CN104099918A - 一种闸室综合利用率的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闸室综合利用率的评价方法，基于闸室有效面积利用率，结合闸室水深，建立闸室有效体积利用率的模型，将闸室有效体积利用率作为评价闸室综合利用率的指标。闸室有效体积利用率作为体现船闸运行中闸室利用程度的参数，反映了航道上的船舶组成结构及船闸运行、调度和管理的现状，是计算一次过闸船舶总吨位的关键参数。本发明提出的闸室有效体积利用率，充分考虑了船闸三维空间上的利用效率，可为船闸调度、运行提供重要的依据，能在水上交通工程中获得较广泛的应用。

Description

一种闸室综合利用率的评价方法

技术领域

本发明涉及一种闸室综合利用率的评价方法，属于船闸通过能力领域。

背景技术

闸室利用率作为体现船闸运行中闸室利用程度的参数，涉及过闸船舶尺度、闸室尺度和船舶标准化程度，还与船舶到达的统计分布以及船闸的繁忙程度等有关，反映了航道(段)上的船舶组成结构及船闸运行、调度和管理的现状，是计算一次过闸船舶总吨位的关键参数，在船闸通过能力计算中具有重要意义。

自闸室利用率概念提出到现在，一直被认为是反映闸室利用程度的重要参数，不少学者对其进行了研究分析，但现阶段大多推荐采用闸室有效面积利用率作为闸室利用率的代表参数。然而，该参数仅仅考虑到闸室平面尺度上的利用效率，在表示涉及闸室水深利用率的闸室综合利用程度上存在一定局限性。

因此，根据船闸尺度与过闸船舶条件之间的关系，发明一种新的闸室利用效率的评价方法是目前船闸通过能力计算的当务之急，是确定闸室利用效率、船闸通过能力的重要依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种闸室综合利用率的评价方法，基于闸室有效面积利用率，结合闸室水深，提出闸室有效体积利用率这一概念，作为评价闸室综合利用率的参数；通过理论分析和实例计算的方法，确定闸室有效体积利用率参数的特点并验证其实用价值。本发明提出了评价闸室利用率的新方法——闸室有效体积利用率，弥补了闸室有效面积利用率未涉及水深方向闸室利用效率的缺陷，可为船闸调度、运行提供重要的依据。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种闸室综合利用率的评价方法，基于闸室有效面积利用率，结合闸室水深，建立闸室有效体积利用率的模型，将闸室有效体积利用率作为评价闸室综合利用率的指标；其具体步骤为：

(1)定义闸室有效面积利用率，其表达式如下

${\mathrm{\λ}}_A=\frac{S^{\′}}{S}---\left(1\right)$

式中，λ_A为闸室有效面积利用率；S为闸室有效面积，即闸室总面积与镇静段面积之差；S'为一次过闸的船舶总面积；

(2)定义闸室有效体积利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}---\left(2\right)$

V＝S×H         (3)

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j---\left(4\right)$

式中，λ_V为闸室有效体积利用率；V为闸室有效体积；V'为一次过闸的船舶吃水总体积；H为闸室槛上设计水深；m为一次过闸船舶总艘数，S′_j为一次过闸的第j艘船舶面积；T_j为一次过闸的第j艘船舶的吃水深度；所述船舶面积为船舶在闸室水面的最大矩形投影面积，即为船舶总长与总宽之积，代表船舶所占水域的最大范围；

(3)采用虚拟代表船型为实际复杂船舶的代表，从而将公式(4)改写为：

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j=S^{\′}\×T---\left(5\right)$

式中，T为虚拟代表船型的吃水深度；

(4)定义闸室水深利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{T}{H}---\left(6\right)$

(5)由表达式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)推导出闸室有效体积利用率的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}=\frac{S^{\′}\×T}{S\×H}=\frac{S^{\′}}{S}\×\frac{T}{H}={\mathrm{\λ}}_A\×{\mathrm{\λ}}_H;$

从而建立基于闸室有效面积利用率和闸室水深利用率的闸室有效体积利用率的模型，实现对闸室综合利用率的评价。

其中，所述虚拟代表船型为根据实际或设计船舶及其艘数比重进行加权平均后的统计平均船型，其吨位为反映该虚拟代表船型特征的关键参数，由各设计船舶分级统计得其表达式如下：

$g_d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{si}}\×g_i$

式中，g_d为虚拟代表船型吨位；P_si为第i级船型占全年的艘数比；n为船舶分级总级数；g_i为第i级船型平均吨位。

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)本发明对闸室水深利用率方面进行了补充，充分考虑船闸三维空间上的利用效率，提出评价闸室综合利用程度的方法；

(2)本发明从虚拟代表船型的尺度出发，推导分析了闸室有效体积利用率与闸室有效面积利用率及水深利用率的关系表达式，可以用来计算一般情况下的闸室综合利用效率，进而还可以确定船闸一次过闸船舶总吨位。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明设计一种闸室综合利用率的评价方法，基于闸室有效面积利用率，结合闸室水深，建立闸室有效体积利用率的模型，将闸室有效体积利用率作为评价闸室综合利用率的指标；其具体步骤为：

(1)定义闸室有效面积利用率，其表达式如下

${\mathrm{\λ}}_A=\frac{S^{\′}}{S}---\left(1\right)$

式中，λ_A为闸室有效面积利用率；S为闸室有效面积，即闸室总面积与镇静段面积之差；S'为一次过闸的船舶总面积；

(2)定义闸室有效体积利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}---\left(2\right)$

V＝S×H         (3)

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j---\left(4\right)$

式中，λ_V为闸室有效体积利用率；V为闸室有效体积；V'为一次过闸的船舶吃水总体积；H为闸室槛上设计水深；m为一次过闸船舶总艘数，S′_j为一次过闸的第j艘船舶面积；T_j为一次过闸的第j艘船舶的吃水深度；

(3)采用虚拟代表船型为实际复杂船舶的代表，从而将公式(4)改写为：

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j=S^{\′}\×T---\left(5\right)$

式中，T为虚拟代表船型的吃水深度；

(4)定义闸室水深利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{T}{H}---\left(6\right)$

(5)由表达式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)推导出闸室有效体积利用率的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}=\frac{S^{\′}\×T}{S\×H}=\frac{S^{\′}}{S}\×\frac{T}{H}={\mathrm{\λ}}_A\×{\mathrm{\λ}}_H;$

从而建立基于闸室有效面积利用率和闸室水深利用率的闸室有效体积利用率的模型，实现对闸室综合利用率的评价。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，本实施例中以京杭运河宝应船闸为例。

根据虚拟代表船型的概念，虚拟代表船型即为船闸运行中过闸船舶加权平均后的船型。参考内河通航标准船型，即可以确定京杭运河宝应船闸运行中的过闸代表船型，如表1所示。

表1 内河通航标准船型—驳船代表船型尺度

通常情况下闸室有效面积的利用程度，即可看为船闸运行中较为常见的闸室有效面积利用率。一般来说，闸室有效面积利用率可以根据船闸的多年统计资料，取平均值来确定。本实施例中，根据江苏多年的京杭运河宝应船闸统计资料，京杭运河宝应船闸的闸室有效面积利用率为多年统计结果的平均值，即λ_A＝0.55。

根据闸室有效体积利用率的表达式即可计算出京杭运河宝应船闸运行中通过不同船型时的闸室体积利用率，具体计算结果详见表2，用以作为京杭运河宝应船闸的闸室综合利用率的评价指标。

在实际应用中，闸室利用程度的差异是造成一次过闸船舶总吨位不同的关键因素，是表征船闸运行效率的主要参数，该参数最重要意义在于计算一次过闸船舶总吨位。因此，有必要将闸室有效体积利用率这一参数应用于一次过闸船舶总吨位计算中。

本发明中，虚拟代表船型为根据实际或设计船舶及其艘数比重进行加权平均后的统计平均船型，其吨位为反映该虚拟代表船型特征的关键参数，由各设计船舶分级统计得其表达式如下：

$g_d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{si}}\×g_i---\left(7\right)$

式中，g_d为虚拟代表船型吨位；P_si为第i级船型占全年的艘数比；n为船舶分级总级数；g_i为第i级船型平均吨位。

统计发现内河运输船舶的吨位与面积之间具有显著的相关性，故实际应用中，借助船舶吨位与面积之间的关系S(g)，依据现阶段船舶吨位或预测吨位，可以方便地确定过闸虚拟代表船型的平均面积，有效地回避过闸设计船型的选取及其组合等不确定性因素，保证计算的连续性、合理性。

根据现阶段使用的一次过闸船舶总吨位的表达式为

$G=\frac{S\×{\mathrm{\λ}}_A}{S\left(g_d\right)}\×g_d---\left(8\right)$

式中：G为一次过闸船舶的总吨位；λ_A为闸室有效面积利用率；S为闸室有效面积；g_d为虚拟代表船型吨位；S(g_d)为过闸的虚拟代表船型的面积，由函数S(g)和g_d确定。

同时，由过闸的虚拟代表船型的面积S(g_d)可以推导得出，虚拟代表船型吃水体积V_d的表达式，即：V_d＝S(g_d)×T。

结合闸室有效水深利用率和闸室有效体积利用率，将表达式(8)做如下变换，即将一次过闸船舶总吨位的表达式改写为以闸室有效体积利用率为参量的表达形式：

$\begin{array}{c}G=\frac{S\×{\mathrm{\λ}}_A}{S\left(g_d\right)}\×g_d\\ =\frac{S\×H}{S\left(g_d\right)\×T}\×{\mathrm{\λ}}_A\×g_d\×\frac{T}{H}\\ =\frac{V}{V_d}\×{\mathrm{\λ}}_A\×g_d\×{\mathrm{\λ}}_H\\ =\frac{V}{V_d}\×g_d\×{\mathrm{\λ}}_v\end{array}---\left(9\right)$

依据公式(9)，计算本实施例中京杭运河宝应船闸的一次过闸船舶总吨位，具体计算结果详见表2。

表2 宝应船闸通过不同船舶吨级时的一次过闸总吨位

从表2可以发现，在闸室有效面积利用率相同的情况下，随着闸室体积利用率的不同，一次过闸船舶总吨位变化明显。

上述结果表明，利用闸室有效体积利用率这一参数，可以较好地反映闸室利用程度对一次过闸总吨位的影响。因此，在实际应用中，推荐使用本发明提出的公式进行一次过闸吨位计算，特别地，闸室有效体积利用率这一概念具有较大的实用价值，应加以推广使用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种闸室综合利用率的评价方法，其特征在于，基于闸室有效面积利用率，结合闸室水深，建立闸室有效体积利用率的模型，将闸室有效体积利用率作为评价闸室综合利用率的指标；其具体步骤为：

(1)定义闸室有效面积利用率，其表达式如下

${\mathrm{\λ}}_A=\frac{S^{\′}}{S}---\left(1\right)$

式中，λ_A为闸室有效面积利用率；S为闸室有效面积，即闸室总面积与镇静段面积之差；S'为一次过闸的船舶总面积；

(2)定义闸室有效体积利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}---\left(2\right)$

V＝S×H       (3)

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j---\left(4\right)$

式中，λ_V为闸室有效体积利用率；V为闸室有效体积；V'为一次过闸的船舶吃水总体积；H为闸室槛上设计水深；m为一次过闸船舶总艘数，S′_j为一次过闸的第j艘船舶面积；T_j为一次过闸的第j艘船舶的吃水深度；

(3)采用虚拟代表船型为实际复杂船舶的代表，从而将公式(4)改写为：

$V^{\′}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j^{\′}\×T_j=S^{\′}\×T---\left(5\right)$

式中，T为虚拟代表船型的吃水深度；

(4)定义闸室水深利用率，其表达式如下：

${\mathrm{\λ}}_H=\frac{T}{H}---\left(6\right)$

(5)由表达式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)推导出闸室有效体积利用率的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V^{\′}}{V}=\frac{S^{\′}\×T}{S\×H}=\frac{S^{\′}}{S}\×\frac{T}{H}={\mathrm{\λ}}_A\×{\mathrm{\λ}}_H;$

从而建立基于闸室有效面积利用率和闸室水深利用率的闸室有效体积利用率的模型，实现对闸室综合利用率的评价。

2.根据权利要求1所述的一种闸室综合利用率的评价方法，其特征在于，所述虚拟代表船型为根据实际或设计船舶及其艘数比重进行加权平均后的统计平均船型，其吨位为反映该虚拟代表船型特征的关键参数，由各设计船舶分级统计得其表达式如下：

$g_d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{si}}\×g_i$

式中，g_d为虚拟代表船型吨位；P_si为第i级船型占全年的艘数比；n为船舶分级总级数；g_i为第i级船型平均吨位。

3.根据权利要求1所述的一种闸室综合利用率的评价方法，其特征在于，所述船舶面积为船舶在闸室水面的最大矩形投影面积，即为船舶总长与总宽之积，代表船舶所占水域的最大范围。