CN107247848A - 一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，包括:S1、在已知坐标的位置安装GPS设备作为基准站，在各个试验船舶的船首和船尾位置分别安装GPS设备作为移动站，使基准站和移动站的信号对接；S2、在拟建桥梁的水域内进行试验船舶的通航试验，得到试验船舶的航行数据和水面通航数据；S3、实时采集基准站和移动站的GPS数据，并对其进行差分解算得到不同时刻试验船舶的位置信息，进而绘制航行轨迹；S4、计算得到试验船舶在风、流影响下的漂移量和船舶所需航宽，并结合航行轨迹对桥梁布置和选址进行分析。本发明能用于论证大型跨河工程通航净空尺度的合理性，为合理布置通航孔跨与墩塔、设计防船撞设施提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及船舶控制、安全保障技术领域领域，尤其涉及一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法。
背景技术
随着国家经济的发展，货物与人员之间的交流越来越频繁，人们对物流和出行的要求越来越高，大型河流两岸沟通越来越密切。基础建设工程规模越来越大、需求越来越多，立体交通的提出导致水上水下活动复杂、频繁，从而出现越来越多新的复杂问题。
以长江为例，由于需求与供给的矛盾越来越突出，长江上已经建设了一百多座跨江桥梁和跨江电缆，这些水上工程在空间上与行驶在长江上的船舶争夺空间，使得本来可以通航船舶的空间受到限制，浪费了有限的航道资源，限制了水上交通的发展。为了最大限度地保障货物与人员的交流，又避免和减少水上活动对通航安全的影响，维护通航秩序，保护通航资源，保障航行安全，促进水运经济的发展，满足长江“黄金水道”建设和一带一路战略实施，课题组依托一系列跨江(海)桥梁工程和电缆工程通航安全影响论证相关专题研究积累中总结了实船试验成套技术。
该技术克服了AIS(Automatic Identification System,船舶自动识别系统)数据易丢失，部分数据不真实等缺陷，以DGPS(Differential Global Positioning System)为实船试验的数据记录工具，其精度达到厘米级，能够监控和反映实船试验中细微的船舶操纵行为变化以及通航环境的影响，为大型跨河工程通航安全影响论证提供了准确的分析研究数据基础。
大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验成套技术有效解决了桥梁布置、轴线布置、通航尺度等问题，取得了一系列研究成果和荣誉。这些成果在苏通大桥工程中得到成功应用后，又在宜万铁路大桥、南京二桥、南京四桥、万州铁路大桥、港珠澳大桥、武汉鹦鹉洲大桥、马鞍山大桥、芜湖二桥、重庆白沙洲大桥等30余座桥梁建设中得到广泛推广应用，根据国际、国内查新结果，成果水平达到国际先进水平。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中大型跨河工程通航安全影响论证比较困难的缺陷，提供一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，包括以下步骤:
S1、在已知坐标的位置安装GPS设备作为基准站，在各个试验船舶的船首和船尾位置分别安装GPS设备作为移动站，使基准站和移动站的信号对接；
S2、在拟建桥梁的水域内进行试验船舶的通航试验，通航试验包括：上下航行试验、Z型试验、旋回试验和冲程试验，得到试验船舶的航行数据和水面通航数据；
S3、实时采集通航试验中基准站和移动站的GPS数据，并对其进行差分解算得到不同时刻试验船舶的位置信息，进而绘制航行轨迹；
S4、根据试验船舶的航行数据和水面通航数据，计算得到试验船舶在风、流影响下的漂移量和船舶所需航宽，并结合航行轨迹对桥梁布置和选址进行分析。
进一步地，本发明的步骤S2中得到的航行数据包括：通过上下航行试验得到的航向、航速和偏航角数据，通过Z型试验得到的操纵性数据，通过旋回试验和冲程试验得到的旋回圈大小、旋回要素、停车和倒车冲程数据；水面通航数据包括：水流流速和流向数据，风速和风向数据。
进一步地，本发明的步骤S3中进行差分解算的方法具体为：
输入通航试验中采集到的基准站和移动站的GPS数据，通过基线解算得到每个试验船舶在不同时刻基准站和移动站之间的三维基线向量；
根据三维基线向量计算得到移动站和基准站的三维坐标增量，然后根据已知位置的基准站的坐标，解算得到各个试验船舶移动站的坐标。
进一步地，本发明的步骤S3中绘制的航行轨迹包括：试验船舶航迹图和试验船舶运动状态图；其绘制方法具体为：
试验船舶航迹图的绘制：试验船舶航迹图的绘制范围为拟建桥梁的水域上、下游不小于5km的河段，首先将试验船舶所测得的船舶船首和船尾各个时刻的坐标，按对应的时刻作上相应的文字注记，然后将各个点按坐标描绘成图形，最后将其叠置到地形图上，再在CAD中将每一时刻船首和船尾中点进行连线，得到实船试验航行轨迹图；
试验船舶运动状态图的绘制：将试验船舶的最大长度、最大宽度用矩形形式作为其航行中的外形特征，并计算船首和船尾的移动站安装位置距船首和船尾的距离及偏离船轴线的距离，根据计算结果进行绘制；用VC编写数据提取、约束和改正程序，转化为图形后，将其叠置到地形图上，利用CAD绘制出试验船舶通过工程河段的运动状态图。
进一步地，本发明的步骤S4中计算试验船舶在风、流影响下的漂移量的方法具体为：
试验船舶在水流影响下的漂移量为：
其中，S为计算河长，V为船速，U为流速，船首尾线与X轴的夹角称为偏航角α，流向与X轴的夹角称为流向角β；
试验船舶在受风影响下的漂移量为：
其中，该系数取0.038～0.041；
Ba为船体水线上侧受风面积，Bw为船体水线下侧面积，Vs为风中船速，Va为相对风速，αf为真风作用方向与桥轴法线的夹角。
进一步地，本发明的步骤S4中计算试验船舶所需航宽的方法具体为：
保证两船安全会让所必须的最小宽度Bs的计算公式为：
Bs＝ΔB1+ΔB2+ΔC+2ΔD
其中，ΔC为两船间的安全会让距离，通过公式ΔC＝0.5×(L sinα+b)计算；△D为船舷与航道边界的安全距离，客船取△D＝(0.25～0.30)(L sinα+b)；货船取△D＝(0.34～0.40)(L sinα+b)，其中L代表船舶船长，α是偏航角，b代表船舶船宽。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，通过组织大型试验船舶进行现场航行、旋回、冲程等实船试验的方法，获取试验船舶航行轨迹、运动态势、操纵行为特征等高精度技术参数，通过数值模拟，论证大型跨河工程通航净空尺度的合理性，为合理布置通航孔跨与墩塔、设计防船撞设施提供依据。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的顺流左舵Z型试验图；
图2是本发明实施例的逆流右舵Z型试验图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，包括以下步骤:
S1、在已知坐标的位置安装GPS设备作为基准站，在各个试验船舶的船首和船尾位置分别安装GPS设备作为移动站，使基准站和移动站的信号对接；
S2、在拟建桥梁的水域内进行试验船舶的通航试验，通航试验包括：上下航行试验、Z型试验、旋回试验和冲程试验，得到试验船舶的航行数据和水面通航数据；
得到的航行数据包括：通过上下航行试验得到的航向、航速和偏航角数据，通过Z型试验得到的操纵性数据，通过旋回试验和冲程试验得到的旋回圈大小、旋回要素、停车和倒车冲程数据；水面通航数据包括：水流流速和流向数据，风速和风向数据。
S3、实时采集通航试验中基准站和移动站的GPS数据，并对其进行差分解算得到不同时刻试验船舶的位置信息，进而绘制航行轨迹；
进行差分解算的方法具体为：
输入通航试验中采集到的基准站和移动站的GPS数据，通过基线解算得到每个试验船舶在不同时刻基准站和移动站之间的三维基线向量；
根据三维基线向量计算得到移动站和基准站的三维坐标增量，然后根据已知位置的基准站的坐标，解算得到各个试验船舶移动站的坐标。
绘制的航行轨迹包括：试验船舶航迹图和试验船舶运动状态图；其绘制方法具体为：
试验船舶航迹图的绘制：试验船舶航迹图的绘制范围为拟建桥梁的水域上、下游不小于5km的河段，首先将试验船舶所测得的船舶船首和船尾各个时刻的坐标，按对应的时刻作上相应的文字注记，然后将各个点按坐标描绘成图形，最后将其叠置到地形图上，再在CAD中将每一时刻船首和船尾中点进行连线，得到实船试验航行轨迹图；
试验船舶运动状态图的绘制：将试验船舶的最大长度、最大宽度用矩形形式作为其航行中的外形特征，并计算船首和船尾的移动站安装位置距船首和船尾的距离及偏离船轴线的距离，根据计算结果进行绘制；用VC编写数据提取、约束和改正程序，转化为图形后，将其叠置到地形图上，利用CAD绘制出试验船舶通过工程河段的运动状态图。
S4、根据试验船舶的航行数据和水面通航数据，计算得到试验船舶在风、流影响下的漂移量和船舶所需航宽，并结合航行轨迹对桥梁布置和选址进行分析。
在本发明的另一个具体实施例中，本技术方案主要包括试验前的准备、人员安排、安全保障措施、试验方案的制定、试验时机的选择等步骤，各个步骤都是保障试验顺利进行的要素。具体步骤如下：
步骤1.现场踏勘
针对各试验内容(航行试验、冲程试验、旋回试验、Z型试验)的数据采集、试验时机、试验地点和人员安排等要求，通过现场踏勘，掌握试验水域的航路分布、河道形势、水文、气象、潮汐、船舶交通流时空分布等具体情况，初步确定各试验内容的试验时机、试验地点和人员安排等，为试验方案的制定提供支撑。
步骤2.试验大纲编制。
试验前应编制试验大纲，包括试验目的、试验船舶、试验内容、试验地点、试验时机、试验要求、人员安排、仪器设备的准备、注意事项和应急措施、绘制试验水域布置图等。
(1)合理组织试验船舶(队)
根据工程需求和水域特点，选择与设计代表船型相当尺度和吨级的船舶进行实船试验，并与相应的船舶公司或单位洽谈试验船舶(队)租赁协议。
(2)明确试验内容
试验内容包括船舶(队)上、下行航行试验、冲程试验、旋回试验、Z型试验。
(3)选择适宜试验地点
船舶对上、下行航行试验：选择跨越工程轴线上、下游各3～5公里范围。
冲程试验：选择拟建工程附近不超过20公里范围内，上、下行航道相对顺直开阔的河段进行。
旋回试验或Z型试验：选择拟建工程附近不超过20公里范围内，航道相对宽阔的河段进行。
(4)试验时机
船舶对上、下行航行试验：潮流河段尽量选择涨急流或落急流时刻进行。
冲程试验、旋回试验或Z型试验：尽量选择水流比较平顺的时刻进行。
(5)试验要求
为保证试验安全，实船试验应该在风力不大于5级、能见度不低于2000m的环境条件下进行。
①船舶(队)航行试验要求：船舶(队)应按照有关通航管理规定要求的船舶航路正常航行；试验期间应尽可能无他船干扰；按事先编制的试验记录表格实时记录试验船舶(队)航行中的用舵、用车情况和时间；如出现避让的情况应详细记录避让过程和避让船舶情况；航行试验应包括海轮上水航行、海轮下水航行两种工况。
②船舶冲程和旋回试验要求：为避免他船对试验产生较大干扰，应选择在交通密度较小的时段进行；按事先编制的试验记录表格实时记录试验船舶(队)航行中的用舵、用车情况和时间。
③“Z”型试验要求：为保证试验船舶航行安全，一般采用15°舵角的“Z”型试验；“Z”型试验尽可能选择在较开阔的水域，并在交通密度较小的时段进行；按事先编制的试验记录表格实时记录试验船舶(队)航行中的用舵、用车情况和时间，以及试验过程中船舶操舵响应时间、舵角等技术参数。
(6)试验人员安排与仪器设备准备
应安排试验现场总指挥1人，驾驶员1人，舵工1人，记录人员2人(分布负责记录车、舵的使用情况)；在船首、船尾各安排DGPS操作人员各1人；在试验河段岸上控制点安排DGPS基站操作人员2人，风速、风向测量人员1人，现场安全维护人员若干。应配置GDPS设备5台(含岸上、船上各备用1台)，卷尺、风速风向仪、秒表、对讲机、影像记录设备、木块或浮具等。
(7)注意事项和应急措施
应制定详细的人员安全注意事项，特别是中止试验的条件和应急计划，包括周密的人员撤离计划。
当试验船舶发生碰撞、搁浅、无法靠岸等事故或险情时，船上所有试验人员应立即停止试验、报告现场负责人，并统一按船长和试验安全员的指挥开展自救。特别紧急时可按海上航行惯例，通过VHF、GMDSS等设备与海事部门联系，等待救援。不要盲目跳水造成不必要的后果。
当水上作业期间如遇雾天、暴雨、大风等恶劣天气，可能会对试验工作产生安全隐患时，各试验组应立即报告现场指挥人员暂停试验回港待命，以确保安全。
试验中当通航环境复杂、船舶密度较大时，申请海巡艇现场维护。
(8)试验水域布置图
试验水域布置图应该包括：水域范围、是否需要现场维护、维护区域、准备区、试验水域、注意事项等。
(9)现场维护方案
根据实船试验内容和现场实际情况合理制定现场维护方案，包括海事巡逻艇现场交通管制和拖轮辅助。
步骤3.试验过程
(1)GPS设备安装与调试
试验前应该安装好DGPS，进行调试，并满足相关作业技术指标。
DGPS的安装分为基准站安装和移动站安装两个部分。按照试验大纲确定的实船试验水域范围，在已知坐标的控制点位置安装DGPS，设置为试验基准站；在船舶首、尾适当位置各安置一个DGPS作为移动站，记录各移动站在试验船舶上的具体位置，调试各DGPS设备信号，使基准站和移动站的信号对接。
移动站上采用伪静态法，快速定位模式，在基准站上按照GPS静态定位模式，其主要作业技术指标如下：
同步观测健康卫星数≥4颗
点位几何图形强度因子(PDOP)＜6
数据采样率15秒
天线对中精度为：地面标志±0.5mm。
天线高量测
基准站天线高采用测前、测后两次量测的平均值，每次在三个互成120°的方向上量测三个读数，读至0.5mm，互差不大于1mm。江面流动站(伪)天线高量测，考虑到船的晃动，互差不大于2cm。
(2)试验准备
试验前，驾驶台舵角指示器与机舱舵角指示器进行校对，舵角全部置于零，船用磁罗经校验合格。开展试验的测量仪器、设备包括：
测量船：实时测量试验现场的流速、流向。
测风仪：实时测量试验现场的风速、风向。
DGPS：记录船舶首、尾随时间变化的北京坐标值。
秒表：记录试验时间。
罗经：显示船首向度数。
舵角指示器：显示舵角度数。
车钟：指示主机工况。
主机转速指示器：显示主机转速。
(3)船舶航行试验
通过试验获取试验船舶(队)上、下行通过工程水域的航向、航速、航行轨迹、航迹带、偏航角、操纵情况等航行技术参数；观测或解算水流流速、流向；观测风向、风速，为数值计算、数学建模和仿真模拟等提供基础数据。
(4)“Z”型试验
通过“Z”型试验，得出试验船舶在有流影响情况下的船舶操纵性指数K、T值，为工程建设对所在水域船舶通航的影响研究提供基础数据。
(5)旋回试验与船舶冲程试验
旋回试验包括船舶操左舵和右舵旋回试验；船舶冲程试验包括船舶顺流停车和倒车冲程、船舶逆流停车和倒车冲程等试验。通过试验获取试验船舶(队)旋回圈大小与旋回要素、停车与倒车冲程，为工程建设对所在水域船舶通航的影响研究提供基础数据。
步骤4.数据解算与船舶轨迹绘制
对PC机储存的GPS数据进行差分解算，解算出移动站的差分位置，将两个测量站同步采集的数据文件导入到LGO软件进行处理，解算出船舶首尾两个移动站在不同时刻的差分位置，并根据步骤3中记录的移动站在船舶的位置解算出不同时刻船舶在航道中的位置，据此在工程水域CAD航道图中标绘出试验船舶航行运动轨迹。
(1)船舶航行试验数据处理
①数据解算
GPS接收机采集好数据后，通过专门的数据线和软件工具把GPS中的数据导入计算机，依据观测手簿，对观测数据进行检查和整理。
基线解算：利用瑞士LEICA公司LGO软件，首先将测量文件导入系统中，系统自动进行数据检查，并提示输入天线高等信息，系统自动进行基线解算。得到每个时刻工作船上的GPS和基准站(已知控制点)三维基线向量。
坐标计算：解算出各个历元的基线后，可得到移动站与基准站的三维坐标增量△X、△Y、△Z。根据已知的基准站坐标和坐标增量，解算出各个观测点的坐标。
②图形的绘制
把地形图的地貌线(其它图层关闭)显示出来，将工程轴线(包括墩塔)叠置到地形图上，选取工程轴线上、下游不小于5公里的区域，作为绘图的底层。
实船试验航迹图的绘制：实船试验航迹图的绘制范围为拟建工程上、下游不小于5km的河段。首先将实船试验所测得的船舶船首和船尾各个时刻的坐标，按对应的时刻作上相应的文字注记，然后用专门的程序将各个点按坐标描绘成一个dxf格式的图形，最后将其叠置到地形图上，再在AutoCAD2006中，将每一时刻船首和船尾中点进行连线，就得到实船试验航行轨迹图。
船舶运动状态图的绘制：绘图时将试验船舶的最大长度、最大宽度用矩形形式作为其航行中的外形特征，同时将首尾观测点安放位置(距船首和船尾的距离及偏离船轴线的距离)考虑进去，按不同分别绘制。用VC编写数据提取、约束和改正程序，转化为dxf格式的图形后，将其叠置到地形图上，利用AutoCAD2006pline线，绘制出试验船舶通过工程河段的运动状态图。
为了获取拟建工程处船舶(的实际航行状态，船舶运动状态图是基于试验船舶在无工程(工程前)正常航行情况下所测得的。
(2)“Z”型试验原始数据及其处理：
舵角随时间的变化关系采用秒表由试验人员观察舵角指示仪，并做好记录，根据记录数据绘制成舵角随时间的变化关系曲线。
用GPS记录试验船舶首尾测量点的北京坐标。根据试验记录数据绘制成首向角随时间的变化关系曲线。
将二次试验的舵角随时间的变化关系曲线和首向角随时间的变化关系曲线迭加在一起，形成完整的试验记录数据，如图1和图2所示。
(3)船舶冲程与旋回试验原始数据及其处理：
试验中利用GPS对船舶首尾进行连续实时测量，分别记录船舶停、倒车的时间及对应船位(北京时间与北京坐标)，描绘出船舶停车、倒车至船舶停止的航行轨迹，经过分析计算获取冲程数据。
根据差分GPS实测记录数据，运用计算机作图，可绘制出顶推船舶的冲程和旋回圈轨迹图，从而获取船舶相关操作性要素。
步骤5.通过实船试验测量试验船舶上、下行的航行轨迹、航迹带、操纵情况、偏航角、航速等航行技术参数。最后结合具体水上工程实际情况及水上通航情况，将实船试验分析结果应用于水上工程的通航影响论证中。
(1)实船试验船舶漂移量计算
无风流作用时试验船舶尺度所占航宽(Bs),可用下式计算：
Bs＝|LSinα+|bCosα|
(2)风、流影响下的漂移量计算
设船首尾线与航道轴线的夹角称为偏航角α，流向与航道轴线的夹角称为流向角β。那么任意船舶在各种流影响情况下的漂移量(ΔB1)可用下式计算：
其中：
S——计算河长(m)；
V——船速(m/s)；
U——流速(m/s)。
船舶在航行中受风影响情况下的漂移量(ΔB2)可用下式计算：
其中，该系数取0.038～0.041；
Ba为船体水线上侧受风面积(m2)，Bw为船体水线下侧面积(m2)，取Bw＝L·d；Vs为风中船速(kn)，Va为相对风速(m/s)，αf为真风作用方向与桥轴法线的夹角。
(3)工程水域代表船舶所需航宽计算
考虑代表船舶会船时，两船间必须留有足够安全会让距离，同时船与航道边界之间也应保持一定的安全距离，所以船舶在工程水域会遇时，保证船安全会让所必须的最小宽度Bs，应为：
Bs＝ΔB1+ΔB2+ΔC+2ΔD
其中，ΔC为两船间的安全会让距离，通过公式ΔC＝0.5×(Lsinα+b)计算；△D为船舷与航道边界的安全距离，根据《内河通航标准》(GB50139－2014)的规定，客船取△D＝(0.25～0.30)(Lsinα+b),货船取△D＝(0.34～0.40)(Lsinα+b),其中L代表船舶船长(m)，α是偏航角(°)，b代表船舶船宽(m)。
(4)工程布置方案合理性分析
根据实船试验船舶在不利风、流影响下漂移量计算，参照工程水域代表船舶所需航宽，分析论证工程所在水域主航道船舶通航影响，同时分析论证工程布置和选址的合理性，包括以下几个方面：
①工程水域船舶交通流分布情况的适应性分析；
通过现有船舶交通流分布参数与拟建工程预设通航孔净空参数(通航孔数量，净空高度和净空宽度等)进行比对，论证拟建跨河工程预设通航孔净空参数是否满足现有交通流需求以及未来水上交通发展需要。
②工程水域河床地形及船舶航路设置的适应性分析；
结合工程轴线上、下游不小于5公里的区域地形地貌线，逐一对比步骤5中通过实船试验测量的试验船舶上、下行的航行轨迹、航迹带、操纵情况、偏航角、航速等航行技术参数，论证拟建跨河工程水域船舶航路是否与河床地形所能够提供的最大航道宽度及航道弯曲度相适应，船舶是否有航行风险。如果有航行风险，则论证减小或者消除不利风、流影响下漂移量过大风险相应的船舶操纵或通航管理措施。
③工程对通航环境存在的影响分析。
在工程水域船舶交通流分布情况的适应性分析和工程水域河床地形及船舶航路设置的适应性分析的基础上，分析拟建跨河工程对工程水域现有码头等水上工程及其他航道船舶通航情况和需求的影响，分析拟建跨河工程对雷达回波干扰或AIS信号的影响，分析拟建跨河工程对通航管理的影响，并提出相应的通航安全管理对策和措施。
本发明提供的是一种原型试验方案，所采集的数据精度和可信度高，是大型复杂跨河、拦河建设工程设计、论证通航设施技术参数的重要基础。基于船舶操作与引航理论，利用现代信息采集与高精度差分GPS测量技术，通过试验采集船舶通过拟建桥区水域的运动姿态及相关技术参数、船舶在动水环境下操纵性参数，最后通过数值分析(船舶水动力操纵运动模型)和数学建模(船舶漂移量计算模型)等方法研究水中设桥墩对船舶操纵的影响机理与特征。在此基础上进行船舶运动轨迹和船舶运动控制模型再建模，并将模型与实船试验数据对比验证，再将实船试验结果扩展到不同环境，尤其是极限环境，解决极端环境试验的安全问题。此发明可以扩展到研究不同工况下的船舶行为，真实度高。获取的数据可以论证通航净空尺度大小，并根据船舶实际姿态，论证船舶与桥墩的位置关系，再结合突发情况时船舶在风、流影响下的数值模拟计算和轨迹预测，从而判断桥墩的船撞概率及撞桥标准。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1、在已知坐标的位置安装GPS设备作为基准站，在各个试验船舶的船首和船尾位置分别安装GPS设备作为移动站，使基准站和移动站的信号对接；
S2、在拟建桥梁的水域内进行试验船舶的通航试验，通航试验包括：上下航行试验、Z型试验、旋回试验和冲程试验，得到试验船舶的航行数据和水面通航数据；
S3、实时采集通航试验中基准站和移动站的GPS数据，并对其进行差分解算得到不同时刻试验船舶的位置信息，进而绘制航行轨迹；
S4、根据试验船舶的航行数据和水面通航数据，计算得到试验船舶在风、流影响下的漂移量和船舶所需航宽，并结合航行轨迹对桥梁布置和选址进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，步骤S2中得到的航行数据包括：通过上下航行试验得到的航向、航速和偏航角数据，通过Z型试验得到的操纵性数据，通过旋回试验和冲程试验得到的旋回圈大小、旋回要素、停车和倒车冲程数据；水面通航数据包括：水流流速和流向数据，风速和风向数据。
3.根据权利要求1所述的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，步骤S3中进行差分解算的方法具体为：
输入通航试验中采集到的基准站和移动站的GPS数据，通过基线解算得到每个试验船舶在不同时刻基准站和移动站之间的三维基线向量；
根据三维基线向量计算得到移动站和基准站的三维坐标增量，然后根据已知位置的基准站的坐标，解算得到各个试验船舶移动站的坐标。
4.根据权利要求3所述的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，步骤S3中绘制的航行轨迹包括：试验船舶航迹图和试验船舶运动状态图；其绘制方法具体为：
试验船舶航迹图的绘制：试验船舶航迹图的绘制范围为拟建桥梁的水域上、下游不小于5km的河段，首先将试验船舶所测得的船舶船首和船尾各个时刻的坐标，按对应的时刻作上相应的文字注记，然后将各个点按坐标描绘成图形，最后将其叠置到地形图上，再在CAD中将每一时刻船首和船尾中点进行连线，得到实船试验航行轨迹图；
试验船舶运动状态图的绘制：将试验船舶的最大长度、最大宽度用矩形形式作为其航行中的外形特征，并计算船首和船尾的移动站安装位置距船首和船尾的距离及偏离船轴线的距离，根据计算结果进行绘制；用VC编写数据提取、约束和改正程序，转化为图形后，将其叠置到地形图上，利用CAD绘制出试验船舶通过工程河段的运动状态图。
5.根据权利要求1所述的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，步骤S4中计算试验船舶在风、流影响下的漂移量的方法具体为：
试验船舶在水流影响下的漂移量为：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;B</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>S</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>V</mi>
<mi> </mi>
<mi>sin</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>U</mi>
<mi> </mi>
<mi>sin</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>|</mo>
<mi>V</mi>
<mi> </mi>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>U</mi>
<mi> </mi>
<mi>cos</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mo>|</mo>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，S为计算河长，V为船速，U为流速，船首尾线与航道轴线的夹角称为偏航角α，流向与航道轴线的夹角称为流向角β；
试验船舶在受风影响下的漂移量为：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;B</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>K</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</mfrac>
</msqrt>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>0.14</mn>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>S</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>sin&alpha;</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mo>|</mo>
<mi>V</mi>
<mi> </mi>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>U</mi>
<mi> </mi>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mo>|</mo>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，该系数取0.038～0.041；
Ba为船体水线上侧受风面积，Bw为船体水线下侧面积，Vs为风中船速，Va为相对风速，αf为真风作用方向与桥轴法线的夹角。
6.根据权利要求5所述的基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法，其特征在于，步骤S4中计算试验船舶所需航宽的方法具体为：
保证两船安全会让所必须的最小宽度Bs的计算公式为：
Bs＝ΔB1+ΔB2+ΔC+2ΔD
其中，ΔC为两船间的安全会让距离，通过公式ΔC＝0.5×(L sinα+b)计算；△D为船舷与航道边界的安全距离，客船取△D＝(0.25～0.30)(L sinα+b)，货船取△D＝(0.34～0.40)(L sinα+b)，其中L代表船舶船长，α是偏航角，b代表船舶船宽。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710461577.6A CN107247848A (zh) | 2017-06-16 | 2017-06-16 | 一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710461577.6A CN107247848A (zh) | 2017-06-16 | 2017-06-16 | 一种基于大型跨河工程通航安全影响论证的实船试验方法 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN (1) | CN107247848A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112099523A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-12-18 | 武汉理工大学 | 基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质 |
| CN108595831B (zh) * | 2018-04-22 | 2021-05-07 | 天津大学 | 一种计算实时潮致混合的动态模拟方法 |
-
2017
- 2017-06-16 CN CN201710461577.6A patent/CN107247848A/zh active Pending
Non-Patent Citations (3)
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| 刘明俊 等: "苏通大桥船舶通航标准论证方法", 《航海工程》 * |
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| CN112099523A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-12-18 | 武汉理工大学 | 基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质 |
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