長江干線船舶航行營運工況影響因素

喻露，王志芳

（中國船級社武漢規(guī)范研究所，湖北 武漢 430022)

為應(yīng)對氣候變化問題，我國提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，為降低我國內(nèi)河航運溫室氣體排放，交通運輸部已強制要求2012年7月1日及以后建造的新船必須滿足船舶能效設(shè)計指數(shù)EEDI 要求[1]，但內(nèi)河航道環(huán)境復(fù)雜、通航建筑多、氣象水文變化大、水深受季節(jié)影響大，受此特點影響，內(nèi)河船舶在航行過程中，主機工況往往處于非設(shè)計狀態(tài)且不同航段上差異大，這導(dǎo)致不同航段船舶能源消耗及污染物排放也相差較大。

為此，中國船級社開展了船舶營運智能能效管理系統(tǒng)研究，為了給該系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，提高船舶營運能效，需深入開展船舶營運工況影響因素識別及關(guān)聯(lián)性研究?？紤]到長江干線船舶從數(shù)量噸位看最能代表內(nèi)河船舶，本文針對長江干線航行船舶，采用層次分析法結(jié)合專家打分確定營運工況的影響因素權(quán)重，再通過長江干線不同航段特征分析各因素影響程度合理性，為船舶營運中能耗排放評估研究提供參考。

1 主機營運工況影響因素的層次模型

長江干線是一個涉及復(fù)雜航道、氣象、水文的動態(tài)環(huán)境。本文通過分析文獻[2]及調(diào)研內(nèi)河船舶船長和輪機長，識別船舶在長江干線航行營運工況受流速、水深水位、風(fēng)、能見度、航道條件等因素影響。針對上述影響因素，運用層次分析法建立長江干線船舶營運工況影響因素層次模型，如圖1 所示。

2 影響因素權(quán)重的確定

針對長江干線船舶營運工況影響因素面臨的不確定性問題，本文在圖1 構(gòu)建模型基礎(chǔ)上，采用層次分析法結(jié)合專家調(diào)研法[3]對長江干線船舶營運工況影響因素權(quán)重計算，識別影響船舶營運工況的重要因素。

2.1 單個專家權(quán)重的確定

本文評價范圍整個長江干線，故邀請了長江干線上運營不同船型的15 位船長和輪機長對圖1 中模型各層指標(biāo)影響程度進行打分?？紤]到長江干線上中下游航道環(huán)境的差異性，在調(diào)研問卷中將長江干線分為重慶以上、重慶至三峽大壩前、兩壩間、宜昌至武漢及武漢以下5個航段，針對每個航段分別展開客觀評價。采用1 ～9標(biāo)度法[4]，以某位船長打分結(jié)果為例，根據(jù)水文環(huán)境、氣象環(huán)境、航道條件和其他對船舶營運主機工況的影響程度打分，得出第1 層指標(biāo)判斷矩陣A1為：

根據(jù)層次分析法原理，對式(1)進行歸一化處理，并檢驗其一致性。得到該矩陣特征權(quán)重向量為：

滿足一致性要求。同理，得到第2 層指標(biāo)評價矩陣及對應(yīng)特征權(quán)重向量如下。

每層矩陣的特征向量是該組指標(biāo)對其上層中某元素的權(quán)重向量，下層指標(biāo)權(quán)重總排序為上層矩陣權(quán)重與下層矩陣權(quán)重之積。根據(jù)每層特征向量計算各指標(biāo)總權(quán)重結(jié)果見圖2。

2.2 專家合成權(quán)重的確定

按照上節(jié)得到不同航段不同專家指標(biāo)權(quán)重結(jié)果后，采用算術(shù)均值法集結(jié)專家結(jié)果得到各要素權(quán)重值。計算公式如下，最終得到長江干線各航段各因素的影響權(quán)重值（見圖3、4）。

2.3 權(quán)重結(jié)果分析

2.3.1 第一層指標(biāo)

從圖3 指標(biāo)權(quán)重分布看，長江干線船舶主機工況影響因素中，影響程度最大的是水文環(huán)境，權(quán)重在0.5以上；其次是氣象環(huán)境，權(quán)重在0.2 左右；然后是航道環(huán)境和其他因素。

2.3.2 流速、水深、水位、風(fēng)力

從圖4 權(quán)重分布看，長江干線船舶主機營運工況最大影響因素為流速、水深、水位以及風(fēng)力，其中流速對主機工況影響最大，在重慶以上、兩壩間特殊航段甚至超過0.35。

長江上游航道是典型的山區(qū)河流航道，其中，宜賓合江門至重慶江津紅花磧?yōu)樯絽^(qū)天然航道，航道彎曲狹窄，灘多流急，流態(tài)紊亂，流速對船舶營運工況影響最大，一些船舶甚至需要借助推船上灘；重慶江津紅花磧至涪陵為變動回水區(qū)航道，涪陵至三峽大壩為常年庫區(qū)航道，回水變動區(qū)航道隨著三峽水庫水位調(diào)度呈現(xiàn)庫區(qū)航道和天然航道的特征，當(dāng)水位在145 以下時屬于自然航道，容易出現(xiàn)水淺、流急、彎多、灘險，對船舶營運工況影響很大；兩壩間屬于常年自然航道，隨著三峽通航流量變化，水流速度變化巨大，洪水期間出現(xiàn)灘多流急，打不起舵容易出事故；長江中下游水文條件相對較好，但是部分中游航段枯水期淺灘會增多，下游臨近長江口水域條件變得復(fù)雜。因此，長江干線流速對主機功率影響很大，上游部分航段流速影響程度比中下游航道更大。長江干線流速受季節(jié)水深變化影響（枯水期間易形成淺灘、急灘），且分季節(jié)水深變化對船舶裝載及主機工況影響很大。

另外，長江上游多為山區(qū)航道，除去一些特殊位置，一般風(fēng)力較小且風(fēng)向多順著航道，較利于船舶航行；中下游大風(fēng)天氣增多，且由于風(fēng)力對水流作用，可能導(dǎo)致船舶出現(xiàn)風(fēng)浪失速，因此風(fēng)力的影響是上游航道小于中下游航道。

2.3.3 航道條件、潮汐、船舶密度

從圖4 看，航道環(huán)境、潮汐、船舶密度等因素對船舶主機工況也有一定影響，其中航道環(huán)境總權(quán)重達到0.1～0.15，下游潮汐權(quán)重達到0.0656，下游船舶密度權(quán)重達到0.0845。長江上游航道寬度、曲率半徑比中下游小，上游船舶航行時對航道關(guān)注度比下游高。船長們反映由于上游航道較窄，部分航段出現(xiàn)船舶交匯概率高導(dǎo)致船舶密度偏高，影響船舶航行。下游航段隨著近十幾年來船舶數(shù)量不斷增長，船舶密度對航行影響很大（見圖5）。另外，南京至上海航線漲落潮對船舶營運工況影響也很大。

2.3.4 能見度、降雨

從圖4 分布看，降雨、能見度等因素對船舶主機工況也有一定影響，兩者權(quán)重值達到0.05～0.1。通過對2019年11月至2020年10月期間海事局公開的長江干線安全預(yù)警及暴雨預(yù)警情況統(tǒng)計分析，長江干線轄區(qū)內(nèi)中上游暴雨次數(shù)較多，宜昌、荊州、黃石的暴雨預(yù)警次數(shù)較多；長江全線均有較高的大霧頻率，重慶、武漢以及荊州的大霧預(yù)警次數(shù)較多。多位船長表示上中游航線暴雨天氣對船舶航行有影響，重慶至九江航道范圍內(nèi)船舶經(jīng)常扎霧影響船舶航行。

3 結(jié)論

（1）本文利用層次分析法結(jié)合專家打分，得到了長江干線船舶不同航段營運工況影響因素權(quán)重值，并識別出船舶營運工況影響程度依次是水文環(huán)境、氣象環(huán)境、航道環(huán)境和其他；在全部影響因素中，影響程度最大是流速、水位水深、風(fēng)力，在確定船舶營運工況時應(yīng)優(yōu)先關(guān)注影響程度較高因素。

（2）本文根據(jù)長江航道特點，分別對不同航段船舶主機工況的影響因素權(quán)重進行了計算和分析；從對長江干線航道、氣象、水文環(huán)境特性的分析，說明了本研究權(quán)重計算結(jié)果具有一定合理性，可以為分析船舶營運主機工況提供依據(jù)，為研究提高船舶營運狀況下節(jié)能減排效益提供新思路。