基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法

摘要

本发明公开了一种基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，属于航道通过能力计算技术领域。本发明首先通过加权平均船型概念得到航道基本小时通过能力，利用航道基本小时通过能力计算模型与设计小时交通量系数推算航道年平均日交通量，最后通过年平均日交通量得到航道设计年通过能力。本发明引入加权平均船型概念，不仅可以简化航道通过能力计算方法，避免了以往公式繁琐、大量的经验参数选取，而且既能反映出交通流特点，又能客观反映航道的通过能力，提高了航道通过能力计算结果的客观性。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，属于航道通过能力计算技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，内河航运量不断增加，使得航道通过能力的计算在内河航运规划、设计、调度中的重要性也愈来凸显。国内外水运专家提出了多种航道通过能力的计算公式，包括德国公式、长江公式、王宏达公式、苏南运河公式。这些公式采用大量的修正系数反映各种影响因素对航道通过能力的影响，目的为了得到与实际更为接近的结果。但是由于各种系数的选取需要大量详细的实测数据，而且不同的实际情况系数的选取也不相同，从而导致投入较大且计算过程复杂。

现有的航道通过能力是以年航道货物通过量（万t/a）为计算单位，无法反映船舶密度、船舶行驶速度以及航道繁忙程度等船舶的交通流特性。目前内河航运量增加，航道繁忙程度变化，此类计算航道年通过能力的模型难以直接满足航道规划时的需要。为了体现航道通过能力的客观性，从船舶流的角度并考虑船型组成提出航道每天基本通过能力计算模型。但是该模型需要考虑船型组成，并且计算结果为航道每天基本通过能力，与航道年设计通过能力转换复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了解决背景技术的缺陷，提出一种基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，引入加权平均船型概念，得到航道基本小时通过能力，利用航道基本小时通过能力计算模型与设计小时交通量系数推算航道设计年通过能力。 

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，包括如下步骤：

步骤A，内河航道设计小时通过能力计算：

对于给定船型，利用交通流理论以及加权平均船型概念，得到航道小时基本通过能力计算公式：

                                    （1）

式中：—船舶上行或下行的通道数目；—船舶流中给定船型对应航速（m/s）；—船舶流中给定船型的船舶领域纵长；—航道基本通过能力（艘次/小时）。

步骤B，设计小时通过能力与年通过能力的转换：

在道路交通工程中，设计小时通过能力与年平均日交通量有如下转换关系：

                                         （2）

式中是年平均日交通量；是设计小时通过能力；是设计小时系数。

年平均日交通量与年交通量之间可由下式转换：

                                      （3）

式中，是年交通量，是年通航天数。

进一步的，本发明的基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，所述设计小时系数为内河航道设计小时交通量第 150~250 位最高小时交通量与年平均日交通量的比值。

进一步的，本发明的基于船舶交通流的内河航道通过能力计算方法，所述设计小时系数的取值范围为0.14~0.19。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出了基于船舶交通流及船舶领域理论的航道基本小时通过能力，贴合航道运行客观情况，反映出船舶交通流特点。航道基本小时通过能力向年设计通过能力转换利用设计小时交通系数，避免了以往公式繁琐的系数选取，既能反映出交通流特点，又能客观反映航道的通过能力。

本发明借鉴道路交通工程中这种转换关系，应用到航道中计算航道通过能力，不仅可以简化航道通过能力计算方法，减少大量经验参数的取值，而且提高航道通过能力计算结果的客观性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是选用闵朝斌公式计算的不同平均吨位对应的航道设计通过能力比较图。

图3是选用闵朝斌公式计算的不同平均吨位对应的航道理论通过能力比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的方法流程为：用交通流理论以及加权平均船型概念，得到航道小时基本通过能力计算公式，借鉴道路交通工程设计小时系数原理，将小时通过能力转换为年通过能力。

（1）内河航道设计小时通过能力计算

基本通过能力是指航道和交通都处于理想条件下，航道上船舶以最小的船舶间距连续行驶，在单位时间内通过航道断面的最大船舶数。当然，这种情况在实际中是不存在的，仅仅是为了简化研究所抽象出来的理想情况。对于给定船型，利用交通流相关理论以及加权平均船型概念，得到航道小时基本通过能力计算公式：

                                                                         （1）

式中：—船舶上行或下行的通道数目；—船舶流中给定船型对应航速（m/s）；—船舶流中给定船型的船舶领域纵长；—航道基本通过能力（艘次/小时）。

其中，船舶领域纵长由船舶停船视距及船长组成，具体可表示为：

在道路交通工程中，为了保证汽车在行驶时，驾驶员看到前方车辆或障碍物时，能够及时停车所需要的最短距离，称为停车视距。停车视距包括反应距离、制动距离和安全距离三部分。类似地，船舶在航道中航行时，后船在跟随前船的运行中同样需要保持一定的停船视距S，因此定义停船视距S为：

                                                                                        

式中：S₀为两船之间的安全距离，是指后船停住后，其船头至前船船尾的距离，在道路交通工程中通常取一至两倍车长，在这里可取为一倍船长；S₁指驾驶员发现前方障碍物，经过判断决定采取制动措施的那一瞬间到制动器真正开始起作用的瞬间船舶所行驶的距离；S₂为后船制动距离，是指船舶从制动生效到船舶完全停住，这段时间所行驶的距离。上述各物理量可以采用以下格式表示：

                                                                            

                                                                    

式中：V是后船初始行驶速度；t是驾驶员反应时间，一般取为1.5s；a后船制动加速度。

由此可得：

                                                         

利用公式（1）可以计算理想状态下内河航道的小时通过能力，对于判断航道瞬时通过能力非常重要，目前已经越来越受到重视。另一方面，对于水运来说，我国长期习惯于采用年通过能力，因此，需要将内河航道的小时通过能力转化为年通过能力。

（2）航道小时通过能力与年平均日通过能力之间的转换关系

                                                                                 （2）

式中是年平均日交通量；是设计小时通过能力；是设计小时系数。

年平均日交通量与年交通量之间可由下式转换：

                                                                            （3）

式中，是年交通量，是年通航天数。

下面针对长江下游航道船舶的具体运行状况，给出本发明提出的航道通过能力的计算方法进行举例说明：

（1）设计小时系数取值

张玮、廖鹏等在《内河航道设计小时交通量探讨》一文中经验证，内河航道设计小时交通量第 150~250 位最高小时交通量与年平均日交通量的比值较为稳定。建议当有充足资料时，可按实际资料统计第 150~250 位最高小时交通量作为设计值；无实测资料时，可按其推荐的计算公式计算，或取经验值0.14~0.19。

（2）内河航道设计小时交通量计算

长江下游江宽水深、水流平缓，航行条件相对优越。船型组成复杂，船舶吨位分布范围大，船舶最大航行速度为6~7。

分别取船舶平均吨位为5000吨、10000吨、20000吨、30000吨、40000吨、50000吨，结合对应的船型尺寸，以及上下行时不同的船舶领域纵轴取值，利用式（1）分别得到不同平均吨位对应的设计小时通过能力。

（3）设计小时通过能力与年平均日通过能力的转换

将已经求得的设计小时通过能力代入式（2），分别去设计小时系数的最小值和最大值，即可求得年平均日通过能力的取值范围。

（4）比较验证

将道路工程中设计小时通过能力与年通过能力的转换应用到航道中，为确认这种转换方法的适用性，选用闵朝斌公式分别计算不同平均吨位对应的航道设计通过能力和航道理论通过能力。闵朝斌公式为一种航道通过能力计算公式，公式如下：

     （4）

式中：C是航道年双向通过能力；n是航道每天工作系数，全天工作n=1；是船舶（队）上水航速（千米/小时）；T是年通航日历天数；S是同时处于某一航道断面的船舶（队）数（艘，队）；Q_C是标准船舶（队）的额定载重量（吨）；是船舶（队）之间纵向距离系数，上水=1，下水=2～5，视流速大小而定；L_C是船舶（队）长度（米）。

将本发明采用的计算方法得到的结果与闵朝斌公式的计算结果进行比较，验证本发明的新方法具有适用性。采用本发明的计算方法及闵朝斌公式的计算方法，分别计算出航道设计通过能力和航道理论通过能力的数值结果，然后进行比较，分别如图2和图3所示，从图中分别可以看出，本发明的计算方法更具有适用性。

本发明通过借鉴道路交通工程中设计小时通过能力与年平均日通过能力之间的转换关系，将其应用到航道中计算航道通过能力。利用交通流原理，计算航道设计小时交通量，再转换为年通过能力。不仅可以简化航道通过能力计算方法，减少大量经验参数的取值，而且提高航道通过能力计算结果的客观性。