 Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2013, 2, 104-107 http://dx.doi.org/10.12677/ojtt.2013.22019 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojtt.html) Study on Lock Capacity Improved Algorithm of Beijing-Hangzhou Caral in Northern Sector of Jiangsu Province Jian Ding1,2, Peng Xu2, Qiu Zhai2 1Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 2College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing Email: dj60hhu@126.com Received: Dec. 13th, 2012; revised: Jan. 11th, 2013; accepted: Feb. 1st, 2013 Copyright © 2013 Jian Ding et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: With the trend of larger-sized vessel, normal algorithm, the calculation method of lock capacity improved algorithm of Beijing-Hangzhou Caral in northern sector of Jiangsu Province, is not adapted to ac- tual situation. In this article, based on the con cept and classification of road basic capacity, three types of lock capacity are defined as well as possible capacity formula. Based on the observation data, we obtain possible capacity calculation method which is adapted to the Grand Canal marine type distribution. The results will be referenced to related engineering. Keywords: Beijin g-Hangzhou Caral in Northern Sector of Jiangsu Province; Lock; Basic Lock Capacity; Possible Capacity; Improved Algorith m 京杭运河苏北段船闸通过能力改进算法研究 丁 坚1,2，徐 鹏2，翟 秋2 1河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 2河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 Email: dj60hhu@126.com 收稿日期：2012 年12 月13 日；修回日期：2013 年1月11 日；录用日期：2013 年2月1日 摘 要：随着船舶大型化，京杭运河苏北段船闸通过能力的计算方法采用的规范算法已与实际情况不 符。本文借鉴道路基本通行能力的概念与分类，定义了与之相对应的三类船闸通过能力，提出可能通 过能力公式，并依据理论和观测数据初步提出了适用于苏北运河目前船型分布的船闸可能通过能力的 计算方法，基本通过能力和可能通过能力的公式，研究成果为相关工程提供了参考依据。 关键词：苏北运河；船闸；基本通过能力；可能通过能力；改进算法 1. 引言 京杭运河是中国重要的南北水上运输通道，是我 国内河水运主通道“一纵三横”总体布局的重要组成 部分，在国家的统一、经济的繁荣、文化的融合以及 对外开放和国际交往方面发挥过非常重要的作用。京 杭运河苏北段(以下简称苏北运河)是整个京杭运河中 水运最为繁忙的水道，也是苏北经济发展的动脉。 船闸是苏北运河航运的主要瓶颈之一，三线船闸 的通过能力仍然不能与航道相匹配。由于船舶大型化 的趋势，运河船闸的通过量都超过了设计通行能力， 目前使用的《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2 00 1) 通过 能力计算公式已经失效，很难准确计算船闸通过能力 Copyright © 2013 Hanspub 104  京杭运河苏北段船闸通过能力改进算法研究 [1-5]。本文对苏北运河船闸通过能力改进算法进行研 究，具有实际意义，并能为相关工程提供参考。 2. 船闸通过能力的新定义 道路工程中，道路的通行能力[6-9]可分为三类：基 本通行能力是指道路与交通处于理想情况下，每一条 车道在单位时间内能够通过的最大交通量；可能通行 能力是在实际的道路和交通条件下，单位时间内通过 道路上某一断面的最大可能交通量；设计通行能力是 指道路根据使用要求的不同，按不同服务水平条件下 所具有的通行能力，也就是要求道路所承担的服务交 通量，通常作为道路规划和设计的依据。 Greenshields 模型[10]认为，船舶航行的速度与船 舶密度有关，当密度较小时，船舶可以自由航行、船 速较快；如果船舶密度过大，船速会降低。交通密度 增大达到阻塞密度时，交通流量为零。 借鉴道路基本通行能力的概念与分类，同样将船 闸通过能力分为三类。 1) 船闸基本通过能力。在规范允许的航道最大船 舶吃水深度限制下，理想的船型、水情、天气、交通、 控制和环境条件下，无论服务水平如何，平均单位时 间能通过的最大船舶或货物吨位数。表征船闸硬件设 施自身允许的最大通过率，反映的是在理想船型、水 情、天气与交通条件下，船闸单位时间所能提供的最 大船舶或货物吨位通过量，与现实的交通工具(船舶) 和外界条件(天气或水情)无关。理想条件是指达到了 这样的标准，即使再进一步对条件进行改善，也无助 于提高通过能力。 2) 船闸可能通过能力。在规范允许的航道最大船 舶吃水深度限制下，在实际或预测天气、水情、交通、 船型、环境和控制调度条件下，无论服务水平如何， 平均单位时间能通过的最大船舶或货物吨位数。 3) 船闸设计通过能力。在规范允许的航道最大船 舶吃水深度限制下，在预测天气、水情、交通、船型、 环境和控制调度条件下，在选用服务水平下(有最长延误 限制)，平均单位时间能通过的最大船舶或货物吨位数。 3. 船闸通过能力的改进计算方法 3.1. 规范计算方法 国内船闸通过能力的计算方法主要是依据《船闸 总体设计规范》(JTJ 305-2001)： 1 PnNG (1) 20 NG Pnn (2) 式中：P1为年过闸船舶总载重吨位(t)；P2为年过闸货 运量(t)；n为日平均过闸次数(次)；n0为昼夜内非运货 船过闸次数(次)；G为一次过闸平均吨位(t)；α为船舶 装载系数；β为月运量不均衡系数；N为年通航天数(d)。 经验表明，式(1)、(2)的参数不易获得，且实际应 用中计算偏差也较大。 3.2. 基本通过能力的计算方法 根据定义，考虑理想的船型(闸室中可以并排三列 或更多船舶)，运河上一闸次最大理论通过量可以按下 式计算： 0 min , mzs mgmz PLdd Bb (3) 式中，Lzs 为闸室有效长度(闸室有效长度为不包括闸 室两端灌泄水紊流区的闸室长度)、dmg 为规范允许的 航道中船舶最大吃水、dmz 为船闸中船舶最大安全吃 水、B0为船闸内净宽、b为船舶在闸室安全航行的双 侧最小空余宽度之和，考虑船舶安全进出要留有与闸 室内壁的安全间距，一般 b取值为闸室内宽的 10%。 min(*,*)函数为取括号中最小值。 考虑上下水航行，考虑理想的船型一闸次平均运 行时间可定义为： 00.5 0.5 msudmi o uo uc dodc TLLLV tt tttt (4) 式中，Lu、Ld分别为船闸上下游靠墩至上下游闸门航 线的距离、L0为闸室长度，Vm为船舶进出闸平均速度， ti、to分别为船闸灌水与泄水时间，tuo、tuc、tdo、tdc 为 别为上游船闸闸门开启、关闭、下游船闸闸门开启、 关闭时间。船舶进出闸速度可由观测数据推算获得， 一般考虑满载的大型船舶，苏北运河各梯级船闸可以 考虑相同的船舶进出闸速度。结合现场观测数据，参 考《船闸管理规范》，选择与推荐船舶速度接近的数 据，Vm取1.0 m / s至1.35 m/ s。 由(3)、(4)式，得到本文研究所得的船闸基本通行 能力计算定义为： Copyright © 2013 Hanspub 105  京杭运河苏北段船闸通过能力改进算法研究 m c ms P PT (5) 从公式(3)~(5)中可以看出，不同船闸的基本通过 能力是不同的，它涉及船闸物理参数。 3.3. 可能通过能力的计算方法 可能通过能力计算不考虑天气影响和水情变化， 仅考虑船型影响。根据苏北运河现有船型，由 6000 条船舶调查数据，拟合得到关系式。 12.36 1.736 L LfP P (6) 2.765 0.325 w WfP P (7) ln0.18 ln0.520.06VL (8) 式中：P为单船吨位(t)；L、W、V分别为船长(m)、 船宽(m)和船速(m/s)。 一次过闸时间包括：船舶队列第一条船艏从靠船 墩驶至闸首的时间t1、船队由闸首完全驶入闸室的时 间t2、闸门关闭时间 t3、灌泄水时间 t4、闸门开启时 间t5、闸室内船舶队列驶出且最后一艘离开闸室的时 间t6以及最后一艘船舶船尾驶到闸后靠船墩的时间 t7。当最后一艘船舶船尾驶到闸后靠船墩时，反向待 闸船舶可以开始启动驶向闸门，耗费 的时间完成 7 1i i t 一个单向过闸循环的全过程。不考虑因船闸地域、尺 度不同而变化的 t1、t3、t4、t5和t7(这些时间值都可以 在各船闸现场观测获得，而且它们是与船舶多少、载 重吨位大小无关的刚性消耗时间)，t2和t6时间是船舶 或船队的航行、系解缆时间，是弹性消耗时间。可能 通过能力与船型有很大关系，根据在淮安船闸、宿迁 船闸和刘山船闸现状船型进出时间的调查数据，考虑 船闸长度的满载单船过闸时间半理论(Greenshields)拟 合关系式(9)。空载船舶过闸的 t2 + t6时，大约为满载 船船的 75%。船队的过闸时间计算可参考单船公式。 0 26 0 0 2 0 31 0.0039 12 6.22 exp0.540.125 2 NL L TL NL L NL L i i L p Lf N (10) 式中 N为一闸次船舶数；L0为闸室长度(m)； L 为船 舶平均长度(m)，由式(10)平均船长函数计算。单船过 闸时间 t2 + t6与船数和吨位关系拟合图形如图 1所示， 图中明确显示船舶数量越多或船舶总吨位越大 t2 + t6 的耗时就越多，这与实际调查数据相合。当一闸次船 舶8艘、船舶总吨位为 4800 t时，t2 + t6时间为 28.69 min。 船闸的基本通过能力是衡量船闸潜力和船舶标 准化程度，也是衡量船闸船舶通过效率的参照标准， 可能通过能力是船闸调度的依据。一般情况下苏北各 梯级船闸的通过量无法达到理论的基本通过能力。 实际应用中，年船闸可能通过能力是指在实际或 者预测的船型尺寸分布下，根据平均船型在闸室内的 最优组合情况计算得到的船闸可能通过能力，具体计 算公式如下： 1v PDkP v (11) 式中，D为年通航天数，考虑平均天气情况，可以从 当年有关年鉴中获得，一般为 340 d~360 d。k为日平 均开闸次数，可以通过日有效开闸时间 Ttol(一般取 24 小时)与一闸次过闸时间 Ts的比值来获取： 24 60 s kT (12) 根据对大运河上两千多艘船舶的抽样调查，得到 了单机船舶的总吨位统计分布(图2)，应用 χ2检验方 法检验船舶总吨位统计分布与正态分布的拟合优度， 取置信度水平 α = 0.05，检验结果 。单机船总吨位的统计分布接 22 0.05 12.9 15.51 (9) Figure 1. Simulation effect graphic model when one vessel lockage time is t2 + t6 图1. 多艘单机船一次过闸时间 t2 + t6拟合关系三维图 Copyright © 2013 Hanspub 106  京杭运河苏北段船闸通过能力改进算法研究 Copyright © 2013 Hanspub 107 概率 p 船舶吨位(t) 50 150 250 350 450 550 650 25 20 15 10 5 0 Figure 2. Statistical scatter gram of one vessel’s whole tonnage 图2. 单船总吨位统计分布图 受了正态分布的假设，它服从均值为220 t的正态分 布。也就是说目前苏北运河船舶的平均吨位为 220 t， 由公式(6)知运河上平均吨位的船长为 38 m。 由船闸平均长度和目前双帮过闸的现状，一闸次 平均最大过船率为 8~10艘，取每闸次 9艘计算，式(11) 中的 1 P 可以确定： 17 1 220 9 i i P t (13) 按式(10)~(13)即可估算当前船型条件下各船闸的 可能通过能力。 4. 结论 船闸是航道通过能力的瓶颈，但船闸通过能力的 定义和计算方法仍有争议，尤其现行规范计算结果与 实际情况有所差距。参照道路基本通行能力的概念与 分类，提出了与之相对应的三类船闸通过能力——船 闸基本通过能力、船闸可能通过能力、船闸设计通过 能力。依据调查数据，得出了适用于苏北运河目前船 型分布的船闸可能通过能力的计算方法，基本通过能 力和可能通过能力的公式，方法也适用于其它航道船 闸，研究成果为相关工程提供了参考依据。 参考文献 (References) [1] 王振喜. 关于船闸通过能力计算中若干问题探讨[J]. 水运工 程, 1998, 6: 19-22. [2] 卞艺杰. 航道通过能力研究[J]. 水运工程, 2000, 8: 27-30. [3] 周兴华. 船闸通过能力计算中有关问题的探讨[J]. 水运工 程, 2002, 3: 35-38. [4] 陶桂兰, 张玮, 丁坚. 船闸一次过闸平均吨位的确定[J]. 水 运工程, 2003, 4: 50-52. 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