CN113112131A - 一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,包括:对过闸船型组合及比例进行预测建模;根据待建闸室尺度方案,计算过闸船型组合的真值表;使用随机排挡方法计算一次过闸船数;根据一次过闸船数设定待闸区船舶数量约束;计算不同待闸区船舶数量约束下的一次过闸吨位;由待闸区船舶数及对应一次过闸吨位曲线,计算船闸极限一次过闸吨位等过程,该计算方法既考虑了与现有船闸设计规范的适应性,也考虑了船闸实际运营中的优化调度因素,从而为待建船闸规模论证和工程建设提供可靠的依据,保证航运系统发挥理想的经济效益。

Description

一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法
技术领域
本发明属于工程设计、过程仿真及软件研发领域,具体涉及一种针对现有手工排挡和随机排挡方法的不足,考虑待闸区船舶因素对船闸通过能力进行计算的过程和方法。
背景技术
在内河航运中,船闸作为重要的通航枢纽建筑起到了沟通水系、改善航行条件的重要作用。但船舶过闸的不连续通行特性限制了船闸的通过能力,尤其在运输繁忙河段,船闸往往成为航道中的通行瓶颈,进而影响整个航运系统的运行效率。因此,船闸设计通过能力的计算是否合理,将直接影响航运系统预期发挥的经济效益。在内河航道网和船闸闸室尺度标准化建设大背景下,船闸通过能力也是待建闸室候选方案比较及优选的关键评价指标。
影响船闸通过能力的因素很多,包括基础设施条件、运营条件和管理条件等因素。在船闸工程设计中,船闸设计规范对通过能力影响因素进行了简化,使得船闸通过能力的计算主要是一次过闸时间和一次过闸平均吨位两个参数的确定。计算简便、直观。但人工过闸船舶编排和船闸实际运营情况还存在差距,导致一次过闸平均吨位核心参数取值的不合理性,最终影响到船闸通过能力计算结果的准确性。随着水运事业的发展,对于干线航道大型船闸,按照手工排挡或经验公式计算得到的设计指标已经无法适应通航现状的需要。
虽然基于随机排挡的一次过闸平均吨位和船闸通过能力计算在国内已得到初步应用,但计算参数和计算过程对于船闸运营因素和规范要求的适应性仍有待完善,导致船闸通过能力的计算结果往往小于船闸建成后的通过能力统计,导致船闸在设计阶段规模论证工作的困难,影响了船闸建设规模论证的科学性和经济效益发挥。因此,迫切需要一种可以结合船闸运营实际和工程设计规范对船闸通过能力进行分析的方法。
发明内容
为了克服现有船闸通过能力计算方式的不足,本发明提供一种考虑待闸区船舶因素的通过能力计算方法。在各设计水平年过闸船型比例的基础上,使用随机排挡方法计算船闸一次过闸船数,设定待闸区船舶约束,求取一次过闸吨位曲线,进而得到船闸一次过闸能力的极限结果,减少了手工排挡方法的人为干扰和传统随机闸室排挡方法的不合理性,提供了一种考虑船闸运营实际的解决方案,显著提高了船闸通过能力计算结果的可靠性。
为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
本发明提供一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1:根据标准船型宽度,综合建设经济性原则,拟定待建船闸尺度方案;
步骤2:根据规划航道等级、航线平均运距、预测货种流量流向等因素计算各设计水平年过闸船舶尺度、吨位及比例;
步骤3:考虑闸室船舶泊靠的安全间距因素,计算船型组合真值表;
步骤4:使用随机排挡方法,在过闸船型分布和闸室船型组合的约束下,计算闸室的一次过闸船数;
步骤5:根据一次过闸船数,结合待闸区船数约束系数得到待闸区船数约束上限;
步骤6:使用随机排挡方法,在过闸船型分布和闸室船型组合的约束下,计算各待闸区船数约束对应的船闸一次通过能力;
步骤7:由上述计算值生成待闸船数对应船闸一次通过能力曲线;
步骤8:根据一次通过能力曲线得到船闸一次通过能力极限值(运输繁忙时段船闸通过能力)。
所述步骤1中,船闸尺度方案一般表示为L×W,其中L为闸室长度,W为船闸口门和闸室宽度。
所述步骤2中,由于船闸上行和上行船舶货运流量流向的差别,上下行的过闸船舶尺度及比例可以不同。
所述步骤3中,船型组合真值表示的是按照船闸实际运行情况可以过闸的船舶常用组合,可以在真值表的基础上换算为各类船舶的附加宽度供步骤3使用。
所述步骤4中,根据过闸船型组合随机生成待闸船舶序列,序列长度为m,m由闸室最小船型排挡试算结果m'确定,m=agm',其中a为随机过闸船舶序列长度系数,为保证到闸船舶分布的随机性,一般取50-150;由闸室排挡方法重复实验生成长度为m的随机待闸船舶序列,重复实验数为Ntest,计算一次过闸船数指标Npass
所述步骤5中,待闸区船数约束上限
Figure BDA0002992976110000041
其中b为待闸区船数约束系数,一般按照最大吨位船型与最小吨位船型比例取3.0-4.0。
所述步骤6中,计算在待闸区船数影响下的船闸一次通过能力各指标,包括一次过闸载重、闸室利用率和一次过闸船数指标,具体包括以下步骤:
步骤6-1:设待闸区船数初值n=1;;
步骤6-2:随机生成待闸船舶序列,序列长度为n;
步骤6-3:根据闸室排挡方法重复Ntest次实验生成一次过闸船数
Figure BDA0002992976110000042
步骤6-4:n=n+1,若
Figure BDA0002992976110000043
转步骤5-2,否则结束。
所述步骤7中,船闸一次通过能力曲线中,横轴为n,纵轴为船闸一次通过能力指标。
所述步骤8中,船闸一次通过能力各指标极限值由曲线Y轴极限值确定,所得结果含义与船闸设计规范中船闸一次通过能力意义相同。
针对目前手工及传统随机排挡方法对于计算船闸一次通过能力的缺陷,通过对船闸设计相关标准规范及船闸运营调度方式的研究,结合待闸区船舶因素对船闸通过能力进行建模及计算,并考虑到在实际运营情况下船舶过闸组合的影响因素,发明方法克服了船闸通过能力的计算结果与船闸实际运营数据偏差较大的缺点,排除了人工排挡差别于实际调度规则对计算结果的干扰,解决了工程规划设计阶段的船闸通过能力定量计算问题。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)将船型进行排列组合得到过闸船型组合真值表进行闸室排挡计算,既考虑了闸室船舶泊靠的安全间距因素,也考虑了船闸繁忙时期实际过闸的调度情况;
(2)过闸船型组合真值表折算为船型富裕宽度的计算方法,简化了闸室排挡的计算过程,显著提高了排挡效率;
(3)考虑待闸区船舶因素的计算方法,考虑了船闸运营繁忙时期的待闸区因素,也结合了船闸实际运营的调度因素;
(4)船闸一次通过能力极限值的逼近求取方法,既考虑了待闸船舶的随机性,也克服了船闸通过能力的计算结果相对船闸运营实际偏小的缺点,保证了计算结果含义与船闸设计规范相同;
(5)本计算过程既可以应用于单线船闸,也适用于双线及多线船闸通过能力计算,不仅客服了手工排挡方法的主观性,也提高了传统随机排挡方法的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的主要执行流程示意图;
图2是本发明的具体实施例中的简化过闸模型图;
图3是本发明的具体实施例中的带安全富裕尺度的闸室编排示意;
图4是本发明的具体实施例中的一次过闸载重变化曲线;
图5是本发明的具体实施例中的闸室利用率变化曲线;
图6是本发明的具体实施例中的一次过闸船数变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
现有的船闸通过能力计算方法中,人工对过闸船舶进行编排的方法和船闸实际运营情况存在较大差距,而传统随机排挡方法只考虑了闸室编排方式的合理性,而编排的船舶与船闸实际调度仍存在差距。本发明以随机排挡计算结果为基础,通过计算一次过闸吨位曲线来得到船闸极限一次过闸吨位,不仅待闸船舶的组合和编排更符合船闸调度实际,繁忙时段运量预测结果也更为合理。
实施例:图1为本发明根据船舶过闸的简化模型(图2)提出的一种考虑待闸区船舶的船闸通过能力计算方法的执行流程,包括拟定闸室尺度方案、确定船型组合、过闸船型组合真值表计算、待闸区船数约束上限计算和一次极限通过能力计算等一整套过程。本实施例方法,主要包括:
步骤1:根据标准船型宽度等因素,拟定待建船闸尺度方案分别取L1(280m*23m)、L2(280m*34m)、L3(340m*23m)和L4(340m*34m)四种方案,下述步骤以L1的通过能力计算为例说明本专利的具体实施过程;
步骤2:根据规划航道等级、航线平均运距、预测货种流量流向等因素计算各设计水平年过闸船舶尺度、吨位及比例,如下表所示;;
表1设计水平年过闸船型艘次比例及尺度
Figure BDA0002992976110000071
Figure BDA0002992976110000081
下述本专利的具体实施过程取2030设计水平年的船型比例。
步骤3:为了过闸停泊安全,船闸内的船队或船舶要留有一定的富裕或安全间隔,如图3所示.在保证闸室船舶泊靠的安全间距的前提下,船闸在运营繁忙时,会缩小船舶富裕宽度以增加闸室内过闸船数,结合船闸实际运营情况,计算船型组合真值表,以闸室尺度L1(280m*23m)为例,如下表所示;
表2船型组合的通过约束真值表
Figure BDA0002992976110000082
针对L1闸室尺度方案,在真值表的基础上换算为各类船舶的附加宽度表如下:
表3船型组合的附加宽度
Figure BDA0002992976110000083
Figure BDA0002992976110000091
步骤4:使用随机排挡方法,选取最小船型500吨级44m*8.8m进行闸室排挡计算,得m'=12,取随机过闸船舶序列长度系数a=50,得待闸船舶序列长度m为600,为保证到闸船舶分布的随机性取重复实验数Ntest=1000,求得闸室尺度方案L1一次过闸船数Npass为5.6;
步骤5:根据一次过闸船数Npass,,取待闸区船数约束系数b为3.0,得到待闸区船数约束上限
Figure BDA0002992976110000092
待闸区船数约束上限
Figure BDA0002992976110000093
步骤6:使用随机排挡方法,在过闸船型分布和闸室船型组合的约束下,计算各待闸区船数约束对应的船闸一次通过能力;
表3待闸区船数约束下的船闸一次通过能力计算结果
Figure BDA0002992976110000094
Figure BDA0002992976110000101
步骤7:由上述计算值生成待闸船数对应船闸一次通过能力相关指标曲线,随待闸船数变化的船闸通过能力指标:一次过闸载重、闸室利用率和一次过闸船数分别显示于图4、图5和图6;
步骤8:根据一次通过能力曲线得到船闸一次通过能力极限值(运输繁忙时段船闸通过能力),一次过闸载重为7500吨、闸室利用率为74%,一次过闸船数为6.2艘。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1:根据标准船型宽度,综合建设经济性原则,拟定待建船闸尺度方案;
步骤2:根据规划航道等级、航线平均运距、预测货种流量流向等因素计算各设计水平年过闸船舶尺度、吨位及比例;
步骤3:考虑闸室船舶泊靠的安全间距因素,计算船型组合真值表;
步骤4:使用随机排挡方法,在过闸船型分布和闸室船型组合的约束下,计算闸室的一次过闸船数;
步骤5:根据一次过闸船数,结合待闸区船数约束系数得到待闸区船数约束上限;
步骤6:使用随机排挡方法,在过闸船型分布和闸室船型组合的约束下,计算各待闸区船数约束对应的船闸一次通过能力;
步骤7:由上述计算值生成待闸船数对应船闸一次通过能力曲线;
步骤8:根据一次通过能力曲线得到船闸一次通过能力极限值。
2.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤1中,船闸尺度方案表示为L×W,其中L为闸室长度,W为船闸口门和闸室宽度。
3.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤3中,船型组合真值表示的是按照船闸实际运行情况可以过闸的船舶常用组合,在真值表的基础上换算为各类船舶的附加宽度供步骤3使用。
4.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤4中,根据过闸船型组合随机生成待闸船舶序列,序列长度为m,m由闸室最小船型排挡试算结果m'确定,m=agm',其中a为随机过闸船舶序列长度系数,为保证到闸船舶分布的随机性,取50-150;由闸室排挡方法重复实验生成长度为m的随机待闸船舶序列,重复实验数为Ntest,计算一次过闸船数指标Npass
5.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤5中,待闸区船数约束上限
Figure FDA0002992976100000021
其中b为待闸区船数约束系数,按照最大吨位船型与最小吨位船型比例取3.0-4.0。
6.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤6中,计算在待闸区船数影响下的船闸一次通过能力各指标,包括一次过闸载重、闸室利用率和一次过闸船数指标,具体包括以下步骤:
步骤6-1:设待闸区船数初值n=1;;
步骤6-2:随机生成待闸船舶序列,序列长度为n;
步骤6-3:根据闸室排挡方法重复Ntest次实验生成一次过闸船数
Figure FDA0002992976100000022
步骤6-4:n=n+1,若
Figure FDA0002992976100000023
转步骤5-2,否则结束。
7.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤7中,船闸一次通过能力曲线中,横轴为n,纵轴为船闸一次通过能力指标。
8.根据权利要求1中所述的一种考虑待闸区容量的船闸通过能力计算方法,其特征在于,所述步骤8中,船闸一次通过能力各指标极限值由曲线Y轴极限值确定,所得结果含义与船闸设计规范中船闸一次通过能力意义相同。
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