2024年4月4日发(作者：通晓曼)
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水
李道科
15
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水李道科
（
福建船政交通职业学院
福建
福州
350007
）
摘
要
：
船舶在港内的航行安全一直就是水上交通运输与港口工程业内的重要课题
，
因
此有效评价船舶在港内的通航安全
，对促进航海科学
，
降低工程风险具有一定的实用与参考
价值
。
文章利用设计和实施船舶操纵模拟试验对城澳航道通航安全进行分析和研究
，
找出问
题和安全隐患
，
提出合理建议和安全保障措施
。
关键词
：
航道船舶通航安全航海模拟器
0
引言
码头前沿水域
F
点
，
航程全长约
7.1nmile,
见图
1
基于港口航道通航安全评估的应用需求
，
运用
大型航海操纵模拟器
［
1
］
和船舶航迹带生成系统
，
对
和表
1
。
本文将三都澳主航道和城澳作业区航道统
称为城澳航道
。
城澳航道通航安全问题进行了模拟仿真
，
对模拟仿
真结果进行分析评价
，
就船舶安全航行的航道设计
宽度和转弯半径的极限条件进行了工程论证
0,
进
而提出通航安全方面的合理化建议
。
1
模拟试验平台和模拟船型
采用大连海事大学航海技术研究所研制的大
型船舶操纵模拟器
，
型号为
V.
Dragon-5000Ao
该模
拟器已通过挪威船级社
DNV
认证
，
具有较高的仿真
精度
，
通过高质量画面的视景
，
提供逼真的模拟试
验环境
，
能模拟船舶在各种环境条件下的操纵运
动
，
具有在电子海图上显示船舶动态图形的功能
，
并能记录
、打印及处理试验结果
。
航段
长度
表
1
航道要素
A~B:
1.
4n
m
订
e
；
B~C:
3.
7n
mile
C-D:
1.
12n
mile
；
采用
5
万吨级散货船
（
长
223m
、
宽
32.
7m
、吃
水
12.
8m
）
作为试验船型进行模拟操纵试验
，
并建
D-E:
0.
56n
ndle
；
E-F:
600m
；
航道宽度
航道水深
转向角度
A~B
:
300m
B~C
:
210m
—
E
:200m
A-B:
沿程
25m
水深线宽600m
以上
B-C:沿程水深20m
以上
B
点
72°
；
立起相应的船舶运动仿真数学模型
。
其试验船型的
船舶尺度
、
车舵响应
、
船舶惯性和旋回性能等方面
与原型船舶基本一致
。
同时
，
船舶运动仿真数学模
C
点
35°
D
点
43°
；
E
点
30°
型的有关性能参数符合
IMO1993
年通过的
“
船舶
操纵性临时标准
”
的相关要求
。
2
模拟试验水域航行条件
航道走向
A-B
：
002
—
182°
B-C
：
290
—
110°
C-D
：
325
—
145°
D-E
：
282
—
102°
2.1
航道
E-F
：
252°
—
072°
从三都澳东冲口引航检疫锚地北
A
点处沿主
2.2
风与流
航道
、
经荷叶礁东侧
B
点
、
鸡公山东北侧
C
点,向
根据港区水文气象条件
，
按最不利于船舶操纵安
西转向经城澳作业区航道和设计连接水域至城澳
全的风
、
流等环境影响因素设定船舶模拟试验工况
。
1
）
风力
。
由于受南侧山体遮蔽
，
水域主要受
收稿日期
：
2020-11-18
东北风和西北风影响
，
故将风况设为东北风
4
级
、
东北风
6
级
、
西北风
4
级
、
西北风
6
级;
作者简介
：
王仙水
（
1978
-
）
,
男
，
福建省人
，甲类船长
，
现从事航海
技术教学与海运安全研究工作
。
16
2
）
流向
。
涨潮流向取值
000°
（
A-B
航段
）
、
290°
（
B-C
航段
）
、
310°
（
C-D
航段
）
和
300
。
（
D-E-F
航段
）
;落潮流向取值
110°
（
F-E-D
航段
）
、
130°
（
D-C
航段
）
、
110°
（
C-B
航段
）
和
180
。
（
B-A
航段
）
;
3
）
流速
。
根据工况
，
取值
2.0kn
和
；
4
）
试验船舶载态
：
根据工况的不同
，
设置船
舶重载或压载航道航行
。
综合考虑以上工况要素
，
制定出压载进港航
行
、
东北风
4
级
、
落潮
、
流速
lkn,
压载进港航行
、
东北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn,
满载出港航行
、
东
北风
4
级
、
涨潮
、
流速
lkn,
满载出港航行
、
东北
风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn,
共
4
种模拟试验工况
。
3
船舶航行模拟试验及试验数据分析
应用大型船舶操纵模拟器
，
按设定的
4
种模拟
试验工况进行船舶操纵模拟试验
，每种工况有效模
拟试验次数为
8
次
，
共进行了
32
次有效试验
。
每
次试验记录的数据包括船位
、
航向
、
航速
、
主机工
况
、
操船舵角等运动参数
。
通过模拟试验获取船舶
航行的运动轨迹
、
航迹带宽度
，
计算出船舶航行所
需航道宽度
，
以评价现有航道对试验船型的适应性
和安全性
［
%
3.1
船舶航道航行运动轨迹
通过模拟试验
，
得到各种模拟试验工况下的船
舶航行运动轨迹图
。
其中
，
图
2
为
HD-NE6-M-C
工况
（
满载出港航行
、
东北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
船舶以风流压偏角在拟定航线左右摆动前进
所占用的水域宽度称为航迹带宽度
。
鉴于
C-D
航段
走向为
325°-145°,
船舶航行受横风
（
东北风
）
影
响较大
，
故以
C-D
航段来分析船舶航迹带宽度
，
轨
迹如图
3
所示
。
天津航海
2021
年第
2
期
为直观地反映出船舶偏航程度
，
将东北风
6
级
条件下船舶进出港航行第
2
种工况的试验数据来统
计航迹带宽度
，
制定出航迹带宽度统计表
，
如表
2
所示
。
从表
2
中可以看出
，
在
HD-NE6-Y-J
工况下
（
压载进港航行
、
东北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
,
5
万吨级散货船的航迹带宽度平均值最大
，为
67.4m
。
HD-NE6-M-C
工况下
（
满载出港航行
、
东
北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
的航迹带宽度平均值
次之
，
为
64.5m
。
3.3
船舶航行所需航道宽度⑷
3.3.1
航道宽度规范要求
航道有效宽度由航迹带宽度
、
船舶间富余宽度
以及船舶与航道底边之间的富余宽度组成
，
见图
4o
%
L
w
L
图
4
航道有效宽度
单线和双线航道宽度计算公式
，
分别见式
（
1
）
、
（
2
）
o
W=A+2c
=100+2x32=164m
（
1
）
W=2A+b+2c=2x
1
00+32+2x32=296m
（
2
）
其中
，
W
—
—
航道通航宽度
（
m
）
；
A
—
—
航迹带宽度
（
m
）
；
b
—
船舶间富余宽度
（m
）
,
取设计船宽
B,
当
船舶交会密度较大时
，
船舶间富余宽度可适当增加
；
c
—
—
船舶与航道底边间的富余宽度
（
m
）
,
采
用表
3
中的数值
。
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水
李道科
表
2
进港工况
17
HD-NE6-Y-J
(压
载进港航行
、
东
北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
HD-NE6-M-C
(满
载出港航行
、
东
北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
试验
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
航迹带宽
（
m
）
63.5
71.2
61.9
67.1
69.3
72.9
63.7
69.4
62.2
66.0
59.7
62.6
65.1
69.4
64.5
66.5
5万吨级散货船压载单线通航所需航道宽度统计表
单线通航所需航道宽度
:
平均值
平均值
（
m
）W=A+2c
（
m
）
（
m
）
128.9
136.6
127.3
132.5
67.4
132.8
134.7
13
&
3
129.
1
134.8
127.6
131.4
125.
1
12&0
64.5
129.9
130.5
134.8
129.9
131.9
标准差
99%
概率值
（
m
）
3.
822
141.7
2.
828
136.5
表
3
船舶与航道底边间的富余宽度
c
半径尺度能满足
5
万吨级散货船在
6
级风况下进出
港转向的要求
。
项目
杂货船或集装箱船
散货船
W6
>6
油轮或
其他危险品船
航速（
kn
）
c
(m)
W6
0.
50B
>6
0.
75B
W6
>6
0.
75B
B
B
1.
50B
3.3.2
航道宽度分析
在试验设定的条件下
，
5
万吨级散货船单线通
航所需的航道宽度，
见表
2
。
在
HD-NE6-XJ
工况
下
（
压载进港航行
、
EN6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
,
5
万吨级散货船单线通航所需航道宽度平均值最大
为
132.8m,
99
%
概率值为
141.7m
。
目前
，
主航道水深
25m,
航槽宽
600m
以上
，
城澳作业区航道底宽
210m,
水深均在
20m
以上
。
因此
，
城澳航道宽度及连接水域尺度能满足
5
万吨
级散货船在
6
级风况下单线通航的要求
。
3.4
船舶航行所需航道转弯半径
3.4.1
航道转弯半径规范要求
图
5
压载进港
B
点转向航迹
航道转弯段转弯半径
R
和加宽方式应根据转
4
結束语
向角巾和设计船长
L
确定
，复杂情况宜通过船舶操
纵模拟试验确定
。
当转向角
10
°<$<30
。
时
，
R
=
（
3
〜
5
）
L,
加宽方式宜采用切角法
；
水域狭窄
、
切
在工况设定的风
、
流条件下及熟悉水域的操船
人员谨慎操纵下
，
城澳航道的水深
、
宽度和转弯半
径尺度均能满足
5
万吨级散货船安全通航的要求
。
角困难时
，
经论证可采用折线切割法加宽
；
30
°<
为确保船舶通航安全
，
建议在铁头礁的南面水
域设立警示航标
。
压载
5
万吨级散货船宜选择风小
流缓时段进港
。
船舶进港航行转入城澳作业区航道
◎
W60
。
时
，
R=
（
5
〜
10
）
L,
加宽方式可采用折线
切割法
；
巾
>60
。
时
，
R>10L,
必要时
，
航道转弯
半径和转弯段加宽方案可采用船舶操纵模拟试验
后的航速应控制在
8kn
以内
，
并根据风
、
流情况适
验证
［5
】
。
3.4.2
航道转弯半径分析
时控制好靠泊余速
，
避免在航道上追越
、
齐头并进
。
参考文献
［
1
］
［
2］
经计算
，
当转向角
10
°<4>W30
。
时
，
R=669
〜
1
115m
；
当转向角
30
°<4><60
。
时
，
金一丞
，
尹勇
.STCW
公约与航海模拟器的发展
［
J
］
.
大连海事大学学
报,
2002,28
（
3
）
:
51
〜
55
刘敬贤
、于徽冲华人民共和国水上水下活动通航安全影响论证与
评估.北京：
人民交通出版社
，
2011
年
10
月
⑶
中华人民共和国水上水下活动通航安全管理规定.
（
2019
年
5
月
）
［
4］
中华人民共和国航道法
.2015
年
3
月
1
日
［
5
］
R=1
115
〜
2
230m
。
城澳航道末端至码头临时航
道转向角接近
60
。
，
转弯半径尺度
R=1
120m
。
试
验
（
如图
5
）
表明
，
现有城澳航道各转向点的转弯
中国航海学会.船舶操纵模拟器在码头项目航行安全论证中的应
用
［
C
］
.
航海技术现状与发展趋势论文集.2001.10
.大连
98-101
2024年4月4日发(作者：通晓曼)
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水
李道科
15
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水李道科
（
福建船政交通职业学院
福建
福州
350007
）
摘
要
：
船舶在港内的航行安全一直就是水上交通运输与港口工程业内的重要课题
，
因
此有效评价船舶在港内的通航安全
，对促进航海科学
，
降低工程风险具有一定的实用与参考
价值
。
文章利用设计和实施船舶操纵模拟试验对城澳航道通航安全进行分析和研究
，
找出问
题和安全隐患
，
提出合理建议和安全保障措施
。
关键词
：
航道船舶通航安全航海模拟器
0
引言
码头前沿水域
F
点
，
航程全长约
7.1nmile,
见图
1
基于港口航道通航安全评估的应用需求
，
运用
大型航海操纵模拟器
［
1
］
和船舶航迹带生成系统
，
对
和表
1
。
本文将三都澳主航道和城澳作业区航道统
称为城澳航道
。
城澳航道通航安全问题进行了模拟仿真
，
对模拟仿
真结果进行分析评价
，
就船舶安全航行的航道设计
宽度和转弯半径的极限条件进行了工程论证
0,
进
而提出通航安全方面的合理化建议
。
1
模拟试验平台和模拟船型
采用大连海事大学航海技术研究所研制的大
型船舶操纵模拟器
，
型号为
V.
Dragon-5000Ao
该模
拟器已通过挪威船级社
DNV
认证
，
具有较高的仿真
精度
，
通过高质量画面的视景
，
提供逼真的模拟试
验环境
，
能模拟船舶在各种环境条件下的操纵运
动
，
具有在电子海图上显示船舶动态图形的功能
，
并能记录
、打印及处理试验结果
。
航段
长度
表
1
航道要素
A~B:
1.
4n
m
订
e
；
B~C:
3.
7n
mile
C-D:
1.
12n
mile
；
采用
5
万吨级散货船
（
长
223m
、
宽
32.
7m
、吃
水
12.
8m
）
作为试验船型进行模拟操纵试验
，
并建
D-E:
0.
56n
ndle
；
E-F:
600m
；
航道宽度
航道水深
转向角度
A~B
:
300m
B~C
:
210m
—
E
:200m
A-B:
沿程
25m
水深线宽600m
以上
B-C:沿程水深20m
以上
B
点
72°
；
立起相应的船舶运动仿真数学模型
。
其试验船型的
船舶尺度
、
车舵响应
、
船舶惯性和旋回性能等方面
与原型船舶基本一致
。
同时
，
船舶运动仿真数学模
C
点
35°
D
点
43°
；
E
点
30°
型的有关性能参数符合
IMO1993
年通过的
“
船舶
操纵性临时标准
”
的相关要求
。
2
模拟试验水域航行条件
航道走向
A-B
：
002
—
182°
B-C
：
290
—
110°
C-D
：
325
—
145°
D-E
：
282
—
102°
2.1
航道
E-F
：
252°
—
072°
从三都澳东冲口引航检疫锚地北
A
点处沿主
2.2
风与流
航道
、
经荷叶礁东侧
B
点
、
鸡公山东北侧
C
点,向
根据港区水文气象条件
，
按最不利于船舶操纵安
西转向经城澳作业区航道和设计连接水域至城澳
全的风
、
流等环境影响因素设定船舶模拟试验工况
。
1
）
风力
。
由于受南侧山体遮蔽
，
水域主要受
收稿日期
：
2020-11-18
东北风和西北风影响
，
故将风况设为东北风
4
级
、
东北风
6
级
、
西北风
4
级
、
西北风
6
级;
作者简介
：
王仙水
（
1978
-
）
,
男
，
福建省人
，甲类船长
，
现从事航海
技术教学与海运安全研究工作
。
16
2
）
流向
。
涨潮流向取值
000°
（
A-B
航段
）
、
290°
（
B-C
航段
）
、
310°
（
C-D
航段
）
和
300
。
（
D-E-F
航段
）
;落潮流向取值
110°
（
F-E-D
航段
）
、
130°
（
D-C
航段
）
、
110°
（
C-B
航段
）
和
180
。
（
B-A
航段
）
;
3
）
流速
。
根据工况
，
取值
2.0kn
和
；
4
）
试验船舶载态
：
根据工况的不同
，
设置船
舶重载或压载航道航行
。
综合考虑以上工况要素
，
制定出压载进港航
行
、
东北风
4
级
、
落潮
、
流速
lkn,
压载进港航行
、
东北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn,
满载出港航行
、
东
北风
4
级
、
涨潮
、
流速
lkn,
满载出港航行
、
东北
风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn,
共
4
种模拟试验工况
。
3
船舶航行模拟试验及试验数据分析
应用大型船舶操纵模拟器
，
按设定的
4
种模拟
试验工况进行船舶操纵模拟试验
，每种工况有效模
拟试验次数为
8
次
，
共进行了
32
次有效试验
。
每
次试验记录的数据包括船位
、
航向
、
航速
、
主机工
况
、
操船舵角等运动参数
。
通过模拟试验获取船舶
航行的运动轨迹
、
航迹带宽度
，
计算出船舶航行所
需航道宽度
，
以评价现有航道对试验船型的适应性
和安全性
［
%
3.1
船舶航道航行运动轨迹
通过模拟试验
，
得到各种模拟试验工况下的船
舶航行运动轨迹图
。
其中
，
图
2
为
HD-NE6-M-C
工况
（
满载出港航行
、
东北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
船舶以风流压偏角在拟定航线左右摆动前进
所占用的水域宽度称为航迹带宽度
。
鉴于
C-D
航段
走向为
325°-145°,
船舶航行受横风
（
东北风
）
影
响较大
，
故以
C-D
航段来分析船舶航迹带宽度
，
轨
迹如图
3
所示
。
天津航海
2021
年第
2
期
为直观地反映出船舶偏航程度
，
将东北风
6
级
条件下船舶进出港航行第
2
种工况的试验数据来统
计航迹带宽度
，
制定出航迹带宽度统计表
，
如表
2
所示
。
从表
2
中可以看出
，
在
HD-NE6-Y-J
工况下
（
压载进港航行
、
东北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
,
5
万吨级散货船的航迹带宽度平均值最大
，为
67.4m
。
HD-NE6-M-C
工况下
（
满载出港航行
、
东
北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
的航迹带宽度平均值
次之
，
为
64.5m
。
3.3
船舶航行所需航道宽度⑷
3.3.1
航道宽度规范要求
航道有效宽度由航迹带宽度
、
船舶间富余宽度
以及船舶与航道底边之间的富余宽度组成
，
见图
4o
%
L
w
L
图
4
航道有效宽度
单线和双线航道宽度计算公式
，
分别见式
（
1
）
、
（
2
）
o
W=A+2c
=100+2x32=164m
（
1
）
W=2A+b+2c=2x
1
00+32+2x32=296m
（
2
）
其中
，
W
—
—
航道通航宽度
（
m
）
；
A
—
—
航迹带宽度
（
m
）
；
b
—
船舶间富余宽度
（m
）
,
取设计船宽
B,
当
船舶交会密度较大时
，
船舶间富余宽度可适当增加
；
c
—
—
船舶与航道底边间的富余宽度
（
m
）
,
采
用表
3
中的数值
。
运用航海模拟器对城澳航道通航安全的研究
王仙水
李道科
表
2
进港工况
17
HD-NE6-Y-J
(压
载进港航行
、
东
北风
6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
HD-NE6-M-C
(满
载出港航行
、
东
北风
6
级
、
落潮
、
流速
lkn
）
试验
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
航迹带宽
（
m
）
63.5
71.2
61.9
67.1
69.3
72.9
63.7
69.4
62.2
66.0
59.7
62.6
65.1
69.4
64.5
66.5
5万吨级散货船压载单线通航所需航道宽度统计表
单线通航所需航道宽度
:
平均值
平均值
（
m
）W=A+2c
（
m
）
（
m
）
128.9
136.6
127.3
132.5
67.4
132.8
134.7
13
&
3
129.
1
134.8
127.6
131.4
125.
1
12&0
64.5
129.9
130.5
134.8
129.9
131.9
标准差
99%
概率值
（
m
）
3.
822
141.7
2.
828
136.5
表
3
船舶与航道底边间的富余宽度
c
半径尺度能满足
5
万吨级散货船在
6
级风况下进出
港转向的要求
。
项目
杂货船或集装箱船
散货船
W6
>6
油轮或
其他危险品船
航速（
kn
）
c
(m)
W6
0.
50B
>6
0.
75B
W6
>6
0.
75B
B
B
1.
50B
3.3.2
航道宽度分析
在试验设定的条件下
，
5
万吨级散货船单线通
航所需的航道宽度，
见表
2
。
在
HD-NE6-XJ
工况
下
（
压载进港航行
、
EN6
级
、
涨潮
、
流速
lkn
）
,
5
万吨级散货船单线通航所需航道宽度平均值最大
为
132.8m,
99
%
概率值为
141.7m
。
目前
，
主航道水深
25m,
航槽宽
600m
以上
，
城澳作业区航道底宽
210m,
水深均在
20m
以上
。
因此
，
城澳航道宽度及连接水域尺度能满足
5
万吨
级散货船在
6
级风况下单线通航的要求
。
3.4
船舶航行所需航道转弯半径
3.4.1
航道转弯半径规范要求
图
5
压载进港
B
点转向航迹
航道转弯段转弯半径
R
和加宽方式应根据转
4
結束语
向角巾和设计船长
L
确定
，复杂情况宜通过船舶操
纵模拟试验确定
。
当转向角
10
°<$<30
。
时
，
R
=
（
3
〜
5
）
L,
加宽方式宜采用切角法
；
水域狭窄
、
切
在工况设定的风
、
流条件下及熟悉水域的操船
人员谨慎操纵下
，
城澳航道的水深
、
宽度和转弯半
径尺度均能满足
5
万吨级散货船安全通航的要求
。
角困难时
，
经论证可采用折线切割法加宽
；
30
°<
为确保船舶通航安全
，
建议在铁头礁的南面水
域设立警示航标
。
压载
5
万吨级散货船宜选择风小
流缓时段进港
。
船舶进港航行转入城澳作业区航道
◎
W60
。
时
，
R=
（
5
〜
10
）
L,
加宽方式可采用折线
切割法
；
巾
>60
。
时
，
R>10L,
必要时
，
航道转弯
半径和转弯段加宽方案可采用船舶操纵模拟试验
后的航速应控制在
8kn
以内
，
并根据风
、
流情况适
验证
［5
】
。
3.4.2
航道转弯半径分析
时控制好靠泊余速
，
避免在航道上追越
、
齐头并进
。
参考文献
［
1
］
［
2］
经计算
，
当转向角
10
°<4>W30
。
时
，
R=669
〜
1
115m
；
当转向角
30
°<4><60
。
时
，
金一丞
，
尹勇
.STCW
公约与航海模拟器的发展
［
J
］
.
大连海事大学学
报,
2002,28
（
3
）
:
51
〜
55
刘敬贤
、于徽冲华人民共和国水上水下活动通航安全影响论证与
评估.北京：
人民交通出版社
，
2011
年
10
月
⑶
中华人民共和国水上水下活动通航安全管理规定.
（
2019
年
5
月
）
［
4］
中华人民共和国航道法
.2015
年
3
月
1
日
［
5
］
R=1
115
〜
2
230m
。
城澳航道末端至码头临时航
道转向角接近
60
。
，
转弯半径尺度
R=1
120m
。
试
验
（
如图
5
）
表明
，
现有城澳航道各转向点的转弯
中国航海学会.船舶操纵模拟器在码头项目航行安全论证中的应
用
［
C
］
.
航海技术现状与发展趋势论文集.2001.10
.大连
98-101