（载运工具运用工程专业论文）船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计.pdf

上海海运学院硕士学位论文船舶搽纵模拟嚣在港航设计论证上静应用研究岛设计 摘要 7 运题簸熬攥级摸毅器进纷港港与靛遂设诗论证，在星多 鼹经毒几十年豹绣变， 取得了巨大的经济效菔和社会效益。我国这几年也致力于研究、开发运用于港航 没谤论涯熬艇靛搽级援羧器，取提了缀大豹戏榘，势基运用船舷操级模拟嚣挺继 论证了些港航设计项目，取得了一定的效施。我国是一个航运大豳，有着众多 黪港鞠霾簸遴，翟我翅豹港嫒毒是不甚合理，港遮裁舷道建没耀当滞后。踺着国 际航邋业的复苏。国际船舶的大型化，我国将需要建设一大批港池和航道。港池 窥靛邀豹建设，羼典型豹资金密集型产业，楚建设、没资尽投期都坟较长的行业， 稍有不慎，就会造成臣大浪费或亏损，丽船舶操纵模拟器在此就可以发挥其优势， 毙为我蓬静港靛建设掺接应鸯麴贡献。? 本文从船舶操纵模拟器的发展、应用现状着手，依托船舶操纵模拟器谯港航 设诗论汪上簸应翅优势，重点论述了船舶操级模拟器在我国港靛设计论证上戆应 用前景，为我国的船舶操纵模拟器的应用研究指明了方向；紧接着缩合作者参加 豹具体貔港簸论迁项爨“苏遴长江公鼹大挢船舶通靛论证模揪”，叙述了运用船舶 操纵模拟器进行港航设计论证的整个其自慧艄程，用实例证明了运用船舶操纵模拟 爨进行港兢设计论谜的巨大优势；农此基弛上，探讨了运用船舶操纵模拟器进行 港航设计论诫的具体步骤与方法。 f 文章最螽针对耳藏我国逡月于港舷设计论证的船舶操纵模拟器现状，对基于 港航设计论诞的船舶操纵模拟器中的电子海圈的制作、不均匀流场数据的处理、 船舶操级运动数学模型三个方面作丫 研究。探讨了运用于港航设计论谖的模 拟器中不均匀流场数据的处理方法比较系统的整联、推译融一套适合予港航设 计论涯的船舷操纵模拟器的船舶操纵运动数学模型，为我蹦基子港航设计论证的 船舶操纵模拟器的谶步研制工作打下了坚安的基础；在此基础上设计了一种基 于p c 规的，适合于发展中冒家的，运用于港航设计论证的= 维船舶操纵模拟器的， i 模拟器的研制提供条恿路4 歹 电予海图，不均匀流场，船自自搡 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 a b s t r a c t a p p l y i n gt h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o rt od e m o n s t r a t et h ed e s i g n so f h a r b o ra n df a i r w a y ，h a v eb e e ns e v e r a ld e c a d e sy e a r si no v e r s e a sc o u n t r y ， h a v eo b t a i n e de n o r m o u se c o n o m i c a lb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t t h e s ey e a r s ， o u rc o u n t r yh a sh e n d e dh e r s e l ft os t u d ya n dd e s i g nt h es h i pm a n e u v e r i n g s i m u l a t o rf o rt h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a y ，h a s a c q u i r e dp r o d i g i o u sp r o d u c t i o n ，b e s i d e s d e m o n s t r a t e daf e w d e s i g n so f h a r b o ra n df a i r w a y ，o b t a i n e dd e f i n i t eb e n e f i t o u rc o u n t r yi sab i gs h i p p i n g c o u n t r y ，h a sn u m e r o u sh a r b o r sa n df a i r w a y s ，b u t t h ed i s t r i b u t i o no ft h e h a r b o r si s n tm u c hr e a s o n a b l e ，t h ee x p l o i t a t i o no fh a r b o r sa n df a i r w a y s l a g st h ed e v e l o p m e n to fs h i p a sar e s u r g e n c eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls h i p p i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h eh u g es h i p ，o u rc o u n t r yw illh a v et or e b u il dan u m b e r so fh a r b o r sa n d f a i r w a y s t h ec o n s t r u c t i o no fh a r b o r sa n df a i r w a y sb e l o n g st o at y p i c a l c a p i t a ld e n s e n e s si n d u s t r y ，w h i c ht a k e sal o n gt i m et ob u i l da n dt og a i n ， a1 i t t l ec a r e l e s s n e s sm a yr e s u l ti nah u g el o s s ，h e r e o nt h es h i pm a n e u v e r i n g s i m u l a t o rc a de x e r ti t sa d v a n t a g e m a k e ss o m ec o n t r i b u t i o nf o ro u r c o u n t r y sh a r b o r sa n df a i r w a y s t h e p a p e rr e c i t e s t h e d e v e l o p m e n t ，c u r r e n ts i t u a t i o no ft h es h i p m a n e u v e r i n gs i m u l a t o ra n da d v a n t a g eo ft h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o rt o d e m o n s t r a t et h e d e s i g n s o fh a r b o ra n d f a i r w a y ，m a i n l ya n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o np r o s p e c t o ft h e s h i pm a n e u v e r i n g s i m u l a t o rf o rt h e d e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a y 。w h i c hp o i n t so u ta d i r e c t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fo u rc o u n t r y ss h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o r o nt o po fi t ，a u t h o rc o m b i n i n gam a t e r i a la p p l i c a t i o ne x a m p l e “s i m u l a t i o n f o ra s s e s s i n gt h en a v i g a t i o nc a p a c i t yo fs u t o n gc h a n g j i a n gr o a db r i d g e ” t h a ta u t h o rt o o kp a r ti nt os i m u l a t ep e r s o n a l l y ，d e p i c t st h ew h o l es t e p s a b o u ta p p l y i n gt h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o rt od e m o n s t r a t et h ed e s i g n s o fh a r b o ra n d f a i r w a y ，w h i c hp r o v e s t h e g r e a ta d v a n t a g eo f t h e s h i p m a n e u v e r i n gs i m u l a t o rf o rt h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n d 1 i 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟嚣在港航设计论证上的应用研究与设计 f a i r w a y ，t h e n d i s c u s s e st h e s t e p s a n d w a y s a b o u t a p p l y i n g t h e s h i p m a n e u v e r i n gs i m u l a t o rt od e m o n s t r a t et h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a y t h ep a p e ra tl a s tb a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r y ss h i p m a n e u v e r i n gs i m u l a t o rf o r t h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n d f a i r w a y ，s t u d i e st h r e ek e r n e la s p e c t so ft h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o rf o r t h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a y t h e ya r ee x e c u t i o n o fe l e c t r o n i cc h a r t ，m e t h o dt or e a da u t o m a t i c a ll yt h ed a t ao fa s y m m e t r y c u r r e n t am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t i o n e s p e c i a l l y t h ep a p e rr e l a t i v e l ys y s t e m i c a l l yc l e a n su pa n dd e d u c e sam a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t i o nt h a ti sf i tf o rt h es h i pm a n e u v e r i n g s i m u l a t o rf o rt h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a y ，w h i c h m a k e sa s t r o n g f o u n d a t i o nf o r t h em a n u f a c t u r eo fo u r c o u n t r y ss h i p m a n e u v e r i n gs i m u l a t o rf o rt h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n d f a i r w a y 。t h e na u t h o rd e s i g n sas o r to ft w a i nd i m e n s i o n ss h i pm a n e u v e r i n g s i m u l a t o rf o rt h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n so fh a r b o ra n df a i r w a yt h a t i sb a s e do np ca n di sf i tf o rt h ed e v e l o p i n gc o u n t r y ，w h i c hp r o v i d e sap i e c e o ft r a i lo ft h et h o u g h tf o rt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sn e wg e n e r a t i o n s h i ps i m u l a t o r k e yw o r d s t h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t o r ，t h ed e m o n s t r a t i o no ft h ed e s i g n s o fh a r b o ra n df a i r w a y ，e l e c t r o n i cc h a r t ，a s y m m e t r yc u r r e n t ，am a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t i o n q i a n h u a z h o n g ( d e ii v e r y g e a n st i t ii i z a t i o ne n g i n e e r i n 曲 dir e c t e db yp r o f z h a or e n y u a s s o c i a t ep r o f x i a oy i n g ji e l i l 论文独创性声明 本论文是我个 在导郑指导下进行褥瞬究王作及取得的研究成果。论文 中除了特要g 加以糖；注释致谢的遮努终，不包含其他天竣其悠撬毒每已经发表浚 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中侔 了明确的声明并袭采了谢意。 ， 佟者签名； 舡噍 本人同意上海海运学瞄奄关保留、使用学位沦文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复镧手段保存论文保密的论 文在解密后道守就规定。 作者签名： 师签名；起4 z 衾日期：敬堡i ：! i 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 绪论陋1 系统仿真是- - f - 以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计为基础，结合各 应用领域的技术科学而形成的边缘学科，同时，它又是一门综合性的试验学科。该 学科诞生于6 0 年代初，4 0 多年来，随着各门学科的发展，其技术也日新月异的发 展着，并已成为近l o 多年来十分活跃的新兴学科，1 9 9 2 年还被世界科技杂志列为 世界十大尖端科技之一。 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计 中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设 计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际 系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有 越来越重要的地位。 对于一些正在规划中的系统或正在设计中的项目，都可以建立相应的仿真数学 模型，通过计算机仿真，对系统进行多种方案和参数的实验，预测未来系统或项目 的运行参数及经济效益等：对于现有系统作改进时，也可以通过系统仿真，模拟经过 改进以后的系统运行情况，以寻求满意的改进方案；特别是一些危险性极大或特别 贵重的系统，通过构造仿真数学模型，进行仿真，可以得到最安全的运行参数或节 省巨额投资。系统仿真的这种实验性，为它的应用和推广开辟了广阔的前景。 航海仿真技术是基于物理效应模型和( 或) 采用按船舶运动学、水动力学及其 他动力学的有关原理建立的数学模型进行模拟试验与分析的研究工作。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。 船舶操纵模拟器的研制开发就是航海仿真技术的具体应用。它是采用计算机技 术、多媒体技术和网络技术，结合类似于实际船舶驾驶台内的操作面板，来模拟船 舶在一定的环境下操纵运动情况，再配上一定的视景系统和音响效果，船员能看到 类似于真实的海面，听到类似于船舶产生的各种声音，甚至能令船员有晕船的感觉， 船员在进行这种操作时，能获得类似于实船操纵的经历。目前运用这种仿真技术生 产的船舶操纵模拟器不断涌现，其中有基于个人计算机( p c 机) 全部功能，由软件 实现的单机船舶操纵模拟器，也有基于集中分散型计算机网络系统，具有多功能图 解板的大型船舶操纵模拟器，其用途也非常广泛。随着计算机技术的发展及船舶操 纵模拟器研究的不断深入，船舶操纵模拟器的功能在不断地拓展，其应用范围也在 不断地扩大。 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 近年来，人们开始将船舶操纵模拟器应用到港航设计论证上来，进行了许多港 航设计项目的模拟研究，例如：巴尔的摩港进港双向航道的模拟研究；上海港宝山 港池船舶操纵模拟试验：洋山深水港区一期工程进港航道及港池船舶航行安全的模 拟等，取得了巨大的经济效益和社会效益，并且还在不断的拓宽它的应用范围。我 国在将船舶操纵模拟器运用于港航设计论证只是近几年的事，由于资金的匮乏，还 处于探索阶段，目前用于港航设计论证的模拟器的功能还有许多需要改进的地方， 因此其模拟的方法、精度等方面，有许多问题值得进一步研究。 本论文在纵览船舶操纵模拟器的发展现状及其国际上目前船舶操纵模拟器在 港航设计论证上的状况的基础上，分析了船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用 情况，重点分析了我国在将船舶操纵模拟器运用于港航设计论证上的前景，得出了 船舶操纵模拟器运用于港航设计论证在我国的应用前景非常广阔的结论，并结合具 体的应用实例，探讨了运用船舶操纵模拟器进行港航设计论证的方法；在此基础上 研究了运用于港航设计论证的船舶操纵模拟器的两个核心内容，即电子海图的制作 与不均匀流场数据的处理、船舶操纵运动数学模型，其中重点研究了基于港航设计 论证的船舶操纵模拟器的船舶操纵运动数学模型，比较完整的归纳总结出了适用于 港航设计论证的船舶操纵模拟器的船舶操纵运动数学模型；最后设计了一种基于p c 机的，运用于港航设计论证的二维船舶操纵模拟器的框架。 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 第一章船舶操纵模拟器概述嘲3 0 m 2 第一节船舶操纵模拟器的发展历程 船舶操纵模拟器与航空领域中所惯用的飞行模拟器一样，要求能在地面上模 拟船舶在海上的实时操纵控制中的动态行为。船舶操纵模拟器是利用了飞行模拟器 的已有成果而发展起来的。早在5 0 年代初，就研制出潜艇操纵模拟器，然而，商 船操纵模拟器的发展相对滞后，其原因是当时船舶还较小，操船人员的训练和船舶 的操纵性研究均可在实船上进行，而不致引起安全性问题。在5 0 年代末日本等国 研制了简单的船舶操纵模拟器( 实际为简单的操舵模拟器) ，其结构简单，仅供训 练之用。 6 0 年代初，由于国际贸易的发展，特别是原油国际运输的需要，从经济性的 角度考虑，开始建造大型、超大型的油轮。其载重量大，船型肥胖，因此产生了某 些过去从未碰到的特殊操纵问题，如不具备航向稳定性，船舶对舵的响应慢等，这 些给操船者带来了很大的操作困难。另外，船舶的巨型化，船宽、吃水的增加，使 原来对小船而言为深水的港湾水域变成了浅水，宽航道变成了狭窄航道。这种航行 与环境的变化更增加了港湾内操船的困难，故而这个时期海难事故急剧增加。海难 中损失的船舶，据统计1 9 6 2 年约1 2 5 艘，总吨位约5 2 5 0 0 0c ! o s st o n s ：1 9 7 2 年约 2 0 0 艘，总吨位约1 2 0 0 0 0 0 0g r o s st o n s 。众所周知，油轮发生海难事故不仅造成 生命财产的损失，而且油污还会带来较大的社会问题。因此，为了保证船舶的航行 安全，人们首先想到寻找一种方法或设备来训练操船者，使他们迅速掌握油轮的操 纵性能，这个时期首先出现了基于可载人的大型缩尺船模的模拟器。但由于大型缩 尺船模自身的缺陷，未能达到预期的目的。从而人们借用飞行模拟器的思想，开始 研制开发船舶操纵模拟器，当时主要目的是用于操船者的训练。 所谓的船舶操纵，从控制论的角度看，实际上是由船舶、操船人员及航行环境 三者构成的闭环控制系统。这里航行环境包括自然环境，如风演、流等：地理环 境。如浅狭水域、弯曲航道、港湾等以及交通环境。为了航行安全，要求具有一定 性能的船舶和具有一定操船能力的人及航行环境，这三者之间有适当的协调关系。 操船人员训练就是帮助他们掌握船舶的操纵性能及航行环境的影响，从而提高操船 技术。有些操船技术难以用书本或语言来传授，需要多次重复的实践和体会才能掌 握，因此，给航海教学和船员培训带来困难，以致对具有高超操船技术的航海人员 3 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 培养周期很长。为此，需要一种设备来加速航海人员的培养使之尽快提高操船技术， 船舶操纵模拟器无疑是最合适的训练设备。另外，从造船设计的角度出发，在开发 最优船型时，需要预报和评价船舶的操纵性能，同时还需要评价船舶能否安全进出 港湾，有关这些问题的研究中，船舶操纵模拟器是一个十分有用的辅助工具。实际 上，世界上有些操纵模拟器正是为此目的而开发的。 考虑到操船者和船舶的性能，进行港湾航道设计和改进，也期望利用船舶操纵 模拟器。反过来还可以利用船舶操纵模拟器对进出港湾、航道的操船方法进行研究。 由此可见，就航行安全评价而言，船舶操纵模拟器也是不可缺少的工具，这是促进 船舶操纵模拟器发展的直接原因。 第二节船舶操纵模拟器的类型及结构 从船舶操纵模拟器发展的历史来看，主要出现过两种类型的船舶操纵模拟器。 第一种类型的船舶操纵模拟器是一种物理模型，即可载人的大型缩尺船模，般它 的长度为6 9 米或更大。它出现在6 0 年代初，主要是为了培训驾驶人员和引航员， 让他们迅速掌握油轮的操纵性能。 英国南汉浦顿大学就曾开发研制了一艘船长为9 米，排水量为5 吨，可载三人 的这种模拟器。这种类型的模拟器，在理论基础和技术要求上并不高，仅需建造较 大的船模即可。但是，在时间尺度上与实船相差较大，船模操纵响应明显快于实船 ( 操纵向应快慢与缩尺比的平方成反比) ，因此船模留给操纵人员进行操作判断的 时间就缩短了，即在人控特性上不能实现实时模拟。另外，在视觉上与实船相比也 有很大的差异。总的来说受训者得不到操船的实际感觉，很难达到对驾驶员和引航 员训练的目的，因此这类操纵模拟器未能得到推广。 第二种类型的船舶操纵模拟器是基于计算机仿真技术的一种模拟设备，它是由 与实船同尺度的模拟驾驶台构成，驾驶台内设有与实船基本相同的各种航海仪器包 括信息显示、导航及操纵控制等设备。它是利用计算机对船舶运动数学模型进行解 算，求得船舶对各种操作的响应，并通过各种仪表将船舶运动状态反馈给操船人员。 同时，将驾驶台周围的视景投影到屏幕上。计算机可以对船舶运动进行实时解算， 也可实时的显示视景。因此，在这种模拟器上，使用者基本上可以得到与实船上操 船相同的感觉。这类船舶操纵模拟器是目前世界上最流行的模拟设备。它无论在航 海人员培训，还是在各种科学研究中都己获得了良好的效果。 一台现代化的大型的完整的船舶操纵模拟器一般包括以下几个部分：实现船舶 4 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 模拟驾驶台部分 图1 - 1 船自自操纵模拟器的结构图 操纵运动数学模型自动解算的仿真计算机；模拟航行海洋、陆地、天空、港口、航 道、航标等航行环境和周围其它船舶的视景产生设备；内装各种航行仪表及设备的 模拟驾驶舱，有时还有运动系统使驾驶舱能模拟船舶摇摆；所有景象、仪表和驾驶 台均受控于计算机，计算机还可以根据不同需求产生风、流、浪及外界声响等干扰 信号。图卜1 是一船舶操纵模拟器的结构图。 第三节船舶操纵模拟器的发展状况 3 1 国外发展状况 荷兰应用科学研究所( t n o ) 是世界上最早研究船舶操纵摸拟器的组织。1 9 6 8 上海海运学院硕士学位论文船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 年投入使用的船舶操纵模拟器至今已发展到第三代产品。该模拟器包括四个主要组 成部分：操纵驾驶台、视景显示系统、教练控制室和计算机系统。视景显示系统是 一个大型的点光源投射装置，能提供船舶在白天、夜晚及能见度不良情况下的操纵 条件，具有三维刻度点光源装置，视野水平宽度为1 2 0 。，转盘具有三维自由度。 该模拟器以训练和科研为双重目的。 原西德s u s a n 船舶操纵模拟器于1 9 8 2 年投入使用。它有一台中央计算机、6 台程序控制计算机和1 1 台投影仪连接而成。这个模拟器除用于船员培训外，还可 以作为科研手段，进行：( 1 ) 船舶驾驶台的布局设计；( 2 ) 驾驶台设备及助航仪器 的测试改进；( 3 ) 港口设旖及航路的设计：( 4 ) 船舶操纵与船舶交通信息处理及其综 合因素的探讨；( 5 ) 船舶操纵中的人为因素的研究。 美国8 0 年代的m i t a g s 模拟器能模拟世界上任何海域和港口，应用于任何船 舶操纵领域，是当时世界上唯的具有3 6 0 。水平视野的超大型船舶操纵模拟器。 其操纵系统包括6 0 个灯光投射仪，环形银幕高达1 2 2 m ，直径为3 0 5 m ，它可以同 时模拟1 0 条来船及海面上的浮筒、障碍物、岸形和岸上的灯光，以及模拟任何航 海环境。水天线的高度可以根据要求模拟各种亮度等级，多声道发生器可以清晰的 模拟其它船舶的定向声号，庞大的数据库贮存了1 0 0 个各种练习，用于培训船员。 模拟器本身还适应于各种航海科研项目的研究。 加拿大纽芬兰海上模拟器训练和研究中心( m o s t e r c ) 于1 9 9 2 年1 2 月推出的 船舶操纵模拟器是为港口工程研究和各类人员培训而设计的，是目前世界上最大、 技术最先进的船舶操纵模拟器。船桥设在一个转动平台上，有六个自由度，模拟器 周围装有显示器，水平视角3 6 0 。，垂直视角2 7 。适用船员培训和港口工程设计 方面的模拟研究，使新建和改、扩建港口布置达到最优，提高船舶进港航行安全和 最大的生产效率这个模拟器能对港口设施进行三维模拟，可模拟船舶在港内和航 道上的动态，计算船舶俩舷之间，与航道岸壁、导航堤的距离和深度，船舶与水底、 岸壁与导航堤的相互作用力。此外，通过模拟器可改进航道浮标、灯标等等的布置， 在港口最佳点上布置船舶交通管理系统( v t s ) 。最后，还可对引水员、驾驶员、交 通管理人员以及航道维护等等进行有针对性的训练。 除上述典型国家之外，挪威、日本、英国、前苏联等国家也广泛采用船舶操 纵模拟器进行各类人员培训，并开展在港口、航道等建设项目规划设计方面的研究。 3 2 国内研究状况 事实上，船舶操纵模拟器作为一种先进的教学手段应用于航海教学和船员培 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 训在我国已有段时间。8 0 年代初，国内大部分海运院校和部分船员培训单位就 相继引进或自行开发船舶操纵模拟器，推进了我国船舶操纵模拟器技术的不断发 展。 上海海运学院于1 9 8 9 年开始研究开发船舶操纵模拟器。经过这些年的发展， 目前开发出的s h l u i v 型船舶操纵模拟器选用了以t m s 一3 2 0 c 3 0 为主处理器的数据 处理板和以t m s 一3 2 0 2 0 为主处理器的图像处理板组成视景成像系统。这套船舶操纵 模拟器采用了主控台( 教练员控制台) 操作模式，配备了真车钟、操舵轮和驾驶台 仪表，再结合自行开发设计的雷达模拟系统，构成了驾驶台模拟器与雷达模拟器相 结合的综合船舶操纵模拟器系统，能提供白天、夜间、不同能见度情景的全景船舶 操纵。在视景显示上实现了夜景和雾景功能，并做了船舶摇摆处理等。 大连海事大学也很早就致力于航海模拟器的研究与开发。最近也成功开发了 新型多功能大型船舶操纵模拟系统。该系统是一个能提供雷达a r p a 显示、以电子 海图为背景的船舶动态显示及多通道三维视景显示的多本船、多功能仿真系统。系 统由数条本船和一个教练员站组成，主本船具有一个与实船相似的驾驶台，配备完 整的驾驶台设备，用大屏幕投影逼真显示多个港口的多通道1 8 0 度一2 7 0 度视场角 视景，可给人以非常真实的操船感受：其它两个本船配备齐全的操船设备，三台背 投投影仪屏幕被设计成驾驶台前窗布局，用于显示1 2 0 度视场角的逼真视景。 目前，我国主要海运院校和大型航运公司及研究所都相继引进、研究、开发 并配备了船舶操纵模拟器，主要用于对航海类学生和船员的培训，不少院校和研究 所也开始将船舶操纵模拟器用于其他方面的研究。 第四节船舶操纵模拟器的主要用途 从船舶操纵模拟器的起源与发展过程可以看出，船舶操纵模拟器的主要用途大 致分为以下三个方面：操船人员的教育训练、科学研究及环境评价。其中操船人员 的教育训练是其主要部分，这也是当初研究开发船舶操纵模拟器的目的所在。目前 的大型船舶操纵模拟器可以培训操船人员进行：( 1 ) 大洋上航行操船；( 2 ) 船舶在 拥挤水域航行操船；( 3 ) 狭水道操船；( 4 ) 进出港操船；( 5 ) 靠离泊操船等。环境 评价及科学研究是近些年在船舶操纵模拟器发展比较成熟的情况下开辟的新的应 用领域，它包括：v t s 系统设计方案研究；有关船舶操纵性能的研究和改进措施： 海上交通环境评价：助航标志评价：海上建筑物与船舶航行安全评价；自然环境与 船舶航行安全评价；航行拥挤水域安全保障系统的改善方案研讨；船舶靠、离码头 上海海运学院硕士学位论文船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 的操纵方法研究：港口码头与航道设计时的可行性研究等。其中将船舶操纵模拟器 应运于港口与航道等设计方案的可行性论证又是近年来新开辟的应用领域。随着科 技的进步和计算机技术的发展将船舶操纵模拟器运用于港航设计论证的领域越来 越广。 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 第二章船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究 第一节船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用现状。“7 1 船舶操纵模拟器作为一种先进的科研工具，自从它的诞生，很早就应用于港航 设计论证，并且由于一些发达国家( 如美国、加拿大、瑞典、德国、日本等) 的科 研资金雄厚，很早就生产出专门用于港航设计论证的船舶操纵模拟器。美国于8 0 年代末就生产出一套比较先进的船舶操纵模拟器，专门用于港航设计的论证。这套 模拟器曾在纽约港用于航道浚深拓宽的研究，把原有的航道水深加深到1 2 1 9 米， 并适当拓宽了某些航段；在巴尔的摩港用于进港双向航道的研究，先后在 c r a i g h b i l la n g l e 、b r o w e r l o n 、a n g l e a n dc u t o f fa n g l e 、r a p p a n a n n o c k 双向航道 中进行了2 4 0 次的快速模拟和实时模拟，将航道宽度相应地从计划的2 4 3 8 4 米减少 到2 1 3 6 米和从3 0 4 8 米减少到2 4 3 8 4 米，水深从原来的1 2 8 米加深到1 5 2 4 米， 取得了丰硕的成果。加拿大也于1 9 9 2 年底成功推出了专为港航工程研究而设计的船 舶操纵模拟器。这套模拟器能对港口设施进行三维模拟，可模拟船舶在港内和航道 上的动态，计算船舶两舷之间，与航道岸壁、导航堤的距离和深度，船舶与水底、 岸壁与导航堤的相互作用力，此外通过模拟器模拟还可改进航道浮标、灯标等的布 景。这套模拟器曾进行过许多港航设计的模拟论证，取得了巨大的社会效益和经济 效益。 我国在将船舶操纵模拟器应用于港航设计模拟论证方面起步较晚，仅是近十来 年的事。由于科研资金的匮乏，加上计算机的发展水平滞后，我国在船舶操纵模拟 器的研究开发方面与国外相比，滞后了很多，虽然经过这些年的不断努力，取得了 长足的发展，生产出了一些比较先进的大型船舶操纵模拟器。但目前我国还没有专 门用于港航设计论证的船舶操纵模拟器。我国应用于港航设计沦证的船舶操纵模拟 器大多是用于船员培训的模拟器，即使一些技术较先进、资金较充足的科研单位， 也只是将用于船员培训的船舶操纵模拟器稍加改进后，用于港航设计论证。 目前，国内的一些航运院校和研究所已开始从事船舶操纵模拟器在港航设计论 证上的研究、开发与应用。大连海事大学在这方面起步较早，曾为上海引航站开发 过套基于论证上海宝山港港池扩建方案的，可用于p c 机上操作的船舶操纵模拟软 件。这套软件不设操纵设备，由软操作面板实现车、舵、锚、缆以及拖轮的操作， 以电子海图为背景的船舶的动态显示。另外还先后完成了如下几个港航设计论证方 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 面的科研项耳：“上海港大型空载集装箱船在狭窄水域利用拖轮协助旋回1 8 0 。的模 拟试验”；“上海港大型重载集装箱船从张华浜码头拖尾倒航出港可行性的模拟试 验”；“上海港宝山港池船舶操纵模拟试验”；“青岛港十万吨级散货船进出前湾港 的可行性模拟论证”：“青岛港2 0 万吨级航道设计的模拟”；“烟台港西港池三期工 程航道设计模拟论证”。取得了定经济效益和社会效益。 上海海运学院也逐渐将船舶操纵模拟器的应用领域拓展到论证港航设计上来， 曾做过天津港海河航道的安全论证和上海宝山港池的扩建模拟论证，结果比较令人 满意，目前正致力于苏通大桥通航的论证模拟及洋山深水港区一期工程进港航道及 港池船舶航行安全的模拟。 其他院校和研究机构也开始进行将船舶操纵模拟器应用于论证港航设计的研 究工作，做过一些论证港航设计方面的模拟。 第二节船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用范围 自1 9 8 2 年美国将船舶操纵模拟器引导到用于港航设计论证上以来，国内外纷纷 将船舶操纵模拟器用于港航设计论证，取得了巨大的社会效益和经济效益。目前利 用船舶操纵模拟器可以进行许多港航设计方面的论证，其范围包括： 1 进港航道的选线：如远东某港的设计，该港口位于开敞型海岸，受到较强的风、 浪、流的影响。丹麦船研所利用模拟器对以下问题进行了研究：外礁北面入港航线、 航道宽度、防波提长度、回转水域直径。根据对1 3 万吨级散货船在各种设计方案下 满载和压载出入港操纵性进行的大量模拟，得到了以下结论：a ) 在比较强的向南流 影响下，从外礁北面的航线进入港池很困难，因为在转入航道时需要迅速操右舵。 比较好的解决方法是穿过外礁挖一条航道。当船舶在深水中就以预定的航向行驶时， 航道宽度可以进一步减小。b ) 由于防波提的存在引起不均匀水流，船舶有向右舷转 艏的趋势，因而有与码头末端相撞的危险。建议加长防波提以使船舶减速区和不均 匀流区相分离。另外，船舶进口航道应拓宽一些以使船舶离北岸和码头较远。 2 最佳航道的宽度：如在莫比尔港进港航道的设计中，需确定开敞水域中航道的 宽度，通过模拟试验，得到拓宽的碍航弯段，较原设计推荐方案的疏浚量和维护量 大为减少。 3 评估拟建进港航道的航行条件：如上海海运学院最近完成的洋山深水港区一 期工程进港航道的模拟研究。通过利用s m u - i v 型船舶操纵器进行的大量实时模拟， 优化了拟建的洋山深水港区一期工程的进港航道的宽度、深度、航标布置、转向点 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 设置等预设计方案。 4 港1 1 1 营运期间预测大于设计船型的船舶能不能安全的进出港：如1 1 万吨级散 货船进出青岛前港湾的可行性研究。前港湾位于青岛市黄岛，港池和航道均由疏浚 而成，港池水深约1 2 米，入港航道长1 3 0 0 米，航道宽度1 6 0 米，港v l 原设计能力 为进出5 万吨级船舶。现拟靠一艘n 万吨级的散货船，需要研究的是船舶能否安全 的进出港，大连海事大学利用船舶操纵模拟器对此进行了模拟，得出航道宽度至少 要拓宽到2 1 0 米才可适应1 l 万吨级的散货船安全进出的需要。 5 试验确定港池的合适的口门宽度：如上海港宝山港池船舶操纵模拟试验，通 过模拟，得出了大型船舶进出港池的所需要的合适的口门宽度，从而指导上海港宝 山港池的扩建。 6 研究助航设施的合理布置：通过船舶操纵模拟器的实时模拟，可以优化助航 设旌如灯标、浮标的布置。 7 研究大型船舶在不同航速下其下沉量的变化，从而确定适宜的航道水深：大 型船舶在不同的航速下行驶时，其下所要的航道深度是不同的，通过船舶操纵模拟 器的实时模拟，可以确定满足一定吨位的大型船舶在一定的航速下进出港时所要求 的航道深度，从而指导航道的建设。如上海海运学院近期完成的洋山港深水港区一 期工程进港航道及港池船舶航行安全的模拟，就是通过模拟，确定了预设计中的大 型船舶进出港所需要的航道深度，不但保证了船舶航行，同时节约了大量的建设费 用。 8 研究大型船舶的制动距离：由于大型船舶的惯性非常大，很难在较短的距离 内停下来，一般都需要很长一段的制动距离。通过船舶操纵模拟器的实时模拟，可 以确定出大型船舶进港时的制动距离，从而确定港池的建设长度。 船舶操纵模拟器用于港航设计的范围，目前主要有以上几个方面，随着进一步 开发船舶操纵模拟器系统，其应用范围还会进一步扩展。 第三节船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用前景分析 既然船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用范围非常广泛，其社会效益和经 济效益也非常惊人，那么它在我国港航设计论证上的应用前景如何呢? 下面作具体 分析。 上海海运学院硕士学位论文 船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究与设计 3 1 世界船舶的发展现状与趋势 船舶的大型化自海运业诞生以来，一直是人们追求的目标。5 0 年代超级油轮已 从3 万d w t 迅速发展到1 0 万d w t ，6 0 年代后期相继出现了2 0 3 0 万d w t 的 超大型油轮( vlcc ) 和3 0 万dwt 以上的超级巨型油轮( ulcc ) ， 1 9 7 3 年日本石川岛播重工建造了两艘超巨型油轮，每艘为4 8 万dwt ，现在5 0 万吨级 的油轮已加人了日本的油轮对列中。从干散货船队的发展历史，从6 0 年代中期以前 的1 4 万d w t 的灵便型，7 0 年代4 8 万d w t 的巴拿马型，到8 0 年代8 一 1 0 万dwt 以上的超巴拿马型或海岬型。7 0 年代初期到9 0 年代初期的2 0 年间是干 散贷船大型化的黄金时期，使世界范围内干散货运力增加了三倍。最后考察一下船 舶大型化正呈上升趋势的集装箱船市场。由于环球航线集装箱运输的效益一度被看 好，于是集装箱班轮从3 0 0 0 teu 、4 0 0 0 t eu 、5 2 5 0 teu 、6 6 0 0 teu ，一 直达到了现在的8 0 0 0 teu ，一发不可收拾。而且从技术上预测，单轴单桨集装箱 船的极限是1 万te u ，船长将达5 0 0 m 。世界目前拥有集装箱船总数是3 8 0 0 艘左 右，其中4 0 0 0 tbu 以上的占25 ，总载箱量是530 万teu 。在1 9 8 5 年， 世界集装箱船队中2 ，0 0 0 t e u 以上的船舶仅占约1 5 ，到1 9 9 7 年，对已有的集装箱 船舶来说，这一比例已上升到6 0 ，如包括已订造的集装箱船，该比例将高达7 2 。 一些近期交付的船舶已超过6 ，0 0 0 t e u 的规模，马士基公司在欧洲远东航线已投入 了8 ，0 0 0 t e u 的集装箱。增大集装箱船舶的尺寸，扩大船队的规模，提高公司实力， 是近几年船公司的发展战略的重要组成部分，从1 9 9 7 年不少船公司扩大造船投资规 模重点发展6 0 0 0 t e u 左右的大型化、快速化船舶的新特点可以看出，国际集装箱船 舶正在出现重要的变革( 参见表2 1 ) ，经济全球化的进程加快是船公司购买、订 造大型船舶的主要动力。目前5 0 0 0 t e u 以上的船型已越来越普遍。由于市场竞争中 的规模优势与规模效益比较突出。加之船公司对未来全球经济发展前景抱有信心， 因而最近以来又有不少船公司( 如长荣、现代、达飞等) 续订了大批6 0 0 0 - - 6 5 0 0 t e u 大型、高速( 2 5 节以上) 超巴拿马型集装箱船。种种迹象表明，未来主干线上营运的 船型将控位在5 0 0 0 t e u 至6 5 0 0 t e u 之间，4 0 0 0 t e u 以下的船型将逐步退出干线竞争。 3 2 我国港口与航道的现状 我国的港口，只是在1