CN111553016A - 一种用于桥梁的通航风险评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于桥梁的通航风险评价方法建立船舶运动数学模型，基于船舶运动数学模型，将桥梁的设计尺寸、通过船型、桥梁区域风流航行条件和船舶流量作为船舶与桥梁相撞的风险因素，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型；建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准，应用船舶与桥梁相撞概率数学模型评估桥梁的通航风险。本发明可在桥梁的设计阶段对通航风险进行定量评估，以便保障桥区水域的船舶安全。

Description

一种用于桥梁的通航风险评价方法
技术领域
本发明涉及水运交通领域，特别涉及一种用于桥梁的通航风险评价方法。
背景技术
水运的基础是航道，航道作为国家重要的公益性交通基础设施，属于有限的不可再生资源。截至2018年底，全国内河航道通航里程12.71万公里，居世界第一，内河等级航道6.64万公里，其中，三级及以上航道1.35万公里，基本形成了以长江干线、西江航运干线、京杭运河、黑龙江水系、长江三角洲和珠江三角洲航道网为骨干的干支直达、江海连通的航道网。随着航道及桥梁的发展，船舶撞桥事故越来越多，事故的影响也越来越大，从通航的角度来看,桥梁的建设不仅限制了航道的通过能力,还增加了船舶的通航风险。因此，为准确把握桥区水域的通航安全状况，有必要在桥梁设计阶段就对桥梁通航设计方案进行通航风险评价，根据评价结果来优化桥梁通航设计方案，现有的一些通航风险评价方法，没有定量评价，不便于优化桥梁通航设计方案。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于桥梁的通航风险评价方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于桥梁的通航风险评价方法，建立船舶运动数学模型，基于船舶运动数学模型，将桥梁的设计尺寸、通过船型、桥梁区域风流航行条件和船舶流量作为船舶与桥梁相撞的风险因素，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型；建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准，应用船舶与桥梁相撞概率数学模型评估桥梁的通航风险。
进一步地，建立船舶的运动坐标系，取船舶上一点为运动坐标系原点，Ox轴垂直于船舶中横剖面，指向船首为正，Oy轴垂直于船舶中纵剖面，以指向右船舷为正，Oz轴垂直于水线面，指向龙骨为正，建立船舶运动数学模型如下：
Figure BDA0002499201780000011
式中，mx为船舶的x轴方向附连质量；my为船舶的y轴方向附连质量；m为船舶质量；u为船舶在x方向的速度；v为船舶在y方向的速度；r为船舶在绕z方向的转首角速度；XH为不包括惯性力的x方向船体水动力；YH为不包括惯性力的y方向船体水动力；NH为不包括惯性力的z方向船体水动力；XP为螺旋桨产生的x方向力；YP为螺旋桨产生的y方向力；NP为螺旋桨产生的绕z方向力矩；XR为船舵产生的x方向力；YR为船舵产生的y方向力；NR为船舵产生的绕z方向力矩；XWD为风产生的x方向力；YWD为风产生的y方向力；NWD为风产生的绕z方向力矩；Xc为流产生的x方向力；Yc为流产生的y方向力；Nc为流产生的绕z方向力矩；Iz为船体对z轴的转动惯量；Jz为船舶的惯性矩；
Figure BDA0002499201780000021
为船舶在x方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000022
为船舶在y方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000023
为船舶在绕z方向的转首角加速度；xc为船舶中心在x轴上的值。
进一步地，根据船舶船型尺度参数，将船舶分为大型尺度船、中型尺度船和小型尺度船三类，对建立的船舶运动模型进行修正，使船舶特性符合国际海事组织《船舶操纵性临时标准》的要求。
进一步地，采用统计分析方法和数学模型方法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。
进一步地，基于AASHTO规范算法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG；
式中，P为船舶碰撞桥梁的概率，N为年通过桥区水域的船舶数量，PG为船舶碰撞桥梁的几何概率；PA指船舶通过桥区水域时偏离正常航行路线的概率；
PA的函数表达式如下；
PA＝BR×RB×RC×RXC×RD；
式中，BR为偏航基率，RB桥位修正的系数，RC为平行于航中线的纵向流速的修正系数，RXC垂直于航中线的横向流速的修正系数，RD为船舶的交通流密度修正系数；
几何概率PG基于船舶运动数学模型及统计分析方法获得。
进一步地，通过以下方法建立几何概率PG的模型：基于船舶运动数学模型，综合风、流的作用，以仿真试验得到的船舶航迹带中心位置为均值，以试验样本计算结果为均方差，建立几何概率PG的模型。
进一步地，引入停船概率函数Fs，改进船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG×PS；
其中，PS的函数表达式为：
PS＝1-FS；
Figure BDA0002499201780000031
Figure BDA0002499201780000032
式中，PS为未能停船的概率，FS为停船概率，f(s)为停船距离的分布函数；D为停船路径距离；s为停船距离；μs为停船距离均值；σs为停船距离均方差。
进一步地，参照国际海事组织的标准船舶事故概率的评价标准，建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准。
本发明具有的优点和积极效果是：相较与目前常用的评价方法，本发明基于船舶运动数学模型对桥区水域船舶通航的影响，将桥梁的设计尺寸、通过船型、桥梁区域风流航行条件和船舶流量作为船舶与桥梁相撞的风险因素，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型；可在桥梁设计阶段就对桥梁通航设计方案进行通航风险定量评价，可根据评价结果来调整桥梁设计方案，从而优化桥梁通航设计方案，对桥梁建设的可行性进行定量分析，以便保障桥区水域的船舶通航安全。
附图说明
图1是本发明的一种船舶运动数学模型在受风速、流速作用下船舶航迹带分布示意图。
图2是本发明的一个实施例中一种通航桥孔布置图示意图。
图3是船舶经过直线水域、过渡水域和转弯水域不同情况的航道图。
图4是本发明的一个实施例中1000吨级船舶上行过4孔航迹带分布图。
图5是本发明的一个实施例中1000吨级船舶下行过6孔航迹带分布图。
图6是本发明的一个实施例中1000吨级船舶下行过8孔航迹带分布图。
图7是本发明的一个实施例中1顶16×3000吨级分节驳船上行过4孔航迹带分布图。
图8是本发明的一个实施例中1顶16×3000吨级分节驳船下行过6孔航迹带分布图。
图9是本发明的一个实施例中1顶16×3000吨级分节驳船下行过8孔航迹带分布图。
图10是本发明的一个实施例中10000吨级船舶上行过4孔航迹带分布图。
图11是本发明的一个实施例中10000吨级船舶下行过6孔航迹带分布图。
图12是本发明的一个实施例中10000吨级船舶下行过8孔航迹带分布图。
图3中，θ为航道转角或弯角。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图12，一种用于桥梁的通航风险评价方法，建立船舶运动数学模型，基于船舶运动数学模型，将桥梁的设计尺寸、通过船型、桥梁区域风流航行条件和船舶流量作为船舶与桥梁相撞的风险因素，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型；采集风险因素数据及对应船舶与桥梁相撞概率数据，对模型的待定参数进行拟合求解；建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准，应用船舶与桥梁相撞概率数学模型评估桥梁的通航风险。
其中，桥梁区域风流航行条件主要包括：船舶航行经过桥区的风力、风向及流场的参数条件。桥梁的设计尺寸主要包括：桥梁通航净高和通航净宽。通过船型是指船舶通过桥区的代表船型。船舶流量是指船舶通过桥区的年船舶通过数量。
建立船舶运动数学模型的方法可为：建立船舶的运动坐标系，取船舶上一点为运动坐标系原点，Ox轴垂直于船舶中横剖面，指向船首为正，Oy轴垂直于船舶中纵剖面，以指向右船舷为正，Oz轴垂直于水线面，指向龙骨为正，可由船舶动力学，推导建立船舶运动数学模型如下：
Figure BDA0002499201780000041
式中，mx为船舶的x轴方向附连质量；my为船舶的y轴方向附连质量；m为船舶质量；u为船舶在x方向的速度；v为船舶在y方向的速度；r为船舶在绕z方向的转首角速度；XH为不包括惯性力的x方向船体水动力；YH为不包括惯性力的y方向船体水动力；NH为不包括惯性力的z方向船体水动力；XP为螺旋桨产生的x方向力；YP为螺旋桨产生的y方向力；NP为螺旋桨产生的绕z方向力矩；XR为船舵产生的x方向力；YR为船舵产生的y方向力；NR为船舵产生的绕z方向力矩；XWD为风产生的x方向力；YWD为风产生的y方向力；NWD为风产生的绕z方向力矩；Xc为流产生的x方向力；Yc为流产生的y方向力；Nc为流产生的绕z方向力矩；Iz为船体对z轴的转动惯量；Jz为船舶的惯性矩；
Figure BDA0002499201780000051
为船舶在x方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000052
为船舶在y方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000053
为船舶在绕z方向的转首角加速度；xc为船舶中心在x轴上的值。
上述模型中的各参数的获得方法可参考如下论文：2007年天津大学硕士论文，船舶操纵运动数学模型及其在通航安全论证中应用，作者孔宪卫；该论文收录在万方和中国知网的数据库中。公众可下载查阅。
进一步地，可根据船舶船型尺度参数，比如根据船舶或船队的船长、型宽、型深等参数，将船舶分为大型尺度船、中型尺度船和小型尺度船三类，对建立的船舶运动模型进行验证或修正，使船舶特性符合国际海事组织《船舶操纵性临时标准》或《长江运输船舶操纵性衡准》的要求。
比如可根据船长，将其中90m以下的船舶定义为小型尺度船，船长90m至180m长度之间的船舶为中型尺度船，180m长度以上的船舶为大型尺度船，长度超过180米的分节驳船也定义为大型尺度船。
可结合现有技术中的统计分析方法和数学模型方法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。比如可结合现有技术中AASHTO模型、KUNZI模型等，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。
其中，AASHTO模型源自美国AASHTO《公路桥梁船撞设计指南》；KUNZI模型1998年KUNZI模型为德国的昆兹推导的船桥碰撞概率模型。
优选地，可基于AASHTO规范算法，可建立船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG；
式中，BR为偏航基率，RB桥位修正的系数，RC为平行于航中线的纵向流速的修正系数，RXC垂直于航中线的横向流速的修正系数，RD为船舶的交通流密度修正系数；
PA的函数表达式可如下；
PA＝BR×RB×RC×RXC×RD；
式中，BR为偏航基率，RB桥位修正的系数，RC为与航中线平行纵向流速的修正系数，RXC垂直于航中线横向流速的修正系数，RD为船舶的交通流密度修正系数。
可通过采集实际船舶数据，并通过实测资料利用拟合算法对上述的参数进行求解，也可通过以下方法确定。
其中为偏航基率BR的获得方法为：根据事故资料统计，在船舶为单船时为0.6×10-4，在船舶为船队时为1.2×10-4。
请参见图3，桥位修正的系数RB的获得方法为：位于直线水域的桥梁取值为1.0，位于过渡水域中的桥梁取值为1+θ/90，位于转弯水域的桥梁取值为1+θ/45，其中θ为转角或弯角。
与航中线平行纵向流速的修正系数RC的获得方法为：RC＝1+Vc/19，Vc为平行于航中线方向的水流速度分量。
垂直于航中线横向流速的修正系数RXC的获得方法为：RXC＝1+0.54Vxc，Vxc为垂直于航中线方向的水流速度分量。
船舶的交通流密度修正系数RD的获得方法为：低交通密度即船舶彼此很少相会、通过或赶超时RD＝1，平均交通密度即船舶彼此有时相会、通过或赶超RD＝1.3，高交通密度，船舶彼此经常相会、通过或赶超时RD＝1.6。
船舶碰撞桥梁的几何概率PG可基于船舶运动数学模型及统计分析方法获得。
可通过以下方法建立几何概率PG的模型：基于船舶运动数学模型，综合风、流的作用，即综合风力、水流的作用，以仿真试验得到的船舶航迹带中心位置为均值，以试验样本计算结果为均方差，建立几何概率PG的模型。几何概率PG在横风、横流等自然条件的影响下，船舶航迹带正态分布的中心并不位于航道中心线上，本发明通过建立船舶操纵数学模型，综合考虑风、流等环境条件的影响，可通过模拟试验，模拟不同风力和水流速度条件下的船舶航迹。从而得到船舶航迹带分布，该分布是以试验的船舶航迹带中心位置为均值，以试验的样本计算结果为均方差的几何概率模型，对该航迹的正态分布在桥墩的距离上进行积分，可得到几何概率PG。
例如可对某一桥梁通航孔进行模拟实验，船舶航速取8节，舵角根据以下算法得到：
Figure BDA0002499201780000061
式中，δE为指令舵角，
Figure BDA0002499201780000062
为预定桥区航线上前方距离为a处船舶首向角，ψ为船舶首向角的角度，
Figure BDA0002499201780000071
为船舶转速，d为船舶偏离航线的距离。系数γ，σ和k与船型和船舶操纵条件有关。上述参数的取值一般为：a＝1.5倍船长，γ＝3或6，σ＝50s，k＝0.005rad/s。
采用以上操舵方法，利用建立的船舶运动数学模型进行模拟试验，进行4级一般风、6级大风、7级大风(8级及以上风一般限航，船舶不能通过桥区水域)，风向至少取垂直桥梁航道走向和平行航道走向两种，流场取洪季和枯季流场两种，每种工况做1-3次试验，每个桥孔每次至少进行30组以上的试验，得到船舶在桥区水域的航迹分布，试验的船舶航迹带中心位置为均值，以试验的样本计算结果为均方差的几何概率模型，得到航迹带的正态分布。
进一步地，若船舶可以在碰到桥墩之前停住则也不会发生船舶碰撞桥梁的事故，若船舶不能停下则会发生发生船舶碰撞桥梁事故。可引入停船概率函数Fs，改进船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG×PS；
其中，PS的函数表达式为：
PS＝1-FS；
Figure BDA0002499201780000072
Figure BDA0002499201780000073
式中，PS为未能停船的概率，FS为停船概率，f(s)为停船距离的分布函数；式中，PS为未能停船的概率，FS为停船概率，f(s)为停船距离的分布函数；D为停船路径距离；s为停船距离；μs为停船距离均值；σs为停船距离均方差。
停船路径距离D的获得方法：根据经验停船距离取500m。
为停船距离均值μs的获得方法：进行10组停船模拟试验，采集10组停船距离数据，对10组停船距离数据取平均值，得到停船距离均值μs。
停船距离均方差σs的获得方法：进行10组停船模拟试验，采集10组停船距离数据，对10组停船距离数据取平均值，计算得到停船距离均方差σs。
优选地，可参照国际海事组织的标准船舶事故概率的评价标准，建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准。可参见如下通航风险分级标准表：
通航风险分级标准表
Figure BDA0002499201780000081
本发明的工作流程如下：
步骤1，建立船舶运动数学模型。
2)将通航的船舶分大型尺度船、中型尺度船和小型尺度船三类，对建立的船舶运动模型进行验证，使船舶特性根据船舶类型符合国际海事组织《船舶操纵性临时标准》或《长江运输船舶操纵性衡准》的要求。
步骤2，不同风流条件下的船舶航迹进行仿真模拟。
对某一桥梁通航孔进行模拟实验，船舶航速取8节，舵角根据以下算法得到：
Figure BDA0002499201780000082
δE为指令舵角，
Figure BDA0002499201780000083
为预定桥区航线上前方距离为a处船舶首向角，
Figure BDA0002499201780000084
为船舶转速，d为船舶偏离航线的距离。系数γ，σ和k与船型和船舶操纵条件有关。上述参数的取值一般为a＝1.5倍船长，γ＝3或6，σ＝50s，k＝0.005rad/s
风流设置工况如表1所示。根据表1的计算工况，得到不同船舶的航迹带分布。
表1模拟试验工况表
Figure BDA0002499201780000085
步骤3：基于AASHTO规范算法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。
建立的船舶与桥梁相撞概率数学模型如下式(3)所示：
P＝N×PA×PG×PS(3)；
上式中，P为船舶碰撞桥梁的概率，N为年通过桥区水域的船舶数量，PA为船舶航行的偏航概率，PG为船舶碰撞桥梁的几何概率。
偏航概率PA指船舶或者船队通过桥区水域时由于某些原因偏离正常航行路线的概率，偏航概率PA的表达式可如下：
PA＝BR×RB×RC×RXC×RD (4)；
上式中，BR为偏航基率，RB桥位修正的系数，RC为平行于航中线的纵向流速的修正系数，RXC垂直于航中线的横向流速的修正系数，RD为船舶的交通流密度修正系数；
建立几何概率PG模型，几何概率PG模型为以仿真试验的船舶航迹带中心位置为均值，以试验的样本计算结果为均方差的几何概率模型。
若船舶可以在碰到桥墩之前停住则也不会发生船舶碰撞桥梁的事故，若船舶不能停下则会发生发生船舶碰撞桥梁事故。引入停船概率函数Fs，其表达式为：
PS＝1-FS (5)
Figure BDA0002499201780000091
Figure BDA0002499201780000092
上式中，PS为未能停船的概率，FS为停船概率，f(s)为停船距离的分布函数。
步骤4：建立通航风险评价标准，对应风险评价标准预测风险程度。
通航风险评价通过桥区水域时撞桥概率来考虑，可借鉴国际海事组织的标准船舶事故概率的评价标准，评价指标可如表2所示。
表2通航风险分级标准表
Figure BDA0002499201780000093
下面以本发明的一个优选实施例对本发明的工作流程及工作原理做进一步说明：
1、桥梁方案：
某桥梁通航孔跨度为160m，通航净宽为144m，通航净高为24m。桥区墩孔布置如图2所示，其中第四孔、第六孔及第八孔为三个通航孔，所涉及桥墩从第四孔至第八孔分别为4#、5#、6#、7#、8#和9#共六个桥墩。水域船舶日交通流量为1387艘次/天，其中90m以下的船舶为1277艘次/天，90m至180m长度之间的船舶为106艘次/天，180m长度以上的船舶为4艘次/天。
2、建立船舶运动数学模型，可通过船舶运动力学推导出如下船舶运动数学模型：
Figure BDA0002499201780000101
式中，mx为船舶的x轴方向附连质量；my为船舶的y轴方向附连质量；m为船舶质量；u为船舶在x方向的速度；v为船舶在y方向的速度；r为船舶在绕z方向的转首角速度；XH为不包括惯性力的x方向船体水动力；YH为不包括惯性力的y方向船体水动力；NH为不包括惯性力的z方向船体水动力；XP为螺旋桨产生的x方向力；YP为螺旋桨产生的y方向力；NP为螺旋桨产生的绕z方向力矩；XR为船舵产生的x方向力；YR为船舵产生的y方向力；NR为船舵产生的绕z方向力矩；XWD为风产生的x方向力；YWD为风产生的y方向力；NWD为风产生的绕z方向力矩；Xc为流产生的x方向力；Yc为流产生的y方向力；Nc为流产生的绕z方向力矩；Iz为船体对z轴的转动惯量；Jz为船舶的惯性矩；
Figure BDA0002499201780000102
为船舶在x方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000103
为船舶在y方向的加速度；
Figure BDA0002499201780000104
为船舶在绕z方向的转首角加速度；xc为船舶中心在x轴上的值。
3、基于船舶运动数学模型和AASHTO规范算法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。
3.1 1000吨级船舶模拟试验
1)偏航概率
平行于桥梁轴线法线的水流分量为3.18m/s，垂直于桥梁轴线法线的水流分量为0.35m/s，桥区水域船舶交通密度为1387艘次/天，属于高交通密度。各参数取值如表3所示。船舶偏航概率PA为1.74×10-4。
表3 1000吨船舶AASHTO计算模型参数取值
Figure BDA0002499201780000111
2)几何概率
根据AASHTO模型，船舶航迹带概率分布为正态分布。
Figure BDA0002499201780000112
模拟试验的航迹带分布如图4～图6所示，统计上行、下行航迹带数据，求出试验数据的期望、均方差，并代入上式，即完成了航迹带分布拟合。通过四孔的上行船舶航迹分布均值是-13.3，均方差是22.1；通过6孔下行船舶航迹分布均值-5.9，均方差是19.5；通过8孔下行船舶航迹分布均值-23，均方差是28.4。
上行船舶通过四孔需考虑撞击4#和5#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000113
下行船舶通过六孔需考虑撞击6#和7#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000114
下行船舶通过八孔需考虑撞击8#和9#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000115
各桥墩受船舶碰撞几何概率及对应积分上下限取值如表4～6所示。
表4上行4孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000116
Figure BDA0002499201780000121
表5下行6孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000122
表6下行8孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000123
3)停船概率。
根据Kunz建议及相关航海经验，船舶上行停船距离均值取400m，均方差85m，船舶下行停船距离均值取600m，均方差85m，积分路径D取500m。
1000吨级船型船舶上行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000124
1000吨级船型船舶下行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000125
4)碰撞概率。
根据通过桥区水域船舶流量分析可知，桥墩遭到1000吨级货船碰撞的概率分别为：
四号桥墩碰撞概率：P4＝1277÷2×365×1.74×10-4×0.0036×0.12＝0.0175。
五号桥墩碰撞概率：P5＝1277÷2×365×1.74×10-4×0.000054×0.12＝0.0003。
六号桥墩碰撞概率：P6＝1277÷2÷2×365×1.74×10-4×0.00034×0.88＝0.0061。
七号桥墩碰撞概率：P7＝1277÷2÷2×365×1.74×10-4×0.000032×0.88＝0.0006。
八号桥墩碰撞概率：P8＝1277÷2÷2×365×1.74×10-4×0.0312×0.88＝0.5567。
九号桥墩碰撞概率：P9＝1277÷2÷2×365×1.74×10-4×0.00036×0.88＝0.0064。
综上可以得到，四、五号桥墩受上行1000吨级船舶碰撞的年概率为0.0178次/年，六、七、八及九号墩受下行1000吨级船舶碰撞的年概率为0.5698次/年。
3.2船队模拟试验
1)偏航概率
根据相关资料，平行于桥梁轴线法线的水流分量为3.18m/s，垂直于桥梁轴线法线的水流分量为0.35m/s，桥区水域船舶交通密度为1387艘次/天，属于高交通密度。各参数取值如表7所示。船舶偏航概率PA为3.48×10-4。
表7船队AASHTO计算模型参数取值
Figure BDA0002499201780000131
2)几何概率
将1顶16船队航迹带概率分布看做正态分布。模拟试验的航迹带分布如图7～图9所示，统计上行、下行航迹带数据，求出试验数据的期望、均方差，即完成了航迹带分布拟合。
通过四孔的上行船队航迹分布均值是-4.2，均方差是34.7；通过6孔下行船队航迹分布均值-4.2，均方差是34.6；通过8孔下行船队航迹分布均值-19.2，均方差是45.8。
上行船舶通过四孔需考虑撞击4#和5#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000132
下行船舶通过六孔需考虑撞击6#和7#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000133
下行船舶通过八孔需考虑撞击8#和9#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000141
桥墩受船队碰撞的几何概率及对应积分上下限取值如表8～10所示。
表8船队上行4孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000142
表9船队下行6孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000143
表10船队下行8孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000144
3)停船概率
根据Kunz建议及相关航海经验，船舶上行停船距离均值取2300m，均方差406m，船舶下行停船距离均值取2500m，均方差406m，积分路径D取500m。
船队船型上行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000145
船队船型下行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000151
4)碰撞概率
根据通过桥区水域船舶流量分析可知，桥墩遭到大型船队碰撞的概率分别为：
四号桥墩碰撞概率：P4＝4÷2×365×3.48×10-4×0.0175×0.99＝0.0044。
五号桥墩碰撞概率：P5＝4÷2×365×3.48×10-4×0.01×0.99＝0.0025。
六号桥墩碰撞概率：P6＝4÷2÷2×365×3.48×10-4×0.0175×0.99＝0.0022。
七号桥墩碰撞概率：P7＝4÷2÷2×365×3.48×10-4×0.01×0.99＝0.0013。
八号桥墩碰撞概率：P8＝4÷2÷2×365×3.48×10-4×0.058×0.99＝0.0073。
九号桥墩碰撞概率：P9＝4÷2÷2×365×3.48×10-4×0.0136×0.99＝0.0017。
综上可以得到，四、五号墩受上行船队碰撞的年概率为0.0069次/年，六、七、八及九号墩受下行船队碰撞的年概率为0.0125次/年。
3.3 1万吨级船舶模拟试验。
1)偏航概率。
根据相关资料，平行于桥梁轴线法线的水流分量为3.18m/s，垂直于桥梁轴线法线的水流分量为0.35m/s，桥区水域船舶交通流密度为1387艘次/天，属于高交通密度。各参数取值如表11所示。船舶偏航概率PA为1.74×10-4。
表11 AASHTO计算模型参数取值
Figure BDA0002499201780000152
2)几何概率。
根据AASHTO模型，船舶航迹带概率分布为正态分布。模拟试验的航迹带分布如图10～图12所示，统计上行、下行航迹带数据，求出试验数据的期望、均方差，并代入式(15)，即完成了航迹带分布拟合。
通过四孔的上行船舶航迹分布均值是1.14，均方差是26.56。通过6孔下行船舶航迹分布均值-11.4，均方差是31.7。通过8孔下行船舶航迹分布均值-24.4，均方差是38.5。
上行船舶通过四孔需考虑撞击4#和5#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000161
下行船舶通过六孔需考虑撞击6#和7#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000162
下行船舶通过八孔需考虑撞击8#和9#桥墩，根据AASHTO规范，几何碰撞概率为：
Figure BDA0002499201780000163
桥墩受1万吨级船舶碰撞的几何概率及对应积分上下限取值如表12～14所示。
表12上行4孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000164
表13下行6孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000165
表14下行8孔几何概率及x1、x2取值
Figure BDA0002499201780000166
Figure BDA0002499201780000171
3)停船概率。
根据Kunz建议及相关航海经验，船舶上行停船距离均值取600m，均方差123m，船舶下行停船距离均值取800m，均方差123m，积分路径D取500m。
1万吨级船型船舶上行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000172
1万吨级船型船舶下行时未能停下的概率为：
Figure BDA0002499201780000173
4)碰撞概率。
根据通过桥区水域船舶流量分析可知,桥墩遭到1万吨级货船碰撞的概率分别为：
四号桥墩碰撞概率：P4＝106÷2×365×1.74×10-4×0.0026×0.81＝0.0071。
五号桥墩碰撞概率：P5＝106÷2×365×1.74×10-4×0.0033×0.81＝0.0090。
六号桥墩碰撞概率：P6＝106÷2÷2×365×1.74×10-4×0.0201×0.99＝0.035。
七号桥墩碰撞概率：P7＝106÷2÷2×365×1.74×10-4×0.0034×0.99＝0.0057。
八号桥墩碰撞概率：P8＝106÷2÷2×365×1.74×10-4×0.0589×0.99＝0.0981。
九号桥墩碰撞概率：P9＝106÷2÷2×365×1.74×10-4×0.0044×0.99＝0.0073。
综上可以得到，桥墩受上行1万吨级船舶的四、五号墩碰撞年概率为0.0161次/年，受下行1万吨级船舶的六、七、八及九号墩碰撞年概率为0.1461次/年。
4、评价结论。
采用改进后的AASHTO经典碰撞模型对1000吨级货船、1万吨级货船和1顶16船队的碰撞概率进行了计算，按桥墩统计，四号桥墩的碰撞概率为0.029次/年，五号桥墩的碰撞概率为0.0118次/年，六号桥墩的碰撞概率为0.0433次/年，七号桥墩的碰撞概率为0.0076次/年，八号桥墩的碰撞概率为0.6621次/年，九号桥墩的碰撞概率为0.0154次/年，按照船舶上下行统计，上行船舶碰撞桥墩概率为0.0408次/年，下行船舶碰撞桥墩概率为0.7284次/年，总碰撞概率为0.77次/年，处在“较高风险”的等级。
本发明的工作原理：几何概率的确定原理为：如果航迹带位于桥梁桥墩处,则船舶已经偏出预定航线与桥梁碰撞。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (8)

1.一种用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，建立船舶运动数学模型，基于船舶运动数学模型，将桥梁的设计尺寸、通过船型、桥梁区域风流航行条件和船舶流量作为船舶与桥梁相撞的风险因素，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型；建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准，应用船舶与桥梁相撞概率数学模型评估桥梁的通航风险。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，建立船舶的运动坐标系，取船舶上一点为运动坐标系原点，Ox轴垂直于船舶中横剖面，指向船首为正，Oy轴垂直于船舶中纵剖面，以指向右船舷为正，Oz轴垂直于水线面，指向龙骨为正，建立船舶运动数学模型如下：
Figure FDA0002499201770000011
式中，mx为船舶的x轴方向附连质量；my为船舶的y轴方向附连质量；m为船舶质量；u为船舶在x方向的速度；v为船舶在y方向的速度；r为船舶在绕z方向的转首角速度；XH为不包括惯性力的x方向船体水动力；YH为不包括惯性力的y方向船体水动力；NH为不包括惯性力的z方向船体水动力；XP为螺旋桨产生的x方向力；YP为螺旋桨产生的y方向力；NP为螺旋桨产生的绕z方向力矩；XR为船舵产生的x方向力；YR为船舵产生的y方向力；NR为船舵产生的绕z方向力矩；XWD为风产生的x方向力；YWD为风产生的y方向力；NWD为风产生的绕z方向力矩；Xc为流产生的x方向力；Yc为流产生的y方向力；Nc为流产生的绕z方向力矩；Iz为船体对z轴的转动惯量；Jz为船舶的惯性矩；
Figure FDA0002499201770000012
为船舶在x方向的加速度；
Figure FDA0002499201770000013
为船舶在y方向的加速度；
Figure FDA0002499201770000014
为船舶在绕z方向的转首角加速度；xc为船舶中心在x轴上的值。
3.根据权利要求1所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，根据船舶船型尺度参数，将船舶分为大型尺度船、中型尺度船和小型尺度船三类，对建立的船舶运动模型进行修正，使船舶特性符合国际海事组织《船舶操纵性临时标准》的要求。
4.根据权利要求1所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，采用统计分析方法和数学模型方法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型。
5.根据权利要求4所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，基于AASHTO规范算法，建立船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG；
式中，P为船舶碰撞桥梁的概率，N为年通过桥区水域的船舶数量，PG为船舶碰撞桥梁的几何概率；PA指船舶通过桥区水域时偏离正常航行路线的概率；
PA的函数表达式如下；
PA＝BR×RB×RC×RXC×RD；
式中，BR为偏航基率，RB桥位修正的系数，RC为平行于航中线的纵向流速的修正系数，RXC垂直于航中线的横向流速的修正系数，RD为船舶的交通流密度修正系数；
几何概率PG基于船舶运动数学模型及统计分析方法获得。
6.根据权利要求5所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，通过以下方法建立几何概率PG的模型：基于船舶运动数学模型，综合风、流的作用，以仿真试验得到的船舶航迹带中心位置为均值，以试验样本计算结果为均方差，建立几何概率PG的模型。
7.根据权利要求5所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，引入停船概率函数Fs，改进船舶与桥梁相撞概率数学模型如下：
P＝N×PA×PG×PS；
其中，PS的函数表达式为：
PS＝1-FS；
Figure FDA0002499201770000021
Figure FDA0002499201770000022
式中，PS为未能停船的概率，FS为停船概率，f(s)为停船距离的分布函数；D为停船路径距离；s为停船距离；μs为停船距离均值；σs为停船距离均方差。
8.根据权利要求1所述的用于桥梁的通航风险评价方法，其特征在于，参照国际海事组织的标准船舶事故概率的评价标准，建立对应船舶与桥梁相撞概率的通航风险分级标准。
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