一种内河船舶航行安全距离的计算方法

摘要

本发明公开了一种内河船舶航行安全距离的计算方法，属于船舶领域计算技术领域。本发明首先建立停船视距模型，然后进行船舶制动加速度分析，之后建立船舶领域计算模型，最后按照《港口工程荷载规范》进行相关参数取值，连同具体的船速和相应的船舶尺寸，代入步骤C建立的船舶领域计算模型，得到具体的船舶领域取值范围。本发明可根据船舶的航速、相关尺寸及载重来具体计算当前船舶的船舶领域，大大减少了对实测资料的依赖，且能根据航道中船舶的具体航行状况来分别进行取值，方便使用，并可做到具体问题具体分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算内河船舶航行安全距离的方法，属于船舶领域模型技术 领域。

背景技术

船舶在航行过程中，为了保证安全，船舶之间总要保持一段安全距离。每艘 船舶周围，需要一个安全缓冲区域，他船进入本船的安全缓冲区域内，一般就认 为有碰撞的危险。当航道达到最大交通密度时，船舶之间保持一定的安全距离航 行以避免发生碰撞，其中安全距离就是船舶安全行驶的最小距离，也就是船舶避 碰领域，又称船舶领域，其值对船舶安全航行影响重大。同时，在研究航道通过 能力和船舶会遇时，船舶领域也是需要考虑的一个重要因素，因此对船舶领域的 研究是非常有必要的。

目前比较重要的船舶领域模型包括日本学者提出的藤井模型、英国学者提出 的Goodwin模型、Davis模型、内河船舶领域模型等。

其中，藤井模型是通过对日本沿海水域海上交通调查并对船舶相对位置的二 维频率分布分析研究，提出船舶领域的模型，然后通过长期对日本沿海水道交通 实况的观察，提出船舶领域具体尺寸。

Goodwin模型是基于海上交通调查及在雷达模拟器上利用船员培训机所做 的大量避碰试验，研究并建立的开阔水域的船舶领域模型。

Davis模型是在Goodwin模型的基础上加以改进，使其便于实际应用。

国外学者提出的模型多是基于本国特定水域的研究，分析大量实测或实验资 料，且多应用于海上开阔水域。而船舶领域模型是随着船舶条件、航道条件的不 同而变化的，内河和海上交通环境相差甚远，故国外学者提出的模型在国内并不 适用。

内河船舶领域模型考虑航道和桥梁的限制，采用三维船舶领域模型。内河船 舶领域模型主要考虑受限制航道的通航情况，船舶航速低，船舶规模较小，同时 其取值同国外模型一样通过实船试验和数据分析计算得到，对进江海船船舶领域 长轴推荐值为3～4倍船长。长江下游河段，江宽水深，对船舶的限制较小，且船 舶航行速度较快，已有内河船舶领域模型的适用性有待考证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过理论分析建立船舶领域模型，提供一种内 河船舶航行安全距离的计算方法，并对船舶领域进行具体取值。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种内河船舶航行安全距离的计算方法，包括如下步骤：

步骤A，建立停船视距模型：

A-1，当不考虑前船制动距离时，后船的停船视距模型为：

S＝Vt+V²/2a+l_船

其中，V是后船初始行驶速度，t是驾驶员反应时间，l_船是船长，a是后船 制动加速度；

A-2，当考虑前船制动距离时，后船的停船视距模型为：

S＝Vt+V²/2a-V₁²/2a₁+l_船

其中：V₁是前船行驶速度；a₁是前船制动加速度；

步骤B，船舶制动加速度分析：

B-1，后船的船舶制动加速度由下式获得：

$a=\frac{P/V+k_1{V}^2+k_2{V}^2}{m}=f\left(V\right)$

式中：P是船舶功率，m是船舶质量，k₁、k₂分别为风荷载、水流力相应 的系数；

B-2，按照步骤B-1的公式获得前船的船舶制动加速度；

步骤C，建立船舶领域计算模型：

$a_2=\frac{P+k_1{V_{\max }}^2+k_2{V_{\max }}^2}{m};$

其中，L_max是船舶领域的最大值，即船舶航行的安全距离，V_max是船舶行驶 速度的最大值，a₂是船舶行驶速度最大时的船舶制动加速度；

步骤D，将数值代入船舶领域模型计算：

按照《港口工程荷载规范》进行相关参数取值，连同具体的船速和相应的船 舶尺寸，代入步骤C建立的船舶领域计算模型，得到具体的船舶领域取值范围。

进一步的，本发明的一种内河船舶航行安全距离的计算方法的步骤B中的风 荷载、水流力的相应系数k₁、k₂的计算方法分别如下：

k₁＝10^{(-0.107+0.621logDW-5)}*49.0*ζ；

k₂＝(0.046Re^-0.134+b)*ρ/2*(1.7l_船D+C_bl_船B)；

其中，DW是船舶载重量(t)，ζ是风压不均匀折减系数，Re是水流对船 舶作用的雷诺系数，b是系数，ρ是水的密度，D是船舶吃水深度(m)，C_b是 船舶方形系数，B是船舶宽度(m)。

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：

(1)由于内河船舶交通与道路交通具有一定相似性，而道路交通的研究较 为成熟，因此借鉴道路交通工程的经验非常有益。以道路交通工程中停车视距为 基础，推导出内河船舶交通中停船视距的模型，本身就是基于航行安全而提出的。

(2)本发明分别建立了未考虑和考虑前船制动距离的停船视距模型，未考 虑前船制动距离时，所计算的船舶领域偏于安全，考虑前船制动距离时，则能与 目前推荐的内河船舶领域的取值相吻合，因此本发明可应用的范围较广。

(3)本发明可根据船舶的航速、相关尺寸及载重来具体计算当前船舶的船 舶领域。以往船舶领域模型的具体取值都是基于对大量的实测和试验资料的分析 计算得到，实测和试验资料的获得需耗费大量的人力物力，本发明大大减少了对 实测资料的依赖，且能根据航道中船舶的具体航行状况来分别进行取值，方便使 用，并可做到具体问题具体分析。

附图说明

图1是船舶的受力情况示意图；

图2是船舶领域的示意图。

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：

(1)建立停船视距模型

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：

S＝S₀+S₁+S₂           (1)

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l_船；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：

S₁＝Vt                (2)

S₂＝V²/2a             (3)

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。

将式(2)、(3)代入式(1)，可得：

S＝Vt+V²/2a+l_船       (4)

(2)船舶制动加速度分析

船舶在静水中航行时，风荷载水流相对于船舶以船速V运动，且船舶所受 到的风荷载和水流力与航行方向相反，船舶的受力情况详见图1，据船舶受力分 析，船舶制动加速度为：

$a=\frac{F+f_1+f_2}{m}---\left(5\right)$

式中：F是船舶制动力，f₁是风荷载，f₂是水流力，m是船舶质量。其中各 项又可以表示为：

F＝P/V                (6)

f₁＝k₁V²              (7)

f₂＝k₂V²              (8)

式中：P是船舶功率；V是后船初始行驶速度；k₁、k₂分别为风荷载、水流 力相应的系数。

将式(6)、(7)、(8)代入式(5)中整理得：

$a=\frac{P/V+k_1{V}^2+k_2{V}^2}{m}=f\left(V\right)---\left(9\right)$

根据《港口工程荷载规范》，风荷载、水流力计算分别如下：

f₁＝49.0*10^-5*A*V²*ζ                        (10)

logA＝-0.107+0.621logDW                      (11)

式中：A是船体水面以上受风面积(m²)；ζ是风压不均匀折减系数。DW 是船舶载重量(t)。

由式(10)、式(11)得到相应的风荷载系数为：

k₁＝10^{(-0.107+0.621logDW-5)}*49.0*ζ          (12)

又根据水流力：

f₂＝Cyc*ρ/2*V²*S′                          (13)

C＝0.046Re^-0.134+b                           (14)

$\mathrm{Re}=\frac{V^{\prime }{L}^{\prime }}{v}---\left(15\right)$

S′＝1.7l_船D+C_bl_船B                          (16)

式中：C_yc是水流力纵向分力系数；ρ是水的密度；S′是船舶吃水线以下表 面积。Re是水流对船舶作用的雷诺系数；b是系数；V′是水流速度；L′是船舶 吃水线长度；v是水的运动粘滞力系数；l_船是船舶长度；D是船舶吃水；B是 船舶宽度；C_b是船舶方形系数。

故相应的水流力系数为：

k₂＝(0.046Re^-0.134+b)*ρ/2*(1.7l_船D+C_bl_船B)  (17)

(3)船舶领域理论分析

根据定义，船舶领域长度L由船舶停船视距及船长组成，具体可表示为：

L＝S+l_船                                     (18)

在最大停船视距的计算中，后船制动距离的计算尤为关键。将式(5)代入 式(3)中，得：

$S_2=\frac{V^3}{2*\frac{P+k_1{V}^3+k_2{V}^3}{m}}---\left(19\right)$

对船速进行求导运算

${S_2}^{\prime }=\frac{m}{2}*\frac{{3V}^2*P}{{(P+k_1{V}^3+k_2{V}^3)}^2}---\left(20\right)$

显然，S₂′恒大于0，S₂是关于船速V的增函数，随着船速的增大，船舶制 动距离随之增大，最大停船视距相应增大。由式(2)知，S₁也是关于船速V的 增函数，因此船舶领域L是关于船速V的增函数。最大制动距离为：

$S_{2\max }=\frac{{V_{\max }}^3}{2*\frac{P+k_1{V_{\max }}^3+k_2{V_{\max }}^3}{m}}=\frac{{V_{\max }}^2}{{2a}_2}---\left(21\right)$

将式(21)代入式(4)，可得船舶领域的最大值L_max：

(4)分析计算

以上模型的建立是在不考虑前船制动距离的基础上分析得到的，使得船舶领 域长轴的计算值偏于安全。若适当考虑前船的制动距离S₃，求得的船舶领域长 轴的取值会相应减少，且减少的值即为前船的制动距离。考虑前船制动距离后的 停船视距为：

S＝Vt+V²/2a+l_船-S₃              (23)

S₃＝V₁²/2a₁                     (24)

将式(24)代入式(23)，可得：

S＝Vt+V²/2a-V₁²/2a₁+L_船         (25)

式中：V₁是前船行驶速度；a₁是前船制动加速度。

假定前后船初始行驶速度相同，则有：

S＝Vt+V²/2a-V²/2a₁+l_船          (26)

对于式(26)可以按以下几种情况分别加以讨论：

(1)前船的制动加速度小于后船的加速度时，两船永远不会相撞，不予考虑。

(2)前后船的制动加速度相同时，此时所需视距最小：

S_min＝Vt+l_船                    (27)

(3)前船的制动加速度大于后船的加速度时，此时所需视距最大。可以分别考 虑前船的制动加速度为后船的2倍、3倍、4倍时，船舶领域长轴的取值 范围的变化，如图2所示。

在计算时，相关参数按照《港口工程荷载规范》进行取值，连同具体的船速 和相应的船舶尺寸，代入船舶领域计算模型，即可得到具体的船舶领域取值范围。

分别计算500吨级、1000吨级、2000吨级、3000吨级、5000吨、15000 吨级和20000吨级进江海船相应的船舶领域，其取值范围为3.5～5倍船长。分 别考虑前船制动加速度为前船的2倍、3倍、4倍，船舶领域取值范围分别为 2.8～3.6倍船长、3.0～4.1倍船长、3.2～4.3倍船长。特别的，当前船加速度取为 后船加速的3倍时，船舶领域的取值与内河船舶领域模型提出的进江海船船舶领 域推荐值3～4倍船长一致。前船加速度进一步增大时，船舶领域取值增幅不明 显。

下面针对长江下游航道船舶的具体运行状况，给出本发明提出的内河船舶领 域的计算方法：

(1)建立停船视距模型

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，船舶航行静水速度为2～10m/s。

不考虑前船制动距离的停船视距模型为：

S＝Vt+V²/2a+l_船                 (4)

考虑前船制动距离的时，最大停船视距模型为：

S＝Vt+V²/2a-V²/2a₁+l_船          (26)

(2)船舶制动加速度分析

$a=\frac{P/V+k_1{V}^2+k_2{V}^2}{m}=f\left(V\right)---\left(9\right)$

(3)建立船舶领域模型

(4)代入数值计算

长江下游，航道条件优良，船舶静水航速在2～10m/s区间内。

将船舶相关尺寸代入式(12)、式(17)中，并按《港口工程荷载规范》对 相关参数取值可分别得到风荷载系数和水流力系数。将系数和船舶的具体航速代 入式(9)可得船舶制动加速度值。最后将求得的船舶制动加速度值及船速代入 式(22)即可得相应的船舶领域。

本发明的工作原理：提出了航道中对应于道路交通工程中停车视距概念的停 船视距，并建立停车视距的模型；从受力分析的角度对船舶制动加速度进行推导， 船舶制动加速度关于船速的关系式；建立船舶领域模型。

本发明从停船视距的角度建立内河船舶领域模型，可根据航道条件和船舶运 行状况进行具体计算取值。

由于道路交通工程的研究比较成熟，本发明借鉴道路工程中的经验大有裨 益。以道路交通工程中的停车视距为基础，基于前船刹车前后船之间必须保持的 安全距离，建立航道中停船视距的模型，并可基于是否考虑前车制动距离分别建 立不同的停船视距模型。

本发明建立船舶领域模型，针对不同的航道条件和船舶运行状况，可求得船 舶领域具体取值。