浅述航道通过能力的系统仿真.doc

浅述航道通过能力的系统仿真浅述航道通过能力的系统仿真（ ）引言港口航道通过能力是反映港口航道适航程度的一项重要指标，也是度量航道疏导船舶能力的尺度，其大小直接影响整个港口吞吐能力和航道服务水平的发挥。当航道上的运输量接近航道通过能力时，船舶流中的间隙逐渐减小；当达到饱和时，不再有可利用间隙，一旦产生意外干扰，就会发生拥挤，造成交通阻塞。随着大型船舶和超大型船舶的不断发展，许多政府规划人员和港口管理人员不得不对现有通航设施重新进行评估，以充分利用现有航道资源，提高生产效率和营运效益，这些实际生产需要也促进了有关航道研究的发展。从海上交通及船舶工程的角度出发，众多学者就如何科学有效地评价和评定现有航道的通航能力展开了孜孜不倦的研究，其研究途径基本分为理论计算和船舶试验两种，虽然船舶试验更为客观且与真实情况比较接近，但实船及船模试验的实行都需要前期的大量理论测算为基础，可以说，理论计算式这一领域研究工作的根本基础。1. 航道通过能力的概念1.1 理论通过能力航道理论通过能力是指航道条件和交通状况都处于理想状态下，由技术性能相同的一种标准船舶，以最小的船舶间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内通过航道某个断面的最大船舶数。航道理论通过能力在实际上并不存在，而是为了简化研究对象抽象出来的一种理想情况。1.2 可能通过能力航道可能通过能力是指在现有的航道条件和交通状态下，航道断面在单位时间内的最大交通量，实际上是指航道所能承担的最大交通量。航道可能通过能力要小于理论通过能力。航道理论通过能力是在理想条件下得到的，要结合实际的航道状况进行修正。2. 研究现状2.1 理论计算方法2.1.1 经验方法2.1.1.1 德国公式亦称“西德公式”，曾在上世纪80年代于研究汉江航运开发建设时计算过通用能力。该公式的形式如下：Ww=PMNta1a2a3a4其中，Ww 是航道通过能力，以104t为单位；P是标准船队载重吨；M表示单位时间内通过的船队数量；t为全年可通航时间（h）；a1为船舶密度增大使运行阻力增加而产生的折减系数，一般上游河段去0.7，中下游河段取0.9；a2为港口工作不平衡而产生的折减系数；a3为船舶变吃水而产生的折减系数，可同a2都去0.6；a4为船舶交汇、避让使船舶减速而产生的影响系数，一般可取0.8。2.1.1.2 长江公式Ww=C31.536106WF1F2F3F4T式中：C表示上下行货运不平衡系数；W为标准船队载重吨；F1为年通航系数；F2为实际运行船队吨级不同意对通过能力的影响系数；F3为港口、航道、运行调度的运输不平衡影响系数，一般可取0.6；F4为非货运船队占用航道的影响系数，有时可取0.5；T为一个标准船队安全通过控制河段的时间（h/队）。长江公式在一定程度上借鉴了德国公式，并根据天然河流的实际情况作了某些改进。2.1.1.3 航道通过能力综合公式WB=WM0TCF2F3其中，M和C的含义根据船舶的具体情况计算2.1.1.4 基于船舶交通流的航道通过能力公式Q=MCF1F3t其中，Q是标准船舶的航道通过能力;M是单位时间内通过航道的标准船的数量。2.1.1.5 利用乘潮水位航道的通过能力公式此公式为天津水运工程科学研究所提出的：其中，P是通过能力；Pi是船舶载重吨位数；Nt是船舶数；mi是一年的有效潮汐个数；a是航道系数，单航道时a=1，双航道时a=2； k1是船形阻力系数；k2是港口影响系数；k3是不满载系数；k4是船舶交会系数；k5是客运船影响系数；k6是非标准船影响系数；n是船型数。2.1.1.6 川江航道通过能力的计算方法在80年代中期，为适应三峡工程论证的需要，有重庆长江轮船公司和长江航道局所属单位等组成课题组提出了川江航道通过能力的计算公式：其中：Q航道通过能力，以t/年或万t/年计算；N全年通航天数；ni不同船舶或船队的日均可发船密度；i不同船舶或船队的装载系数；Wi不同船舶或船队的可能载货的总吨位；因货源、港口或其他延误所形成的运输上的不均衡系数；i1、2、3分别代表大、中、小船队，4代表客货船。在应用此公式是必须注意，由于川江航道存在某些卡口河段，每天能通过多少船舶或船队是有限制的。2.1.1.7 苏南运河公式江苏省交通规划设计院和交通部原水运规划设计院在苏南运河整治工程可行性研究阶段结合苏南运河的具体情况，提出了下列公式：W=WtVt123456其中，i表示各系数。除了以上的各经验公式外，还有王宏达公式还有中交水运规划设计院闵朝斌提出的一整套计算方法等。从以上的公式可以看出，这些公式都存在大量的经验公式，而系数的取指因人而异，导致了航道通过能力计算的不规范，使计算值与实际值产生很大的偏差，且不能直观的反应航道的使用率，还没有把港口通过能力和潮汐条件等随机因素动态系统地考虑进去。2.1.2 最大偏差法在航道方面的有关研究中，一些进港航道的设计方案采用直接计算的方法，例如法国的勒阿费尔附近Antifer为了让超级油轮进入新港口，应用这种方法来选择进港航道的宽度和助航设施。他们采用了英国EASAMS有限公司研制的“最大偏差(Maximum Variation )”法。本方法估算因航行人员不能确定其所处的位置而引起船舶离开其指定航迹的最大偏差，通过书面分析，估算出船舶重新被发现并返回航道周线时的最终越轨运动。2.1.3 船舶操纵数学模型船舶操纵数学模型主要指根据作用在船舶上的水动力建立船舶运动的微分方程来描述船舶的操纵运动，其研究始于六十年代。目前主要有两类模型，一类是以Abkowitz为代表的整体性模型，一类是以日本操纵性数学模型小组为代表的MMG分离型数学模型。前者将船体、螺旋桨、舵作为一个整体来进行研究，需要大量的船模试验确定水动力参数，而且某一确定船型的试验结果难以应用到其他船型中去。而MMG模型中各项有明确的物理意义，可以比较简单的表达出作用在船体上的流体动力和螺旋桨、舵的作用以及船、桨、舵之间的相互干扰。经过多年来的研究，MMG模型在计算船体上的流体动力和螺旋桨、舵的作用方面已经提出了不少经验公式，在我国也得到了广泛应用。2.2 船舶试验方法2.2.1 物理模型试验物理模型试验，即船模、水工模型相结合的技术手段，其优点在于它可以直接观测船模在复杂地形和水力条件(如横流、不规则岸坡等)下的运动。但物理模型试验也存在一些不便于广泛应用的地方，比如耗工、耗时、费用大、因子变更不易，需要耗费较大的人力、物力，研究不同方案时耗长，存在比尺效应等问题。2.2.2 实船试验试验结果客观真实，但实验条件要求高，风险大，成本高。这一领域比较典型的研究有“兰叙段航道千t级船队通航实船试验方法及成果分析”，该项目研究对象是由四川802拖轮帮拖川甲1004号千驳组成的船队，途经兰叙段航道整治滩险30处，包括船舶过滩试验、航标通讯适航试验及试验船队拖轮主机转速和舵效测试等几方面试验内容。2.3 计算机模拟2.3.1 船舶操纵模拟器航海操纵模拟器应用于航道通航安全方面的研究，通过计算机仿真，模拟航道中航行的船舶操纵性能、航道条件及交通流特性，可以直接观测船模在复杂地形和水力条件(如横流、不规则岸坡等)下的运动或描述出各种水动力因素和船体基本的水动力特性，同时还考虑了又驾驶人员的视觉映像、仪器操纵、响应速率等引起的心理学效应，经济实用，所以这种方法正日益广泛地被应用于各种航道通过能力及通航安全的论证当中。2.3.2 离线模型离线模拟( off line simulation )，即用自动舵来代替人工操纵，根据一定的规则使程序自动根据外界环境的变化改变舵角或船速，来模拟实际船舶操纵过程。离线模拟没有人机对话过程，不能模拟操舵人员对外界影响做出反应的过程。但如果自动舵模型建立合理，离线模拟也能给出较为客观的结果，尤其对不熟悉船舶操纵者而言。这方面典型的软件有荷兰Deflt大学的SHIPM软件。2.3.3 船舶交通系统计算机模拟船舶交通系统计算机模拟实质上是一种宏观模拟，它的研究对象是交通流，包括水上交通网络模拟、水上交通流模拟和港内交通流模拟三大部分。在规划设计一个船舶交通系统或筹建船舶交通管理系统(VTS)之前需要进行研究、开发、测试与评价(Research, Development，Test&Evaluation， RDTE)，例如：通常对这种大系统中的船舶交通管理方案评价与论设计一个船舶交通系统或对某个系统运行的安全与效益进行深入的研究，仅仅用某种数学工具定量求解的难度较大，而应用计算机模拟技术可以评价、研究系统的变化过程，结合定量与定性进行分析，往往能取得较为理想的效果。3. 总结由于篇幅和能力的原因，本文只简单的就航道通过能力迄今为止所取得的成就