基于船舶-流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引.pdf

本文网址：http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):7180.TAN K,GUO T,SONG C G,et al.Virtually aided ship navigation on typical inland river route based on fluid-structureinteraction simulationJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):7180(in Chinese).基于船舶流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引扫码阅读全文谭昆1，郭涛1，宋成果1，苗洋2,3，初秀民4，吴卫国2,3，张磊*2,31 长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 4300402 武汉理工大学 绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，湖北 武汉 4300633 绿色智能江海直达船舶湖北省工程研究中心，湖北 武汉 4300634 武汉理工大学 智能交通系统研究中心，湖北 武汉 430063摘 要:目的目的为进一步提高船舶航行的安全性，对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。方法方法针对选取的两段内河典型航段，基于实时数字航道流场信息，考虑航行规则约束，模拟船舶流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引，给出相应的安全驾驶方案，在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。结果结果仿真结果表明，基于 Fluent 二次开发的船舶流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶流场多物理场耦合的解耦问题；遇见弯道或分汊时，操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。结论结论该算法可以有效对接数字航道流场信息，开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟，结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。关键词：智能船舶；虚拟辅助驾引；流体船舶运动耦合；内河航段中图分类号:U675.9文献标志码:ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03244 Virtually aided ship navigation on typical inland river routebased on fluid-structure interaction simulationTAN Kun1,GUO Tao1,SONG Chengguo1,MIAO Yang2,3,CHU Xiumin4,WU Weiguo2,3,ZHANG Lei*2,31 Changjiang Waterway Institute of Planning and Design,Wuhan 430040,China2 Green&Smart River-Sea-Going Ship Cruise and Yacht Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China3 Hubei Province Engineering Research Center on Green&Smart River-Sea-Going Ship,Wuhan 430063,China4 Intelligent Transportation Systems Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,ChinaAbstract:ObjectiveIn order to improve the safety of ship navigation,this study focuses on virtuallyaided ship navigation strategies.MethodsTwo different inland river routes are chosen for the simulationof virtually aided ship navigation models based on the fluid-structure interaction mechanism,while taking thenavigation rules and flow details of the rivers into consideration.The simulation of the ship sailing process ona typical inland river route under specific current conditions provides the corresponding virtually aided naviga-tion plan in which the ships velocity,location and course are obtained in a timely manner.ResultsIt isfound that the simulation method established on the basis of Fluent can be used to solve the problems of multi-degree-of-freedom motion and fluid-structure interaction.When sailing through bends or branches,steeringwith a small rudder angle over long distances ensures safe navigation and prevents speed reduction and signi-ficant lateral displacement.ConclusionThe proposed method can be effectively combined with the flowfield information of digital channels to simulate the ship sailing process,thereby providing data support for thedecision-making of intelligent navigation on inland river routes.Key words:intelligent ship；virtually aided ship navigation；fluid-structure interaction；inland waterway收稿日期:20230109 修回日期:20230504 网络首发时间:20231114 11:36基金项目:海南省科技计划三亚崖州湾科技城联合资助项目（2021JJLH0035）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（223173001）作者简介:谭昆，男，1971 年生，高级工程师。研究方向：长江航道整治工程张磊，男，1988 年生，博士，副研究员。研究方向：计算流体力学，流固耦合。E-mail：*通信作者:张磊 第 19 卷 第 2 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.2024 0 引言随着智能驾驶技术在新能源汽车应用中的不断尝试，汽车智能驾驶相关概念的提出和关键技术的突破为船舶智能驾驶、自主航行提供了诸多经验。继标准化和绿色化后，提升船舶的智能化水平也已成为业内共识，船舶智能驾驶是其中关键的一环。欧盟联合启动了“基于网络智能的无人航海”项目，旨在实现自主船舶和无人船舶技术，验证自主船舶概念1-2。我国于 2020 年发布了智能船舶规范3，指出智能船舶从局部应用到全船整体应用、辅助决策到完全自主的发展方向。近年来，我国内河航道和航运都在加强信息化建设，智慧航道、智能航运正逐步从概念走向规划、建设和应用，以辅助驾引、感知增强、组织通行这 3 类典型场景为代表的应用方兴未艾4-5。目前，综合船桥、自动化机舱、智能感知和自动化操纵等系统的发展已经为船舶智能驾驶、智慧航运打下了良好的基础。曲全福等6和 Fang7提出的综合船桥系统可根据船舶的间距、位置、速度等数据分析船舶的到达率以及航道的通过率；郑华耀等8开发了一整套自动化机舱数字化系统；杨迪等9针对船舶航向非线性操纵系统提出了一种自适应神经控制策略；甘兴旺等10提出了基于视觉的船舶环境感知数据融合算法，对相机、雷达和船舶自动识别系统（AIS）进行多传感器数据融合，实现对船舶周边环境的感知；Yan 等11针对汽渡船舶穿越航道及其多航行于能见度低的工况下等应用特点，兼顾自身状态感知、周围航行环境感知、碰撞风险预警等需求，研制了一套汽渡安全辅助驾驶系统。但是，船舶自主航行的决策方案和系统的研究仍然处于萌芽阶段。学者们多尝试从船舶交通流的宏观角度开展研究，将众多航行船舶表现出的类似流体特征（如流量、密度、时空分布）作为整体，基于 AIS 等航道船舶历史信息，研究航道的交通流组织。Dragovi等12分析了泊位服务水平与船舶交通流的相互影响关系；刘敬贤等13应用船舶交通流行为特征研究了港口航道的通过能力；刘钊等14提出了一种融合二维经验模式分解和时序正则化矩阵分解的船舶交通流预测方法；Kang 等15和 Huang 等16分析船舶自动识别系统数据，指出了船舶交通流基本图类似于经典车辆交通流。Liu 等17-18基于解释结构建模方法，建立了船舶交通流层次模型和耦合模型；Liu 等19提出了两种港口船舶到达的交通流模型；Wang 等20对受限航道中的交通流模型进行了研究。上述研究多基于航道内的历史航行数据，基于其宏观行为特征，采用的模型元胞尺寸较大，且多假定船舶的时间间隔符合一定的分布规律。已知交通流由多个单船单元位置、速度、方向等微观行为组成，其体现了船舶流量、密度、时空分布等宏观行为特征，故有必要对交通流宏观行为组织中单船的微观行为予以研究，考虑船舶流场相互作用，揭示其中蕴含的力学机理，并总结船舶在复杂流场下的运动规律，为单船智能航行决策和多船交通流组织提供支撑。特别是对内河航行而言，航段形态（航宽、曲率）多变，航段结构物（绿洲和桥梁等）对船舶具有碍航作用，洪水和枯水季节性以及水库泄洪造成航段流量流场演化规律不同。这些客观环境因素直接制约了通航船舶的尺度和载量大小，影响船舶操纵的难易程度。此外，因需要统筹兼顾航行规则的约束条件，还进一步增加了船舶的通航决策难度。综上所述，本文将尝试从船舶微观行为特征入手，在航段条件、航行规则等约束下，以提高船舶航行安全性为主要目的，针对特定流域及航段内的典型碍航结构物，基于实时复杂航段流场和水文条件，考虑船舶流场的实时耦合，研究航段交通流的船舶航行动态规划，给出典型航段船舶虚拟辅助驾引的建议。此外，由于流场与船舶相互作用具有的强耦合和强非线性的特性，典型内河航段流场中的船舶航行动态机理尚不清晰，通过本文的研究可为在辅助驾引和基于航段条件、航行规则等多重数据驱动下的单船自主航行的宏观船舶交通流组织模型的构建提供关键输入，具有重要的工程和科学价值。1 基本原理基于 Fluent 的二次开发，通过求解雷诺平均NS 方程和船舶多自由度运动控制方程，对复杂水域中基于船舶水动力计算的船舶虚拟辅助驾引开展研究。1.1 流体控制方程质量守恒定律可简单表述为：在某一时间段内，流入和流出流体微元体的净质量等于该微元体内质量的变化。不可压缩流体质量守恒表达式为：(u)x+(v)y+(w)z=0(1)式中：为流体密度；u，v，w 分别为流体在 x，y，z 方向上的速度分量。72中 国 舰 船 研 究第 19 卷动量守恒定律可简单表述为：某一时间作用在流体微元体上所有外力之和等于该微元体内流体动量的变化率。对于牛顿流体由广义牛顿内摩擦定律可知，其剪切应力与流体变形速率成正比：(u)t+(uU)=Px+Su+(u)(2)(v)t+(vU)=Py+Sv+(v)(3)(w)t+(wU)=Pz+Sw+(w)(4)式中：U 为流域内流体的速度矢量；P 为作用在微元体上的压力；为流体动力黏度；S 为广义源项。1.2 船舶动力响应控制方程建立船舶附连坐标系 oxyz和大地固定坐标系 oxyz（图 1）。船舶的线位移为船舶附连坐标系相对于固定坐标系的移动，定义为 x，y 和 z，船舶的角位移为船舶坐标轴绕相应固定坐标系oxyz 各轴的转角 x，y，z。基于附连坐标系构建船舶六自由度运动控制方程：m(vx+yvzzvy)=Fx(5)m(vy+zvxxvz)=Fy(6)m(vz+xvyyvx)=Fz(7)Ix x+(IzIy)yz=Mx(8)Iy y+(IxIz)zx=My(9)Iz z+(IyIx)xy=Mz(10)式中：m 为船舶排水量；I 为转动惯量；v 和 分别为线速度和角速度；F，M 为作用在船舶上的外力矢、力矩矢；下标 x，y和 z分别表示附连坐标系上坐标分量。式（5）式（7）为船舶的平移运动，式（8）式（10）为船舶的转动运动。辅助虚拟驾引主要关心横移、纵移和艏摇运动，对六自由度方程进行简化，构建船舶二维（横移、纵移和艏摇三自由度）运动控制方程：m(vxzvy)=FHx+FPx+FRx(11)m(vy+zvx)=FHy+FPy+FRy(12)Iz z=MHz+MRz(13)式中：FH为船舶受到的水动力；FP为主机通过螺旋桨提供的推力；FR为舵提供的舵力；MH，MR分别为流场和螺旋桨对船舶施加的转矩。采用四阶龙格库塔法对上述运动控制方程进行求解，求解船舶横移、纵移和艏摇等响应运动，可求得航速、航向和位置等船舶运动参数。1.3 流体船舶运动耦合计算流程图2 给出了流体船舶运动耦合的计算流程21-22。图中：为任意流体参量的通用变量；X(s,tn)为tn时刻船舶的位置矢量；序号 2（1）2（3）对应下述计算流程的具体步骤。流场2(1)2(3)2(2)X(s,tn1)n1n+1n1船舶X(s,tn)图 2流场船舶相互作用解耦计算流程Fig.2 Calculation process of fluid-structure interaction 从时间步 tn到 tn+1的具体计算流程如下：1）时间步 tn：已知参量 uf=uf,n；X(s,t)=X(s,tn)；X(s,t)/t=X(s,tn)/t。2）时间步 tn到 tn+1：（1）求解流体动力学方程积分获得作用在船舶上的流体力 pf,n；（2）求解结构动力学方程获得 tn+1时刻船舶的位置矢量 X(s,tn+1)；（3）根据船舶位置矢量采用动网格技术更新流体计算域。2 验证实例 2.1 航段流场演化算例船舶操纵受流场变化的影响，辅助虚拟驾引研究的前提是获得可靠的航段流场环境，当前流场计算常采用 MIKE 等专用软件，但其没有船舶水动力响应计算模块，无法开展后续研究。首 zzxxyyozxy图 1船舶附连坐标系和大地固定坐标系Fig.1 Body-fixed frame and earth-fixed frame第 2 期谭昆等：基于船舶流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引73先，对 Fluent 航段流场演化计算的可靠性进行验证，选择分汊和弯道这 2 种不同的典型特征航段。其中，T 形分汊航段由 1 个来流段和 2 个去流段组成23，该段京杭运河及分流区底高程均为0.7 m；S 形连续弯道水槽断面为梯形断面24。航段模型具体参数（单位：m）如图 3 和图 4 所示。图中，R 为转弯半径，A 为横截面。分别构建上述航段的数值模型，使用 VOF 两相流模型捕捉自由面，采用 RNG k-湍流模型和标准壁面函数进行湍流模拟，选取 SIMPLEC 算法处理速度压力耦合。入口出口 29015072700R6出口 1中心线图 3T 形航道Fig.3 T-shaped channel 120AAR2.62.22.20.6300.246A-A图 4S 形航道Fig.4 S-shaped channel 2.1.1 T 形分汊航段验证实例T 形分汊航段边界条件：速度入口，流速0.858 m/s，主流段速度出口，流速 0.585 m/s，分流段速度出口，流速 0.273 m/s。划分的网格数量约为 84 万，计算时间步长设置为 0.01 s，共计算 3 600 s。图 5为 T 形分汊航段中轴线上流速大小沿程变化曲线，图中，L 为 T 形航道中轴线从入口开始的位置变化，L=0 时表示入口位置，L=700 时表示出口 1位置。在航段开始分汊前（即前 150 m），流速稳定在 0.85 m/s，然后由于分汊航段的分流作用，中轴线上流速急剧下降，在分汊中心附近达到0.45 m/s的最小值，然后逐渐增加至 550 m 处 0.55 m/s 的稳定状态。验证结果表明，计算流速值与文献 23的试验值和计算值都吻合较好。上、下游边界范围可以完整展现分流区的水流变化，所用的流场计算模型可较好地反映分流区的水流运动。2.1.2 S 形弯曲航段验证实例S 形弯曲航段边界条件为：速度入口，流速0.2 m/s，速度出口，流速 0.2 m/s。划分的网格数量约为 130 万，计算时间步长 0.01 s，共计算 3 600 s。图 6 是 S 形弯曲航段速度剖面沿程的变化细节。可以看出，本文采用方法的计算结果与文献 24计算结果吻合良好。虽然计算结果与实测数据具有一定差距，但航段水流速度变化趋势与实测数据具有一致性。流速矢量方向都随着航道弯道发生偏转，在航段中间处，外侧速度较内侧大；在航段出口处，流场充分发展，速度呈现中间大、两侧小的趋势。400200400600800 1 0001 2001 4001 6001 800 x/cmy/cm2000200400200400600800 1 0001 2001 4001 6001 800 x/cmy/cm2000200400200400600800 1 0001 2001 4001 6001 800 x/cmy/cm2000200(a)本文 CFD 结果水流水流水流(b)文献24CFD 结果(c)文献24试验结果图 6S 形航道断面水深 19 cm 处的平面流场分布图Fig.6 Flow distribution of S-shaped channel at the depth of 19 cm 综上所述，由两个典型航段流场演化的研究可知，基于 Fluent 建立的流场数学模型可较好地模拟航段流场的演化过程，计算结果可靠，能够反映流场剖面细节。2.2 驾驶模型验证算例为验证环境流场下船舶驾驶模型的可靠性，选用直角弯开展流体船舶运动耦合计算。采用RNG k 湍流模型和标准壁面函数，进出口边界条件选择速度入口和压力出口，弯道边界及船体为无滑移壁面条件。对于船舶运动导致的计算域变化，采用弹簧光顺和网格重构相结合的网格更 0.900.750200400600L/m0.600.45V/(ms1)本文 CFD 结果文献23CFD 结果文献23试验结果图 5T 形航道流场演化结果对比Fig.5 Comparison of flow evolution results of T-shaped channel74中 国 舰 船 研 究第 19 卷新方法。对于内河航段的船舶航行运动仿真，保证航行轨迹收敛性是关键，因此将船舶运动轨迹作为判断指标。仿真计算中网格尺寸、时间步长是关键影响因素。由于模拟时长较长及时间步长过小会导致计算步数剧增，为保证计算效率，时间步长统一取为 0.1 s。选择 3 种不同尺寸的网格进行网格无关性分析。图 7 为 3 种不同尺度的网格划分图，最小网格尺寸 l 分别为 1，5 和 50 cm，网格数量分别为 77 万、25 万和 5 万。(a)l=1 cm(b)l=5 cm(c)l=50 cm图 7网格划分示意图Fig.7 Grid partition of the fluid domain 图 8 为某一相同工况船舶的航行轨迹图，可以看出，当最小网格尺寸选择 l=5 cm 时，船舶的运动轨迹与 l=1 cm 时相差较小，认为计算结果已收敛，不影响辅助虚拟驾引策略的确定，即仿真结果满足计算的工程精度要求，因此，在接下来的仿真计算中采用相同的设置。13001302600180360540l=50 cml=5 cml=1 cmx/my/m图 8船舶水动力响应轨迹Fig.8 Trajectory of ship 3 结果与分析 3.1 计算模型介绍采用验证的数值方法开展研究。首先，简介目标船舶和典型航段。航道中对可通航的船型有限制，本文选取的对象船舶为长江 30 m 级 C 型航标船，可航行于目标航段。表 1 为该船舶的主尺度等信息。两段内河典型航段如图 9 所示。其中，南京航段西起南京大胜关长江大桥，东至南京长江大桥；东流段西起天生洲，东至陈家洲。航段入口处流速为长江航道规划设计研究院数字航道系统获得的某时间周期内的数据。表 1 船舶主尺度Table 1 Main dimensions of ship参数数值总长/m25.9船宽/m4.6设计吃水/m1.0排水量/t48.2主机功率/kW2125设计航速/(ms1)6.67 5 920 m10 630 m25 3660 m(a)南京航段洪水期(b)东流航段中水期27 570 mVmax=2.52 m/sVmax=1.44 m/s图 9内河典型航段Fig.9 Typical route segments of the inland river 3.2 船舶主动力船舶虚拟驾驶需要构建船舶主动力模型，主要包括舵力和螺旋桨推力。下面分别对计算过程进行介绍。3.2.1 舵力复杂流场条件下固定舵角的舵力存在一定变化，船舶航向改变，考虑到恶劣海况下的船舶航向保持控制已能达到稳、准、快的目标25，且受制于计算资源，本文采用简化的舵力模型，即使用均匀流替代真实流场下的船舶尾流，认为船舶舵效不变。首先构建舵面的几何模型，然后置于一定流速 的定常流场中，这里选择设计航速进行说明。选择不同的舵角，计算得到流场细节，对舵面上的压力进行积分，即可得到对船舶的舵转第 2 期谭昆等：基于船舶流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引75矩、横向力（可造成船舶横漂）和纵向力（船舶航向上的力）。图 10 为舵表面上的压力分布情况，由于舵角的影响，舵面与流场具有一定角度，导致舵两面压力不对称，压差形成舵力。考虑常用的舵角，舵力统计如表 2 所示，其中“2”表示双舵的作用。压力系数21044104图 10舵面压力分布Fig.10 Pressure distribution on rudder 表 2 舵力统计Table 2 Statistics of rudder force舵角/()转矩/(kNm)横向力/kN纵向力/kN1142120.323422320.425702520.521014021021.222029422124.023036422627.5240231216210.02 3.2.2 推力船舶另一个主动力为螺旋桨的推力。推力的计算方法如下：航行过程中推力用于克服船舶阻力，这里使用船舶阻力等效船舶推力，计算采用相对运动的方式进行处理，即船不动，选取不同水流速度流过船舶，监测船舶所受阻力。需要指出的是，船舶在内河航行，为保证船舶航行的安全性，对船舶航行速度进行了限制，因此本文对水流速度的选取包含了设计航速 6.67 m/s。阻力计算域空间离散如图 11 所示。船舶推力即所受阻力的统计如表 3 所示，推力曲线如图 12 所示。从图中可以看出，船舶推力符合二次关系，符合客观规律。3.3 典型航段虚拟辅助驾引基于构建的船舶主动力模型，模拟两段内河典型航段的虚拟航行。首先，通过给定的航段入口速度剖面求解航道流场，获得整个航段稳定的流场演化。随后，开展船舶流场耦合作用下的水动力响应过程求解。考虑驾驶习惯的约束以及船舶可通航区域的限制，避免频繁操舵并采用合适舵角，通过添加主动力模型，设置船舶受到设计航速推力以保证通行效率。在满足船舶航速限制的情况下，使得船舶航行在现行规划航道内，最终，可获得特定流场环境下内河典型航段船舶辅助驾引方案。3.3.1 南京航段图 13 为南京航段洪水期时的速度矢量图，展示了航行中船舶周围流场的压力细节。由图 13可知，南京航段直而微弯，但同时存在分汊多、流量大等不利因素，特别是还存在桥区的影响。桥墩是船舶在航行过程中需重点关注的碍航结构物，船舶对桥梁的冲撞不仅会对船舶和船员造成危害，还会威胁到桥体的安全。由于船舶与航段尺度相差过大，用红色圆点表示船舶当前位置（船舶位于红点中心处）。图中，oxyz 和 oxyz分别为大地固定坐标系和船舶附连坐标系，其中 为坐标系之间的夹角，即船舶运动的转角。图 11阻力计算域空间离散Fig.11 Spatial discretization of the fluid domain 表 3 推力统计Table 3 Statistics of thrust航速/(ms1)推力T/N0012 950314 200422 900534 7006.67（设计航速）61 100885 500 110581046104410421040246V/(ms1)80T/N图 12推力曲线Fig.12 Thrust curve76中 国 舰 船 研 究第 19 卷初始将船舶置于位置 a，船舶与桥墩保持一定横向距离（图 13 左下角为位置 a 的放大示意图），且处于现有航线规划的两条边界线横向中间位置，操正舵，船舶顺流航行通过桥墩；船舶运动至第 1 个分汊碍航结构物前时，受到其对流场的影响，船舶进入上行通道，并顺利通过该分汊；为保持与第 1 个分汊碍航结构物的横向距离，从位置 b 开始操左舵 3，船舶在流场和舵力的共同作用下向上进行一定偏移，运动至位置 c；然后回舵至 0；当航段向下微弯，且存在第 2 个分汊碍航结构物影响流场时，船舶运动至位置 d；此时，为顺利通过南京长江大桥区域，需要提前使船舶航行至预定安全位置，即尽量使船舶对准桥孔，与桥墩保持一定横向距离，操右舵 3，船舶运动至位置 e；然后回舵至 0，在该处航道流场的共同作用下，船舶基本无横向移动，即图 14 的位移时历曲线显示 ef 点横漂基本为 0。此时，船舶调整好通过桥墩的位置；随后，桥区后航道向下弯曲，流场向下，为保持船舶航行方向与流场一致，从位置 f 操右舵 3，船舶顺利通过南京长江大桥，船首方向与流场基本一致，如位置 g 的放大细节图所示，至此完成具有多分汊、微弯、连续桥区的南京航段虚拟辅助驾引模拟，船舶安全通过。图 14给出的是整个航程中船舶航速和位移时历曲线，船舶航速基本保持为设计航速，在操舵和流场压力场等共同作用下，船舶存在横漂。通过南京段洪水期的安全航行算例可以看出，船舶航行于弯道时，应使船舶位于主流上侧，操小舵角，在舵和流场共同施加力矩的综合作用下，船舶可以用较为稳定的角速度转向，同时避免操大舵角带来的较大横移与降速。接下来的辅助虚拟驾引决策同样参考这一原理。在航行过程中，船舶应尽量与绿洲和桥墩碍航结构物保持一定横向距离，防止局部回流或者斜流造成船舶航向突变，与其发生碰撞；通过桥区时，建议提前将船舶调整至合适位置，以便船舶安全通过桥区。3.3.2 东流航段图 15 为东流航段中水期下的速度矢量图，展示了航行过程中船舶周围流场的压力细节。由图 15 可知，东流段具有分汊多、急弯、流量较大 7 0005 0000abcdefgbdfcegyyx桥墩o(o)x3速度矢量/(ms1)a总压力/Pa图 13南京航段洪水期流场下船舶驾驶模型响应运动过程Fig.13 Response of ship maneuvering model during flooding season in Nanjing route 1101 000abcde f gabcde f g2 000(a)速度时历曲线(b)位移时历曲线3 000t/s01 0002 0003 000t/s85260490.0700.070.15Vy/(ms1)/(rads1)Vx/(ms1)/()23 40015 6007 80002 1001 400700010050050y/mx/m图 14南京航段洪水期流场下船舶驾驶模型运动时历曲线Fig.14 Time history curves of ship sailing through Nanjing route第 2 期谭昆等：基于船舶流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引77等特点，特别是第 1 个分汊碍航结构物下行通道狭窄，且与航道下行走势相同，船舶极易受影响而下行，这与现行航道规划不相符，航行中需避开该区域。此外，第 2 个分汊碍航结构物后航道有一个凹区域，该处流场变化剧烈，这些不利因素给航行安全带来了挑战。abceadfgbcdefg027 0005 000速度矢量/(ms1)总压力/Pa图 15东流航段中水期流场下船舶驾驶模型响应运动过程Fig.15 Response of ship maneuvering model during mean water season in Dongliu route 初始将船舶置于位置 a，航段由窄变宽，受航段微向下走势的影响，水流方向偏下，船舶保持正舵（0舵角），在水动力作用下船舶向下航行至位置 b；接着面临一个由绿洲导致的分汊，受航道向上的规则约束，操左舵 3，船舶开始缓慢向上行驶至位置 c；回舵至 0，船舶在第 1 个分汊碍航结构物对流场向上影响和第 2 个分汊分流向下影响的共同作用下，运动至位置 d；为防止船舶撞上第 2 个碍航结构物，保证船舶航行在航道内，操右舵 3，运动至位置 e；之后，应使船舶远离航段凹区域，防止受其回流形成的低压区的影响，撞向航段边界，同时考虑航行规则，先回舵至 0，运动至位置 f；此时操左舵 3，船舶运动至位置 g；该处航道呈现出沿分汊结构物且角度较大的弯曲，因此增大舵角至 5继续航行。至此，完成东流航段中水期的安全航行。图 16 给出的是整个航行过程中船舶的速度和位移时历曲线，船舶速度保持在设计航速附近，在东流航段尾段，受操舵和流场压力场等共同影响，船舶主要沿 y 方向运动。通过东流段中水期的安全航行算例可以看出，船舶可以操长距离的小舵角通过分汊航区，以保证航行的安全性；面临曲率半径较大的航区时，同样可以通过操长距离的小舵角安全通过。考虑驾驶习惯，应避免操急舵、大舵角带来的横漂与降速等不利影响。建议在航行过程中与绿洲保持一定距离，避免碰撞风险，同时远离航道中 9.901 500a bcdefga bcd e fg3 000(a)速度时历曲线(b)位移时历曲线3 500t/s01 5003 0003 500t/s6.63.306.63.303.30.100.0500.05Vy/(ms1)/(rads1)Vx/(ms1)/()26 40017 6008 80008 4005 6002 800013065065y/mx/m图 16东流航段中水期流场下船舶驾驶模型运动时历曲线Fig.16 Time history curves of ship sailing through Dongliu route78中 国 舰 船 研 究第 19 卷有凹的一侧，防止受到回流的影响。4 结语本研究突破了船舶流场耦合作用的数值求解关键技术，有效解决了船舶多自由度运动耦合和船舶流场多物理场耦合的解耦问题。在此基础上，通过舵力和推力模拟计算构建船舶主动力模型，并考虑航行规则和驾驶习惯的约束，创新性地尝试从交通流宏观组织中单个船舶在流场中水动力响应的微观角度，开展基于船舶流场耦合作用的内河典型航段虚拟辅助驾引研究。选取内河中两个典型航段进行特定流场环境下的船舶虚拟辅助驾引模拟，通过分析船舶与碍航结构物间通过流体介质相互作用的压力场和速度场的细节，阐述船舶安全通过碍航结构物的机理，给出了虚拟辅助驾引的相关建议，并实现船舶速度、位移、航向等信息的实时追踪。本研究涉及了船舶、航道和航运等多学科交叉，兼具重要的科学和工程应用价值。受到计算资源限制，本文选择的对象船舶和流场工况较少，未来拟开展多典型船舶、多流场工况的虚拟辅助驾引模拟，以期获得更多的数据，为辅助典型航段船舶智能驾引提供支撑。本文采用了基于数值模拟的方法，计算方法的可靠性采用流场演化模拟和船舶运动模拟网格无关性验证的间接方式进行说明，尚缺乏直接的船舶驾驶水动力响应的试验数据，这也是未来工作中需要解决的问题。此外，本文采用的二维数模计算方法可直接拓展至三维数模的研究，从而更进一步支持“数字航道”“智能船舶”和“智慧航运”的高质量发展。参考文献：PORATHE T,PRISON J,MAN Y M.Situation aware-ness in remote control centres for unmanned shipsC/Proceedings of Human Factors in Ship Design&Opera-tion.London:s.n.,2014:93.1 WALTHER L,BURMEISTER H C,BRUHN W.Safeand efficient autonomous navigation with regards toweatherC/Proceedings of the 13th International Confer-ence on Computer and IT Applications in the MaritimeIndustries Redworth.Hamburg:Technische UniversittHamburg-Harburg,2014:1214.2 中国船级社.智能船舶规范 S/OL.(2020-03-01)2022-12-12.http:/.Chinese Classification Society.Smart ship specifica-tionsS/OL.(2020-03-01)2023-01-02.http:/(in Chinese).3 王远渊,刘佳仑,马枫,等.智能船舶远程驾驶控制技术研究现状与趋势 J.中国舰船研究,2021,16(1):1831.WANG Y Y,LIU J L,MA F,et al.Review and pro-spect of remote control intelligent shipsJ.Chinese Journalof Ship Research,2021,16(1):1831(in Chinese)4 马枫,陈晨,刘佳仑,等.船岸协同支持下的内河船舶远程驾控系统关键技术研究 J.中国舰船研究,2022,17(5):125133.MA F,CHEN C,LIU J L,et al.Key technologies ofship remote control system in inland waterways undership-shore cooperation conditionsJ.Chinese Journal ofShip Research,2022,17(5):125133(in Chinese).5 曲全福,陈志刚,高洪宇.新型综合船桥系统 J.中国惯性技术学报,2011,19(3):325328.QU Q F,CHEN Z G,GAO H Y.New integrated bridgesystemJ.Journal of Chinese Inertial Technology,2011,19(3):325328(in Chinese).6 FENG H X.Cellular automata ship traffic flow modelconsidering integrated bridge systemJ.InternationalJournal of u-and e-Service,Sc