并排虛擬成組進閘方式

程細得, 劉祖源, 齊俊麟, 馮小檢

(1. 武漢理工大學 a. 高性能艦船技術教育部重點實驗室； b. 交通學院， 武漢 430063； 2. 三峽通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

并排虛擬成組進閘方式

程細得1a,1b, 劉祖源1a,1b, 齊俊麟2, 馮小檢2

(1. 武漢理工大學 a. 高性能艦船技術教育部重點實驗室； b. 交通學院， 武漢 430063； 2. 三峽通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

為提高三峽船閘通過能力，克服單船進閘時間長、效率低等不足，提出一種并排虛擬成組進閘方式,實現進閘船舶成組移泊，以縮短船舶進閘及移泊時間，并對考慮船間干擾影響的船舶進閘運動進行數值模擬，分析船舶進閘運動的安全性及要求。經三峽船閘試運行，驗證并排虛擬進閘方式能有效提升三峽船閘進閘效率。

水路運輸； 三峽； 船閘； 過閘效率； 并排虛擬成組； 船間干擾

自三峽船閘2003年投入運行以來，過閘貨運量以年均16.6%的速度增長，2011年突破億噸，提前達到了三峽船閘設計時提出的“2030年單向通過能力達5 000萬t”的指標[1]。隨著沿江經濟平穩較快發展，過閘貨運需求將繼續保持快速增長態勢，這將給船閘通過能力帶來一定壓力。在船閘流量超限停航、樞紐沖沙、旅游黃金周、船閘應急搶修和計劃性停航等非正常通航狀態下，船閘通過能力更顯不足，會出現大量船舶待閘現象。這反映出了航運過壩需求不斷增長與三峽船閘通過能力間相對不足的矛盾。大量船舶滯留壩區，會給三峽大壩帶來極大的安全隱患，對航運企業的發展形成了障礙，極大地影響著長江航運效益的發揮。

目前，實際運行于三峽船閘的船舶以單船居多；船隊較少。每閘次通過5～8個船舶單元，多艘船舶依次進閘和系解纜，進閘時間與移泊時間均高于船隊，導致日運行閘次無法達到設計的22.1閘次。

近年來，過閘船舶大型化趨勢明顯，根據三峽船閘“先到先過”的過閘原則，大小船舶組合過閘的選擇幾率減少，5 000噸級以上船舶的過閘組合將變得更加困難，一次過閘船舶貨運量提高難度將加大，甚至有可能下降。此外，由于三峽升船機尚未建成，客船、公務船、工程船等非貨運船舶仍與貨船混合通過船閘。尺度相近的客船和貨船過閘時所占用的閘室面積相當，但通過量相差巨大，這也在一定程度上制約了三峽船閘的通過能力。因此，針對上述影響，通過設計并排虛擬成組進閘方式，部分實現船舶同步進閘，提升船舶過閘效率。

1 船舶過閘方式

三峽船閘上下游靠外側設置有浮式導航墻和靠船墩,供進閘船舶待閘。過閘船舶(隊)按照先后順序在靠船墩(或導航墻)集結后進入閘室。船閘過閘設計為以船隊作為一個單元進閘、移閘和出閘。三峽船閘實際運行中，以單船居多，船隊較少，2011年不到l%。每閘次通過5～8個船舶單元，多艘船舶依次進閘和系解纜，進閘時間和移泊時間均高于船隊，導致日運行閘次無法達到設計的22.1閘次。

基于單船進閘效率低的問題，提出并排虛擬成組進閘方式。所謂并排虛擬成組進閘，是指將過閘船舶虛擬編組，編組船舶同步移泊進入閘室。即虛擬編組船舶在三峽船閘導航墻處待閘，單閘次船舶分批次兩兩并排低速進入閘室，部分實現船舶過閘同步走的目的(見圖1)。

圖1 并排虛擬成組

2 并排虛擬成組船舶操縱運動分析

以并排虛擬成組方式進閘過程中，船船干擾效應對船舶進閘運動的影響最為明顯，需掌握并排船舶前后船間距的大小對船舶進閘過程的影響。

2.1坐標系

為描述船舶的操縱運動，通常采用圖2所示的2種右手直角坐標系。船舶運動的速度、角速度和所受力、力矩用表1中的符號表示。

圖2 坐標系

2.2操縱運動數學模型

在靜水船舶操縱運動數學模型的基礎上，加入船間干擾力和力矩，建立考慮船間干擾效應的操縱運動方程。

(1)

式(1)中：m為船體質量；mx，my，Iz，Jzz分別為船舶的附加質量和慣性矩；X，Y，N分別為船舶所受的縱向力、橫向力及力矩；下標H，R，P，S-S分別為船體、舵、槳和船間干擾；操縱運動水動力系數通過船池試驗數據及回歸方法獲取。

表1 坐標系符號表

2.3數學模型驗證

應用上述操縱運動數學模型及相關水動力的計算方法，編寫計算機程序進行操縱運動數值仿真。以一艘內河試驗貨船模型為計算樣本，船舶要素見表2。

表2 內河貨船模要素

計算深水中進行的35°回轉運動和15°/15°Z形操縱運動。將計算結果與試驗結果進行對比，結果見圖3和圖4。

圖3 35°操縱回轉軌跡

圖4 15°/15°Z形操舵試驗

由圖3和圖4可知，計算結果與試驗結果吻合較好，說明所提出的操縱運動數學模型及水動力計算方法合理。

3 船間效應干擾力計算

對于船間效應的研究主要有實船試驗法、船模試驗法及理論計算法等。[2-12]隨著計算技術不斷發展，理論計算法成為確定船間作用力及力矩的重要手段，但存在計算方法比較復雜、難以在計算機上編程實現，以及運算過程耗時、難以實現實時模擬等問題。通過比較目前廣泛采用的船間效應理論計算方法，采用VARYANI等[7]提出的一種計算船間作用力的實用計算方法。圖5為兩船運動平面參考坐標圖。兩船縱向距離ST定義為

ST=(U1-U2)tU1gt;0,U2gt;0

(1)

船中對船中的瞬間定義為t= 0，無因次化t的表達式為

(2)

船首對船尾、船中對船中、船尾對船首對應的值分別為-1,0,1。對船間作用力與轉首力矩分別采用下面的無量綱形式。

(3)

1. SHIP 2船受到的船間作用力與力矩系數為

CF=-0.11sin(-0.49π(t+0.37))e-0.95t2×

(4)

CM=-0.11sin(-0.49π(t+0.07))e-0.9t2×

(5)

主要考慮兩船進閘運動過程中隨著兩船橫向距離及縱向距離變化引起的船間效應，采用的計算系數為a=0.30，b=0.01，t0=-0.80，Δ=-0.50。

2. SHIP 1船受到的船間作用力與力矩系數為

CF=-0.23cos(-0.9πt)e-0.8t2(1-0.18t)×

(6)

CM=0.34sin(-0.65π(t-0.05))e-1.5t2×

(7)

計算結果見圖6，其與文獻[7]中的趨勢和量級一致，說明本項目建立的船間效應干擾力計算模型合理。

圖6 橫向力及偏航力矩

4 考慮船間干擾的操縱運動模擬

模擬結果見圖7，其與文獻[4]中的趨勢一致。圖8為經大量數值仿真計算得到的其中2種不同縱向間距對船間干擾效應影響的仿真計算結果，有以下結論：

1. 進閘過程中，建議前后兩排船舶的縱向間距gt;0.5(L1+L2)。

2. 航速應lt;1 m/s。

3. 編組進閘過程中，應采用小舵角保向，控制好與本船并排船舶及閘壁的橫向間距，避免碰撞。

4. 進閘后，根據本船的制動沖程提前采取停車制動操作，在預定點把船停住系纜。

圖7 模擬結果比對

圖8 考慮船間干擾的船舶運動數值仿真

5 結 語

較整體虛擬成組過閘方案，采用并排虛擬成組進閘方式可減小前后排船舶縱向干擾影響，提高過閘安全性；較單船進閘，能節省船舶過閘時間，提高船閘過閘效率。通過模擬計算，船舶在一定的安全間距下采用并排虛擬成組方式，可以克服干擾力，以一定的航速完成進閘運動。以并排虛擬成組方式過閘，有利于節省船舶進閘時間，提高船舶過閘效率。在三峽船閘采用此方式過閘，可有效提高船舶過閘效率，在虛擬閘室并排成組過閘，日均每線船閘較依次進閘可多運行2個閘次，日閘次數提高到16閘次，約提高船閘單向通過量700萬t，效果顯著。

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LockingManeuveringinSide-By-SideVirtualShipGrouping

CHENGXide1a,1b,LIUZuyuan1a,1b,QIJunlin2,FENGXiaojian2

(1a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education; 1b. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443133, China)

To improve the traffic capacity of the Three Gorges ship lock is very important and has the priority on the research topic list of the Yangtze golden waterway construction. To overcome the low efficiency of maneuvering ships on single ship basis, a side-by-side virtual group maneuvering pattern is proposed. The efficiency of the maneuvering and effects of the interaction between ships are studied through simulations. Implementing the pattern in the Three Gorges ship lock proves the efficiency improvement of the method.

waterway transportation; Three Gorges; ship lock; ship lock operation efficiency; side-by-side virtual group; ship-ship interaction

2014-07-13

國家自然科學基金(51179143)；西部交通科技項目(201132820190)

程細得 (1975—), 男, 安徽池州人，副教授，碩士生導師，從事船舶操縱及航行安全研究。 E-mail: xdcheng@whut.edu.cn

1000-4653(2014)04-0050-04

U641

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