CN106354953A - 基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，该方法包括如下步骤：获取吊拖船队和限制性航道顺直航段参数信息；分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在运动过程中的等效船长和等效船宽；根据吊拖船队等效船长、等效船宽和船队航行偏航角确定航迹带宽度；确定吊拖船队与航道边界的安全附加距离，并与航迹带宽度相加得到航道宽度。与现有技术相比，本发明结果可靠、符合航道建设实践，对以吊拖船队为代表船型的限制性航道建设有一定的指导性作用。

Description

基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法

技术领域

本发明涉及一种航道宽度确定方法，尤其是涉及一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法。

背景技术

限制性航道是指由于水面狭窄、断面系数小等原因，对船舶航行有明显的限制作用的航道，包括运河、通航渠道、狭窄的设闸航道、水网地区的狭窄航道，以及具有上述特征的滩险航道等。在我国，运河作为一种典型的限制性航道对内河航运起着至关重要的作用，而吊拖船队是运河一种重要的代表船型，支撑着运河航运的平稳健康发展。

目前，对于限制性航道顺直航段的航道宽度确定方法有：一是以我国《内河通航标准》为依据，《内河通航标准》中提出了限制性航道的技术尺度与相应的代表船舶(队)，但对以吊拖船队为代表船型的运河类限制性航道的通航技术尺度内容尚不完善。二是以交通部颁布实施的《运河通航标准》为依据，但《运河通航标准》总体上比较原则，对以吊拖船队为代表船型的限制性航道技术尺度未做出明确规定，这使得以吊拖船队为代表船型的运河类限制性航道的建设、规划和整治缺少设计依据。因此，迫切需要研究适合我国运河航道建设的限制性航道顺直航段航道宽度的计算方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取吊拖船队和限制性航道顺直航段参数信息；

(2)分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在运动过程中的等效船长L_b和等效船宽B_b；

(3)计算航迹带宽度，对于单线航道，单线航道航迹带宽度B₁＝B_b+L_b·sinα，对于双线航道，双线航迹带宽度B₂＝(2B_b+C)·cosα+L_b·sinα，其中α为吊拖船队航行偏航角，C为顺直航段船队会船时的安全富裕值；

(4)确定吊拖船队与航道边界的安全附加距离X，并与航迹带宽度相加得到航道宽度。

步骤(2)中等效船长L_b通过下式得到：

L_b＝0.9L+0.05b；

其中，L为吊拖船队船长，单位为m，b为吊拖船队船长，单位为m。

步骤(2)中等效船宽B_b通过下式得到：

B_b＝0.0109L+b；

其中，L为吊拖船队船长，单位为m，b为吊拖船队船长，单位为m。

步骤(3)中顺直航段船队会船时的安全富裕值C具体为：

C＝0.75b

其中，b为吊拖船队船长，单位为m。

步骤(4)中安全附加距离具体为：

对于单线航道，安全附加距离X＝0.01B₁，对于双线航道，安全附加距离X＝0.01B₂，其中，B₁单线航道航迹带宽度，B₂双线航道航迹带宽度，B₁和B₂单位均为m。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的方法可定量确定航道宽度，计算结果误差较小，符合航道建设实践，对以吊拖船队为代表船型的限制性航道建设有一定的指导性作用；

(2)本发明通过对吊拖船队运动状态进行分析，得到吊拖船队在运动过程中等效船宽和等效船宽，从而使得计算的航迹带宽度更加符合实际吊拖船队的运动状态需求，进而提高航道宽度计算结果的准确度；

(3)本发明安全距离考虑多方面因素，包括拖船队与航道边界的安全附加距离、顺直航段吊拖船队会船时的安全富裕值，从而给出足够的安全距离，提高计算结果实施的可靠性。

附图说明

图1为本发明基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法的流程框图。

图2为吊拖船队通过顺直航段运动状态分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：获取吊拖船队和限制性航道顺直航段参数信息，包括吊拖船队最大船宽b、吊拖船队船长L和顺直航段航道宽度B等参数信息。

步骤S2：分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在运动过程中的等效船长和等效船宽。

具体地，船队在航道上行驶时，受风、流等自然条件及航道断面、助航设施、船舶操纵性和人为因素的影响，其航行轨迹会在航道中线左右摆动，呈蛇行状前进，很难与航道轴线始终保持绝对一致，船舶的纵轴线与航迹线间会形成一定夹角，即船舶航行偏航角。对于吊拖船队，以所通过顺直航段时的航迹带在航宽方向的投影与航道富裕宽度之和作为船队通过该航段所需要的航宽。需要指出的是，船队在顺直河段中航行的时候，也会出现局部转向的情况(如避让)，由于拖带船队是软式系接，船队尺度较长，转舵时会出现队形弯曲的情况。

对于拖带船队，在顺直河段航行时，由于其结构为软式系接，且船队尺度较长，在转舵时会出现一定的队形弯曲现象。为简化研究，如图2所示，将吊拖船队等效为外形包络为ABCD的单船，其长度为船型等效长度L_b、宽度为船型等效宽度B_b；Q_p为线段Q_LP_b与直线CD的交点，弯曲角θ为线段k₁P_b与k₂P_b所夹的角度，θ₁为线段K₁P_b与Q_LP_b所夹的角度，θ₂为线段K₂P_b与Q_LP_b所夹的角度。设船队的长度为L，即图中k₁和k₂两点之间的弧长，船队宽度为b，此时为求得等效单船的宽度根据三角形面积公式有：

$\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{k_1{k}_2}\·\stackrel{\‾}{Q_P{P}_b}=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{P_b{k}_1}\·\stackrel{\‾}{P_b{k}_2}\·sin\mathrm{\θ},$

又有：

$\stackrel{\‾}{Q_P{P}_b}=rcos\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)=rcos\left(\frac{\frac{L}{2}}{r+\frac{b}{2}}\right)=rcos\left(\frac{L}{2r+b}\right),$

式中，

$r=\stackrel{\‾}{k_1{P}_b}=\stackrel{\‾}{k_2{P}_b},$

进而得到：

$B_b=\stackrel{\‾}{AC}=r-Q_p{P}_b+b=2r{\sin }^2\left(\frac{L}{4r+2b}\right)+b,$

同理可求得：

$L_b=\stackrel{\‾}{AB}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{Ck}}_1}+\stackrel{\‾}{k_1{k}_2}+\stackrel{\‾}{k_{2}D}=2(r+b)sin\left(\frac{L}{2r+b}\right),$

根据航海实践和实船试验可知，吊拖船队在顺直段航行，队形弯曲后船队长度所形成的弯曲角θ约为5°，则有：

$\frac{L}{r+0.5b}=\frac{\mathrm{\π}}{36},$

即：

$r=\frac{(36L-0.5\mathrm{\π}b)}{\mathrm{\π}},$

对上述公式进行简化处理，可得：

B_b＝0.0109L+b，

L_b＝0.9L+0.05b，

其中，L为吊拖船队船长，单位为m，b为吊拖船队船长，单位为m。

步骤S3：计算航迹带宽度，对于单线航道，单线航道航迹带宽度B₁＝B_b+L_b·sinα，对于双线航道，双线航迹带宽度B₂＝(2B_b+C)·cosα+L_b·sinα，其中B_b为吊拖船队等效船宽，L_b为吊拖船队等效船长，α为吊拖船队航行偏航角，C为顺直河段船队会船时的安全富裕值。

步骤S4：确定吊拖船队与航道边界的安全附加距离X，并与航迹带宽度相加得到航道宽度。其中，安全附加距离具体为：

对于单线航道，安全附加距离X＝0.01B₁；对于双线航道，安全附加距离X＝0.01B₂，其中，B₁单线航道航迹带宽度，B₂双线航道航迹带宽度，B₁和B₂单位均为m。

为了验证本发明的正确性、可行性，进行了实船试验，获取试验的限制性航道顺直航段以及吊拖船队的参数信息，如表1所示，该试验的限制性航道等级为三级航道，航道建设标准为双线通航航道宽度60m，即可通航航道宽度为60米，航道曲率半径480m。采用本发明的方法进行顺直航段航道宽度的确定，若建设单线航道，单线航道宽度结果如表2所示，若建设双线航道，双线航道宽度结果如表3所示，可以看出本发明提出的航道宽度计算方法得出的结果均在实际可通航航道宽度范围内，满足实际通航需求，本发明的航道计算是通过分析吊拖船队运动状态来定量确定吊拖船队在运动过程中的等效船长L_b和等效船宽B_b，进而得到的航道宽度计算值精确可靠。在实船试验中，采用GPS实时位置测量，利用计算机处理制作形成船队1～船队6在试验航道上的航行轨迹图，由此测量得到的吊拖船队通过顺直航段1和顺直航段2所需的单、双线航道宽度均与本发明方法的计算结果相符，表明本发明符合航行实践和航道实际运营情况。

表1参数信息

表2本发明方法计算的单线航道建设宽度

表3本发明方法计算的双线航道建设宽度

为了进一步验证本发明方法的正确性，运用内河通航标准(GB50139-2014)的规定计算代表船队所需航道宽度，以表1中的顺直航段1为例，同时以表1中的6个船队来计算所需建设航道宽度，计算结果如表4所示，从表中可以看出，对于双线航道，计算值均大于现有的可通航航道宽度(60m)，计算值偏大，而通过实船试验表明，可通航航道宽度60m已经满足了吊拖船队双线安全航行的需求，因而可以看出运用内河通航标准(GB50139-2014)的规定计算出的航道宽度不适用于实际应用，进一步说明了本发明方法的正确性。

表4内河通航标准(GB50139-2014)的规定计算的航道宽度

Claims (5)

1.一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)获取吊拖船队和限制性航道顺直航段参数信息；

(2)分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在运动过程中的等效船长L_b和等效船宽B_b；

(3)计算航迹带宽度，对于单线航道，单线航道航迹带宽度B₁＝B_b+L_b·sinα，对于双线航道，双线航迹带宽度B₂＝(2B_b+C)·cosα+L_b·sinα，其中α为吊拖船队航行偏航角，C为顺直航段船队会船时的安全富裕值；

(4)确定吊拖船队与航道边界的安全附加距离X，并与航迹带宽度相加得到航道宽度。

2.根据权利要求1所述的一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，其特征在于，步骤(2)中等效船长L_b通过下式得到：

L_b＝0.9L+0.05b；

其中，L为吊拖船队船长，单位为m，b为吊拖船队船长，单位为m。

3.根据权利要求1所述的一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，其特征在于，步骤(2)中等效船宽B_b通过下式得到：

B_b＝0.0109L+b；

其中，L为吊拖船队船长，单位为m，b为吊拖船队船长，单位为m。

4.根据权利要求1所述的一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，其特征在于，步骤(3)中顺直航段船队会船时的安全富裕值C具体为：

C＝0.75b

其中，b为吊拖船队船长，单位为m。

5.根据权利要求1所述的一种基于吊拖船队的限制性航道顺直航段航道宽度确定方法，其特征在于，步骤(4)中安全附加距离具体为：

对于单线航道，安全附加距离X＝0.01B₁，对于双线航道，安全附加距离X＝0.01B₂，其中，B₁单线航道航迹带宽度，B₂双线航道航迹带宽度，B₁和B₂单位均为m。