基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域劃定方法

李永泉 李元奎 崔金龍

摘 要：在大連海事大學(xué)大型船舶操縱模擬器的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)內(nèi)橋區(qū)水域的一般劃定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出基于船舶操縱模擬器的橋區(qū)水域的劃定方法，包括模擬區(qū)域電子海圖的構(gòu)建，模擬方案的確定和實(shí)施、模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析并得出最后的結(jié)論，并基于實(shí)例提出相應(yīng)的橋區(qū)水域設(shè)計(jì)的方案和建議。

關(guān)鍵詞：船舶操縱模擬器;橋區(qū)水域;通航;橋梁

中圖分類號(hào)：U698? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0068-03

近年來，由于中國(guó)基建的飛速發(fā)展，各地的基礎(chǔ)建設(shè)都在如火如荼的建設(shè)當(dāng)中，其中因?yàn)楦鞣N地形、河流原因建設(shè)起的橋梁，會(huì)大大縮短兩岸之間的交通、運(yùn)輸?shù)瘸杀荆龠M(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂兄卮蟮慕?jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。跨江、跨海橋梁一般不是一孔跨過通航水域的內(nèi)河橋梁或通航水域中不設(shè)橋墩的非限制性橋梁，布設(shè)在通航水域的橋墩以及通航孔在一定程度上限制了船舶的航行，將會(huì)對(duì)船舶的正常航行和橋梁安全造成巨大的影響。

橋梁作為航道上一種大型通航建筑，其影響水域不僅是橋孔區(qū)域，也包括前后河段[1]。橋梁及其影響船舶通航安全的前后河段即為通常意義上的“橋區(qū)水域”。按照《中華人民共和國(guó)橋區(qū)水域水上交通安全管理辦法》的規(guī)定“橋區(qū)水域，是指橋梁軸線兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的水域，其范圍由交通運(yùn)輸主管部門會(huì)同航道管理機(jī)構(gòu)、海事管理機(jī)構(gòu)及橋梁建設(shè)或管理單位確定并公布”，因此，橋區(qū)水域的劃定是保障船舶通航安全和橋梁安全的重要手段，橋區(qū)水域是指由可通航橋梁兩側(cè)若干距離之間、因橋梁的存在而影響或可能影響船舶操縱或安全航行的水域。

橋區(qū)水域的劃定方法在各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中沒有明確規(guī)定，采用船舶操縱模擬器是當(dāng)前主流的方式之一[2]，本文通過利用大型船舶操縱模擬器，對(duì)擬建鹽泰錫常宜鐵路過江通道的橋區(qū)水域劃定方法進(jìn)行研究，為管理部分劃定橋區(qū)水域提供建議。

1 橋區(qū)水域范圍的劃定標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，橋區(qū)河段應(yīng)為橋區(qū)上游頂推船隊(duì)長(zhǎng)度4倍或拖帶船隊(duì)長(zhǎng)度3倍范圍的河段，以及橋梁下游頂推船隊(duì)長(zhǎng)度2倍或拖帶船隊(duì)長(zhǎng)度1.5倍范圍內(nèi)的河段[3]。船舶操縱安全方面，按照《中華人民共和國(guó)橋區(qū)水域水上交通安全管理辦法》的規(guī)定，船舶進(jìn)入橋區(qū)水域前，應(yīng)保持主機(jī)、舵、錨、航行信號(hào)、導(dǎo)航設(shè)備、拖帶設(shè)備及應(yīng)急設(shè)備處于良好技術(shù)狀態(tài);如果遇有水文、氣象條件影響船舶安全通過時(shí)，或本船操縱能力受限或航行設(shè)備故障等不能確保安全通過的情形時(shí)，船舶不得通過橋梁[4]。上下游橋梁橋區(qū)水域劃定經(jīng)驗(yàn)方面，通過研究現(xiàn)有內(nèi)河橋梁及跨海橋梁橋區(qū)水域范圍的規(guī)定，總結(jié)得出，橋梁可通航船舶的噸位越大，橋區(qū)水域的范圍也越大，越接近長(zhǎng)江下游的橋梁，其橋區(qū)水域的范圍一般也越大。根據(jù)以上三個(gè)方面，可以大致判定橋區(qū)水域范圍，以此來限定船舶操縱模擬器的模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)間和范圍。

2 模擬器用于橋區(qū)水域判定的方法

本文使用大連海事大學(xué)航海仿真實(shí)驗(yàn)室的V.Dragon-5000型大型船舶操縱模擬器進(jìn)行船舶操縱模擬試驗(yàn)。該模擬器平臺(tái)具有較高的仿真精度，模擬器的性能指標(biāo)完全滿足挪威船級(jí)社（DNV）有關(guān)大型船舶操縱模擬器的性能標(biāo)準(zhǔn)（NO.RP-DTP-23-99 Rev.1）和其他國(guó)際公認(rèn)的模擬器標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)海事局和STCW 78/95公約對(duì)用于培訓(xùn)和適任評(píng)估的模擬器的性能要求。大型船舶操縱模擬器在橋區(qū)水域的應(yīng)用流程圖如圖1所示：

模擬實(shí)驗(yàn)的操縱人員是一般操縱人員、內(nèi)河船長(zhǎng)、海輪船長(zhǎng)等（試驗(yàn)人員操縱技能不同，以達(dá)到試驗(yàn)的普遍性），對(duì)每一種工況都進(jìn)行了多次模擬試驗(yàn)，對(duì)正式模擬試驗(yàn)，通過回訪模擬試驗(yàn)船舶運(yùn)動(dòng)航跡，在分析模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)集體討論選取最合理的結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1擬建橋梁工程情況

擬建鹽泰錫常宜鐵路過江通道擬采用橋梁跨越長(zhǎng)江方案，工程位于長(zhǎng)江下游澄通河段福姜沙水道，距上游江陰長(zhǎng)江大橋約3.4km，下游1.3km為福南水道和福北水道航路分汊點(diǎn)。擬建橋位上游設(shè)有上行航路（寬度200 m）、分割段（寬度100 m）、下行航路（寬度200 m）和上、下行船舶推薦航路（寬度200 m），工程位置航道定制線深水航道寬度達(dá)1100 m，如圖2所示。

3.2模擬試驗(yàn)工況設(shè)定

（1）船型選擇。根據(jù)《長(zhǎng)江干線發(fā)展規(guī)劃》和《長(zhǎng)江干線航道總體規(guī)劃綱要》，結(jié)合長(zhǎng)江南京以下深水航道工程江陰長(zhǎng)江大橋以上河段設(shè)計(jì)代表船型、以及工程河段通航船舶實(shí)際情況和港口規(guī)劃情況，本項(xiàng)目選用5萬(wàn)噸級(jí)、10萬(wàn)噸級(jí)、10萬(wàn)噸、15萬(wàn)噸、20萬(wàn)噸級(jí)船舶作為代表船型。通過調(diào)研和采集在長(zhǎng)江段航行的各噸級(jí)實(shí)際船舶的性能參數(shù)，對(duì)長(zhǎng)江內(nèi)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的船舶構(gòu)建運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，作為試驗(yàn)船舶，具體船舶如表1所示。

（2）流場(chǎng)的選擇。根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料和數(shù)模研究成果，考慮最不利原則，選擇順流流場(chǎng)作為試驗(yàn)條件，船舶上行試驗(yàn)時(shí)選擇枯季漲潮流、船舶下行試驗(yàn)時(shí)選擇洪季落潮流和20年一遇落潮流。

（3）風(fēng)場(chǎng)選擇。考慮最不利原則，選擇順風(fēng)風(fēng)場(chǎng)為試驗(yàn)條件，按照《中華人民共和國(guó)江蘇海事局橋梁水域水上交通安全監(jiān)督管理規(guī)定》規(guī)定：風(fēng)力達(dá)到7級(jí)以上時(shí)，禁止船隊(duì)通過橋梁水域，因此風(fēng)力選擇為6級(jí)、7級(jí)，其中橋梁方案的試驗(yàn)工況見表1。

3.3 船舶正常工況下的模擬試驗(yàn)

在主機(jī)失控、舵機(jī)失控、主機(jī)舵機(jī)均失控的條件下，船舶駛近橋區(qū)水域時(shí)，可能無法通過自身的操縱能力保證在橋區(qū)水域的航行安全，需要借助救援力量才能避免通航風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)橋區(qū)水域管理規(guī)定，在橋區(qū)水域內(nèi)禁止漂航，因此，橋區(qū)水域劃定應(yīng)采用船舶正常航行工況下的試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)擬建橋梁工程航道水域特點(diǎn)，本文采用5萬(wàn)噸散貨船（滿載）、10萬(wàn)噸油輪（減載）、15萬(wàn)噸級(jí)散貨船（減載）和20萬(wàn)噸散貨船（減載），在不利風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)條件下的（順風(fēng)6/7級(jí)，枯季漲潮流）進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

3.3.1上行試驗(yàn)

試驗(yàn)小結(jié)：船舶在正常工況下的上行模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，20萬(wàn)噸級(jí)散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1309 m，且橫距較大，有發(fā)生擱淺和碰撞碼頭的風(fēng)險(xiǎn);15萬(wàn)噸級(jí)散貨船減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1213 m，且橫距較大，有發(fā)生擱淺和碰撞碼頭的風(fēng)險(xiǎn);10萬(wàn)噸油輪減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1022 m;5噸級(jí)散貨船滿載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為756 m。

3.3.2下行試驗(yàn)

試驗(yàn)小結(jié)：船舶在正常工況下的下行模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，20萬(wàn)噸級(jí)散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1725 m，有發(fā)生擱淺的風(fēng)險(xiǎn);15萬(wàn)噸級(jí)散貨船減載狀態(tài)下旋回距離約為1311 m;10萬(wàn)噸油輪減載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1296 m;5噸級(jí)散貨船滿載狀態(tài)下旋回，縱向距離約為1093 m。

3.4 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

通過調(diào)研橋梁工程水域的船舶流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，江陰海事局轄區(qū)2020年船舶累計(jì)進(jìn)出港32.25萬(wàn)艘，同比增長(zhǎng)3.04%，10萬(wàn)噸級(jí)以上船舶進(jìn)出艘次為1500左右，全年數(shù)量不多，且占比較少。

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，在正常工況下，由于航道寬度所限，試驗(yàn)過程中20萬(wàn)噸散貨船狀態(tài)下旋回時(shí)橫距較大，在工程河段無法完成旋回操縱，有發(fā)生擱淺或碰撞碼頭的風(fēng)險(xiǎn)，15萬(wàn)噸級(jí)船舶得到旋回進(jìn)距后面臨擱淺和碰撞碼頭的風(fēng)險(xiǎn)，10萬(wàn)噸級(jí)船舶和5萬(wàn)噸級(jí)船舶在合適的時(shí)機(jī)操縱可完成大角度左旋回，在得到旋回進(jìn)距后仍有一定的操縱空間。

綜上所述，充分考慮船舶操縱性能，采用10萬(wàn)噸級(jí)船舶的模擬試驗(yàn)結(jié)果，由旋回進(jìn)距與一倍船長(zhǎng)之和作為橋梁區(qū)水域的取值范圍，即橋梁軸線上游1600 m，下游1300 m的水域范圍作為擬建鹽泰錫常宜鐵路過江橋梁的橋區(qū)水域的參考取值，而對(duì)于10萬(wàn)噸級(jí)以上大型船舶需通過加強(qiáng)監(jiān)管或增加保障措施等保障其通過橋區(qū)水域。

4 結(jié)語(yǔ)

大型船舶操縱模擬器已經(jīng)在通航安全評(píng)估中有著廣泛的應(yīng)用，而通過利用大型船舶操縱模擬器模擬船舶在橋區(qū)水域的不同操縱狀態(tài)，并利用相關(guān)實(shí)例驗(yàn)證了此方法的有效性，不僅可以科學(xué)精確地反映船舶的航行過程，也節(jié)省了實(shí)船回轉(zhuǎn)試驗(yàn)等的諸多成本。此方法可以為橋區(qū)水域范圍的判別和劃定提供一種可靠經(jīng)濟(jì)的方式，為行業(yè)的安全持續(xù)向好發(fā)展創(chuàng)造機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]林巧.重慶菜園壩橋群河段橋梁間距與通航條件研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[2]王應(yīng)橋.船舶操縱模擬器用于橋梁通航安全評(píng)估的方法[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月刊），2010，10（10）：95-96.

[3]GB 50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]王晶.寬闊河道上航道定線與橋梁建設(shè)的相互影響分析[J].中國(guó)水運(yùn)（下月），2016，16（06）：253+256.

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（3132021138）