韩冰翰 马晶

摘 要：现有钱塘江的主力游轮为50米级，难以完全满足休闲、旅游等需求，有必要对钱塘江大型客旅船通航可行性进行研究。分析钱塘江五个主要风险航段，基于MMG思想建立90-110米三种客旅船运动数学模型，开发航段的电子江图和雷达图像，基于虚拟现实技术搭建航段的三维航行场景，在此基础上，通过船舶操纵模拟试验，验证、分析90-110m客旅船在钱塘江航道安全通航的可行性。

关键词：船舶运动数学模型;电子江图;三维场景;客旅船

中图分类号：U698       文献标识码：A      文章编号：1006—7973（2021）02-0065-03

近期，杭州市政府顺应时代发展的脉络，提出了“拥江发展”战略，到2035年，杭州将规划形成以钱塘江为中轴的市域“拥江发展”格局。目前钱塘江上的主力游轮为50米级，难以适应休闲、旅游等多功能要求，急需尺度较大的客旅船加入。船舶本身的性能和尺度相当程度上决定了水上旅游的质量，为了加快打造钱塘江水上旅游项目，很有必要对钱塘江大型客旅船通航进行可行性研究。

本文选取钱塘江典型航道，通过船舶操纵模拟试验，参照维京内河游轮，验证、分析90-110m的客旅船在钱塘江航道安全通航的可行性及通航限制条件。

1技术方案

本文的技术路线如图1所示：

（1） 通航环境分析。分析钱塘江水域的地理位置、自然环境、水文环境。

（2） 钱塘江航段通航特征分析。结合航道的基本情况（包括航道宽度、水深、转弯半径等），综合分析航道的规划定位、营运船舶特点、过河建筑物通航净空尺度等方面因素。

（3） 模拟试验方案设计。具体包括模拟试验航道、水文、气象条件、船型等。

（4） 模拟船舶数学模型建模。为模拟试验的客旅船建立运动数学模型。

（5） 钱塘江典型航段三维场景建模。建立模拟水域的陆地建筑物、航标、河道等三维模型，构建模拟试验场景。

（6） 钱塘江典型航段电子江图开发、雷达图像模拟。

（7） 钱塘江水域水文特征模拟。通过数学模型模拟航段的流场。

（8） 模拟试验。请有经验的、熟悉航道水域自然和地理环境的操船人员进行船舶操纵。

（9） 依托研究资料和模拟试验结果，对游轮钱塘江大型客旅船通航的可行性进行论证。

2关键技术

2.1船舶运动数学模型建立

基于分离模型（MMG）的思想构建大型客旅船运动数学模型，模拟船舶的车舵响应、惯性和旋回性等方面的操纵性应与实船应基本一致，所建立船舶运动数学模型的有关性能参数符合IMO的“船舶操纵性标准”的相关要求。如图2所示为船舶模型的相关影响因素：

本文参照维京内河游轮，考虑钱塘江航段的航行限制，建立三条客旅船的运动数学模型，这三条船的船长分别为92m、96m和110m、船宽均为11.2m，最大吃水均为2.5m，客旅船数学模型开发的部分界面如图3所示：

2.2电子江图开发

根據钱塘江水域的河道图、平面布置图及相关航道工程资料，进行数字化后形成电子江图。本文采用了面向对象的方法，参照S-57标准，生成和显示电子江图。

在S-57模式中，对于真实物体的定义分为描述特征和空间特征两种。前者是对物体除几何信息外的描述，而后者主要是描述物体的几何信息，但也可包括其他信息的描述。理论数据模型见图4。

2.3三维航行场景模拟

三维航行场景是用户在模拟试验时获取船舶航行信息的最直接、数量最大的来源，一个好的三维场景可以使用户有身临其境的感觉。

三维场景建模工作主要包括：建模资料搜集、建模数据处理、纹理图片处理、纹理映射、三维地形地貌建模、三维物体建模、细节层次处理、模型整合及结构优化、数据库调试安装等。三维场景数据研制流程参见图5。

场景建模软件采用Multigen公司的Creator，建模的基本原则是： 使用尽可能少的三角面片数和纹理量来构建逼真的模型。场景管理软件采用OpenSceneGraph（OSG），通过对OSG的场景图进行重点分析，利用场景图的强大功能来管理和显示模拟的场景。

3 船模试验

本文结合实地考察、调研分析，选取钱塘江的严州大桥—富春江大坝段、富春江船闸、富春江大坝—窄溪段、窄溪—闻家堰段、闻家堰—八堡段等五个主要风险航段进行重点研究。建立三条客旅船运动数学模型，如图6所示;开发主要航段的电子江图及雷达图像，如图7所示;建立相应航段的三维航行场景，如图8所示。在分析各航道水文、气象、等基础上设计模拟试验方案。如表1为严州大桥—富春江大坝段的部分模拟试验方案，图9为船模试验所用的船舶操纵模拟器。

如图10为表1中试验3的航迹截图及相关的数据。通过对上述模拟试验进行分析，统计出客旅船在不同通航条件下的航迹带宽度、所需转弯半径等数据，如图10为96米客船通过富春江特大桥区域的航迹带宽度、离桥墩最近距离、偏航距统计。

4 结论

通过对钱塘江水域水文气象资料的分析，以及五个典型航段的船舶操纵模拟试验结果分析，综合考虑多方因素，在目前掌握的水文气象条件下，对通航标准做一定的限制，并采取必要的安全管理措施的前提下，模拟试验船型（船长92米、96米）可以在充分使用侧推器的前提下，保证船舶的安全通航。试验船型（船长110米）在该水域航行的难度非常大。同时对各个风险航段，通过模拟试验也给出了具体的通航限制条件和安全保障措施。

参考文献：

[1] 赵东华， 黄荳荳， 陈虹. 基于“水上巴士”的城市公共交通体系扩展的设想[J]. 中国水运， 2016（11）：20-23.

[2] 张秀凤 ，尹勇 ，金一丞.规则波中船舶运动六自由度数学模型[J]. 交通运输工程学报， 2007， 7（3）：40-43.

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基金项目：浙江省交通运输厅科研计划项目（2019039）;国家自然科学基金（52071312）