基于吊拖船队的限制性航道弯曲航段航道宽度确定方法与流程

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弯曲航段航道宽度确定方法。

背景技术：

限制性航道，是指因水面狭窄、航道断面系数小而对船舶航行有明显限制作用的航道，包括运河、通航渠道、狭窄的设闸航道、水网地区航道，以及具有前述特征的滩险航道。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。目前，吊拖船队是运河一种重要的代表船型，但是对以吊拖船队为代表船型的限制性航道尺度的确定方法，《内河通航标准》和《运河通航标准》并未做出明确规定，使得运河类限制性航道的建设、管理存在盲点，不能适应运河类航道建设的发展需要。因此，为进一步发挥运河限制性航道在我国内河水运经济中的作用，对以吊拖船队为代表船型的限制性航道技术尺度进行深入探讨是十分必要的。

目前，对于限制性航道弯曲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弯曲航段航道宽度的计算方法。

技术实现要素：

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弯曲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弯曲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弯曲航段参数信息；

(2)分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在偏航-纠正运动过程中船队向凹岸漂移的最大漂移量；

(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+M₁，对于双线航道，双线航迹带宽度B₂＝2b+M₂₁+M₂₂，其中b为吊拖船队最大船宽，M₁为单线航道中航行的吊拖船队最大漂移量，M₂₁为航行在双线航道上行通航分道中的吊拖船队最大漂移量，M₂₂为航行在双线航道下行通航分道中的吊拖船队最大漂移量；

(4)确定航线的安全附加距离X，并与航迹带宽度相加得到航道宽度。

步骤(2)中最大偏移量M通过下式得到：

$M=\frac{u\·L_F\·sin\mathrm{\β}}{V_S};$

其中，u为水流流速，L_F为计算河长，单位为m，表示吊拖船队在通过弯曲航段过程中相邻两次调整船位用舵时间间隔内其重心沿航道轴线所移动的距离，V_s为航速，β为瞬时流向角，sinβ取值为L_F/R，R为航道曲率半径，u和V_s单位均为m/s，L_F和R单位均为m；

进而步骤(3)中的M₁、M₂₁和M₂₂均通过上式确定。

计算河长L_F具体为：

吊拖船队下行通过弯曲航段，L_F＝0.21L，吊拖船队上行通过弯曲航段，L_F＝0.10L，L为吊拖船队长度，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＝2d+Δb；对于双线航道，安全附加距离X＝2d+Δb+C，其中，d为吊拖船队与航道一侧边界的安全距离，Δb为弯曲航段航道设定加宽值，C为弯曲航段吊拖船队会船时的安全富裕值，d、Δb和C单位均为m。

弯曲航段航道设定加宽值Δb通过下式获得：

$\mathrm{\Δ}b=2{\mathrm{mRsin}}^2\left(\frac{L}{4R}\right),$

其中，m为修正系数，m取值为0.15～0.30，L为吊拖船队长度，R为航道曲率半径，L和R单位均为m。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的方法可具体、定性、定量的确定航道宽度，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，得到吊拖船队在偏航-纠正运动过程中船队向凹岸漂移的最大漂移量，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)本发明安全附加距离考虑多方面因素，包括吊拖船队与航道一侧边界的安全距离、弯曲航段航道设定加宽值以及弯曲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弯曲航段航道宽度确定方法的流程框图。

图2为吊拖船队运动状态分析图。

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弯曲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弯曲航段参数信息，包括吊拖船队最大船宽b、吊拖船队长度L和航道曲率半径R等参数信息。

步骤S2：分析吊拖船队运动状态，获取吊拖船队在偏航-纠正运动过程中船队向凹岸漂移的最大漂移量。

具体地，在弯曲航段内，由于弯道环流的作用，会形成不同强度的弯道扫弯水，航道条件十分复杂。吊拖船队因受自身柔性结构和航道条件的影响，其运动可分为绕弯道中心以曲率半径为R的圆周运动和垂直于航道轴线(向凹岸)的漂移运动。根据内河航行经验，可以认为垂直于航道轴线(向凹岸)的漂移运动主要由扫弯水作用所致，当吊拖船队由于扫弯水作用使横向漂移达到一定距离时，船舶驾引人员则会操舵纠正偏航，使船舶始终处于“落位”状态，即完成一次偏航-纠正-恢复过程。吊拖船队在通过弯道的整个航行过程中，始终处于偏航-纠正-恢复状态。因此吊拖船队在弯曲航段航行，运动分解成两个部分，图2为运动状态分析图：

a.沿着航道轴线运动，即图2中三条弧线中的中间一条虚线；

b.受弯道扫弯水作用，向凹岸运动，在弯曲河段，水流在重力和惯性离心力的作用下，产生单向环流，其表层水流指向凹岸，扫弯而下的水流称为扫弯水。当吊拖船队驶入弯曲航道时，其不可能一直任凭扫弯水作用向凹岸运动，在漂移一定距离后，船舶驾驶人员就是会动车动舵，直到调整到船队最初位置，完成一个周期，即偏航-纠正-恢复过程。吊拖船队在通过弯曲航段过程中相邻两次调整船位用舵时间间隔内其重心沿航道轴线所移动的距离称作计算河长L_F，在偏航-纠正运动过程中船队向凹岸漂移的最大漂移量M可通过距离＝速度*时间来计算，速度就是水流流速u在垂直方向的分量，即u*sinβ，β为瞬时流向角，sinβ取值为L_F/R，而时间即为L_F/V_S，V_s为航速，进而可以推导出最大偏移量M通过下式得到：

$M=\frac{u\·L_F\·\sin \mathrm{\β}}{V_S},$

其中，u为水流流速，L_F为计算河长，单位为m，表示吊拖船队在通过弯曲航段过程中相邻两次调整船位用舵时间间隔内其重心沿航道轴线所移动的距离，V_s为航速，β为瞬时流向角，sinβ取值为L_F/R，R为航道曲率半径，上行时航速V_s等于船速V减水流流速u，下行时航速V_s等于船速V加水流流速u。建议运河航段吊拖船队过弯时上行(逆流)航速取5km/h，下行(顺流)航速7km/h。u和V_s单位均为m/s，L_F和R单位均为m。

计算河长L_F具体为：

吊拖船队下行通过弯曲航段，L_F＝0.21L，吊拖船队上行通过弯曲航段，L_F＝0.10L，L为吊拖船队长度，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+M₁，对于双线航道，双线航迹带宽度B₂＝2b+M₂₁+M₂₂，其中b为吊拖船队最大船宽，M₁为单线航道中航行的吊拖船队最大漂移量，M₂₁为航行在双线航道上行通航分道中的吊拖船队最大漂移量，M₂₂为航行在双线航道下行通航分道中的吊拖船队最大漂移量。

具体地，对于单线航道，单线航道航迹带宽度B₁为：

$B_1=b+M_1=b+\frac{u\·L_F\·sin\mathrm{\β}}{V_S},$

根据该单线航道为上行航道或下行航道来得到计算河长L_F。

对于双线航道，双线航迹带宽度B₂为：

$B_2=2b+M_{21}+M_{22}=2b+\frac{u\·L_{Fu}\·\frac{L_{Fu}}{R}}{V_S}+\frac{u\·L_{Fd}\·\frac{L_{Fd}}{R}}{V_S},$

这里，L_Fu为吊拖船队上行通过弯曲航段时的计算河长，L_Fd为吊拖船队下行通过弯曲航段时的计算河长，根据上述内容，L_Fu＝0.10L，L_Fd＝0.21L。

步骤S4：确定航线的安全附加距离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＝2d+Δb；对于双线航道，安全附加距离X＝2d+Δb+C，其中，d为吊拖船队与航道一侧边界的安全距离，Δb为弯曲航段航道设定加宽值，C为弯曲航段吊拖船队会船时的安全富裕值，d、Δb和C单位均为m。

C取值为b，可以根据需求来设定，d取值为航迹带宽度的0.15倍，即对于单线航道，d＝0.15B₁，对于双线航道，d＝0.15B₂，弯曲航段航道设定加宽值Δb通过下式获得：

$\mathrm{\Δ}b=2{\mathrm{mRsin}}^2\left(\frac{L}{4R}\right),$

其中，m为修正系数，m取值为0.15～0.30，L为吊拖船队长度，R为航道曲率半径，L和R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弯曲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。采用本发明的方法计算得到若建设单线航道，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漂移量，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弯道1和弯道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中的弯段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