基于船舶操纵模拟的某海港码头港内水域布置优化

张定军，高 鹏，赵传刚，陈立家

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071；2.武汉理工大学，武汉430063）

基于船舶操纵模拟的某海港码头港内水域布置优化

张定军1，高 鹏1，赵传刚1，陈立家2

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071；2.武汉理工大学，武汉430063）

针对自然水深不足且较为复杂的港内水域，仅仅依据规范条文提出的设计方案不能完全满足船舶港内作业的需要。文章结合某工程实例，应用船舶操纵模拟试验，研究了船舶港内作业对于港池水域的要求，根据试验结果对港池水域布置方案进行了优化。

船舶操纵模拟；港内水域布置；优化

港内水域是船舶在港内航行、制动、回旋及靠离泊作业所需要的水域范围，港内水域布置是港口总平面设计的重要组成部分。在咨询设计阶段，如何将港内水域布置设计与船舶实际作业要求相结合，使港内水域布置经济合理地满足使用要求，设计及科研人员进行了一系列的探索。

20世纪末21世纪初期，科研设计人员利用船舶操纵数学模型对港口水域布置及船舶靠离泊作业进行研究。乐美龙、陆惠生等［1］系统地论述了船舶操纵仿真数学模型，包括船舶操纵基本模型、水动力、螺旋桨推力及扭距、主机扭距、舵力及其力矩、风、浪、流、锚、缆、拖轮的作用力、浅水影响及侧壁效应，最后给出了主要仿真结果和主要结论。张庆河、李炎保等［2］对船舶操纵数学模型的组成，并对其在港口、航道设计中应用的典型例子进行了介绍，指出了船舶操纵数学模型的进一步发展方向和它在港口、航道设计中的应用前景。船舶操纵数学模型方便易行，但无法体现驾船者实际操纵等因素，随着大型船舶操纵模拟器的出现，船舶操纵实时仿真模拟有了可能，船舶操纵数学模型近年来已较少使用。

船舶操纵模拟器主要利用计算机技术，同时结合船舶水动力学等学科，模拟不同环境中船舶的操纵情况，能够逼真的模拟出三维虚拟环境和与实船相似的操作环境。船舶操纵模拟是根据工程水域的自然条件对船舶及航行环境进行建模，运用船舶操纵模拟器，对工程设计船型在不同环境因素影响下靠离泊作业的航行状态及运行轨迹进行实时仿真，从而验证工程港内水域布置方案的合理性和有效性，确定港口运营时船舶港内作业条件及拖轮配置等。由于船舶操纵模拟可以模拟不同天气、不同海况、不同时间条件下，各种类型、大小的船舶的航行及操纵，能真实地模拟本船受到的浅水、岸壁及船间效应，能真实地模拟靠离码头操作中本船在锚、车、舵、缆、拖轮作用下的响应，目前在我国港航工程设计论证中已广泛使用。刘洪波、彭再华，汪锋等［3］根据巴拿马某工程水、陆域特点，从国内外规范要求和船舶操纵模拟试验情况，探讨该项目港池水域尺度布置的合理性。

由于各国家和地区海况条件的不同，各国规范和手册对水域布置的理解和要求也有一定差异，而随着我国“一带一路”战略的实施，我国在海外设计和施工的港口项目越来越多，依据中国的规范进行设计，应充分考虑建设区域的自然、地质条件等，必要时进行研究和论证。本文结合某工程实例，探讨通过船舶操纵模拟试验，对于天然水深有限且港内水域较为复杂的港口，在保证船舶在港内安全作业的前提下，合理确定港内水域边界，优化港内水域布置［4-9］。

1 工程概况

某海港码头位于环抱式防波堤掩护的港池范围内，总平面布置如图1所示。

设计船型为10 000DWT散货船，拖轮采用1 500HP拖轮，船型主尺度如表1所示。

项目所在地气候属热带季风气候。全年分旱季和雨季两个季节：5～11月为雨季，12月至翌年4月为旱季。受季风影响，雨季主导风向为SW向，旱季为E向，全年主导风向为SW向风。受防波堤掩护，港内的流速和波浪都较小。

2 港内水域布置基本方案

本工程为EPC工程，由于自然水深不足，港池停泊水域、回旋水域、支航道均需疏浚形成。从总承包方的角度，希望设计方案应尽可能减小港内水域疏浚面积和工程量。本工程码头垂直于岸线采用栈桥式布置，双侧布置泊位，设计将回旋水域布置在码头端部，设置支航道连接码头泊位与公用航道，船舶制动水域位于支航道上。

由于欧美标准对港内水域布置仅提供了一些原则性的说明，本工程设计首先参照中国海港总体设计规范，初步拟定停泊水域及回旋水域尺度如表2所示，港内水域布置如图2所示。

图1 总平面布置图Fig.1 General layout

表1 船型尺度表Tab.1 Dimension of vessels

表2 停泊水域及回旋水域尺度表Tab.2 Dimension of berthing area&turning area

图2 港内水域布置图（初设设计方案）Fig.2 Layout of water area(basic design option)

3 拖轮选型

拖轮需要根据风、浪、流情况确定船舶总拖力，从而确定拖轮选型。

根据风要素，拟建区域最不利横向风速为12 m/s，根据海港总体设计规范（JTS 165-2013）计算，在风作用下10 000DWT散货船所需的拖轮拖力为20 t。

根据浪要素，通过模型试验，防波堤修建以后，港内水域最不利横浪的有效波高为0.95 m，按照规范计算，在横浪作用下10 000DWT散货船所需的拖轮拖力为11 t。

根据流要素，通过模型试验，防波堤修建以后，港内水域潮流流速在0.3 m/s左右，按照规范计算，在横流作用下10 000DWT散货船所需的拖轮拖力为20 t。

故综上所述，设计船型靠离泊作业所需要的拖轮总拖力为20 t，即需要的拖轮总功率为2 400 hp，结合建设单位要求，选择2 艘1 500 hp拖轮。

4 船舶操纵模拟试验及方案优化

本工程两侧泊位共用的回旋水域位于码头端部，支航道与主航道及码头前沿线均为垂直关系，船舶在港内水域作业时需多次转向，且存在靠离泊、回旋等操作过程，为了验证本工程港内水域布置方案的合理性和有效性，确定港口运营时船舶港内作业条件及拖轮配置等，设计单位委托有关科研单位进行了船舶操纵模拟试验。

根据本项目的特点、自然条件和布置方案，结合设计要求，本船舶操纵模拟分别实施了正常状态下设计船型进出港航道航行、靠离泊作业及应急状态下船舶出港特殊操作试验模拟，试验工况组次分为（表3）：

（1）东北季风季节，大潮乘潮涨急时段：四级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业；

（2）东北季风季节，大潮乘潮涨急时段：六、八级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业；

（3）西南季风季节，大潮乘潮涨急时段：四级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业；

（4）西南季风季节，大潮乘潮涨急时段：六、八级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业；

（5）东北季风季节，中、小潮乘潮流缓时段：四级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，八、九级压载船舶出港航行作业；

（6）东北季风季节，中、小潮乘潮流缓时段：六、八级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，八、九级压载船舶出港航行作业。

表3 船舶操纵模拟试验工况表Tab.3 Ship maneuvering simulation test conditions

船舶模拟操纵人员选用具有相应等级船舶实船驾驶经验的人员，每组组合工况模拟试验进行多次，记录相应的模拟试验结果和航迹。

港内最大东北向和西南向波浪的有效波高为0.95 m，两种工况船舶航迹和拖轮作业情况如图3所示。其中在东北风情况下，按照初步设计方案水域布置会出现搁浅事故，在西南风情况下，船舶能够完成应急离泊作业。

将各工况船舶操纵模拟的船舶在港内的航行航迹转化成模拟航道边线统一绘制到平面图中，得到的设计方案水域边界与船舶航行模拟航道边界关系如图4所示。

通过船舶操纵模拟试验的船舶在港内的模拟航道边界与初设设计方案确定的港池边界进行对比（图4），可以发现，在回旋水域的东西两侧，大量的试验船舶模拟航道边界超出拟定的港池边界之外，意味着在实际运行时船舶可能搁浅；而在停泊水域的外侧，尚有较大的空间未被试验船舶模拟航道边界覆盖，意味着停泊水域外侧有优化的空间。

图3 9级设计船型应急离泊航迹带（东北风、西南风）Fig.3 The swept path of emergency departure condition (NE,SW wind)

本工程采用对试验船舶模拟航道边界选用95%保证率进行包络的方法确定本工程的港内水域边界，对港内水域布置进行优化设计（图4）。优化前后的港内水域疏浚面积和疏浚工程量对比如图5、表4所示。

图4 设计方案水域边界与船舶航行模拟航道边界关系图Fig.4 Boundary of water area and swept paths

图5 港内水域边界优化前后对比图Fig.5 Comparison of water area boundary before and after optimization

5 结语

（1）对于码头两侧布置泊位，回旋水域位于码头端部的情况，两侧泊位停泊水域的宽度加上码头结构宽度，基本与回旋圆直径相当，在布置港内水域边界时，若回旋水域边界以停泊水域外侧边界延伸，港池宽度往往不能满足船舶在港内作业的要求，需沿垂直码头轴线方向进行加宽，停泊水域以喇叭口或外侧局部加宽的方式与回旋水域衔接。

表4 港内水域布置优化对比表Tab.4 Comparing table of layout optimization

（2）船舶操纵模拟可以根据工程水域的自然条件对船舶及航行环境进行建模，运用船舶操纵模拟器，对工程设计船型在不同环境因素影响下靠离泊作业的航行状态及运行轨迹进行实时仿真，可以用来指导或验证港内水域以及航道等的布置设计，确定港口运营时船舶港内作业条件及拖轮配置等。

（3）按照码头实际运营过程中不同工况出现的概率，每种工况进行多次模拟试验，得到不同工况对应次数的试验船舶多条模拟航道边界，然后结合工程特点和船舶驾驶等因素，选用95%的保证率（PIANC推荐值）对模拟航道边界进行包络，以此确定港内水域边界。

［1］乐美龙，陆惠生，汪希龄，等.船舶操纵模拟器操纵仿真数学模型［J］.中国航海，1999（1）：75-84. LE M L，LU H S，WANG X L，et al.A Mathematical Model of Ship Maneuvering Simulation［J］.Navigation of China，1999（1）：75-84.

［2］张庆河，李炎保.船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用［J］.中国港湾建设，2000（1）：49-51. ZHANG Q H，LI Y B.Application of Mathematical Model for Ship Maneuvering in Designs of Harbours and Waterways［J］.China Harbour Engineering，2000（1）：49-51.

［3］贾明明，熊锡龙.船舶操纵模拟器的仿真技术研究［J］.中国水运，2016（4）：73-75. JIA M M，XIONG X L.Simulation Technique of Ship Maneuvering Simulator［J］.China Water Transport，2016（4）：73-75.

［4］刘洪波，彭再华，汪锋.巴拿马某港口工程水域尺度探讨［J］.水运工程，2011（9）：133-135. LIU H B，PENG Z H，WANG F.On rational water scale about a project in Panama［J］.Port&Waterway Engineering，2011（9）：133-135.

［5］JTS165-2013，海港总体设计规范［S］.

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［7］Moffatt&Nichol.Ship maneuvering study for proposed container terminal［R］.Long Beach，Calif，USA：Moffatt&Nicho，2010.

［8］Thoresen C A.Port designer′s handbook［M］.2nd ed.London：Thomas Telford Limited，2010.

［9］梅蕾，汪锋，姜俊杰.海港港池和回旋水域平面尺度研究［J］.水运工程，2015（7）：102-107. MEI L，WANG F，JIANG J J.Plane dimensions of harbor berthing basin and turning area［J］.Port&Waterway Engineering，2015 （7）：102-107.

Layout optimization of inner water area of a seaport based on ship maneuvering simulation

ZHANG Ding⁃jun1,GAO Peng1,ZHAO Chuan⁃gang1,CHEN Li⁃jia2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China）

For the insufficient of natural water depth and the complex port inner water area,the layout plan based on the specification may not meet the requirements of the ships′operations in the harbor.Combined with an engineering example,the requirements of the ships′operations in the port inner water area were studied through ship maneuvering simulation,and the layout plan of port inner water area was optimized by the simulation results.

ship maneuvering simulation;layout of port inner water area;optimization

U 661.73；U 651

A

1005-8443（2016）06-0589-04

2016-07-22；

2016-11-30

张定军（1974-），男，高级工程师，主要从事港口、航道工程咨询与设计工作。

Biography：ZHANG Ding⁃jun（1974-），male，senior engineer.