装船、
客船和杂货船等 30 多艘船舶模型 ,可供不同目的 的船舶操纵安全评估、港 口码头、航道工程设计及
通航环境评估等模拟试验选择.基于分布交互仿 真理念的设计系统 ,除了具有一个水平视场角为 270°的大屏幕环型投影系统的主本船外
,还包括 3 个水平视场角为 120°的平面投影视景系统的副本
船 ,各本船均可通过雷达图像、电子海图和视景互
见 [1] .
1.
2船舶运动数学模型
船舶运动数学模型是船舶操纵模拟器的核 心部分 ,也直接关系到评估结果的可信度.目前 在船舶运动模型化研究中有两大流派 ,一种是 欧美学派 ,它采用的是整体模型结构 ; 另一种是
日本学派 ,通常称为 MMG学派 (Manoeuvring Mod2 el Group) ,它发展的是分离式模型结构 ,MMG 模
Ξ 收稿日期 :20062072211 作者简介 :张寿桂(196354 经纬度表达方式 ,再通 过某校开发的 VECTOR 海图矢量化程序将转换好 的陆地或码头等数据叠加至电子海图上 ,VECTOR 程序同时支持水深数据、文字、回转圈等数据的编
(1)
种船舶操纵运动数学模型 ,特别适合计算机模
[2] 拟预报船舶的动态响应 .
本文采用 MMG 模型对船舶运动进行仿真 , 该模型取附体坐标系原点在船舶重心 G,运动方 程为
裸船体 ;P 为桨 ;A 为风 ;W 为浪 ;S 为岸壁 ;L 为缆 辑及修改.
1.
4航迹数据的处理及分析软件 绳 ;T 为拖船 ;C 为锚链.1.
3评估区域通航环境生成
通常来说 ,评估系统的通航环境生成包括以 下三个方面 : 1.3.1 电子海图制作
收集调研所需当地资料 ,包括 :大比例尺海 图、修改的航道图和港口航道的设计图等
,制作通 航水域的电子海图.选取最新版海图进行数字化 , 对原有海图上没有注明新建的桥梁、海底管道、码
头、建筑物等影响航行环境的工程
,应依据施工图 将具体的方位、尺寸
、
航道增深的水深值等修改到 电子海图上.1.3.2 风流潮汐等环境的建立
调研收集海区的风、流、
浪、
潮汐等有关的水 文、气象自然资料
,将其准确资料输入计算机 ,建 立虚拟环境.应用风压力系数计算风干扰力.在港 湾、航道和近海航道等处的流
,一般具有不均匀 性、不定常性
,根据实测点处的流速、流 向 ,在该点 处用实测值 ,在附近点进行加权平均求出其值.也 可以进行简化 ,对最不利于船舶安全通航的环境 条件 ,进行定常处理.1.3.3 码头工程设施数据的 CAD 转换及叠加
港航工程设计图为 CAD 的 DWG 格式 ,多数 采用高斯坐标 ,而航海模拟器采用的电子海图是 VEC 格式 ,为 BE54 经纬度.为了得到高精度坐标转换 ,本文专门开发 针对码头工程设施数据 CAD 转换的软件 ,通过该
模拟器输出的航迹数据仅是船舶单条航迹 , 无法实现多条航迹的叠加显示 ,为此 ,本文研发了 一套针对评估操纵结果叠加显示的 “船舶航迹带 生成系统”该系统能够直接读取模拟器输出的航 ,
迹数据 ,并能实现航迹数据的多工况叠加 ,实现航 迹数据的点、线、船形、拖船等要素的独立或叠加
显示 ,满足对船舶操纵数据的评估需求.
2
安全评估
港口航道和码头通航环境安全评估的主要工
作是 :通过对拟建港口工程水域通航环境调查 ,分 析拟建工程水域环境安全现状 ,提出改善安全管 理的措施 ;运用船舶操纵模拟器 ,模拟拟建工程水 域船舶进出该水域的航行和靠离泊模拟试验 ,研 究船舶航行和靠离泊的极限条件及其安全对策.为项目工程港口水域通航安全保障、船舶靠离泊 安全操纵和项目工程的安全运作提供依据.
根据上述主要评估内容 ,借助船舶操纵模拟 器 ,对船舶进出港口水域航道通航条件、航道航迹 带宽度、风流压差角、操舵角、锚地
;码头前沿水域 船舶掉头回旋水域尺度和操纵的极限通航条件以 及港口拖船功率和数量的配置等进行评估 ,评估 工作和过程流程如图 1 所示.2.
1调研与安全现状分析
评估港口航道、码头通航安全的指标主要包
括航行水域的宽度、水深、通航条件、净高度以及
码头前沿水域掉头尺度和极限通航条件等.这些 指标又受到船速、舵角、船舶操纵性能、
港口拖船 功率和数量、风流潮汐、船舶通航密度及操船人员 第 4 期
张寿桂 ,等 :港口航道和码头通航安全评估
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过程中动态读取风和潮流数据 ,使模拟结果精度 大大提高.
2.2.3 船舶操纵运动数学模型的确定及其检验
准确的船舶操纵运动数学模型是航道、码头 通航环境评估中最关键的核心技术之一.为了评 估船舶在不同条件下的通航安全 ,模拟器的数学 模型要能够描述以下几个方面的操船情况 :定速 航行时避碰操船 ;加减速操船 ;低速水域中操船 ; 浅水影响下操船 ;岸壁、桥 墩影响下操船 ;风流影 响下操船 ;侧推器、拖船、锚缆等附属操纵设备控
制下操船 ;两船接近时相互影响下操船 ;风、浪等 外力作用下操船 ;还要考虑主机响应特征.
操纵模拟必须提供在给定条件下实际船舶的 真实操纵性能 ,因此需对操纵运动数学模型的结 果进行检验.检验方法包括客观和主观两个途径 , 主观方法是凭经验丰富的船长或引航员的感觉进 行检验 ,这种方法只能得出定性的结论 ;客观方法 是根据船舶操纵运动的特定试验结果进行检验 , 但客观方法较难实现.因此通常采用主观方法进 行检验.
2.2.4 模拟仿真试验方案的制订
评估需求调研、资料收集和各项工作准备就
绪后 ,依据评估指标和目的 ,并结合熟悉实地环境 的引航员、船长的实际经验
,拟定和设计出评估的 初步试验方案.考虑到试验目的不同 ,虚拟环境因 素也有所不同 ,除了对定常风向、风速
、流向、
流速 各种工况的模拟仿真试验方案外 ,还应根据各种 最不利于船舶操纵安全影响的工况 ,设计典型的 模拟试验方案.
为了确保模拟结果具有真实性和实际指导意 义 ,操纵模拟人员应由三副到船长的各级船舶驾 驶人员组成 ,最好聘请熟悉模拟水域经验丰富的 船长或引航员来指导模拟操船 ,以提高模拟结果 的准确性 [4] .
2.
3船舶操纵模拟仿真试验
通航环境与通航安全的仿真研究与分析 ,应 采用大型船舶操纵模拟器进行港口航道、码头水 域通航安全评估模拟试验研究 ,包括船舶进出港 安全航行的航道尺度、码头前沿掉头水域尺度和 极限通航条件.通过模拟试验 ,分析船舶航行和靠 离泊操纵的可行性、安 全性及安全保障措施.
在船舶操纵模拟器中 ,有对试验结果和相关 数据进行记录和重演的功能 ,将操船者的操纵指 令、模拟环境以及船舶运动信息实时地记录下来
, 图 1 港口航道和码头通航安全评估工作流程图
的技能等因素的影响.因此 ,评估工作首先对评估 需求进行调研 ,提出要解决的问题 ,设计出评估的 总体方案.调研收集所需当地资料 ,包括拟建工程 水域的自然条件、通航环境、水道航法、交通流的
统计、船舶交通事故和未来港口发展
,以及通航水 域的海图、工程初设方案等
,通过对拟建工程水域 通航环境调查与分析 ,提出拟建工程对该水域交 通与安全的影响.2.
2试验准备工作
利用现有的船舶模拟系统和虚拟现实技术 , 对港口航道、码头水域进行通航评估
,其模拟仿真 试验的准备工作包括 :试验海区电子海图的制作、外界通航环境生成、船舶运动模型的建立和模拟 仿真试验方案的制订.2.2.1 试验海区电子海图的制作
由于模拟航行是在电子海图上进行的 ,因此 选取模拟海区最新版的大比例尺海图进行数字化 处理 ,制作模拟试验海区的电子海图.同时 ,对拟 建工程的航道总平面布置图和码头总平面布置图 及附近新建桥梁、海底管道、航道水深、码头的海
图变更进行 CAD 图的转换 ,形成符合本模拟试验 要求的数字化电子海图 ,用于显示模拟试验过程 的模拟航行环境和模拟船舶.一般来说 ,航道、码头通航环境评估主要是对
所设计的航道宽度、深度和船舶靠离泊时旋回水 域等进行评估 ,因而对电子海图所标注的水深和 测量精度要求比较高 ,必须准确进行港口、码头 CAD 图的转换.2.2.2 外界通航环境的生成
为了模拟实际的船舶操纵和航行情况 ,应向 模拟器输入准确的风、流、
潮汐等外界环境资料.在进行航道、码头通航环境评估时
,可取对操船最 不利的定常风向、风速
、
流向、
流速.最好的办法是
建立典型风场、潮流仿真数据库
,让计算机在模拟
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连大
海 事 大 学 学 报
32 第卷
运用“航迹数据的处理及分析软件”实现航迹数
, 据的多工况叠加 ,实现航迹数据的点、线、
船形、拖 船等要素的独立或叠加显示 ,以便进行试验结果 的分析 ,为船舶操纵数据的评估提出合理的结论.2.
4模拟结果的分析与评判
根据设计的试验方案 ,在船舶操纵模拟器上 进行一定数量的仿真模拟试验 ,以获得足够多的 操纵试验数据 ,确定合理的评价指标 ,对仿真模拟 试验结果进行分析评价 ,评价水域通航环境的安 全性.通过分析模拟试验记录的数据 ,观看试验的 重演过程 ,提供的基础数据和分析结论供港航部 门、海事局通航管理、
引航员或工程设计部门参 考.在通航环境调查分析和模拟试验结果分析基 础上 ,结合有关规范要求 ,研究拟建工程对该水域 通航安全的影响 ,分析存在问题 ,提出有关安全保 障措施.对大型船舶(特别是大型 LNG船舶) 在狭 水道中安全通航的评估 ,应提出安全保障措施 ,必
[3] 要时可提出 VTS 协助操船或交通管制 .
式中 :A = n(Lsinγ+ B) ; n 为船舶漂移倍数 ;γ为 风、流压差角
;L 和 B 分别为设计船长和船宽 ,船 舶间富裕宽度 b 取设计船宽.
根据《液化天然气码头设计规程》航道有效
, 宽度取 1 倍船长 ,设计航道宽度为 300 m.
通过模拟试验的航迹带宽数据来分析航道尺 度的需求.船舶为抵御风流对船舶的影响 ,必然在 特定的航段采用相应的风流压差角γ,使船舶在 航道航行过程中所占航道横向宽度大于船舶自身 宽度 ,形成航迹带宽度如图 2 所示 ,经过 58 次的 不同风流条件下的操船试验统计 ,福建液化天然 气站线项目港口水域通航航道 10 万 t 级 LNG船 舶所需单向航道宽度最大为 250 m ,因此 ,单向航 行时各航段所需航道宽度均未超过航道最窄设计 宽度.3
实例应用
本文以“福建液化天然气站线项目港口水域
通航环境安全评估”项 目为例 ,对 10 万 t 级(LNG) 拟建港口工程水域通航环境和船舶操纵安全进行 了评估论证.由于液化天然气的高危险性和 LNG 船舶的排他性 ,模拟拟建工程水域 10 万 t 级 LNG 船舶的航行 ,对在不同环境因素影响下进出该水 域 10 万 t 级 LNG船舶航行的可行性及安全性进 行评估 ,为福建液化天然气站线项目港口水域通 航安全保障、船舶靠离泊安全操纵和
LNG项目工 程的安全运作提供依据.液化天然气站线项目工程评价指标主要有 10 万 t 级 LNG船舶进出港航道航迹带宽度 ;风流 压差角 ;操舵角 ;锚地 ;LNG项目专用码头前沿掉 头回旋水域尺度和港口拖轮功率和数量的配置 等.本文仅以评价指标中 10 万 t 级 LNG船舶进出 港航道宽度和码头前沿掉头回旋水域尺度两项指 标为例进行工程论证.3.
1LNG船舶设计航道宽度的论证
按照交通部《 海港总平面设计规范》 规定 ,航 道宽度 W 由航迹带宽度 A、船舶间富裕宽度
b 和 船舶与航道底边的富裕宽度 c 组成.单向航道
W = A + 2c 双向航道
W = 2A + b + 2c
图 2 航迹带宽度示意图
3.
2码头前沿掉头回旋水域设计尺度论证
按照《海港总平面设计规范》
要求 ,受水流影 响较大的港口 ,垂直水流方向回旋水域宽度为(1.5～2.0) L ;沿水流方向的长度为 (2.5～3.0) L.LNG船舶设计总长 L = 298 m ,取 2L ×3 L ,则调头 水域为 596 m ×
m;取 1.5 L ×2. 5 L ,则调头水 894 域为 447 m ×
m.745
对有掩护的水域 ,港作拖船条件较好 ,可借岸 标定位的水域 ,回旋圆直径可定为船长的 2 倍 ,即 596 m.
经过 28 次不同风、流条件下靠离泊模拟试验
数据表明 ,在
7、级大风伴随急涨落潮情况下 ,该 8 模拟船型泊位前掉头所需回旋水域为椭圆形分布 (见图 3) ,纵距为 1014.6 m ,横距为 756.7 m ,其范 围延伸至港口进出港航道.
本工程设计回旋水域平面尺度为椭圆形布 置 ,即顺水流方向(纵距) 取 2.5 倍船长 ,为 750 m; 垂直水流方向 (横距) 取 2 倍设计船长 ,为 600 m.模拟试验表明 ,在
7、级大风伴随急涨或急落潮 8
第 4 期
张寿桂 ,等 :港口航道和码头通航安全评估
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航行安全.情况下 ,其设计的回旋水域相对较小 ,且船舶回旋 水域会延伸至秀屿港出港航道 ,影响该航道船舶
图 3 船舶调头回旋水域分析图
可信度 ,并且为评估结果分析提供科学的理论依 据.通过对拟建港口航道、码头、桥梁等工程项目 4
结束语
船舶大型操纵模拟器在港口航道的规划设
通航安全评估 ,它既可降低项目工程实际操作的 风险 ,减少不必要的经济损失 ,积累处理危机事件 的经验 ,还为该项目工程水域通航环境安全 ,未来 船舶的营运、操作
,船长和引航员实际操船参考数 据的获得以及通航安全科学管理提供依据.计、船舶操纵方案论证和港口航道与码头通航安
全评估等方面起到非常重要的作用.在通航安全 评估中使用模拟器仿真试验不仅提高评估结果的 参
考
文
献:
[1]尹
勇 ,金一丞.航海模拟器与分布交互仿真技术[J ].计算机仿真 , 2000(6) :37242. [2]张秀凤.船舶操纵模拟器在船舶通航安全评估中的应用[J ].中国航海 ,2003(3) :25231. 海港总平面设计规范》S].北京 :人民交通出版社 ,1999:45256.[3]中华人民共和国行业标准JT J215 - 98《 [ [4]International Maritime Organization.International Convention on Standards of Training ,Certification and Watchkeepingfor Seafarers , 1978 ,as amended in 1995[S].Safety aement of port sea2route and dock navigation ZHANG Shou2gui ,WENG Yue2zong ,XIONG Zhen2nan ( Navigation College , Jimei Univ., Xiamen 361021 ,China) Abstract :T meet the demands of Fujian liquefied natural gas station 100 ,000 tons ship dock navigation safety as2 o sement , this thesis gave a brief introduction about how to apply ship handling simulator , construced ship move2 ment mathematics mode , made appropriate digital sea map , overlaid CAD dock data , constructed virtual navigation circumstance , designed aement blue print , developed ship track route comprehensive display system , etc.This thesis also presented the methods about how to carry out the simulation of 100 ,000 tons ship dock navigation safety problems , and also analyzed the results of simulation in order to obtain reasonable suggestions about safe navigation.Key words :port sea2routedock ; liquefied natural gas carrier ; navigation safety; safety aement ; ship handling Π
simulator
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