CN106652565A - 使用水流动力模型计算船舶适航区域的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用水流动力模型计算船舶适航区域的方法，包括：步骤100，输入船舶参数，船舶参数包括船长、船宽、船高与吃水；步骤200，获取（1）船舶数据，包括：经纬度、航速、航向角；（2）航道数据，包括：航道地形数据和地物数据；和（3）水流数据，包括：水深、流速、流向；步骤300，计算最小通航参数阈值，包括最小航道水深、最小航道宽度、最小航道曲率半径、最小净高值和最小净跨值；步骤400，确定适航区域，将航道中大于或等于所述最小通航参数阈值的区域标记为船舶适航区域。本发明通过确定适航区域，可以掌控当前水流条件下适合该船航行的区域，帮助船舶确定是否航行在适航区域内，从而降低船舶事故发生的几率。

Description

使用水流动力模型计算船舶适航区域的方法

技术领域

本发明涉及一种确定船舶适航区域的方法，尤其是基于实时数据确定船舶适航区域的方法。

背景技术

航运作为国家战略性基础产业，是综合运输体系的重要组成部分，也是实现经济社会可持续发展的重要战略资源。而航道数字化是航运信息化的重要组成部分与发展趋势，对内河航运的安全与高效管理有着举足轻重的作用。

天然河道是指能进行水上运输的天然河流，而内河水道是指天然河道、运河、湖泊、水库等的统称。在水道中，具有一定的深度、宽度、净空尺度、弯曲半径，并且可以给船舶提供一个安全航行环境的水域称之为航道。标准不同，航道的分类也不一样，根据航道的管理属性可划分为国家航道、地方航道与专用航道；根据航道形成原因可划分为天然航道、人工航道与渠化航道；根据航道所处地域可划分为内河航道与沿海航道；根据所处航段特点可划分为桥区航道、港区航道、坝区航道等。

航道的通航能力研究与航道的安全、畅通以及航运管理部门的建设、维护、发展航道的规划息息相关，但航道通航能力至今没有统一的定义，普遍认可的主要有两种，一种是从宏观层面考虑，将航道通航能力定义为 一年中在航道控制河段上按航道枯水期的航道条件双向通过的货物或船舶的最大数量，通常以年通过航道的船舶数量为计算单位，另一种是从微观层面考虑，即指在特定航道通航环境下，船舶(队)所能通过的最小航道尺度，以该航道尺度作为安全航行的阈值，保证船舶(队)能在安全适航区域正确的行驶。

相比研究较为透彻的宏观航道通航能力，从微观层面考虑航道的通航能力，确定船舶适航区域，则显得更为迫切与细致，也是航道相关部门、航运公司与船主更为关心的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种确定船舶适航区域的方法，尤其是以下技术方案所确定的基于实时数据确定船舶适航区域的方法。

1、一种确定航道中船舶适航区域的方法，

步骤100，输入船舶参数，船舶参数主要包括船长、船宽、船高与吃水；

输入船舶参数可以有两种方式；一种是从数据库中选择已备案的船舶，可以从数据库中选择一条需要船舶，选择好后该船舶的参数信息(船长、船高、船宽与吃水)自动录入***船舶参数栏中；另一种是针对数据库中缺乏的船舶信息，手动进行船舶参数输入，输入的信息主要包括船长、船宽、船高与吃水；

步骤200，获取(1)船舶数据，包括：经纬度、航速、航向角；(2) 航道数据，包括：航道地形数据和地物数据；和(3)水流数据，包括：航道内如水深、流速、流向等水流数据；

船舶数据可以通过船载GPS接收机获取实时定位信息(经纬度，航速，航向角)；

航道数据，包括：航道地形数据和地物数据，地物包括航道内地物和航道外地物，航道内地物包括助航设施(浮标、岸标、灯船、灯塔等)和跨航道建筑(桥梁、索道等)，航道外地物包括沿航道建筑、房屋、公园、花草等地面实物；可以通过获取的船舶定位信息从预存与服务器中的航道数据库中调取船舶所在地的航道数据；

水流数据可以基于二维水动力学模型对航道通航水流条件进行模拟而获得，或者通过公共网络发布的水情信息获得；

步骤300，计算最小通航参数阈值，包括最小航道水深、最小航道宽度、最小航道曲率半径、最小净高值和最小净跨值；

基于上述船舶参数、水流数据和船舶数据，可以计算出对航道航行有较大影响的参数阈值(包括水深值、航宽值、净高净跨值、航道曲率半径)；

步骤400，确定适航区域，将航道中大于或等于所述最小通航参数阈值的区域标记为船舶适航区域。

2、根据技术方案1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道水深由下式计算得到：

H＝t+ΔH

式中：

H表示航道水深(m)；

t为船舶吃水(m)；

△H表示航道富裕水深(m)。

其中，航道富裕水深是指船舶龙骨板外缘最低点至相应河床底部之间的垂直距离，其作用就是让船底与河底保持一定的安全距离，避免船舶出现触底等事故。

富裕水深值的计算需要考虑的因素有很多，如:

(1)船舶在航行时，由于自身载重与压力差，船舶将会产生一定量的下沉，这个下沉的水深通常占整个富裕水深值的三分之二以上，比较通用的有Huuska公式、Eryuzlu公式与Ankudinov公式，不同的公式有不同的使用范围，应根据船型特点、航道特点以及通航密度等因素进行选择，结合上述公式的计算方法，经过实践经验修正，论文以下述船舶在宽敞浅水域中的下沉量((ΔS))估算公式为例进行分析：

式中：

ΔS表示船舶下沉量，即船舶动吃水量(m)；

B_s为船舶自身宽度；

L为船舶自身长度；

C_b为船舶方形系数(与船速有关)；

U_s为船速(船舶上行时取U_s=V_s-U_c，下行时取U_s=V_s+U_c)。

(2)船舶在航行时需要考虑推进器的安全而预留一部分水深值，一来可以使船舶的操纵更加灵活，二来可以保证推进器的安全避免触底损坏；通常，对船舶航行时推进器的安全有影响的水深吃水比为H/t≤2.5，对 船舶航行时推进器的安全有十分明显影响的水深吃水比为H/t≤1.5^[59]。根据经验，在考虑船体固定下沉量之后，保持0.5～1.0m的船底预留水深即可保证船舶推进器的安全运行。

(3)由于波浪等自然气象原因的影响，通常也需要预留一定的水深。

3、根据技术方案1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道宽度由下式计算得到：

在顺直航段中，

单线的最小航道宽度为：B＝B_f+2D+ΔB₁，

双线的最小航道宽度为：B＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂

在弯曲航段中，

单线的最小航道宽度为：B＝B_f+2D+ΔB₁+ΔB₂

双线的最小航道宽度为：B＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+ΔB₂₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂+ΔB₂₂

其中，

1)船舶航迹带的宽度B_f与船舶自身宽度、长度以及航行时的偏航角有关，可以根据下式计算：

B_f＝B_s+Lsin∝

式中：∝为船舶在航行时的偏航角，三级航道通常偏航角取3°；

2)航道预留富裕宽度D是指在保证船舶可以安全航行的前提下，不产生岸吸、互吸的现象所需要的最小富裕宽度，所谓岸吸即船舶与河岸之间的水流有推动船首离岸与吸引船尾靠岸的趋势现象，而互吸即两船交汇时由于船舶两侧存在着流速与水位差，从而形成压力差而产生的互吸现象，影响航道安全富裕宽度D的因素有很多，比如船型、航行方式、水流 流速、流态等，通常可按下述方式计算：

船舶与河岸间的的安全富裕宽度(D_a)：

D_a＝(0.3-0.4)B_f

船间安全富裕宽度(D_b)：

D_b＝0.5B_f

航道预留富裕宽度(D)：

D＝D_a+D_b

3)水流致船舶偏移量ΔB₁的值可以通过下式进行计算：

ΔB₁＝S(U_csinβ+U_ssinα)/U_ccosβ+U_scosβ

式中：

S为船舶沿航道中心线航行的距离(船舶上行取S＝2.5L，下行取S＝3.0L)；

β为流向角，三级航道通常流向角不超过5°；

U_c为水流流速；

V_s为航速；

4)弯曲航段加宽增量ΔB₂，当R>6L时，ΔB₂可以忽略不计；当3L<R<6L时，可根据水流条件等具体情况分析是否需要加宽；当R<3L时，航宽增量可按下式计算：

ΔB₂＝L²/2R+B

式中：

ΔB₂为弯曲航段加宽增量；

R为弯曲航段航道曲率半径；

B为直线段航道标准航宽。

4、根据技术方案1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道曲率半径R由下式计算得到：

R＝KL(1+sinβ)(aU_c/V_s)(B_s/B)(1/S)

式中：

K为有效系数，内河航道通常取0.038～0.041；

a为与流速有关的系数；

S为舵面积。

5、根据技术方案1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小净高值H_m由下式计算得到：

H_m＝H_g+d

式中：

H_g表示在最高航道通航水位时，船舶在空载的情况下水面以上部分的高度；

d表示预留的安全富裕高度，通常该值在山区地区取d＝1.0～1.5m，在平原地区取d＝0.5～0.8m。

6、根据技术方案1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小净跨值B_m由下式计算得到：

在顺直航段中，

单线的最小航道宽度为：Bm＝B_f+2D+ΔB₁，

双线的最小航道宽度为：Bm＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂

在弯曲航段中，

单线的最小航道宽度为：Bm＝B_f+2D+ΔB₁+ΔB₂

双线的最小航道宽度为：Bm＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+ΔB₂₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂+ΔB₂₂，

其中，

1)船舶航迹带的宽度B_f与船舶自身宽度、长度以及航行时的偏航角有关，可以根据下式计算：

B_f＝B_s+Lsin∝

式中：∝为船舶在航行时的偏航角，三级航道通常偏航角取3°；

2)航道预留富裕宽度D可按下述方式计算：

船舶与河岸间的的安全富裕宽度(D_a)：

D_a＝(0.3～0.4)B_f

船间安全富裕宽度(D_b)：

D_b＝0.5B_f

航道预留富裕宽度(D)：

D＝D_a+D_b

3)水流致船舶偏移量ΔB₁的值可以通过下式进行计算：

ΔB₁＝S(U_csinβ+U_ssinα)/U_ccosβ+U_scosβ

式中：

S为船舶沿航道中心线航行的距离(船舶上行取S＝2.5L，下行取S＝3.0L)；

β为流向角，三级航道通常流向角不超过5°；

U_c为水流流速；

V_s为航速；

4)弯曲航段加宽增量ΔB₂，当R>6L时，ΔB₂可以忽略不计；当3L<R<6L时，可根据水流条件等具体情况分析是否需要加宽；当R<3L时，航宽增量可按下式计算：

ΔB₂＝L²/2R+B

式中：

ΔB₂为弯曲航段加宽增量；

R为弯曲航段航道曲率半径；

B为直线段航道标准航宽。

通过确定适航区域，可以掌控当前水流条件下适合该船航行的区域，帮助船舶确定是否航行在适航区域内，是否有撞船、搁浅等危险，***通过发出警报声与危险信号提醒船舶操作人员，及时调整航向并采取合理有效的措施减少危险发生的几率，从而降低船舶事故发生的几率，进而实现船舶预警的功能。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

江津至重庆航段隶属于长江航运上游航段，全长约78公里，位于东经106°13'至106°41'，北纬29°12'至29°46'，沿岸包括了江津区、巴南区、大渡口区、九龙坡区、南岸区与渝中区。该航段属于川江自然河段， 航道较窄且弯曲多变，滩险较多，弯、急、浅、险并存，河道平均比降约为0.18‰，平均流速在2m/s以上，航道尺度(最小航深×航宽×弯曲半径)为2.5m×50m×450m，最大可通航800至1000吨级船舶，枯水期航道最小维护水深达2.7m，洪水期航道维护水深达3.0m，为Ⅲ级航道标准。主要船型为分节驳、推船、普通驳、货船、客船，能够满足1000吨级船舶全年昼夜通航。该航段具体的通航条件如下：

(1)航段通航水域受限制。研究区域属于长江三级航道，由于受内河航道水深、宽度等航道尺度以及季节性等因素的影响，可供船舶尤其是大型机动船舶安全通航的水域有限，航段丰、枯水期的航道尺度差异明显，可供船舶航行的水域范围有很大差异。在研究区域内，航道宽度最宽可达数千米，而最窄处仅有百米左右，航道水深最深处可达数十米，而最浅处仅有2～3米。

(2)航段沿(跨)江建筑物众多，船舶通航受限。航段属长江上游重庆至江津段，全长约78公里，沿江已有10余座跨江大桥，包括朝天门大桥、大佛寺长江大桥、鹅公岩大桥、江津长江大桥、菜园坝大桥等，平均每隔不到10公里就有一座大桥，桥梁数量大，密度高，对船舶通航将产生较大影响。另外航段沿江还有许多大型的内河港口与丰富的助航设施，包括重庆港码头、李家沱码头、皇家码头以及各式灯塔、浮标与船标等，虽然交通部对沿(跨)江建筑物的通航选址论证做了许多硬性要求，但是由于规划、设计不当造成的沿(跨)江建筑物对船舶通航安全产生的影响的事故也时有发生。

(3)航段弯曲河段较多，蜿蜒多变，受泥沙的冲淤变化以及水流与 河床之间的相互作用影响下，易形成如江心洲、浅滩、沙叽等碍航物，在重庆至江津段主干道上就存在着大大小小数十个江心洲以及浅滩，对航运安全产生了较大影响。

(4)航段属于长江三级航道，航道航行的船舶尺度、吨位不大，现代化与专业化的程度普遍不高，内河航运管理仍有待完善。

船舶(队)在航道上航行，影响其通航能力与航行安全的因素有许多，如航道等级、航道环境、气象条件、航行方式、人为因素等，通航水流判别标准在不同的国家，不同的河段与航段以及船舶技术发展的不同阶段都有与之相应的通航水流条件判别标准。由于航行条件是受水流流态、流速、波浪、水面比降等多种要素共同作用产生的综合效应，很难硬性统一规定。本文主要以四个方面的内容来探讨内河船舶通航影响的因素，分别是航道水深、航道宽度、航道曲率半径、桥区航段跨河建筑物。

1、航道水深对船舶通航的影响

航道水深是保障船舶安全航行的基本条件也是影响船舶通航能力的主要因素。所谓航道水深即指从航道水位线至河床底部的垂直距离，也是在设计最低通航水位条件下航道宽度范围内浅滩上的最小水深。其值可以用下式来表示：

H＝t+ΔH (1)

式中：

H表示航道水深(m)；

t为船舶吃水(m)；

△H表示航道富裕水深(m)。

其中，航道富裕水深是指船舶龙骨板外缘最低点至相应河床底部之间的垂直距离，其作用就是让船底与河底保持一定的安全距离，避免船舶出现触底等事故。富裕水深值的计算需要考虑的因素有很多，如:

(1)船舶在航行时，由于自身载重与压力差，船舶将会产生一定量的下沉，这个下沉的水深通常占整个富裕水深值的三分之二以上，比较通用的有Huuska公式、Eryuzlu公式与Ankudinov公式，不同的公式有不同的使用范围，应根据船型特点、航道特点以及通航密度等因素进行选择，结合上述公式的计算方法，经过实践经验修正，论文以下述船舶在宽敞浅水域中的下沉量((ΔS))估算公式为例进行分析：

式中：

ΔS表示船舶下沉量，即船舶动吃水量(m)；

B_s为船舶自身宽度；

L为船舶自身长度；

C_b为船舶方形系数(与船速有关)；

U_s为船速(船舶上行时取U_s＝V_s-U_c，下行时取U_s＝V_s+U_c)。

(2)船舶在航行时需要考虑推进器的安全而预留一部分水深值，一来可以使船舶的操纵更加灵活，二来可以保证推进器的安全避免触底损坏；通常，对船舶航行时推进器的安全有影响的水深吃水比为H/t≤2.5，对船舶航行时推进器的安全有十分明显影响的水深吃水比为H/t≤1.5。根据经验，在考虑船体固定下沉量之后，保持0.5～1.0m的船底预留水深即可保证船舶推进器的安全运行。

(3)由于波浪等自然气象原因的影响，通常也需要预留一定的水深。

各个因素的值都有许多计算的方法，其中有一些计算结果精度较高，但对数据源精度与质量要求也很高，且各种计算公式与经验公式的适用范围十分有限，很难进行十分精确的定量化计算。主要从应用的角度去分析，依据长江航道局及相关部门分析，长江主要航道的水深H与船舶吃水t的比值通常在1.2～1.3之间，即H/t＝1.2～1.3，由公式可以得出，富裕水深△H＝(0.2～0.3)t，以此作为本文研究区域设计航道水深阈值的计算参考，重庆至江津段为三级航道，船舶吃水依据《内河通航标准》，可以得出该航段航道水深与富裕水深的设计参考值，如下表所示：

表1：III级航道航道水深相关参数值

2、航道宽度对船舶通航的影响

航道宽度与内河航道运输经济效益息息相关，直接影响到内河航道的通航能力与船舶航行的安全，而航道宽度对船舶通航能力的影响有许多方面的因素，如船舶在航行时自身需要一定的航迹带宽度并且受水流与风浪等的外力影响会产生一定的偏移，另外在航行的过程中还可能会发生岸吸与互吸等情况以及在弯曲航段曲率半径对航道宽度的影响等等，依托《内河航道标准》相关规定并结合研究区域实际情况，从以下几个方面来讨论分析：

(1)船舶航迹带宽度

船舶航迹带的宽度(B_f)与船舶自身宽度、长度以及航行时的偏航角 有关^[48]，可以根据下式计算：

B_f＝B_s+Lsin∝ (3)

式中：

∝为船舶在航行时的偏航角，三级航道通常偏航角取3°。

(2)航道预留富裕宽度

航道预留富裕宽度(D)是指在保证船舶可以安全航行的前提下，不产生岸吸、互吸的现象所需要的最小富裕宽度，所谓岸吸即船舶与河岸之间的水流有推动船首离岸与吸引船尾靠岸的趋势现象，而互吸即两船交汇时由于船舶两侧存在着流速与水位差，从而形成压力差而产生的互吸现象。影响航道安全富裕宽度的因素有很多，比如船型、航行方式、水流流速、流态等，通常可按下述方式计算：

船舶与河岸间的的安全富裕宽度(D_a)：

D_a＝(0.3～0.4)B_f (4)

船间安全富裕宽度(D_b)：

D_b＝0.5B_f (5)

航道预留富裕宽度(D)：

D＝D_a+D_b (6)

(3)水流致船舶偏移量

船舶在航行时由于受水流与风浪等的作用会产生垂直于航行方向的偏移，内河航道通常受风浪影响较小，其值可以忽略，因此主要考虑水流致船舶偏移量的值。其值可以通过下式进行计算：

ΔB₁＝S(U_csinβ+U_ssinα)/U_ccosβ+U_scosβ (7)

式中：

S为船舶沿航道中心线航行的距离(船舶上行取S＝2.5L，下行取S＝3.0L)；

β为流向角，三级航道通常流向角不超过5°；

U_c为水流流速；

V_s为航速；

(4)弯曲航段加宽增量

在弯曲航段，船舶的运动情况比较复杂，船舶要根据航道的弯曲情况时刻调整航向顺弯航行，还要绕其本身中心不停转动，以避免与河岸或者来船相撞，或者进入到靠近岸边水深较低的地方发生搁浅。因此，船舶在弯曲航段航行的过程中，相比于顺直航段航宽要有所增加，其值受船舶长度、航道曲率半径、水流流速、流态、风速以及船舶性能等因素影响^[61]。通常，当R>6L时，航宽增量ΔB₂可以忽略不计；当3L<R<6L时，可根据水流条件等具体情况分析是否需要加宽；当R<3L时，航宽增量可按下式计算：

ΔB₂＝L²/2R+B (8)

式中：

ΔB₂为弯曲航段加宽增量；

R为弯曲航段航道曲率半径；

B为直线段航道标准航宽。

综上所述，船舶航行所需航道宽度计算方法可以用下式表示：

顺直航段中

单线：B＝B_f+2D+ΔB₁ (9)

双线：B＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂ (10)

弯曲航段中

单线：B＝B_f+2D+ΔB₁+ΔB₂ (11)

双线：Bm＝B_f1+D₁+ΔB₁₁+ΔB₂₁+B_f2+D₂+ΔB₁₂+ΔB₂₂ (12)

3、航道曲率半径对船舶通航的影响

航道曲率半径即航道曲度半径、弯曲半径，是指航道弯曲处，航道中心线所在圆半径的长度。通常在弯曲河段处，常伴有背脑水、扫弯水、斜流与回流等不正常水流，航道水深分布不均匀，凹岸一侧水深比凸岸一侧水深要大，凸岸处常有沙嘴、沙脚等淤积物，有的潜伏水下并延伸至河中，上行船舶沿岸航行容易发生吸浅，另外，航道转弯不能太急，曲率半径不能过小，以免在弯曲处发生碰岸或者搁浅等事故。因此，在保证船舶能够安全通过的情况下，分析航道最小曲率半径显得十分重要。但是，影响航道曲率半径的因素有许多，航道曲率半径的计算过程比较复杂，除了受船舶长度(成正比)影响之外，还与航向角、流向角、船宽、航速、流速、流态以及舵面积等因素有关，可以用下式表示：

R＝KL(1+sinβ)(aU_c/V_s)(B_s/B)(1/S) (13)

式中：

K为有效系数，内河航道通常取0.038～0.041；

a为与流速有关的系数；

S为舵面积；

通过上述方法可以计算出某一船舶尺度的船型可以通过的最小航道 曲率半径。当然，对计算结果要求不是很高的情况下，可以通过几何的方法在航道图上量取出航道的曲率半径，当知道某一弯曲航段的航道曲率半径后，就可以知道该弯曲航段所能通过的最大船舶尺度L_max，为计算方便，根据经验L_max可用式子来确定。

4、桥区航段跨河建筑物对船舶通航的影响

在长江航段上，随着交通的快速发展与河流的综合开发利用，航段上出现了越来越多的跨河建筑物，如桥梁、渡槽、过江电缆与过江索道等。为了保障船舶通行的安全，使船舶能够顺利通过这些跨河建筑物，尤其是在高水位时期能够安全顺利的通过，必须使这些建筑物下具有一定的安全航行空间，即具有足够的净空尺度。

净空尺度包括了净跨(B_m)与净高(H_m)两个部分。净跨是指桥梁或其它跨河建筑物的两墩之间内侧表面间的水平最小距离，通常按照单行船只所需要求的航宽来计算，不需要考虑两船交汇的情形，但是需要预留一定的富裕宽度确保船舶航行的安全，即在顺直航道按照式(9)与式(10)计算，在弯曲航道按照式(11)与式(12)来计算。

净高是指设计最高通航水位到跨河建筑物的下缘的垂直最小距离，主要受水面波浪起伏、水位高低变化等的影响，因此在跨河建筑物的下方需要预留一定的富裕宽度避免船舶在航行时与跨河建筑物下缘相撞，保障船舶航行的安全。通常可以用式(14)来表示：

H_m＝H_g+d (14)

式中：

H_g表示在最高航道通航水位时，船舶在空载的情况下水面以上部分的 高度；

d表示预留的安全富裕高度，通常该值在山区地区取d＝1.0～1.5m，在平原地区取d＝0.5～0.8m。

《内河通航标准》对于跨河建筑物通航净空尺度也做了相应规范，如下表所示，在计算的过程中可以进行参考与对比：

表4-3 III级航道跨河建筑物通航净空尺度标准

基于上述分析，研究航道尺度与通航能力的关系，可以结合实际需求建立内河通航能力判定模型，判定船舶是否能够通过某一航段。在实际应用中，由于模型涉及的参数很多，需要进行大量复杂的计算，基于上述原理与方法设计并开发了通航能力分析辅助决策模块，提高船舶安全预警的时效性与实用性。

该***以面向对象的可视化编程语言C++为基础，使用SQLite作为***数据库，结合Qt进行***界面设计。在进行通航能力分析时，可以通过选取数据库中的目标船舶，利用GPS实时获取该船的位置、船速、航向角等信息，结合该船所在位置的实时水流情况进行计算，分析得出通过该船所需的最小的航道尺度，以此作为航道安全航行的阈值，辅助船舶操作者进行船舶安全航行预判，并将其作为后续安全预警分析平台的数据基础，辅助安全预警***的应用，具体操作流程如下：

(1)选择船舶航行的方向，不同的航行方向对船舶通航能力(如船舶航迹带宽度等)有一定的影响，当船舶上行(逆行)时，需要保证船舶 航速大于流速，而当船舶下行(顺行)时，相比上行需要至少扩大两公里的预警范围，以确保船舶可以在控制范围内及时进行调整；

(2)选择船舶，选择船舶可以有两种方式，一种是从数据库中选择已备案的船舶，点击“选择船舶”按钮，可以从数据库中选择一条需要船舶，选择好后该船舶的参数信息(船长、船高、船宽与吃水)自动录入***船舶参数栏中；另一种是针对数据库中缺乏的船舶信息，手动进行船舶参数输入，输入的信息主要包括船长、船宽、船高与吃水；

(3)实时数据获取。GPS卫星不间断的向外发送星历信息与时间信息，船舶终端接收到这些信息并经过计算，可以得到船舶的三维坐标、航速与航向，船载终端通过GPS接收机获取实时定位信息(经纬度，航速，航向角)，并将信息发送并存储至网络数据库。当监控端向网络数据库发送请求时，数据库就可以向监控端返回选中船舶的实时定位信息。然后，根据获得的位置信息(经纬度)，在数值流场网格数据中寻找节点，若该位置信息没有节点，则寻找离当前位置信息最近的节点信息作为当前位置的节点信息，该过程实现方式如下：

首先读入流场的网格文件与流速文件，获得流场中每个节点的位置信息与流速信息。位置信息包括x，y，流速信息包括u，v，h。其中x表示节点的经度，y表示节点的纬度，u表示沿纬度方向的流速，v表示沿经度方向的流速，h表示水深。其次，根据获得的船舶位置计算船舶与每个节点的距离，取最近节点的水流流速u，v，作为该船舶所处位置的水流流速u，v。那么该船舶所在位置的流速信息(U_c)则可以通过下式(15)进行计算：

而流向角(β)则是船舶所在位置节点的水流流向与航道中心线之间的夹角，自此，可以获得选中船舶所处位置的水流条件(流速，流向角)；

(4)获取当前水情信息，根据船舶位置，从数据库中获取当前位置的水情信息(水位、流量等)，水情信息是在不断更新中，因此不同的时间段即使是同一位置，水情信息也会不同，水情信息的更新频率随水文站点信息的更新频率而变化；以寸滩站点为例，本地预警***平台水文数据分析模块向服务器申请水文数据，通过本地数据库与服务器的联系，可以得到目标站点规定时间段内的水文水情数据信息，寸滩水文站点在2013年1月1日至2014年9月16日期间，共存储了4557条水文数据，每条数据包含时间信息、站点信息、水位、流量、所属区域与河流等信息；

(5)获得上述数据之后，就可以进行船舶通航能力分析，得出在当前条件下船舶所能通过的最小通航尺度，通常包括水深、净高(跨)、流速、航宽与曲率半径，以此作为后续船舶安全预警的数据基础。

通过上述水文数据分析，其一，上述方式获得的水文水情数据是最新的实时数据，因此，可以用来计算在该日水文水情条件下航道的通航能力，作为航道适航区划分的判断条件之一，提高航道适航区划分的科学性与时效性；其二，通过对历史的水文数据进行分析，可以得出水文数据的趋势分析图，以对将来的水文水情形势进行科学预报，降低航道运行的风险系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出适当改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种确定航道中船舶适航区域的方法，包括：

步骤100，输入船舶参数，船舶参数包括船长、船宽、船高与吃水；

步骤200，获取（1）船舶数据，包括：经纬度、航速、航向角；（2）航道数据，包括：航道地形数据和地物数据；和（3）水流数据，包括：水深、流速、流向；

步骤300，计算最小通航参数阈值，包括最小航道水深、最小航道宽度、最小航道曲率半径、最小净高值和最小净跨值；

步骤400，确定适航区域，将航道中大于或等于所述最小通航参数阈值的区域标记为船舶适航区域。

2.根据权利要求1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道水深由下式计算得到：

式中：

H表示航道水深（m）；

t为船舶吃水（m）；

△H表示航道富裕水深（m）。

3.根据权利要求1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道宽度由下式计算得到：

在顺直航段中，

单线的最小航道宽度为：，

双线的最小航道宽度为：

在弯曲航段中，

单线的最小航道宽度为：

双线的最小航道宽度为：

其中，

1）船舶航迹带的宽度可以根据下式计算：

式中：为船舶在航行时的偏航角，三级航道通常偏航角取3°；

2）航道预留富裕宽度D可按下述方式计算：

船舶与河岸间的的安全富裕宽度（）：

船间安全富裕宽度（）：

航道预留富裕宽度（）：

3）水流致船舶偏移量的值可以通过下式进行计算：

式中：

为船舶沿航道中心线航行的距离（船舶上行取S=2.5L，下行取S=3.0L）；

为流向角，三级航道通常流向角不超过5°；

为水流流速；

为航速；

4）弯曲航段加宽增量，当R>6L时，可以忽略不计；当3L<R<6L时，可根据水流条件等具体情况分析是否需要加宽；当R<3L时，航宽增量可按下式计算：

式中：

为弯曲航段加宽增量；

为弯曲航段航道曲率半径；

为直线段航道标准航宽。

4.根据权利要求1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小航道曲率半径R由下式计算得到：

式中：

K为有效系数，内河航道通常取0.0380.041；

a为与流速有关的系数；

S为舵面积。

5.根据权利要求1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小净高值由下式计算得到：

式中：

表示在最高航道通航水位时，船舶在空载的情况下水面以上部分的高度；

表示预留的安全富裕高度，通常该值在山区地区取，在平原地区取。

6.根据权利要求1的确定航道中船舶适航区域的方法，其中步骤300的最小净跨值由下式计算得到：

在顺直航段中，

单线的最小航道宽度为：，

双线的最小航道宽度为：

在弯曲航段中，

单线的最小航道宽度为：

双线的最小航道宽度为：，

其中，

1）船舶航迹带的宽度可以根据下式计算：

式中：为船舶在航行时的偏航角，三级航道通常偏航角取3°；

2）航道预留富裕宽度D可按下述方式计算：

船舶与河岸间的的安全富裕宽度（）：

船间安全富裕宽度（）：

航道预留富裕宽度（）：

3）水流致船舶偏移量的值可以通过下式进行计算：

式中：

为船舶沿航道中心线航行的距离（船舶上行取S=2.5L，下行取S=3.0L）；

为流向角，三级航道通常流向角不超过5°；

为水流流速；

为航速；

4）弯曲航段加宽增量，当R>6L时，可以忽略不计；当3L<R<6L时，可根据水流条件等具体情况分析是否需要加宽；当R<3L时，航宽增量可按下式计算：

式中：

为弯曲航段加宽增量；

为弯曲航段航道曲率半径；

为直线段航道标准航宽。