基于OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的長江干線航道通過能力研究

丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的長江干線航道通過能力研究

丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

低碳經(jīng)濟的提出使得長江黃金水道的作用得到了重視.長江各段航道的等級不一，對于長江的通過能力的測算引入OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，將長江上17個港口視為網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點，各航段視為網(wǎng)絡(luò)模型中的連線，考慮與航道通過能力密切相關(guān)的航道貨流OD結(jié)構(gòu)，建立了以任意起點港和終點港之間貨流量為變量，各貨流量之和最大為目標(biāo)函數(shù)，航段通過能力、礙航建筑物通過能力為限制條件的OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,來測算長江干線航道通過能力.

網(wǎng)絡(luò)模型；長江航道；通過能力；OD結(jié)構(gòu)

0 引 言

關(guān)于內(nèi)河航道通過能力計算的西德公式[1]，王宏達(dá)公式[2]屬于經(jīng)驗公式，沒有形成統(tǒng)一規(guī)范的模式.楊家琪等[3]通過對航道通過能力的定義及其影響因素的分析，運用網(wǎng)絡(luò)理論，提出了系統(tǒng)測算航道(網(wǎng))通過能力的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此提出了各等級航道的通過能力數(shù)量級，多級航道通過能力的數(shù)學(xué)模型[4]在實際運用中仍有瓶頸.

侯海強等[5]利用橋區(qū)航道船舶AIS數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)，分析船舶類型比例、船舶尺寸分布規(guī)律、船舶到達(dá)速度分布規(guī)律、船舶到達(dá)規(guī)律分布和船舶間時距等數(shù)據(jù)特征，建立橋區(qū)航道船舶通過能力仿真模型,通過數(shù)據(jù)輸出及分析處理，實現(xiàn)橋區(qū)航道船舶通過能力的分析計算.黃泰坤等[6]以天津港2011年基礎(chǔ)設(shè)施情況和營運狀況為模型約束條件,通過3組仿真試驗,對比了復(fù)式航道實施前后天津港營運狀況,分析了2種情況下的變化及其原因.李紅亮等[7]基于LNG船舶航行時的特殊安全要求建立航道通過能力影響模型,用2種方法分別計算LNG船舶對高欄港主航道船舶通過能力影響程度.杜柯等[8]分析船載貨物本身的危險性和航道自身發(fā)生的事故屬性的基礎(chǔ)上,給出了相應(yīng)的危險品運輸?shù)暮降劳苓^力計算方法和劃分標(biāo)準(zhǔn).張培林等[9]分析了船閘通過能力影響因素,提出提高一次過閘平均噸位是提高三峽船閘通過能力的主要途徑,進而提出從提高閘室水深利用和閘室面積利用2個角度來提高一次過閘平均噸位,優(yōu)化船舶運輸組織,即優(yōu)化船型和過閘船舶組合.本文著眼于整個內(nèi)河水運系統(tǒng)通過能力的研究，通過對長江干線貨流OD矩陣結(jié)構(gòu)的推算，運用網(wǎng)絡(luò)模型，測算長江干線航道的通過能力.

1 多級航道通過能力

對于由通過能力(容量)大小不同的航段組成的一條航道而言，其航道通過能力，是指考慮航段通過能力限制、礙航建筑通過能力限制和航道貨流OD結(jié)構(gòu)的在單位時間(通常以年為時間周期)內(nèi)的航道總貨流量Q.

航道上有n個港口，第i個港口到第j個港口的貨流量為Qij(Qij≥0)，總貨流量為

(1)

2 航道通過能力限制

2.1 航段通過能力限制

若第k航段的最大通過能力為Ck，航段通過能力的限制條件為

i<=k,且j>k,i,j,k∈N*

(2)

2.2 礙航建筑物通過能力限制

若第p個礙航建筑物的年最大通過能力為Pp，礙航建筑物限制條件為

i<=p,且j>p,i,j,k∈N*

(3)

礙航建筑物一般包括橋梁、大壩.

3 航道貨流OD結(jié)構(gòu)

航道OD結(jié)構(gòu)是指航道中的起點港O點到終點港D點貨流量構(gòu)成的比例關(guān)系.在長江的貨物運輸需求中OD之間發(fā)生以及發(fā)生多少不是任意的，而是與國家的工業(yè)布局，港口腹地的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，國家的經(jīng)濟發(fā)展水平等有著密切關(guān)聯(lián)性，在較短的時期內(nèi)，通常認(rèn)為OD貨流量分布相對固定.

對于航道H=(N,A).其中:N為航道結(jié)點(港口)集合；A為有向航段集合.每個有向航段擁有一個固定容量C.對于有n個港口的多級航道上的貨流量Q用具有的貨流OD結(jié)構(gòu)的矩陣表示為

(4)

式中：Qij為第i個港口到第j個港口的貨物流量，當(dāng)i=j時，Qij=0.

(5)

式中：∑∑pij=1.

單位OD矩陣P描述了航道上的貨流OD結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系.在某種OD結(jié)構(gòu)下，航道的貨流量承載能力得到充分發(fā)揮，容量達(dá)到最大，這樣的OD結(jié)構(gòu)就稱為“理想OD結(jié)構(gòu)”.此時，OD結(jié)構(gòu)與航道貨流量達(dá)成最佳匹配.

可達(dá)到最大OD貨流量Q={Qij}是總貨流量T與單位OD矩陣P的乘積，寫成

Qij=T·pij

(6)

4 長江干線航道通過能力計算

根據(jù)交通運輸部、水利部、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會《關(guān)于內(nèi)河航道技術(shù)等級的批復(fù)》批復(fù)的長江干流航道技術(shù)等級，及《長江干線航道建設(shè)規(guī)劃》確定的長江干流航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 長江干流航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

注：數(shù)據(jù)來源，交通部《內(nèi)河航道技術(shù)等級的批復(fù)》，1998.

4.1 長江航道及礙航建筑物限制

為了使航道通過能力僅反映航道本身的屬性與特點,與航道上的船舶無關(guān)，采用單一標(biāo)準(zhǔn)船的航道段過能力.標(biāo)準(zhǔn)船舶航道單向通過能力見表2.

表2 標(biāo)準(zhǔn)船舶航段單向通過能力

注：標(biāo)準(zhǔn)船型數(shù)據(jù)來源，交通運輸部，《長江水系過閘運輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，2013.

長江干線規(guī)模以上主要港口16個，分別為:宜賓港、滬州港、重慶港、宜昌港、荊州港、岳陽港、武漢港、黃石港、九江港、安慶港、馬鞍山港、蕪湖港、南京港、鎮(zhèn)江港、蘇州港、南通港.考慮到外貿(mào)貨物的進出，增設(shè)一虛擬港，命名為瀏河口.

長江干線上礙航建筑物一般考慮三峽大壩和南京長江大橋，其中三峽大壩設(shè)計雙向年通過能力為1億t，單向為5 000萬t；南京長江大橋在豐水期橋梁凈空為24 m，只能通過3 000 t級船舶.

綜合考慮航段通過能力限制、港口吞吐能力限制、礙航建筑通過能力限制的各參數(shù)見表3.

表3 長江干線航道通過能力限制條件

4.2 長江貨流OD結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的調(diào)查統(tǒng)計中缺乏各港口之間的貨流統(tǒng)計，只能通過港口貨物吞吐量等指標(biāo)推算貨流OD結(jié)構(gòu).

根據(jù)對貨流特性的分析,如果i港口出港貨物一定時,j港口對i港口的吸引越大,那么i站到j(luò)站的OD分布量也越大.根據(jù)引力模型[10-11]，定義吸引權(quán)系數(shù)fij：

(7)

式中：qi為i港口的吞吐量；qj為j港口的吞吐量；lij表示i港口到j(luò)港口的距離；k，α，β，γ為模型系數(shù),分別取1，1，1，-1.

貨流OD的結(jié)構(gòu)化模型

(8)

式中:Qij為i港口到j(luò)港口的貨流量，Oi為i港口的出港貨流量.

結(jié)合長江港口之間里程，按照如上推算過程，經(jīng)過6次迭代，得到長江干線貨流量OD結(jié)構(gòu)見表4.

4.3 計算模型與結(jié)果

綜上，長江干線航道通過能力實際計算的網(wǎng)絡(luò)模型.

(17)

根據(jù)該模型進行測算, 在現(xiàn)有航道通過能力限制、礙航建筑物通過能力限制和貨流OD結(jié)構(gòu)下，長江干線航道通過能力用貨物通過能力表征時，下行的貨物通過能力為9.5億t，上行貨物通過能力為7.2億t，合計為16.7億t.

表4 長江干線貨流量OD結(jié)構(gòu) 萬t/年

5 結(jié) 束 語

1) 為解決通過能力(容量)大小不同的航段組成的多級航道通過能力的計算問題，本文研究了通過構(gòu)建OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，用貨流量來表征航道通過能力.

2) 本文以最大貨流量為目標(biāo)函數(shù)，以航段通過能力、港口設(shè)計通過能力及礙航建筑物通過能力為限制條件，考慮航道貨流OD結(jié)構(gòu)和航道長度限制，構(gòu)建了OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型.

3) 在現(xiàn)有航道通過能力限制、礙航建筑物通過能力限制和貨流OD結(jié)構(gòu)下，長江干線航道通過能力用貨物通過能力表征時，下行的貨物通過能力為9.5億t，上行貨物通過能力為7.2億t，合計為16.7億t.

4) 航道貨流OD結(jié)構(gòu)的推算以及理想OD結(jié)構(gòu)的獲取，在未來的工作中，可進一步探討.

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[6]黃泰坤,王元戰(zhàn),李紹武,等.海港復(fù)式航道通過能力動態(tài)系統(tǒng)仿真[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,2015,41(1):20-26.

[7]李紅亮,楊傳波.LNG船舶進出港對珠海港主航道通過能力影響[J].水運工程,2013(6):85-88.

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Main Channel Capacity of the Yangtze River Based on OD Network Model

DING Tao XU Xiangwen

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

The important role is given to the Yangtze river golden waterway by low carbon economy. the Yangtze river paragraphs channel level is different. To study waterway transit capacity, the network model is introduced, regarding the ports as the nodes and the legs as the lines in the network model, at the same time; considering the cargo flow OD structure, which is closely related to the channel transit capacity. To measure the Yangtze river waterway capacity, the network model with OD structure is established, in which the cargo flows between arbitrary original point and destination port is the variables, the sum of all goods flows or freight turnovers is the objective function, subject to the leg transit capacity and obstructing transit capacity constraints.

network model; the Yangtze River main channel; transit capacity; OD structure

2015-03-10

U611

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.017

丁 濤(1964- )：男，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域為港航與綜合物流研究