基于OD結構網絡模型的長江干線航道通過能力研究

丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于OD結構網絡模型的長江干線航道通過能力研究

丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

低碳經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結構網絡模型，將長江上17個港口視為網絡模型中的節點，各航段視為網絡模型中的連線，考慮與航道通過能力密切相關的航道貨流OD結構，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函數，航段通過能力、礙航建筑物通過能力為限制條件的OD結構網絡模型,來測算長江干線航道通過能力.

網絡模型；長江航道；通過能力；OD結構

0 引 言

關于內河航道通過能力計算的西德公式[1]，王宏達公式[2]屬于經驗公式，沒有形成統一規范的模式.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，運用網絡理論，提出了系統測算航道(網)通過能力的數學模型，并據此提出了各等級航道的通過能力數量級，多級航道通過能力的數學模型[4]在實際運用中仍有瓶頸.

侯海強等[5]利用橋區航道船舶AIS數據及實測數據，分析船舶類型比例、船舶尺寸分布規律、船舶到達速度分布規律、船舶到達規律分布和船舶間時距等數據特征，建立橋區航道船舶通過能力仿真模型,通過數據輸出及分析處理，實現橋區航道船舶通過能力的分析計算.黃泰坤等[6]以天津港2011年基礎設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生的事故屬性的基礎上,給出了相應的危險品運輸的航道通能過力計算方法和劃分標準.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,優化船舶運輸組織,即優化船型和過閘船舶組合.本文著眼于整個內河水運系統通過能力的研究，通過對長江干線貨流OD矩陣結構的推算，運用網絡模型，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結構的在單位時間(通常以年為時間周期)內的航道總貨流量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結構

航道OD結構是指航道中的起點港O點到終點港D點貨流量構成的比例關系.在長江的貨物運輸需求中OD之間發生以及發生多少不是任意的，而是與國家的工業布局，港口腹地的產業結構，國家的經濟發展水平等有著密切關聯性，在較短的時期內，通常認為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結構的矩陣表示為

(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結構的比例關系.在某種OD結構下，航道的貨流量承載能力得到充分發揮，容量達到最大，這樣的OD結構就稱為“理想OD結構”.此時，OD結構與航道貨流量達成最佳匹配.

可達到最大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

根據交通運輸部、水利部、國家經濟貿易委員會《關于內河航道技術等級的批復》批復的長江干流航道技術等級，及《長江干線航道建設規劃》確定的長江干流航道建設標準見表1.

表1 長江干流航道建設標準

注：數據來源，交通部《內河航道技術等級的批復》，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，采用單一標準船的航道段過能力.標準船舶航道單向通過能力見表2.

表2 標準船舶航段單向通過能力

注：標準船型數據來源，交通運輸部，《長江水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》，2013.

長江干線規模以上主要港口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、鎮江港、蘇州港、南通港.考慮到外貿貨物的進出，增設一虛擬港，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結構

現有的調查統計中缺乏各港口之間的貨流統計，只能通過港口貨物吞吐量等指標推算貨流OD結構.

根據對貨流特性的分析,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站的OD分布量也越大.根據引力模型[10-11]，定義吸引權系數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港口的距離；k，α，β，γ為模型系數,分別取1，1，1，-1.

貨流OD的結構化模型

(8)

式中:Qij為i港口到j港口的貨流量，Oi為i港口的出港貨流量.

結合長江港口之間里程，按照如上推算過程，經過6次迭代，得到長江干線貨流量OD結構見表4.

4.3 計算模型與結果

綜上，長江干線航道通過能力實際計算的網絡模型.

(17)

根據該模型進行測算, 在現有航道通過能力限制、礙航建筑物通過能力限制和貨流OD結構下，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結構 萬t/年

5 結 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，本文研究了通過構建OD結構網絡模型，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函數，以航段通過能力、港口設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結構和航道長度限制，構建了OD結構網絡模型.

3) 在現有航道通過能力限制、礙航建筑物通過能力限制和貨流OD結構下，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結構的推算以及理想OD結構的獲取，在未來的工作中，可進一步探討.

[1]CARROLL J L, BRONZINI M S. Waterway transportation simulation models: development and application[J].Waterway Resources Research,1973,9(1):51-63.

[2]王宏達.內河航道通過量估算[J].水運工程,1998(9):4-6.

[3]楊家琪,吳永富,成圣復.內河航道通過能力數學模型的研究[J].武漢水運工程學院學報,1993,17(3):283-289.

[4]丁 濤,徐湘文.多級航道通過能力的數學模型研究[J].水運工程,2014(7):95-98.

[5]侯海強,余玉歡,嚴新平,等.橋區航道船舶通過能力仿真[J].大連海事大學學報,2015(1):28-31.

[6]黃泰坤,王元戰,李紹武,等.海港復式航道通過能力動態系統仿真[J].大連海事大學學報,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.

[8]杜 柯,陳先橋,楊品福,等.危險品船舶內河航道通過能力計算方法研究[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版,2011,33(5):738-741.

[9]張培林,于 樂.提高三峽船閘通過能力的船舶運輸組織方案[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2014,38(3):502-506.

[10]孟 寧，陳 燕，王 軍.多淺段航道設計通過能力仿真[J].大連海事大學學報，2011(1)：55-58.

[11]朱 俊，張 瑋.基于跟馳理論的內河航道通過能力計算模型[J].交通運輸工程學報，2009(5)：102-107.

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，主要研究領域為港航與綜合物流研究