平潭海峽大橋橋區(qū)船舶通航安全模擬試驗關鍵技術分析

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(1.福建船政交通職業(yè)學院 船政學院,福州 350007;2.大連海事大學,遼寧 大連 116026)

擬建大橋是福州至平潭鐵路的一部分，是一座連通海峽兩端的跨海大橋，見圖1。

圖1 擬建大橋橋線及通航孔布置示意

大橋起于長樂市松下鎮(zhèn)，從松下港規(guī)劃的山前作業(yè)區(qū)與牛頭灣作業(yè)區(qū)之間入海，跨越松下港區(qū)進港航道(即元洪航道)和鼓嶼門水道，依次經過小練島、大練島，最后跨越平潭海峽北東口水道上島，大橋全長16.164 km。受設計方委托，福建船政交通職業(yè)學院成立船舶通航安全模擬試驗項目組，校核擬建大橋設計的通航尺度是否滿足通航要求，論證擬建大橋通航尺度的符合性及橋區(qū)安全通航的可行性。

1 模擬試驗的目的

平潭海峽大橋橋區(qū)船舶通航安全模擬試驗(以下簡稱模擬試驗)采用大連海事大學航海技術研究所研制的V.Dragon-3000A型大型船舶操縱模擬器作為平臺。基于船舶操縱模擬器，建立仿真環(huán)境，在設定的各種風、流條件下進行船舶橋區(qū)航行模擬，獲取船舶模擬試驗數(shù)據(jù)，分析評價擬建大橋設計通航尺度的符合性、船舶橋區(qū)通航的可行性與安全性，提出代表船型橋區(qū)安全通航的操縱要點及注意事項，為擬建大橋工程通航凈空尺度論證機構及工程相關管理部門提供科學依據(jù)與參考[1-4]。

2 模擬試驗電子海圖的開發(fā)

根據(jù)通航安全論證的要求，模擬試驗的電子海圖應包含陸地與島嶼、已建和擬建的碼頭和橋梁、水域情況(包括水深點、等深線、淺灘等)、航道、航標及助導航設備等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常由港航、海事及水文氣象部門提供[5]。對這些數(shù)據(jù)進行整理，與數(shù)字化后的橋區(qū)水域紙質海圖進行整合，最終形成符合本模擬試驗要求的數(shù)字化電子海圖。

2.1 電子海圖的數(shù)據(jù)格式

模擬試驗使用的海圖圖號是14131，紙質海圖經過數(shù)字化儀或掃描儀處理后生成的文件，占據(jù)空間大，處理速度慢，必須進行矢量化處理，生成矢量化文件。矢量化海圖文件由文件頭，圖段和圖元組成。文件頭包含文件說明和文件基準信息。圖段是具有同一屬性圖元的集合，實現(xiàn)對圖元的管理、顯示、添加、刪除等操作。圖元是圖形文件中的最小記錄單位，也是不可再分的最小存儲單位[6]。

2.2 電子海圖坐標系的建立及轉換

在本試驗所用的電子海圖系統(tǒng)中，有6個坐標系，分別是地理坐標系、地表坐標系、圖板坐標系、屏幕邏輯坐標系、屏幕設備坐標系和投影平面坐標系。投影平面坐標系是電子海圖最基本的坐標系，地理坐標與屏幕坐標之間的相互轉換都需要通過投影平面坐標系。模擬試驗中使用到的3個坐標系之間的轉換關系見圖2。

圖2 3個坐標系之間的轉換關系

紙質海圖經過數(shù)字化儀處理后轉換成圖板坐標系，圖板坐標系是數(shù)字化儀的坐標系，以海圖的左下角為坐標原點，圖上其它點的坐標都是相對于原點的。如圖2所示，要想形成在計算機屏幕上顯示的電子海圖，圖板坐標必須通過線性變換，轉換成投影坐標系(通常是墨卡托投影坐標)。

圖3 從圖板坐標到投影平面坐標的變換

設紙質海圖無變形，且在數(shù)字化儀圖板上擺放無傾斜，如圖3所示，(xA,yA)是海圖中某點的圖板坐標，(xA_L,yA_L)和(xA_R,yA_R)分別是海圖圖框的左下角和右上角圖板坐標，(xB,yB)是該點對應的投影平面坐標，(xB_L,yB_L)和(xB_R,xB_R)分別是海圖圖框左下角和右上角的投影平面坐標。此時，從圖板坐標到投影平面坐標的變換關系為

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得

(3)

模擬試驗使用的電子海圖是在計算機屏幕上顯示的，因為計算機屏幕的坐標系與投影平面坐標系不一致，所以投影平面坐標無法直接在屏幕上顯示。在生成電子海圖前，應先建立與投影平面坐標系一致的屏幕坐標。屏幕坐標仍然是平面直角坐標，以墨卡托海圖的左下角為原點，以經度增加的方向為X軸正向，以緯度增加的方向為Y軸正向。這樣墨卡托海圖與生成的電子海圖就建立了直接的對應關系，墨卡托海圖的物標、航道等都可直接顯示在電子海圖上[7]。

通常，電子海圖是顯示在計算機顯示屏上的，是以屏幕坐標數(shù)值的形式顯示，而矢量化海圖的采集點是以經緯度數(shù)值的形式表示。因此，必須將采集點的經緯度數(shù)值換算成屏幕坐標。以海圖上某點A為例。

設墨卡托海圖上某點A的經緯度坐標為(λ,φ)，屏幕坐標為(x,y)，屏幕左下角和右上角的經緯度坐標為(λ1,φ1)，(λ2,φ2)，屏幕坐標為(x1,y1)，(x2,y2)，求取A點的屏幕坐標。由墨卡托投影的特點可知，在墨卡托海圖上，存在緯度漸長現(xiàn)象，即某點到赤道的長度與該點的緯度值不是線性關系，存在緯度漸長率(MP)[8]。該點的MP用公式表示為

(4)

式中：e——地球橢圓體的偏心率。

若用MP1和MP2分別表示屏幕左下角和屏幕右上角兩點的緯度漸長率，則有

(5)

(6)

由于是屏幕左下角的點，在屏幕坐標系中，x1=y1=0，則由式(5)與式(6)可得

(7)

(8)

通過編寫專用的電子海圖顯示程序，就能從海圖數(shù)據(jù)庫中讀取電子海圖數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示出來。同時，可以附加其他實用的功能，如海圖放大/縮小、添加/刪除圖元等操作。

3 模擬試驗要求及內容

以擬建大橋跨越松下港區(qū)進港航道(即元洪航道)為例對模擬試驗進行簡單介紹。元洪航道橋區(qū)航段為單孔雙向通航5萬t級船舶，模擬試驗選用的兩艘船型見表1。

表1 模擬試驗選用的船型數(shù)據(jù) m

元洪航道模擬試驗水域范圍見圖4，從擬建大橋以北航道A點處至鑫海碼頭18JHJ19JHJ，泊位前沿水域D點，總航程約2.2 n mile。航道寬度為180 m，轉向點B點角度23°，C點角度60°。

圖4 元洪航道橋區(qū)試驗水域范圍

根據(jù)元洪航道橋區(qū)水域的自然環(huán)境和通航環(huán)境現(xiàn)狀，設定試驗工況(僅列出極限值)：風向，東北風8級、西南風7級、東南偏南風5級(橫風極限值)；流向，橋區(qū)航段取值235°(漲潮流向)和055°(落潮流向)；流速，2.5 kn(極限值)；試驗船舶：5萬t級散貨船在大橋通航孔對遇的模擬試驗，滿載進港，空載出港[9-10]。

通過模擬試驗，得出試驗船舶橋區(qū)雙向通航的航行運動軌跡，以及極端條件下(東北風8級、西南風7級、流速2.5 kn)試驗船舶橋區(qū)雙向通航的總運動軌跡，見圖5。

為直觀地反映出船舶通過橋區(qū)的偏航程度，將試驗設置的極端條件下(東北風8級、西南風7級和東南偏南風5級、流速2.5 kn)船舶橋區(qū)航行5種模擬試驗工況共計32次的試驗數(shù)據(jù)來統(tǒng)計航跡帶寬度。

根據(jù)航跡帶寬度數(shù)據(jù)，計算出元洪航道橋區(qū)船舶雙向通航所需的航道寬度[11-12]，見表2。

圖5 元洪航道總運動軌跡(東北風8級、西南風7級)

表2 元洪航道橋區(qū)船舶雙向通航航道寬度統(tǒng)計

根據(jù)航道寬度統(tǒng)計表，在工況雙向通航、東北風8級、漲潮、流速2.5 kn下，試驗船舶橋區(qū)雙向通航所需航道寬度平均值最大，為201.7 m，概率99%的寬度值為209.5 m。

4 模擬試驗結論及建議

模擬試驗表明，試驗船舶橋區(qū)雙向通航所需航道寬度最大值為209.5 m，根據(jù)擬建大橋設計資料，元洪航道處孔跨的通航凈寬為477.8 m，209.5+2×65=339.5 m<477.8 m。因此，在熟悉水域通航環(huán)境的操船人員運用良好船藝下，元洪航道處孔跨的通航凈寬尺度能滿足試驗設定的極端條件(東北風8級或西南風7級或東南偏南風5級、流速2.5 kn),5萬t級船舶能雙向安全通過大橋通航孔。

5萬t級船舶宜選擇風小流緩時段進出港通過橋區(qū)，盡量避免在東北風8級或西南風7級、急漲落流時段通過橋區(qū)，如確需在上述條件下通航，則需配置相應馬力的全回轉型拖輪協(xié)助。5萬t級船舶通過橋區(qū)時航速頂流不超過6 kn、順流不超過8 kn。當南下船舶進港靠鑫海碼頭時，在保持船舶安全的情況下盡量控制航速，以利于船舶進港余速的控制。

5 結論

采用文中方法制作的電子海圖，具有經濟、安全、便于修改等優(yōu)點，對制作通航安全模擬試驗用的電子海圖有指導意義。應用該方法生成的電子海圖，還應用在“福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)4JHJ、5JHJ泊位工程30萬 t級船舶通航安全模擬試驗”、“平潭港區(qū)澳前作業(yè)區(qū)海峽客滾船通航安全模擬試驗”等項目中，均通過主管部門評審。

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