港口航道和码头通航安全评估.doc

el Group) ,它发展的是分离式模型结构 ,MMG 模日本学派 ,通常称为 MMG学派 (Manoeuvring Mod2欧美学派 ,它采用的是整体模型结构 ; 另一种是在船舶运动模型化研究中有两大流派 ,一种是心部分 ,也直接关系到评估结果的可信度. 目前作者简介 :张寿桂(1963 - ) ,男 ,福建厦门人 ,副教授 ;E2mail :sgzhang005 163. com船舶运动数学模型是船舶操纵模拟器的核船舶运动数学模型1. 2 见 .1电子海图和视景互船 ,各本船均可通过雷达图像、的平面投影视景系统的副本个水平视场角为 120的大屏幕环型投影系统的主本船外 ,还包括 3270真理念的设计系统 ,除了具有一个水平视场角为通航环境评估等模拟试验选择. 基于分布交互仿航道工程设计及港口码头、的船舶操纵安全评估、客船和杂货船等 30 多艘船舶模型 ,可供不同目的滚装船、集装箱船、散货船、器 ,该系统具有油船、采用某校研发的全功能大型船舶操纵模拟船舶操纵模拟器1. 1 评估系统的组成1 中图分类号 :U 651.3 文献标识码 :A关键词 :港口航道 ;液化天然气船舶 ;通航安全 ;安全评估 ;船舶模拟器码头仿真模拟 ,并对模拟仿真结果进行分析评价 ,进而提出通航安全方面的合理化建议.论述. 且运用大型船舶操纵模拟器和船舶航迹带生成系统 ,对 10 万 t 级液化天然气船舶的航行安全问题进行评估仿真模拟试验方案的设计与实施以及船舶航迹带生成系统等关键技术问题进行简要的通航环境生成、虚拟电子海图和码头 CAD 数据转换及叠加、船舶运动数学模型的建立、评估工作中的船舶操纵模拟器运用、摘要 :为了满足对福建液化天然气站线 10 万 t 级液化天然气船舶码头工程通航安全评估需求 ,就通航安全361021)(集美大学 航海学院 ,福建 厦门 张寿桂 ,翁跃宗 ,熊振南港口航道和码头通航安全评估文章编号 :100627736(2006)0420043205 收稿日期 :20062072211全方面的合理化建议.泊的极限条件进行了工程论证 ,进而提出通航安就船舶安全航行的航道设计宽度和码头前沿靠离进行了模拟仿真 ,对模拟仿真结果进行分析评价 ,对 10 万 t 级液化天然气(LNG) 船舶航行安全问题用大型船舶操纵模拟器和船舶航迹带生成系统 ,基于港口航道通航安全评估的应用需求 ,运目工程的安全运作.程水域的通航安全以及船舶靠离泊安全操纵和项港口航道通航环境安全评估 ,以确保拟建港口工事主管部门要求各港口拟建港口工程水域必须做口繁荣发展带来了较大的负面影响. 为此 ,中国海港口生态环境和港通事故的多发区 ,给港口安全、统计分析表明 ,港口及其附近水域已成为海上交不断延伸 ,港口交通日趋繁忙. 近年来 ,大量事故也逐渐增加 ,港口航道正由自然港向人工深水港进出港船舶数量和吨位正日益扩大 ,码头的新建、荣的基础保证. 当前 ,各沿海城市的港口建设规模港口及其持续稳定的发展是沿海地区经济繁引 言0 2006Nov No.Vol.32 4Journal of Dalian Maritime University大 连 海 事 大 学 学 报2006 年 11 月第第 32 卷 4 期针对码头工程设施数据 CAD 转换的软件 ,通过该经纬度. 为了得到高精度坐标转换 ,本文专门开发坐标表达转换 ,使 CAD 数据的坐标点为 BEJ - 54在海图上叠加 CAD 数据 ,必须对 CAD 数据进行JVEC 格式 ,为 BE - 54 经纬度坐标表达 ,为此 ,要采用高斯坐标 ,而航海模拟器采用的电子海图是港航工程设计图为 CAD 的 DWG 格式 ,多数码头工程设施数据的 CAD 转换及叠加1. 3. 3 条件 ,进行定常处理.可以进行简化 ,对最不利于船舶安全通航的环境处用实测值 ,在附近点进行加权平均求出其值. 也流向 ,在该点不定常性 ,根据实测点处的流速、性、航道和近海航道等处的流 ,一般具有不均匀湾、立虚拟环境. 应用风压力系数计算风干扰力. 在港气象自然资料 ,将其准确资料输入计算机 ,建文、流 浪 潮汐等有关的水调研收集海区的风、 、 、船舶通航密度及操船人员风流潮汐、功率和数量、港口拖船船舶操纵性能、舵角、指标又受到船速、码头前沿水域掉头尺度和极限通航条件等. 这些净高度以及通航条件、水深、括航行水域的宽度、码头通航安全的指标主要包评估港口航道、调研与安全现状分析2. 1 工作和过程流程如图 1 所示.及港口拖船功率和数量的配置等进行评估 ,评估船舶掉头回旋水域尺度和操纵的极限通航条件以锚地 ;码头前沿水域操舵角、风流压差角、带宽度、航道航迹器 ,对船舶进出港口水域航道通航条件、根据上述主要评估内容 ,借助船舶操纵模拟安全操纵和项目工程的安全运作提供依据.船舶靠离泊为项目工程港口水域通航安全保障、究船舶航行和靠离泊的极限条件及其安全对策.域船舶进出该水域的航行和靠离泊模拟试验 ,研理的措施 ;运用船舶操纵模拟器 ,模拟拟建工程水析拟建工程水域环境安全现状 ,提出改善安全管作是 :通过对拟建港口工程水域通航环境调查 ,分港口航道和码头通航环境安全评估的主要工安全评估2 显示 ,满足对船舶操纵数据的评估需求.拖船等要素的独立或叠加线 船形、迹数据的点、 、迹数据 ,并能实现航迹数据的多工况叠加 ,实现航,生成系统”该系统能够直接读取模拟器输出的航“船舶航迹带一套针对评估操纵结果叠加显示的无法实现多条航迹的叠加显示 ,为此 ,本文研发了模拟器输出的航迹数据仅是船舶单条航迹 ,航迹数据的处理及分析软件1. 4 辑及修改.文字 回转圈等数据的编程序同时支持水深数据、 、的陆地或码头等数据叠加至电子海图上 ,VECTOR过某校开发的 VECTOR 海图矢量化程序将转换好软件可方便得到 BEJ - 54 经纬度表达方式 ,再通风流潮汐等环境的建立1. 3. 2 电子海图上.尺寸 航道增深的水深值等修改到将具体的方位、 、建筑物等影响航行环境的工程 ,应依据施工图头、码海底管道、对原有海图上没有注明新建的桥梁、航水域的电子海图. 选取最新版海图进行数字化 ,修改的航道图和港口航道的设计图等 ,制作通图、收集调研所需当地资料 ,包括 :大比例尺海电子海图制作1. 3. 1 下三个方面 :通常来说 ,评估系统的通航环境生成包括以(1)评估区域通航环境生成1. 3 绳 ;T 为拖船 ;C 为锚链.裸船体 ;P 为桨 ;A 为风 ;W 为浪 ;S 为岸壁 ;L 为缆用于船体上的外力及力矩. 各项下标含义 : H 为F的速度分量及转首角速度 ; Fx 、y 及 M 分别为作v r惯性矩和附加惯性矩 ; u、 为船舶运动质量、附加m m I J式中 : m 、 x 、 y 、zz 、zz 分别为船舶的质量、( Izz + Jzz) r = MH + MP + MR + MA + MW + MS + ML + MT + MC ( m + my) v ( m + mx) + ur = FyH + FyP + FyR + FyA + FyW + FyS + FyL + FyT + FyC( m + mx) u ( m + my) + vr = FxH + FxP + FxR + FxA + FxW + FxS + FxL + FxT + FxC相结合的基础上 ,是目前国际上较为流行的一程为该模型取附体坐标系原点在船舶重心 G,运动方本文采用 MMG 模型对船舶运动进行仿真 ,拟预报船舶的动态响应 .2种船舶操纵运动数学模型 ,特别适合计算机模是建立在深层次的理论分析与广泛的试验研究们之间的相互干涉流体动力和力矩. MMG 模型螺旋桨和敞水舵上的流体动力和力矩 ,以及它敞水力矩按照物理意义分解为作用于裸船体、型的主要特点是将作用于船舶上的流体动力和44第大 连 海 事 大 学 学 报 32 卷 潮流仿真数据库 ,让计算机在模拟建立典型风场、风速 流向 流速不利的定常风向、 、 、 . 最好的办法是码头通航环境评估时 ,可取对操船最在进行航道、流 潮汐等外界环境资料.模拟器输入准确的风、 、为了模拟实际的船舶操纵和航行情况 ,应向外界通航环境的生成2. 2. 2 CAD 图的转换.码头测量精度要求比较高 ,必须准确进行港口、域等进行评估 ,因而对电子海图所标注的水深和深度和船舶靠离泊时旋回水所设计的航道宽度、码头通航环境评估主要是对一般来说 ,航道、的模拟航行环境和模拟船舶.要求的数字化电子海图 ,用于显示模拟试验过程图变更进行 CAD 图的转换 ,形成符合本模拟试验码头的海航道水深、海底管道、及附近新建桥梁、建工程的航道总平面布置图和码头总平面布置图处理 ,制作模拟试验海区的电子海图. 同时 ,对拟选取模拟海区最新版的大比例尺海图进行数字化由于模拟航行是在电子海图上进行的 ,因此模拟环境以及船舶运动信息实时地记录下来 ,令、数据进行记录和重演的功能 ,将操船者的操纵指在船舶操纵模拟器中 ,有对试验结果和相关安全性及安全保障措施.离泊操纵的可行性、极限通航条件. 通过模拟试验 ,分析船舶航行和靠码头前沿掉头水域尺度和安全航行的航道尺度、域通航安全评估模拟试验研究 ,包括船舶进出港码头水采用大型船舶操纵模拟器进行港口航道、通航环境与通航安全的仿真研究与分析 ,应船舶操纵模拟仿真试验2. 3 的准确性 .4船长或引航员来指导模拟操船 ,以提高模拟结果驶人员组成 ,最好聘请熟悉模拟水域经验丰富的义 ,操纵模拟人员应由三副到船长的各级船舶驾为了确保模拟结果具有真实性和实际指导意模拟试验方案.最不利于船舶操纵安全影响的工况 ,设计典型的各种工况的模拟仿真试验方案外 ,还应根据各种风速 流向 流速素也有所不同 ,除了对定常风向、 、 、初步试验方案. 考虑到试验目的不同 ,虚拟环境因船长的实际经验 ,拟定和设计出评估的的引航员、绪后 ,依据评估指标和目的 ,并结合熟悉实地环境资料收集和各项工作准备就评估需求调研、试验海区电子海图的制作2. 2. 1 仿真试验方案的制订.船舶运动模型的建立和模拟外界通航环境生成、试验的准备工作包括 :试验海区电子海图的制作、码头水域进行通航评估 ,其模拟仿真对港口航道、利用现有的船舶模拟系统和虚拟现实技术 ,试验准备工作2. 2 通与安全的影响.通航环境调查与分析 ,提出拟建工程对该水域交工程初设方案等 ,通过对拟建工程水域域的海图、船舶交通事故和未来港口发展 ,以及通航水统计、交通流的水道航法、通航环境、水域的自然条件、总体方案. 调研收集所需当地资料 ,包括拟建工程需求进行调研 ,提出要解决的问题 ,设计出评估的的技能等因素的影响. 因此 ,评估工作首先对评估港口航道和码头通航安全评估工作流程图图 1 模拟仿真试验方案的制订2. 2. 4 行检验.但客观方法较难实现. 因此通常采用主观方法进是根据船舶操纵运动的特定试验结果进行检验 ,行检验 ,这种方法只能得出定性的结论 ;客观方法主观方法是凭经验丰富的船长或引航员的感觉进果进行检验. 检验方法包括客观和主观两个途径 ,真实操纵性能 ,因此需对操纵运动数学模型的结操纵模拟必须提供在给定条件下实际船舶的外力作用下操船 ;还要考虑主机响应特征.浪等制下操船 ;两船接近时相互影响下操船 ;风、锚缆等附属操纵设备控拖船、响下操船 ;侧推器、桥墩影响下操船 ;风流影浅水影响下操船 ;岸壁、航行时避碰操船 ;加减速操船 ;低速水域中操船 ;模型要能够描述以下几个方面的操船情况 :定速估船舶在不同条件下的通航安全 ,模拟器的数学通航环境评估中最关键的核心技术之一. 为了评码头准确的船舶操纵运动数学模型是航道、船舶操纵运动数学模型的确定及其检验2. 2. 3 大大提高.过程中动态读取风和潮流数据 ,使模拟结果精度张寿桂 ,等 :港口航道和码头通航安全评估 45第 4 期 8模拟试验表明 ,在 7、 级大风伴随急涨或急落潮垂直水流方向 (横距) 取 2 倍设计船长 ,为 600 m.置 ,即顺水流方向(纵距) 取 2. 5 倍船长 ,为 750 m;本工程设计回旋水域平面尺度为椭圆形布围延伸至港口进出港航道.(见图 3) ,纵距为 1014. 6 m ,横距为 756. 7 m ,其范模拟船型泊位前掉头所需回旋水域为椭圆形分布8数据表明 ,在 7、级大风伴随急涨落潮情况下 ,该流条件下靠离泊模拟试验经过 28 次不同风、596 m.标定位的水域 ,回旋圆直径可定为船长的 2 倍 ,即对有掩护的水域 ,港作拖船条件较好 ,可借岸745域为 447 m m.2.894水域为 596 m m;取 1. 5 L 5 L ,则调头水3LNG船舶设计总长 L = 298 m ,取 2L L ,则调头52. 0) L ;沿水流方向的长度为 (2. 53. 0) L.响较大的港口 ,垂直水流方向回旋水域宽度为(1.要求 ,受水流影海港总平面设计规范按照码头前沿掉头回旋水域设计尺度论证3. 2 航迹带宽度示意图图 2 双向航道 W = 2A + b + 2c单向航道 W = A + 2c船舶与航道底边的富裕宽度 c 组成.船舶间富裕宽度 b 和道宽度 W 由航迹带宽度 A 、规定 ,航海港总平面设计规范按照交通部LNG船舶设计航道宽度的论证3. 1 标为例进行工程论证.港航道宽度和码头前沿掉头回旋水域尺度两项指等. 本文仅以评价指标中 10 万 t 级 LNG船舶进出头回旋水域尺度和港口拖轮功率和数量的配置压差角 ;操舵角 ;锚地 ;LNG项目专用码头前沿掉10 万 t 级 LNG船舶进出港航道航迹带宽度 ;风流液化天然气站线项目工程评价指标主要有程的安全运作提供依据.船舶靠离泊安全操纵和 LNG项目工航安全保障、行评估 ,为福建液化天然气站线项目港口水域通域 10 万 t 级 LNG船舶航行的可行性及安全性进船舶的航行 ,对在不同环境因素影响下进出该水船舶的排他性 ,模拟拟建工程水域 10 万 t 级 LNG了评估论证. 由于液化天然气的高危险性和 LNG拟建港口工程水域通航环境和船舶操纵安全进行项目为例 ,对 10 万 t 级(LNG)通航环境安全评估”“福建液化天然气站线项目港口水域本文以实例应用3 宽度.行时各航段所需航道宽度均未超过航道最窄设计舶所需单向航道宽度最大为 250 m ,因此 ,单向航气站线项目港口水域通航航道 10 万 t 级 LNG船不同风流条件下的操船试验统计 ,福建液化天然宽度 ,形成航迹带宽度如图 2 所示 ,经过 58 次的航道航行过程中所占航道横向宽度大于船舶自身特定的航段采用相应的风流压差角,使船舶在度的需求. 船舶为抵御风流对船舶的影响 ,必然在通过模拟试验的航迹带宽数据来分析航道尺宽度取 1 倍船长 ,设计航道宽度为 300 m.,液化天然气码头设计规程航道有效根据舶间富裕宽度 b 取设计船宽.流压差角 ;L 和 B 分别为设计船长和船宽 ,船风、式中 :A = n(Lsin+ B) ; n 为船舶漂移倍数 ;为要时可提出 VTS 协助操船或交通管制 .3水道中安全通航的评估 ,应提出安全保障措施 ,必障措施. 对大型船舶(特别是大型 LNG船舶) 在狭通航安全的影响 ,分析存在问题 ,提出有关安全保础上 ,结合有关规范要求 ,研究拟建工程对该水域在通航环境调查分析和模拟试验结果分析基考.引航员或工程设计部门参海事局通航管理、门、重演过程 ,提供的基础数据和分析结论供港航部全性. 通过分析模拟试验记录的数据 ,观看试验的试验结果进行分析评价 ,评价水域通航环境的安操纵试验数据 ,确定合理的评价指标 ,对仿真模拟进行一定数量的仿真模拟试验 ,以获得足够多的根据设计的试验方案 ,在船舶操纵模拟器上模拟结果的分析与评判2. 4 的分析 ,为船舶操纵数据的评估提出合理的结论.船等要素的独立或叠加显示 ,以便进行试验结果线 船形 拖据的多工况叠加 ,实现航迹数据的点、 、 、,“航迹数据的处理及分析软件”实现航迹数运用46第大 连 海 事 大 学 学 报 32 卷 ( Navigation College , Jimei Univ. , Xiamen 361021 ,China)ZHANG Shou2gui ,WENG Yue2zong ,XIONG Zhen2nanSafety assessment of port sea2route and dock navigationoAbstract :T meet the demands of Fujian liquefied natural gas station 100 ,000 tons ship dock navigation safety as24International Maritime Organization. International Convention on Standards of Training ,Certification and Watchkeepingfor Seafarers ,J215 - 98 海港总平面设计规范S. 北京 :人民交通出版社 ,1999:45256.3中华人民共和国行业标准JT2张秀凤. 船舶操纵模拟器在船舶通航安全评估中的应用J . 中国航海 ,2003(3) :25231.1978 ,as amended in 1995S.勇1尹 ,金一丞. 航海模拟器与分布交互仿真技术J . 计算机仿真 , 2000(6) :37242.simulatordock ; liquefied natural gas carrier ; navigation safety; safety assessment ; ship handlingKey words :port sea2routecircumstance , designed assessment blue print , developed ship track route comprehensive displa