弯曲航道中桥区的通过能力预测方法与流程

本发明涉及，尤其涉及一种弯曲航道中桥区的通过能力预测方法。

背景技术：

弯曲河道与顺直河道不相同，其最大的区别是，在惯性离心力的作用下，弯道除了有纵向流速以外，还存在面流流向凹岸，底流流向凸岸的横向环流。底部浑浊的环流将大量泥沙输向凸岸，使凸岸存在大量的浅点，船舶在浅点处航行，会发生浅水效应，导致船舶阻力增大，船体下沉，船舶有可能发生搁浅事故。因此弯曲航道往往是事故多发地段。如中国的黄石长江大桥附近水域，由于大桥正建设在天然弯曲河道上，水流流态复杂，且船舶密度较大，船舶在黄石大桥附近航行，经常发生交通事故。为了减少天然弯曲航道的交通事故，因此，目前亟需一种能够科学预测弯曲桥区河道船舶的通过能力的方法，从而指导船舶的安全通航。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供弯曲航道中桥区的通过能力预测方法，其能够根据要过弯船舶的相关参数来判断该船舶是否能够安全通过该弯曲航道。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种一种弯曲航道中桥区的通过能力预测方法，其包括步骤：

获取弯曲航道的水深，并判断所述弯曲航道的水深是否大于当前船型船舶的吃水：

若所述弯曲航道水深大于当前船型船舶的吃水，则分别获取所述弯曲航道和所述当前船型船舶的净空高度，并判断所述弯曲航道的净空高度是否大于所述当前船型船舶的净空高度；

若所述弯曲航道的净空高度大于所述当前船型船舶的净空高度，则获取航迹带宽度b0和所述当前船型船舶在所述弯曲航道的运动漂移量，并根据所述航迹带宽度b0和所述当前船型船舶的运动漂移量计算所述当前船型船舶通过所述弯曲航道所需的航道最小宽度值；

获取所述弯曲航道宽度，并判断所述弯曲航道宽度是否大于或等于所述当前船型船舶所需的航道最小宽度值，若是，则预测所述当前船型船舶能够顺利通过所述弯曲航道；

其中，所述船舶运动漂移量包括风致漂移量b1和流致漂移量b2，所述航道宽度的最小宽度值的计算公式为：

b′＝b0+b1+b2。

其中，所述流致漂移量b1的计算公式为：

其中，s为所述当前船型船舶的航程，v为所述当前船型船舶的船速，um为作用在所述当前船型船舶上的平均弯道横流流速。

其中，所述风致漂移量b2的计算公式为：

其中，k为无量纲经验系数，其取值通常为0.038～0.041，s为所述当前船型船舶的航程，v为所述当前船型船舶的船速，ba为所述当前船型船舶的船体水线上侧受风面积，bw为所述当前船型船舶的船体水线下侧面积，vs为风中船速，va为相对风速；且所述当前船型船舶在过弯过程中，所述当前船型船舶的偏航角从β1变化到β2，风向角从α1变化到α2。

进一步地，计算风致漂移量b2的步骤之前，还包括步骤：

判断所述弯曲航道的曲率半径r是否小于预设阈值，若大于预设阈值，则忽略所述船舶偏航角β和风向角α的变化，且所述风致漂移量b2的计算公式为：

其中，所述平均弯道横流流速um的计算公式为：

其中，ur为所述弯曲航道中的弯道环流，d为所述当前船型船舶的吃水，h为弯曲航道水深，y为相对水深。

其中，所述弯道环流ur的计算公式为：

其中u为所述弯曲航道中的弯道纵向平均流速，h为所述弯曲航道的弯道水深和y为相对水深，r为所述弯曲航道的曲率半径。

其中，所述航迹宽度b0的计算公式为：

b0＝lsinβ+bcosβ，其中，l为所述当前船型船舶的船长，b为所述当前船型船舶的宽度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明通过将弯曲航道的净空高度、水深及航道宽度分别与所要过弯的当前船型船舶的净空高度、吃水和所需最小宽度值进行比较，从而根据比较结果来预测该当前船型船舶是否能够顺利通过该弯曲航道，进而反向推导得出该弯曲航道的通过能力，降低了天然弯曲航道的交通事故发生率，也能够有效指导船舶的安全通航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明的一种弯曲航道中桥区的通过能力预测方法的一实施例的流程图；

图2是当前船型船舶过弯示意图；

图3为图1中步骤s105的一实施例的流程图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

桥区航道通过能力的影响因素，主要包括水深、净空高度和航道宽度。为了确保船舶能通过，航道的水深至少要大于船舶吃水，并且应留有一定的余量；同时，桥梁至水面的净空高度至少也应大于船舶的水线以上高度；那么，在水深和净空高度均满足要求的情况下，桥区航道宽度是衡量船舶是否能通过的重要因素。而桥区两桥墩之间，多数采用的是单向通航。对于桥区单向航道而言，船舶能顺利通过的两桥墩之间的宽度条件至少包括：代表船型船舶的航迹带宽度b0和航道的富裕宽度。其中，航道富裕宽度是为船舶横向漂移运动而预留的宽度。船舶运动的漂移量主要包括风致漂移b1和流致漂移b2。也即是说，只有当桥区航道宽度大于航迹带宽度b0与船舶运动的漂移量之和时，船舶才能顺利通过。因此，本发明预先分别判断航道水深和净空高度是否满足条件，若满足，则再根据航迹带宽度b0与船舶运动漂移量计算通航所需的航道宽度的最小宽度值，然后判断该弯曲航道的航道宽度是否大于该最小宽度值，若是则预测当前船型船舶能够安全通过该弯曲航道，即该弯曲航道能够通过与该当前船型船舶相同或者等同类型或者级别的船舶，从而为船舶安全通航提供了可靠的指导，降低了天然弯曲航道的交通事故发生率。

定义：

弯曲航道的净空高度：指弯曲航道处桥梁距离水面的高度。

船舶的净空高度：指船舶的水线(以上)至船舶最高处的高度。

参见图1，为本发明的一种弯曲航道中桥区的通过能力预测方法的一实施例的流程图，具体地，本实施例中，该通过能力预测方法具体包括步骤：

s101，获取弯曲航道的水深，并判断该弯曲航道水深是否大于当前船型船舶的吃水，若是，则执行步骤s103，否则，判定为无法安全通过。

在一具体实施例中，该弯曲航道水深可通过专业仪器测量得到。而不同船型的船舶吃水不同，但一旦知道了船舶的型号或者类型即可得知其吃水，若要船舶顺利通过弯曲航道，那么该弯曲航道的水深至少要大于船舶吃水，并且应留有一定的余量，否则会发生搁浅等事故。因此，为了保证船舶通过桥区，首先判断航道水深是否大于船舶吃水。例如，对于吃水9m的万吨级船舶驶入弯曲航道时，则该弯曲航道的水深必须要大于该船舶吃水，且还有一定的余量，如水深为15m，则该吃水9m的万吨级船舶驶入弯曲航道时才不会发生搁浅的问题。

s103，分别获取弯曲航道的净空高度和当前船型船舶的净空高度，并判断该弯曲航道的净空高度和当前船型船舶的净空高度，若是，则执行步骤s105，否则，判定为无法安全通过。

在一具体实施例中，对于弯曲航道的净空高度，由于弯曲航道处的桥梁高度已确定，因此，可直接通过仪器测量桥梁到达水面的高度或者直接根据构建桥梁时的设计信息即可得到该弯曲航道的净空高。

对于当前船型船舶的净空高度，当确定船舶的型号或者类型后，其吃水和船舶总高度即可知道，那么可根据船舶总高度和船舶吃水得到其净空高，例如，对于吃水9m的万吨级船舶，其总高度不超过120m，则其净空高为111m。

通常，桥梁至水面的净空高度至少大于船舶水线以上的高度，船舶才能够顺利通过桥区，否则船舶最高处可能与桥梁发生碰撞等事故。因此，为了保证船舶通过桥区，需要判断该净空高度是否大于船舶水线以上的高度。例如，对于吃水9m的万吨级船舶，其总高度不超过120m，当其驶入水深为15m的弯曲航道时，该弯道桥区航道的净空高度至少大于该船舶的净空高，即至少大于111m，如200m。

s105，分别获取当前船型船舶的航迹带宽度b0和运动漂移量。

对于桥区单向航道而言，船舶能顺利通过的两桥墩之间的宽度条件至少包括：船舶的航迹带宽度b0和航道的富裕宽度，其中，航道富裕宽度是为船舶横向漂移运动而预留的宽度，而船舶运动的漂移量主要包括风致漂移b1和流致漂移b2，因此，只有当桥区航道宽度大于b0+b1+b2时，船舶才能顺利通过，也即是说，桥区航道的最小宽度值为b0+b1+b2，要获得该最小宽度值，就需要先分别获取航迹带宽度和船舶运动漂移量。

1)对于航迹带宽度b0，在一具体实施例中，参见图3，获取航迹带宽度b0的步骤，具体包括步骤：

s301，获取当前船型船舶的船长和船宽，以及偏航角β。

s303，根据当前船型船舶的船长和船宽，以及偏航角β计算航迹带宽度b0。

在一具体实施例中，参见图2，虚线范围为弯道桥区航道范围，船舶过弯时，沿着弯道径向所占的航迹带宽度为b0，其计算公式为：

b0＝lsinβ+bcosβ(1)，

其中，l为当前船型船舶的船长，b为当前船型船舶的船宽。也即是说，可先分别获取当前船型船舶的特征参数(即船长和船宽)，及当前船型船舶的当前的偏航角β，然后根据这三个参数结合上述公式(1)来计算航迹带宽度b0即可。

2)由于船舶运动漂移量主要包括风致漂移b1和流致漂移b2，因此，获取船舶运动漂移量时需要分别计算风致漂移量和流致漂移量。

a.对于流致漂移量，在一具体实施例中，参见图3，获取流致漂移量b1的步骤，具体包括步骤：

s305，分别获取当前船型船舶的航程s、船速v和作用于该当前船型船舶的平均弯道横流流速um。

由于弯道横流的面流和底流的流向相反，对于不同吃水d的船舶，作用在船体上的平均横流流速是不一样的，而作用在船体上的平均横流流速um正是导致流致漂移量的关键参数。因此，为了保证精确度，需要根据作用在吃水为d的船舶上的平均弯道横流流速um来确定流致漂移量。

在一具体实施例中，作用在吃水为d的船舶上的平均弯道横流流速um的计算公式为：

其中，ur为弯道环流，其计算方式为：

其中，u为弯道纵向平均流速；h为弯曲航道水深；y＝z/h为相对水深(这里的水深起算点是从河底开始，z为计算点距离河底的距离)；r为弯道曲率。

综上，计算平均弯道横流流速um时，需要先通过测量仪器获取弯道纵向平均流速u，弯道水深h和相对水深y、r为弯道曲率，然后，根据这些参数计算弯道环流流速ur，然后再根据弯道环流流速和当前船型船舶的吃水d计算平均弯道横流流速um，最后，综合上述公式(2)和(3)，得到平均弯道横流流速um最终的计算公式为：

s307，根据获取的船舶航程s、船舶船速v和平均弯道横流流速um计算流致漂移量b1。

参见图2，在一具体实施例中，该流致漂移量b1的计算公式为：

b.对于，风致漂移量b2，在一具体实施例中，参见图3，获取风致漂移量b2的步骤，具体包括步骤：

s309，分别获取弯曲航道曲率半径r、风向角a、当前船型船舶的偏向角β、当前船型船舶的船体水线上侧受风面积ba、当前船型船舶的船体水线下侧面积bw、风中当前船型船舶的船速vs、相对风速va。

s311，判断弯曲航道的曲率半径r是否大于预设阈值，若大于预设阈值，执行步骤s313a；否则，执行步骤s313b。

在一具体实施例中，该弯曲航道的曲率半径的计算公式为：

其中：θ——流向与航向的夹角；

v——流速；

v1——航速；

b——船宽；

b——有效舵槽宽；

s——舵面积；

k——系数；

α——与流速有关的系数；

l——船舶(船队)长度。

通常，若弯曲航道的曲率半径足够大，那么，船舶在过弯过程中，船舶的偏航角和风向角的变化不大，因此，在计算风致漂移量时可忽略船舶偏航角和风向角的变化，相反，如曲率半径小，及其小于或等于预设阈值，那么船舶在过弯过程中，船舶的偏航角和风向角的变化较大，因此，在计算风致漂移量时就不可忽略船舶偏航角和风向角的变化。

s313a，忽略船舶偏航角和风向角的变化，采用第一计算方法计算风致漂移量。

在一具体实施例中，计算风致漂移量的该第一计算方法具体为：

s313b，获取当前船型船舶的偏航角变化值和风向角变化值，并采用第二计算方法计算风致漂移量b2。

在一具体实施例中，计算风致漂移量的该第二计算方法具体为：

进一步变形得：

其中，k为无量纲经验系数，其取值通常为0.038～0.041，e为通常的数学常数，且当前船型船舶过弯过程中，当前船型船舶的偏航角从β1变化到β2，风向角从α1变化到α2。

s107，根据获取的航迹带宽度和船舶运动漂移量计算当前船型船舶所需的的航道最小宽度值。

如前所述，只有当桥区航道宽度大于b0+b1+b2时，船舶才能顺利通过，也即是说，桥区航道的最小宽度值为b′的计算公式为：b′＝b0+b1+b2(8)。

s109，获取弯曲航道的航道宽度，并判断该弯曲航道宽度是否大于或等于该当前船型船舶所需的航道最小宽度值，若是，则执行步骤s113，否则，判定该当前船型船舶不能够安全通过该弯曲航道。

在一具体实施例中，令当前弯道桥区航道的净空高度为200m，弯曲航道的曲率半径为1000m，水深15m，纵向流速5m/s，航道宽度200m；令当前船型船舶为吃水9m的万吨级船舶，且该当前船型船舶的总高度不超过120m。由于，该当前弯曲航道的水深15m大于该当前船型船舶吃水9m，当前弯曲航道净空高度200m大于当前船型船舶的净空高度120m-9m，因此，该当前船型船舶在该弯曲航道不会发生搁浅也不会碰撞到桥梁。

进一步地，令当前船型船舶在6级(风向角变化范围为60°-68°)风情况下以10kn航速保持3°～5°的偏航角单向通过桥区，按照公式(7)的计算结果是航道宽度大致在110m左右，而该弯曲航道的航道宽度为200m远远大于该当前船型船舶所需的最小航道宽度值110m，因此，该当前船型船舶能够顺利通过该弯曲航道。

综上，该当前弯曲航道的净空高度、水深及航道宽度均能满足吃水9m万吨级船舶通过，也即是说，该桥区弯曲航道具有通过万吨级船舶的能力。

s111，预测该当前船型船舶能够安全通过该弯曲航道。

本实施例中，通过将弯曲航道的净空高度、水深及航道宽度分别与所要过弯的当前船型船舶的净空高度、吃水和所需最小宽度值进行比较，从而根据比较结果来预测该当前船型船舶是否能够顺利通过该弯曲航道，进而反向推导得出该弯曲航道的通过能力，降低了天然弯曲航道的交通事故发生率，也能够有效指导船舶的安全通航。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。