基于船舶航行仿真的吴淞口建闸方案优化
曹圆圆 白响恩 肖英杰 杨小军 郑剑
摘要：
为评价吴淞口3个建闸方案的可行性，提出一种基于船舶航行仿真的建闸方案选优方法.通过观测和分析黄浦江交通流情况，选出恰当的代表船型并搜集代表船型的船舶资料建立船舶操纵模型，制作电子海图.根据水文气象信息设计各仿真试验方案，在考虑船舶习惯航法的基础上进行单船及大小船交会的仿真试验；分析重要指标，如航道宽度、转向角等，确定推荐方案并在此基础上进行优化.该方法能为吴淞口建闸方案的确定提供科学依据，可作为评价比选建闸方案的有效新途径.
关键词：
吴淞口水闸； 船舶航行仿真； 航道宽度； 通航孔； 转向角
中图分类号： U641.2；U666.158
0 引 言
黄浦江吴淞口的建闸是上海市城市防洪的重大工程，其基本功能是挡潮，综合功能包括防挡咸潮入侵，远期预留参与流域行洪调度、水质调度[1].水闸的建立从防御自然灾害的角度来说是必须的，但在一定程度上增加了船舶通航的限制和操纵难度，如果闸宽及闸口方向的设置不合理，则会严重限制和妨碍船舶的通航及安全，不利于港口经济的发展.本文基于船舶航行仿真技术，通过选取适当的通航代表船型进行模拟试验及效果比对，对吴淞口建闸的3种设计方案的通航孔尺度进行可行性分析，为吴淞口建闸方案的确定提供科学依据.
在建闸方案比选方面：有些文献[25]虽然给出了建闸方案比选的建议，但仅从建闸自身考虑，并未考虑与其密切相关的船舶因素；有些文献[610]虽然应用了仿真手段，但其研究的都是已有项目工程下的仿真.
本文将两者相结合，把仿真技术运用到建闸方案的比选上.通过对交通流的观测和统计，选取代表船型，搜集其船舶资料并建立船舶操纵模型，根据各方案制作电子海图.结合水文气象资料设计各仿真试验方案，进行船舶航行仿真试验，包括单船试验和大小船交会试验.分析航道宽度、转向角等实验数据，确定吴淞口建闸方案中的推荐方案，并根据大小船交会试验结果，提出船舶交会限制条件下的通航孔宽度值，对推荐方案进行进一步优化.
1 船舶运动仿真模型
建立船舶运动仿真数学模型的基本原理参见文献[11].为描述船舶的运动，采用如下两个右手坐标系（见图1）：一个为固定坐标系O0x0y0z0，固定于地球；另一个为运动坐标系Oxyz，固定于船舶并随船一起运动.运动坐标系的原点取在船中纵剖面的船垂心处.Ox为船纵轴并指向船首，Oy与船纵剖面垂直并指向右舷，Oz垂直于水线面并指向龙骨.
式中：m为船舶质量；Iz为船舶绕z轴的惯性矩；xG为船舶中心距坐标原点的距离；X，Y，N包含了船舶水流动力、惯性力、螺旋桨、舵以及风、浪、流等各种外力.
上述方程忽略了部分影响不大的项，合并惯性力项，并把各种力写成分离形式，近似有
2 吴淞口水闸船舶航行仿真试验
2.1 仿真试验方法概述
涉及工程问题时，物理模型试验要耗费较大的人力和物力，费时长，还存在比尺效应等问题[12]，实船试验具有危险性[13].航海仿真技术是系统仿真技术与航海技术相结合的产物，是现代仿真技术的一个重要分支[14]，可以在项目投资和实施之前，在无实际风险情况下进行考察验证[15].仿真试验包括建立仿真区域的电子海图，选定仿真用船型并建立模拟操纵用的船舶数学模型，建立船舶航行、进出港、靠离泊的模拟控制和过程记录软件，确定符合实际的模拟方案，统计模拟结果，分析模拟结果并给出模拟结论.
2.2 各方案电子海图制作
在《黄浦江河口建闸工程吴淞口选址可能性研究》项目的基础上，根据上海市水利工程设计研究院有限公司给出的3个备选方案（见图2），进行电子海图的制作.
方案1：
将原吴淞导堤拆除，从原堤根处重建一条直导堤并以此为边界往北圈围出一片区域，同时在吴淞口南侧平行于北侧导堤建设一条导堤并以此为边界往南圈围出一片区域，两片圈围区域之间形成一条平直河段供挡潮闸建设用.
方案2：
在原吴淞导堤基础上再往外延伸出一条直导堤，同时在吴淞口南侧平行于北侧导堤建设一条直堤，分别以两条导堤为边界向邻近岸线圈围成陆，同样在两片圈围区域之间形成一条平直河段供挡潮闸建设用.
方案3：
不改变原吴淞导堤布局，在吴淞口南侧建设一段弯导堤，同样以两条导堤为边界向邻近岸线圈围成陆，两片圈围区域之间形成一条弯曲等宽的河道，挡潮闸设于其中.
2.3 代表船型的选取
2013年6月30日中午12时至7月3日中午12时，在吴淞口104号灯浮附近水域设置了观测线，对这段水域进行了连续72 h船舶流量观测，统计得到不同船长的船舶流量，见图3.
统计结果表明，5 000吨级及以下货船占比非常高.目前黄浦江需满足江浙等区域小型船舶的通航要求，及黄浦江沿岸码头的生产要求（进行货物转运）.因此，虽然图3表明船长小于100 m的船舶占比非常高，约为94%，但考虑到需放宽安全裕量，仍选择船长为120 m左右的5 000吨级货船为代表船型.
此外，根据上海港黄浦江沿岸码头逐渐外移的趋势以及上海港布局规划，将来黄浦江岸线将主要用于旅游休闲，其中停泊的主要船型为不受杨浦大桥净空高度限制的大型邮船及其他休闲游艇，其中最大的邮船等级为7万吨级.
综上，选取7万吨级客船和5 000吨级货船为代表船型，其参数见表1.
2.4 仿真试验条件的确定
根据现场实测的风况和潮流资料，选取频率最大的风向和各测点最强潮流进行风、流组合，结合工程设计单位给出的水动力情况设计不同的试验方案.设定6级风，风向为112°，流速为1.8～3.5 kn，在3种建闸方案下两种代表船型在涨、落潮条件下分别进出黄浦江，共24个试验.
2.5 航道宽度数据分析
根据模拟试验结果，对7万吨级客船和5 000吨级货船的航道宽度数据进行分析，见图4和5.
2.6 单船航行仿真试验轨迹图
当分别选用方案1，2和3时，7万吨级客船进出黄浦江轨迹叠加图见图6.
2.7 转向角分析
以5 000吨级货船进出黄浦江为例进行模拟试验，对转向角进行分析，结果见图7.
根据图7可知，当分别选用方案1，2和3时，5 000吨级货船进出黄浦江的转向角平均值分别为110°，157°和80°.
2.8 大小船交会模拟数据分析
在建闸方案3的基础上，选取7万吨级客船（大船）和5 000吨级货船（小船）双向进出黄浦江进行航行仿真试验，对其双向进出黄浦江航道宽度数据的分析见图8，大小船交会航行的轨迹叠加图见图9.
由图8可知，选用方案3时，7万吨级客船与5 000吨级货船交会时双向进出黄浦江所需航迹带宽度最大值为164 m，叠加后所需航道宽度最大值为247 m.
3 试验结论
分析对比上述仿真试验得到的数据，可得到以下结论：
（1）根据航道宽度分析，选用方案3时两种代表船型所需的最大航迹带宽度、最大单向航道宽度及最大双向航道宽度均比选用方案1和2时的小.
（2）根据转向角分析，以5 000吨级货船为例，选用方案3时船舶进出黄浦江的转向角平均值最小.
（3）根据上述结果分析，方案3能更好地保证各船舶进出的安全性和便利性，可作为吴淞口水闸建设工程的优选方案.同时，由于吴淞口附近船舶流量较大且船舶交通流相对复杂，且吴淞口水闸建立后会改变船舶进出黄浦江的习惯航法，增加操纵难度，因此在选取方案3为推荐方案的基础上，增加了大小船交会情况下的仿真试验.其结果表明，若未来吴淞VTS在吴淞口挡潮闸处实施交通组织，可考虑仅允许7万吨级船舶与5 000吨级以下船舶交会，此时可将通航孔宽度设定为247 m.此外，如有可能，可参照当前吴淞口设置的070°250°导标，建闸后再对应设置相应的导标，减少船舶碰闸的风险.
4 结束语
针对吴淞口3个建闸方案的可行性，提出利用船舶航行仿真技术，根据交通流统计分析结果确定代表船型，建立船舶操纵模型并制作电子海图.依据水文气象资料设计试验方案进行单船和大小船交会的航行仿真试验，分析各方案下航道宽度、转向角，比较各方案优劣.在最优方案的基础上结合大小船交会试验结果，给出船舶交会限制条件下的通航孔宽度建议值.
本文提出了一种利用仿真技术和分析船舶航行模拟试验数据来评价建闸方案优劣的方法.在今后的研究中，可在前人研究方法的基础上进行创新，找到更多评价工程优劣性的新方法.
参考文献：
[1]胡欣. 黄浦江河口挡潮闸工程选址研究[D]. 南京： 河海大学， 2006.
[2]沈卫. 东沟船闸改造工程设计方案论证[D]. 上海： 上海海运学院， 2003.
[3]季永兴， 陈志伟， 蔡跃军. 论滇池海口闸择址重建的必要性及闸址比选[J]. 环境科学导刊， 2010， 29（1）： 4548.
[4]杨有军， 孙飞. 连云港港疏港航道穿越新沂河平交方案闸位选择[J]. 现代交通技术， 2011， 8（S1）： 130132.
[5]马虎阳. 江苏省高邮运东船闸扩容工程闸位方案比选[J]. 交通科技， 2011， 245（2）： 119121.
[6]胡晓琴， 朱志国， 宋伟， 等. 岷江下游航道特定尺度船闸的通过能力仿真[J]. 交通运输工程与信息学报， 2011， 9（3）： 9398.
[7]沈刚， 伏耀华， 金允龙. 泰州大桥中塔墩防船撞研究[J]. 中国工程科学， 2010， 12（4）： 7377.
[8]刘元丰， 杨渡军， 陈禾， 等. 三峡库区桥区河段船舶运动模型与仿真研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2010， 29（1）： 138141.
[9]张婕姝. 港口生产调度仿真模型[J]. 上海海事大学学报， 2005， 26（2）： 4246.
[10]王巍. 船舶撞击桥墩仿真模拟及桥墩防撞措施探讨[J]. 市政技术， 2013， 31（4）： 6769， 72.
[11]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（1）： 4953.
[12]钱旭菲， 朱现场. 航海仿真系统在模拟LNG船舶进出港拖轮配置中的应用[J]. 科技视界， 2012（34）： 2425， 13.
[13]唐风文， 肖英杰， 周伟， 等. 仿真技术在船舶碰撞事故再现中的应用[J]. 水运工程， 2011（10）： 4245.
[14]张蔚. 特定桥区和闸区通航方案的模拟试验研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2007.
[15]施朝健， 陈锦标， 胡勤友. 船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作[J]. 上海海事大学学报， 2007， 28（1）： 16.
（编辑 赵勉）
摘要：
为评价吴淞口3个建闸方案的可行性，提出一种基于船舶航行仿真的建闸方案选优方法.通过观测和分析黄浦江交通流情况，选出恰当的代表船型并搜集代表船型的船舶资料建立船舶操纵模型，制作电子海图.根据水文气象信息设计各仿真试验方案，在考虑船舶习惯航法的基础上进行单船及大小船交会的仿真试验；分析重要指标，如航道宽度、转向角等，确定推荐方案并在此基础上进行优化.该方法能为吴淞口建闸方案的确定提供科学依据，可作为评价比选建闸方案的有效新途径.
关键词：
吴淞口水闸； 船舶航行仿真； 航道宽度； 通航孔； 转向角
中图分类号： U641.2；U666.158
0 引 言
黄浦江吴淞口的建闸是上海市城市防洪的重大工程，其基本功能是挡潮，综合功能包括防挡咸潮入侵，远期预留参与流域行洪调度、水质调度[1].水闸的建立从防御自然灾害的角度来说是必须的，但在一定程度上增加了船舶通航的限制和操纵难度，如果闸宽及闸口方向的设置不合理，则会严重限制和妨碍船舶的通航及安全，不利于港口经济的发展.本文基于船舶航行仿真技术，通过选取适当的通航代表船型进行模拟试验及效果比对，对吴淞口建闸的3种设计方案的通航孔尺度进行可行性分析，为吴淞口建闸方案的确定提供科学依据.
在建闸方案比选方面：有些文献[25]虽然给出了建闸方案比选的建议，但仅从建闸自身考虑，并未考虑与其密切相关的船舶因素；有些文献[610]虽然应用了仿真手段，但其研究的都是已有项目工程下的仿真.
本文将两者相结合，把仿真技术运用到建闸方案的比选上.通过对交通流的观测和统计，选取代表船型，搜集其船舶资料并建立船舶操纵模型，根据各方案制作电子海图.结合水文气象资料设计各仿真试验方案，进行船舶航行仿真试验，包括单船试验和大小船交会试验.分析航道宽度、转向角等实验数据，确定吴淞口建闸方案中的推荐方案，并根据大小船交会试验结果，提出船舶交会限制条件下的通航孔宽度值，对推荐方案进行进一步优化.
1 船舶运动仿真模型
建立船舶运动仿真数学模型的基本原理参见文献[11].为描述船舶的运动，采用如下两个右手坐标系（见图1）：一个为固定坐标系O0x0y0z0，固定于地球；另一个为运动坐标系Oxyz，固定于船舶并随船一起运动.运动坐标系的原点取在船中纵剖面的船垂心处.Ox为船纵轴并指向船首，Oy与船纵剖面垂直并指向右舷，Oz垂直于水线面并指向龙骨.
式中：m为船舶质量；Iz为船舶绕z轴的惯性矩；xG为船舶中心距坐标原点的距离；X，Y，N包含了船舶水流动力、惯性力、螺旋桨、舵以及风、浪、流等各种外力.
上述方程忽略了部分影响不大的项，合并惯性力项，并把各种力写成分离形式，近似有
2 吴淞口水闸船舶航行仿真试验
2.1 仿真试验方法概述
涉及工程问题时，物理模型试验要耗费较大的人力和物力，费时长，还存在比尺效应等问题[12]，实船试验具有危险性[13].航海仿真技术是系统仿真技术与航海技术相结合的产物，是现代仿真技术的一个重要分支[14]，可以在项目投资和实施之前，在无实际风险情况下进行考察验证[15].仿真试验包括建立仿真区域的电子海图，选定仿真用船型并建立模拟操纵用的船舶数学模型，建立船舶航行、进出港、靠离泊的模拟控制和过程记录软件，确定符合实际的模拟方案，统计模拟结果，分析模拟结果并给出模拟结论.
2.2 各方案电子海图制作
在《黄浦江河口建闸工程吴淞口选址可能性研究》项目的基础上，根据上海市水利工程设计研究院有限公司给出的3个备选方案（见图2），进行电子海图的制作.
方案1：
将原吴淞导堤拆除，从原堤根处重建一条直导堤并以此为边界往北圈围出一片区域，同时在吴淞口南侧平行于北侧导堤建设一条导堤并以此为边界往南圈围出一片区域，两片圈围区域之间形成一条平直河段供挡潮闸建设用.
方案2：
在原吴淞导堤基础上再往外延伸出一条直导堤，同时在吴淞口南侧平行于北侧导堤建设一条直堤，分别以两条导堤为边界向邻近岸线圈围成陆，同样在两片圈围区域之间形成一条平直河段供挡潮闸建设用.
方案3：
不改变原吴淞导堤布局，在吴淞口南侧建设一段弯导堤，同样以两条导堤为边界向邻近岸线圈围成陆，两片圈围区域之间形成一条弯曲等宽的河道，挡潮闸设于其中.
2.3 代表船型的选取
2013年6月30日中午12时至7月3日中午12时，在吴淞口104号灯浮附近水域设置了观测线，对这段水域进行了连续72 h船舶流量观测，统计得到不同船长的船舶流量，见图3.
统计结果表明，5 000吨级及以下货船占比非常高.目前黄浦江需满足江浙等区域小型船舶的通航要求，及黄浦江沿岸码头的生产要求（进行货物转运）.因此，虽然图3表明船长小于100 m的船舶占比非常高，约为94%，但考虑到需放宽安全裕量，仍选择船长为120 m左右的5 000吨级货船为代表船型.
此外，根据上海港黄浦江沿岸码头逐渐外移的趋势以及上海港布局规划，将来黄浦江岸线将主要用于旅游休闲，其中停泊的主要船型为不受杨浦大桥净空高度限制的大型邮船及其他休闲游艇，其中最大的邮船等级为7万吨级.
综上，选取7万吨级客船和5 000吨级货船为代表船型，其参数见表1.
2.4 仿真试验条件的确定
根据现场实测的风况和潮流资料，选取频率最大的风向和各测点最强潮流进行风、流组合，结合工程设计单位给出的水动力情况设计不同的试验方案.设定6级风，风向为112°，流速为1.8～3.5 kn，在3种建闸方案下两种代表船型在涨、落潮条件下分别进出黄浦江，共24个试验.
2.5 航道宽度数据分析
根据模拟试验结果，对7万吨级客船和5 000吨级货船的航道宽度数据进行分析，见图4和5.
2.6 单船航行仿真试验轨迹图
当分别选用方案1，2和3时，7万吨级客船进出黄浦江轨迹叠加图见图6.
2.7 转向角分析
以5 000吨级货船进出黄浦江为例进行模拟试验，对转向角进行分析，结果见图7.
根据图7可知，当分别选用方案1，2和3时，5 000吨级货船进出黄浦江的转向角平均值分别为110°，157°和80°.
2.8 大小船交会模拟数据分析
在建闸方案3的基础上，选取7万吨级客船（大船）和5 000吨级货船（小船）双向进出黄浦江进行航行仿真试验，对其双向进出黄浦江航道宽度数据的分析见图8，大小船交会航行的轨迹叠加图见图9.
由图8可知，选用方案3时，7万吨级客船与5 000吨级货船交会时双向进出黄浦江所需航迹带宽度最大值为164 m，叠加后所需航道宽度最大值为247 m.
3 试验结论
分析对比上述仿真试验得到的数据，可得到以下结论：
（1）根据航道宽度分析，选用方案3时两种代表船型所需的最大航迹带宽度、最大单向航道宽度及最大双向航道宽度均比选用方案1和2时的小.
（2）根据转向角分析，以5 000吨级货船为例，选用方案3时船舶进出黄浦江的转向角平均值最小.
（3）根据上述结果分析，方案3能更好地保证各船舶进出的安全性和便利性，可作为吴淞口水闸建设工程的优选方案.同时，由于吴淞口附近船舶流量较大且船舶交通流相对复杂，且吴淞口水闸建立后会改变船舶进出黄浦江的习惯航法，增加操纵难度，因此在选取方案3为推荐方案的基础上，增加了大小船交会情况下的仿真试验.其结果表明，若未来吴淞VTS在吴淞口挡潮闸处实施交通组织，可考虑仅允许7万吨级船舶与5 000吨级以下船舶交会，此时可将通航孔宽度设定为247 m.此外，如有可能，可参照当前吴淞口设置的070°250°导标，建闸后再对应设置相应的导标，减少船舶碰闸的风险.
4 结束语
针对吴淞口3个建闸方案的可行性，提出利用船舶航行仿真技术，根据交通流统计分析结果确定代表船型，建立船舶操纵模型并制作电子海图.依据水文气象资料设计试验方案进行单船和大小船交会的航行仿真试验，分析各方案下航道宽度、转向角，比较各方案优劣.在最优方案的基础上结合大小船交会试验结果，给出船舶交会限制条件下的通航孔宽度建议值.
本文提出了一种利用仿真技术和分析船舶航行模拟试验数据来评价建闸方案优劣的方法.在今后的研究中，可在前人研究方法的基础上进行创新，找到更多评价工程优劣性的新方法.
参考文献：
[1]胡欣. 黄浦江河口挡潮闸工程选址研究[D]. 南京： 河海大学， 2006.
[2]沈卫. 东沟船闸改造工程设计方案论证[D]. 上海： 上海海运学院， 2003.
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[5]马虎阳. 江苏省高邮运东船闸扩容工程闸位方案比选[J]. 交通科技， 2011， 245（2）： 119121.
[6]胡晓琴， 朱志国， 宋伟， 等. 岷江下游航道特定尺度船闸的通过能力仿真[J]. 交通运输工程与信息学报， 2011， 9（3）： 9398.
[7]沈刚， 伏耀华， 金允龙. 泰州大桥中塔墩防船撞研究[J]. 中国工程科学， 2010， 12（4）： 7377.
[8]刘元丰， 杨渡军， 陈禾， 等. 三峡库区桥区河段船舶运动模型与仿真研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2010， 29（1）： 138141.
[9]张婕姝. 港口生产调度仿真模型[J]. 上海海事大学学报， 2005， 26（2）： 4246.
[10]王巍. 船舶撞击桥墩仿真模拟及桥墩防撞措施探讨[J]. 市政技术， 2013， 31（4）： 6769， 72.
[11]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（1）： 4953.
[12]钱旭菲， 朱现场. 航海仿真系统在模拟LNG船舶进出港拖轮配置中的应用[J]. 科技视界， 2012（34）： 2425， 13.
[13]唐风文， 肖英杰， 周伟， 等. 仿真技术在船舶碰撞事故再现中的应用[J]. 水运工程， 2011（10）： 4245.
[14]张蔚. 特定桥区和闸区通航方案的模拟试验研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2007.
[15]施朝健， 陈锦标， 胡勤友. 船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作[J]. 上海海事大学学报， 2007， 28（1）： 16.
（编辑 赵勉）
