長江干線船舶航行營運工況影響因素

喻露，王志芳

（中國船級社武漢規范研究所，湖北 武漢 430022)

為應對氣候變化問題，我國提出了“雙碳”戰略目標，為降低我國內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計指數EEDI 要求[1]，但內河航道環境復雜、通航建筑多、氣象水文變化大、水深受季節影響大，受此特點影響，內河船舶在航行過程中，主機工況往往處于非設計狀態且不同航段上差異大，這導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研究，為了給該系統提供技術支撐，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聯性研究。考慮到長江干線船舶從數量噸位看最能代表內河船舶，本文針對長江干線航行船舶，采用層次分析法結合專家打分確定營運工況的影響因素權重，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雜航道、氣象、水文的動態環境。本文通過分析文獻[2]及調研內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、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 構建模型基礎上，采用層次分析法結合專家調研法[3]對長江干線船舶營運工況影響因素權重計算，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 中模型各層指標影響程度進行打分。考慮到長江干線上中下游航道環境的差異性，在調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標度法[4]，以某位船長打分結果為例，根據水文環境、氣象環境、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 層指標判斷矩陣A1為：

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

滿足一致性要求。同理，得到第2 層指標評價矩陣及對應特征權重向量如下。

每層矩陣的特征向量是該組指標對其上層中某元素的權重向量，下層指標權重總排序為上層矩陣權重與下層矩陣權重之積。根據每層特征向量計算各指標總權重結果見圖2。

2.2 專家合成權重的確定

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

2.3 權重結果分析

2.3.1 第一層指標

從圖3 指標權重分布看，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境，權重在0.5以上；其次是氣象環境，權重在0.2 左右；然后是航道環境和其他因素。

2.3.2 流速、水深、水位、風力

從圖4 權重分布看，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河流航道，其中，宜賓合江門至重慶江津紅花磧為山區天然航道，航道彎曲狹窄，灘多流急，流態紊亂，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航道，涪陵至三峽大壩為常年庫區航道，回水變動區航道隨著三峽水庫水位調度呈現庫區航道和天然航道的特征，當水位在145 以下時屬于自然航道，容易出現水淺、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水深變化影響（枯水期間易形成淺灘、急灘），且分季節水深變化對船舶裝載及主機工況影響很大。

另外，長江上游多為山區航道，除去一些特殊位置，一般風力較小且風向多順著航道，較利于船舶航行；中下游大風天氣增多，且由于風力對水流作用，可能導致船舶出現風浪失速，因此風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，其中航道環境總權重達到0.1～0.15，下游潮汐權重達到0.0656，下游船舶密度權重達到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，部分航段出現船舶交匯概率高導致船舶密度偏高，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警及暴雨預警情況統計分析，長江干線轄區內中上游暴雨次數較多，宜昌、荊州、黃石的暴雨預警次數較多；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警次數較多。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船舶經常扎霧影響船舶航行。

3 結論

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

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