錢塘江航道大型客旅船安全通航適應性研究

韓冰翰 馬晶

摘 要：現有錢塘江的主力游輪為50米級，難以完全滿足休閑、旅游等需求，有必要對錢塘江大型客旅船通航可行性進行研究。分析錢塘江五個主要風險航段，基于MMG思想建立90-110米三種客旅船運動數學模型，開發航段的電子江圖和雷達圖像，基于虛擬現實技術搭建航段的三維航行場景，在此基礎上，通過船舶操縱模擬試驗，驗證、分析90-110m客旅船在錢塘江航道安全通航的可行性。

關鍵詞：船舶運動數學模型;電子江圖;三維場景;客旅船

中圖分類號：U698 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0065-03

近期，杭州市政府順應時代發展的脈絡，提出了“擁江發展”戰略，到2035年，杭州將規劃形成以錢塘江為中軸的市域“擁江發展”格局。目前錢塘江上的主力游輪為50米級，難以適應休閑、旅游等多功能要求，急需尺度較大的客旅船加入。船舶本身的性能和尺度相當程度上決定了水上旅游的質量，為了加快打造錢塘江水上旅游項目，很有必要對錢塘江大型客旅船通航進行可行性研究。

本文選取錢塘江典型航道，通過船舶操縱模擬試驗，參照維京內河游輪，驗證、分析90-110m的客旅船在錢塘江航道安全通航的可行性及通航限制條件。

1技術方案

本文的技術路線如圖1所示：

（1） 通航環境分析。分析錢塘江水域的地理位置、自然環境、水文環境。

（2） 錢塘江航段通航特征分析。結合航道的基本情況（包括航道寬度、水深、轉彎半徑等），綜合分析航道的規劃定位、營運船舶特點、過河建筑物通航凈空尺度等方面因素。

（3） 模擬試驗方案設計。具體包括模擬試驗航道、水文、氣象條件、船型等。

（4） 模擬船舶數學模型建模。為模擬試驗的客旅船建立運動數學模型。

（5） 錢塘江典型航段三維場景建模。建立模擬水域的陸地建筑物、航標、河道等三維模型，構建模擬試驗場景。

（6） 錢塘江典型航段電子江圖開發、雷達圖像模擬。

（7） 錢塘江水域水文特征模擬。通過數學模型模擬航段的流場。

（8） 模擬試驗。請有經驗的、熟悉航道水域自然和地理環境的操船人員進行船舶操縱。

（9） 依托研究資料和模擬試驗結果，對游輪錢塘江大型客旅船通航的可行性進行論證。

2關鍵技術

2.1船舶運動數學模型建立

基于分離模型（MMG）的思想構建大型客旅船運動數學模型，模擬船舶的車舵響應、慣性和旋回性等方面的操縱性應與實船應基本一致，所建立船舶運動數學模型的有關性能參數符合IMO的“船舶操縱性標準”的相關要求。如圖2所示為船舶模型的相關影響因素：

本文參照維京內河游輪，考慮錢塘江航段的航行限制，建立三條客旅船的運動數學模型，這三條船的船長分別為92m、96m和110m、船寬均為11.2m，最大吃水均為2.5m，客旅船數學模型開發的部分界面如圖3所示：

2.2電子江圖開發

根據錢塘江水域的河道圖、平面布置圖及相關航道工程資料，進行數字化后形成電子江圖。本文采用了面向對象的方法，參照S-57標準，生成和顯示電子江圖。

在S-57模式中，對于真實物體的定義分為描述特征和空間特征兩種。前者是對物體除幾何信息外的描述，而后者主要是描述物體的幾何信息，但也可包括其他信息的描述。理論數據模型見圖4。

2.3三維航行場景模擬

三維航行場景是用戶在模擬試驗時獲取船舶航行信息的最直接、數量最大的來源，一個好的三維場景可以使用戶有身臨其境的感覺。

三維場景建模工作主要包括：建模資料搜集、建模數據處理、紋理圖片處理、紋理映射、三維地形地貌建模、三維物體建模、細節層次處理、模型整合及結構優化、數據庫調試安裝等。三維場景數據研制流程參見圖5。

場景建模軟件采用Multigen公司的Creator，建模的基本原則是： 使用盡可能少的三角面片數和紋理量來構建逼真的模型。場景管理軟件采用OpenSceneGraph（OSG），通過對OSG的場景圖進行重點分析，利用場景圖的強大功能來管理和顯示模擬的場景。

3 船模試驗

本文結合實地考察、調研分析，選取錢塘江的嚴州大橋—富春江大壩段、富春江船閘、富春江大壩—窄溪段、窄溪—聞家堰段、聞家堰—八堡段等五個主要風險航段進行重點研究。建立三條客旅船運動數學模型，如圖6所示;開發主要航段的電子江圖及雷達圖像，如圖7所示;建立相應航段的三維航行場景，如圖8所示。在分析各航道水文、氣象、等基礎上設計模擬試驗方案。如表1為嚴州大橋—富春江大壩段的部分模擬試驗方案，圖9為船模試驗所用的船舶操縱模擬器。

如圖10為表1中試驗3的航跡截圖及相關的數據。通過對上述模擬試驗進行分析，統計出客旅船在不同通航條件下的航跡帶寬度、所需轉彎半徑等數據，如圖10為96米客船通過富春江特大橋區域的航跡帶寬度、離橋墩最近距離、偏航距統計。

4 結論

通過對錢塘江水域水文氣象資料的分析，以及五個典型航段的船舶操縱模擬試驗結果分析，綜合考慮多方因素，在目前掌握的水文氣象條件下，對通航標準做一定的限制，并采取必要的安全管理措施的前提下，模擬試驗船型（船長92米、96米）可以在充分使用側推器的前提下，保證船舶的安全通航。試驗船型（船長110米）在該水域航行的難度非常大。同時對各個風險航段，通過模擬試驗也給出了具體的通航限制條件和安全保障措施。

參考文獻：

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基金項目：浙江省交通運輸廳科研計劃項目（2019039）;國家自然科學基金（52071312）