并排虚拟成组进闸方式

程细得, 刘祖源, 齐俊麟, 冯小检

(1. 武汉理工大学 a. 高性能舰船技术教育部重点实验室； b. 交通学院， 武汉 430063； 2. 三峡通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

并排虚拟成组进闸方式

程细得1a,1b, 刘祖源1a,1b, 齐俊麟2, 冯小检2

(1. 武汉理工大学 a. 高性能舰船技术教育部重点实验室； b. 交通学院， 武汉 430063； 2. 三峡通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

为提高三峡船闸通过能力，克服单船进闸时间长、效率低等不足，提出一种并排虚拟成组进闸方式,实现进闸船舶成组移泊，以缩短船舶进闸及移泊时间，并对考虑船间干扰影响的船舶进闸运动进行数值模拟，分析船舶进闸运动的安全性及要求。经三峡船闸试运行，验证并排虚拟进闸方式能有效提升三峡船闸进闸效率。

水路运输； 三峡； 船闸； 过闸效率； 并排虚拟成组； 船间干扰

自三峡船闸2003年投入运行以来，过闸货运量以年均16.6%的速度增长，2011年突破亿吨，提前达到了三峡船闸设计时提出的“2030年单向通过能力达5 000万t”的指标[1]。随着沿江经济平稳较快发展，过闸货运需求将继续保持快速增长态势，这将给船闸通过能力带来一定压力。在船闸流量超限停航、枢纽冲沙、旅游黄金周、船闸应急抢修和计划性停航等非正常通航状态下，船闸通过能力更显不足，会出现大量船舶待闸现象。这反映出了航运过坝需求不断增长与三峡船闸通过能力间相对不足的矛盾。大量船舶滞留坝区，会给三峡大坝带来极大的安全隐患，对航运企业的发展形成了障碍，极大地影响着长江航运效益的发挥。

目前，实际运行于三峡船闸的船舶以单船居多；船队较少。每闸次通过5～8个船舶单元，多艘船舶依次进闸和系解缆，进闸时间与移泊时间均高于船队，导致日运行闸次无法达到设计的22.1闸次。

近年来，过闸船舶大型化趋势明显，根据三峡船闸“先到先过”的过闸原则，大小船舶组合过闸的选择几率减少，5 000吨级以上船舶的过闸组合将变得更加困难，一次过闸船舶货运量提高难度将加大，甚至有可能下降。此外，由于三峡升船机尚未建成，客船、公务船、工程船等非货运船舶仍与货船混合通过船闸。尺度相近的客船和货船过闸时所占用的闸室面积相当，但通过量相差巨大，这也在一定程度上制约了三峡船闸的通过能力。因此，针对上述影响，通过设计并排虚拟成组进闸方式，部分实现船舶同步进闸，提升船舶过闸效率。

1 船舶过闸方式

三峡船闸上下游靠外侧设置有浮式导航墙和靠船墩,供进闸船舶待闸。过闸船舶(队)按照先后顺序在靠船墩(或导航墙)集结后进入闸室。船闸过闸设计为以船队作为一个单元进闸、移闸和出闸。三峡船闸实际运行中，以单船居多，船队较少，2011年不到l%。每闸次通过5～8个船舶单元，多艘船舶依次进闸和系解缆，进闸时间和移泊时间均高于船队，导致日运行闸次无法达到设计的22.1闸次。

基于单船进闸效率低的问题，提出并排虚拟成组进闸方式。所谓并排虚拟成组进闸，是指将过闸船舶虚拟编组，编组船舶同步移泊进入闸室。即虚拟编组船舶在三峡船闸导航墙处待闸，单闸次船舶分批次两两并排低速进入闸室，部分实现船舶过闸同步走的目的(见图1)。

图1 并排虚拟成组

2 并排虚拟成组船舶操纵运动分析

以并排虚拟成组方式进闸过程中，船船干扰效应对船舶进闸运动的影响最为明显，需掌握并排船舶前后船间距的大小对船舶进闸过程的影响。

2.1坐标系

为描述船舶的操纵运动，通常采用图2所示的2种右手直角坐标系。船舶运动的速度、角速度和所受力、力矩用表1中的符号表示。

图2 坐标系

2.2操纵运动数学模型

在静水船舶操纵运动数学模型的基础上，加入船间干扰力和力矩，建立考虑船间干扰效应的操纵运动方程。

(1)

式(1)中：m为船体质量；mx，my，Iz，Jzz分别为船舶的附加质量和惯性矩；X，Y，N分别为船舶所受的纵向力、横向力及力矩；下标H，R，P，S-S分别为船体、舵、桨和船间干扰；操纵运动水动力系数通过船池试验数据及回归方法获取。

表1 坐标系符号表

2.3数学模型验证

应用上述操纵运动数学模型及相关水动力的计算方法，编写计算机程序进行操纵运动数值仿真。以一艘内河试验货船模型为计算样本，船舶要素见表2。

表2 内河货船模要素

计算深水中进行的35°回转运动和15°/15°Z形操纵运动。将计算结果与试验结果进行对比，结果见图3和图4。

图3 35°操纵回转轨迹

图4 15°/15°Z形操舵试验

由图3和图4可知，计算结果与试验结果吻合较好，说明所提出的操纵运动数学模型及水动力计算方法合理。

3 船间效应干扰力计算

对于船间效应的研究主要有实船试验法、船模试验法及理论计算法等。[2-12]随着计算技术不断发展，理论计算法成为确定船间作用力及力矩的重要手段，但存在计算方法比较复杂、难以在计算机上编程实现，以及运算过程耗时、难以实现实时模拟等问题。通过比较目前广泛采用的船间效应理论计算方法，采用VARYANI等[7]提出的一种计算船间作用力的实用计算方法。图5为两船运动平面参考坐标图。两船纵向距离ST定义为

ST=(U1-U2)tU1gt;0,U2gt;0

(1)

船中对船中的瞬间定义为t= 0，无因次化t的表达式为

(2)

船首对船尾、船中对船中、船尾对船首对应的值分别为-1,0,1。对船间作用力与转首力矩分别采用下面的无量纲形式。

(3)

1. SHIP 2船受到的船间作用力与力矩系数为

CF=-0.11sin(-0.49π(t+0.37))e-0.95t2×

(4)

CM=-0.11sin(-0.49π(t+0.07))e-0.9t2×

(5)

主要考虑两船进闸运动过程中随着两船横向距离及纵向距离变化引起的船间效应，采用的计算系数为a=0.30，b=0.01，t0=-0.80，Δ=-0.50。

2. SHIP 1船受到的船间作用力与力矩系数为

CF=-0.23cos(-0.9πt)e-0.8t2(1-0.18t)×

(6)

CM=0.34sin(-0.65π(t-0.05))e-1.5t2×

(7)

计算结果见图6，其与文献[7]中的趋势和量级一致，说明本项目建立的船间效应干扰力计算模型合理。

图6 横向力及偏航力矩

4 考虑船间干扰的操纵运动模拟

模拟结果见图7，其与文献[4]中的趋势一致。图8为经大量数值仿真计算得到的其中2种不同纵向间距对船间干扰效应影响的仿真计算结果，有以下结论：

1. 进闸过程中，建议前后两排船舶的纵向间距gt;0.5(L1+L2)。

2. 航速应lt;1 m/s。

3. 编组进闸过程中，应采用小舵角保向，控制好与本船并排船舶及闸壁的横向间距，避免碰撞。

4. 进闸后，根据本船的制动冲程提前采取停车制动操作，在预定点把船停住系缆。

图7 模拟结果比对

图8 考虑船间干扰的船舶运动数值仿真

5 结 语

较整体虚拟成组过闸方案，采用并排虚拟成组进闸方式可减小前后排船舶纵向干扰影响，提高过闸安全性；较单船进闸，能节省船舶过闸时间，提高船闸过闸效率。通过模拟计算，船舶在一定的安全间距下采用并排虚拟成组方式，可以克服干扰力，以一定的航速完成进闸运动。以并排虚拟成组方式过闸，有利于节省船舶进闸时间，提高船舶过闸效率。在三峡船闸采用此方式过闸，可有效提高船舶过闸效率，在虚拟闸室并排成组过闸，日均每线船闸较依次进闸可多运行2个闸次，日闸次数提高到16闸次，约提高船闸单向通过量700万t，效果显著。

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LockingManeuveringinSide-By-SideVirtualShipGrouping

CHENGXide1a,1b,LIUZuyuan1a,1b,QIJunlin2,FENGXiaojian2

(1a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education; 1b. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443133, China)

To improve the traffic capacity of the Three Gorges ship lock is very important and has the priority on the research topic list of the Yangtze golden waterway construction. To overcome the low efficiency of maneuvering ships on single ship basis, a side-by-side virtual group maneuvering pattern is proposed. The efficiency of the maneuvering and effects of the interaction between ships are studied through simulations. Implementing the pattern in the Three Gorges ship lock proves the efficiency improvement of the method.

waterway transportation; Three Gorges; ship lock; ship lock operation efficiency; side-by-side virtual group; ship-ship interaction

2014-07-13

国家自然科学基金(51179143)；西部交通科技项目(201132820190)

程细得 (1975—), 男, 安徽池州人，副教授，硕士生导师，从事船舶操纵及航行安全研究。 E-mail: xdcheng@whut.edu.cn

1000-4653(2014)04-0050-04

U641

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