CN111062114A - 一种航道通过能力仿真计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航道通过能力仿真计算方法，其通过对船舶到达港区航道历史数据的拟合，分析船舶进出港区水域航道规律，建立港区水域受限航道通过能力计算和预测数学模型，并根据港区水域的历史和现状数据对数学模型进行验证，确定饱和度的指标体系，利用离散事件仿真建模理论及方法构建仿真***平台，本发明能够较准确的模拟航道中船舶的行为以及不同通航环境、不同组织方式下航道的通过能力，为***研究航道通过能力提供了一种有效的研究工具，对航道的建设、使用和管理提供科学、合理、直观的建议，而且对保证航道的通航安全，提高航道的通过能力，保障港口水域具有良好的通航环境和通航秩序，保持可持续发展。
Description
技术领域
本发明属于航道通过能力仿真计算技术领域，更具体地说，尤其涉及一种航道通过能力仿真计算方法。
背景技术
由于通航环境复杂，多种船舶交通流交叉，而且存在航道内掉头、主航道与分支航道交叉等特点，主航道以不仅仅是一个仅供船舶通过的通道，传统的通道式航道通过能力研究方法已经不适应港主航道。因此，在研究船舶交通流模式和航道特征的基础上，设计适合天津港主航道特征的通过能力理论计算模式并利用现代仿真技术进行航道通过能力的仿真非常必要。
几十年来，国外学者对于航道或水域的通航能力的研究方法也主要是基于船舶领域理论和船舶交通流理论对开阔水域的通航能力进行理论计算，其前提是把水域当作无障碍的通道。
国内学者对船舶通航能力的研究主要是针对内河航道而展开，将航道通过能力定义为航道的等级和标准、所通航船舶(队)的规模和尺度、通过的船舶载重吨或货运量、通过船舶数量等各因素在一定时空条件下的综合反映，目前的研究还仅仅停留在简单地运用通航标准对船舶通航安全进行分析，将航道看作单纯的通道式交通，运用船舶领域模型对航道通过能力进行计算。
从国内外相关的研究来看，目前关于受限水域航道通过能力的研究处于空白状态。对于港口航道通过能力的研究大多数是关注整个港口的吞吐能力，并且都以港口航道能完全满足港口吞吐能力的通道为前提来研究问题，忽略了航道通过能力对港口发展的影响和制约。对航道通过能力的研究仍然以船舶领域为基础，对航道进行静态的分析，没有考虑船舶进出航道受限的情况。目前，国内外对于港口航道通过能力的认识还是孤立、片面地研究航道的通过能力，没有将航道放入到整个港航***中，没有考虑航道子***与港航***中其它子***之间的相互作用、相互制约和相互影响，将港口的吞吐能力和航道的通过能力完全割裂开来研究，没有将港口航道作为一个整体有机结合起来研究其通过能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小功率永磁多极磁环转子注塑生产工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种航道通过能力仿真计算方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种航道通过能力仿真计算方法，其通过对船舶到达港区航道历史数据的拟合，分析船舶进出港区水域航道规律，建立港区水域受限航道通过能力计算和预测数学模型，并根据港区水域的历史和现状数据对数学模型进行验证，确定饱和度的指标体系，利用离散事件仿真建模理论及方法构建仿真***平台，包括如下步骤：
S1、建立船舶进入港区航道规律数学模型：根据船舶进出港区水域的资料进行统计分析，对历史数据进行拟合，并采用卡方检验法进行检验，建立船舶到达港区规律的数学模型；
S2、建立港区水域受限航道通过能力的数学计算模型：根据港区水域受限航道的通航特点，综合考虑航道、船舶、水文、气象、规则要素，建立港区水域受限航道通过能力的理论计算模型；通过理论计算模型可计算出航道饱和状态下的通过能力，评价当前航道饱和度；
S3、开发航道交通流仿真软件***：基于港区调度***特征、受限航道船舶交通流特征的分析，对船舶进出港区航道水域的实际物理过程进行抽象，运用离散事件仿真理论，采用现代软件工程思想，开发用于对受限航道船舶交通流进行仿真模拟的软件***；
S4、模型验证及使用：以港区水域航道作为验证实例，利用理论模型及仿真***计算当前航道饱和度情况，并对未来航道的通过能力进行预测。
优选的，所述步骤S2中理论计算模型包括用于受限航道静态通过能力计算的修正领域模型和用于受限航道动态通过能力计算的排队模型。
优选的，所述修正领域模型主要计算航道的理论极限通过能力，并为后续的排队参数提供依据；排队模型可***评价当前航道饱和状态、未来交通流与航道尺度的匹配程度、锚地与航道的适应性。
优选的，所述步骤S3中航道交通流仿真软件***包括仿真***内核模块、***配置模块、***控制模块、可视化模块、数据输出模块和数据分析模块。
优选的，所述***配置模块用于配置和改变***运行时的仿真时段参数、船舶平均到达率、航道参数、泊位参数以及***所需要的其它必要参数；
所述***控制模块可以用于启动、暂停或者结束模拟；
所述可视化模块是基于GIS的可视化界面，用户可以直观的看到港口相关的信息，包括水域、航道、码头信息，可以看到***仿真时船舶进出港航行、系泊状况，还可以显示船舶、泊位、航道的相关信息；
所述数据输出模块主要用于将仿真所得到的数据保存到数据库，这些数据可以用于进一步的分析；
所述数据分析模块用于分析仿真结果，对航道的通航能力、瓶颈进行评估。
优选的，所述仿真***内核模块中运行的模型包括***逻辑模型、船舶到港模型、船舶交通流模型、航路模型、船舶运动模型、船舶行为特征模型、天气模型和潮汐模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种航道通过能力仿真计算方法，与传统技术相比，该方法根据主航道通航环境特征、船舶行为特征，在对主航道船舶交通流进行抽象的基础上，提出了基于时空消耗理论的一维和二维通过能力计算模型，并以此模型为基础，计算出了航道基本通过能力。
提出的基于船舶行为特征的通过能力计算模型是在考虑航道交通流特征的基础上，根据船舶行为特征，对航道基本通过能力进行修正后的能反映航道实际通过能力的计算模型。
基于离散事件仿真理论，根据船舶在港***动的特征，以港口船舶活动的逻辑模型为基础，分别建立了船舶到港模型、船舶行为模型、船舶运动模型以及通航环境模拟模型等。在此基础上，利用面向对象的编程方法，开发了航道通过能力仿真模拟***。能够较准确的模拟航道中船舶的行为以及不同通航环境、不同组织方式下航道的通过能力，为***研究航道通过能力提供了一种有效的研究工具，对航道的建设、使用和管理提供科学、合理、直观的建议，而且对保证航道的通航安全，提高航道的通过能力，保障港口水域具有良好的通航环境和通航秩序，保持可持续发展。
附图说明
图1为本发明的***逻辑模型示意图；
图2为本发明的航路模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
航道是指在江河、湖泊、水库、渠道及港湾等水域中，供一定标准尺度船舶航行的通道。我们通常所说的航道，是指船舶由深水区域航行至各码头边缘的水道，它有主航道与支航道之分。主航道指通过港口，为船舶进出港的公共航道，支航道则指由主航道通至各码头边的水道。
综合国内外研究来看，航道通过能力是指在一定的船舶技术性能和一定的运行组织方法条件下，一定航道区段在单位时间(昼夜、月、年或航期)内可能通过的船舶数量及船舶吨位数。在本申请中，将航道的通过能力定义为对于给定的船型组合，在单位时间或特定时段内通过航道某一断面的最大船舶数量。
港口船舶的交通过程是指船舶自到达港口到离开港口的一个实际运行过程，船舶在港口的交通过程直接决定了港口的运作方式、港口的营运效率、港口水域的交通状况和安全状况等。因此船舶交通过程的仿真是是整个港航***仿真的一个关键环节。
从港口船舶交通过程的特征来看，港口船舶交通过程是典型的离散事件过程。所谓过程，是一系列定义好了的一些活动，这些活动可以在一定的约束条件下，通过使用一定的资源将任何形式的输入转换成输出。实质上就是对输入的任何形式的实体(包括有形的和无形的实体)的处理、服务。港口船舶交通过程的离散性主要体现在与船舶交通过程相关的一系列事件的发生都是随机的，比如船舶的到港离港，船舶进出航道，船舶的靠离泊等。
随着现代计算机技术和仿真技术的发展，根据过程的特点，建立过程仿真模型，对过程进行动态的仿真，已经成为***过程的研究重要技术手段。过程仿真能够比较准确的描述过程中各实体、资源的动态和随机行为，进行“what if”分析。过程仿真也能够通过仿真获取过程的动态特性，研究各种不确定性因素对过程的影响，分析过程的性能、瓶颈，比较过程设计方案的优劣，从而为过程优化、决策提供支持。
实施例1
一种航道通过能力仿真计算方法，其通过对船舶到达港区航道历史数据的拟合，分析船舶进出港区水域航道规律，建立港区水域受限航道通过能力计算和预测数学模型，并根据港区水域的历史和现状数据对数学模型进行验证，确定饱和度的指标体系，利用离散事件仿真建模理论及方法构建仿真***平台，包括如下步骤：
S1、建立船舶进入港区航道规律数学模型：根据船舶进出港区水域的资料进行统计分析，对历史数据进行拟合，并采用卡方检验法进行检验，建立船舶到达港区规律的数学模型；
S2、建立港区水域受限航道通过能力的数学计算模型：根据港区水域受限航道的通航特点，综合考虑航道、船舶、水文、气象、规则要素，建立港区水域受限航道通过能力的理论计算模型；通过理论计算模型可计算出航道饱和状态下的通过能力，评价当前航道饱和度；
S3、开发航道交通流仿真软件***：基于港区调度***特征、受限航道船舶交通流特征的分析，对船舶进出港区航道水域的实际物理过程进行抽象，运用离散事件仿真理论，采用现代软件工程思想，开发用于对受限航道船舶交通流进行仿真模拟的软件***；
S4、模型验证及使用：以港区水域航道作为验证实例，利用理论模型及仿真***计算当前航道饱和度情况，并对未来航道的通过能力进行预测。
具体的，所述步骤S2中理论计算模型包括用于受限航道静态通过能力计算的修正领域模型和用于受限航道动态通过能力计算的排队模型。
具体的，所述修正领域模型主要计算航道的理论极限通过能力，并为后续的排队参数提供依据；排队模型可***评价当前航道饱和状态、未来交通流与航道尺度的匹配程度、锚地与航道的适应性。
具体的，所述步骤S3中航道交通流仿真软件***包括仿真***内核模块、***配置模块、***控制模块、可视化模块、数据输出模块和数据分析模块。
具体的，所述***配置模块用于配置和改变***运行时的仿真时段参数、船舶平均到达率、航道参数、泊位参数以及***所需要的其它必要参数；
所述***控制模块可以用于启动、暂停或者结束模拟；
所述可视化模块是基于GIS的可视化界面，用户可以直观的看到港口相关的信息，包括水域、航道、码头信息，可以看到***仿真时船舶进出港航行、系泊状况，还可以显示船舶、泊位、航道的相关信息；
所述数据输出模块主要用于将仿真所得到的数据保存到数据库，这些数据可以用于进一步的分析；
所述数据分析模块用于分析仿真结果，对航道的通航能力、瓶颈进行评估。
具体的，所述仿真***内核模块中运行的模型包括***逻辑模型、船舶到港模型、船舶交通流模型、航路模型、船舶运动模型、船舶行为特征模型、天气模型和潮汐模型。
***逻辑模型：
根据港口船舶航行作业***的特点，***中的独立事件可以抽象为船舶到港、锚泊、进港航行、靠泊、装卸货作业、离泊、出港航行、离港等事件。这些独立事件是在一定条件下被触发，使得***从一个状态向另外一个状态推进。根据***状态以及独立事件的触发条件建立的***逻辑模型如图1所示。
船舶到港模型：
***仿真是从船舶到港开始的，因此，首先要确定船舶的到港模型，模拟到港的船舶交通流。
具体来说，不同港口的船舶到港模型需要根据港口海上交通实态调查结果来确定。一般情况下，船舶到达服从泊松分布，两船相继到达的时间间隔服从负指数分布，其概率函数为：
P(t)＝1-e-t/λ
在仿真模拟中，可利用[0，1]均匀分布随机数求得参数为λ的服从负指数分布的随机数R，即两艘船到达的间隔时间。若以Tk表示第k艘船的到港时刻，则第k+1艘船舶的到港时间可表示为：
Tk+1＝Tk+R
利用上式，根据***仿真时钟的推进，利用历史资料统计得到的或者根据预测得到的船舶种类、船舶吨位、船舶尺度分布规律，就可形成在模拟时间内由多种船舶组成的到港船舶交通流。
船舶交通流模型：
在仿真***中，船舶交通流是各种船舶及其行为的表现，可以表示为一个三元组：
traffic≡(ship，ship_rate，ship_act)，其中，ship表示船舶，ship_rate是船舶的比例，ship_act是船舶在航道中的行为。
航路模型：
航路模型用于控制进、出港船舶通过航道进、出港的轨迹。航路模型由港口航道走向和港口航行规则共同决定，如图2所示，在航路模型中给出以下定义：
定义1起点仿真***中，船舶从锚地出发后进入港口航道的发生点称为起点。
定义2止点
仿真***中，船舶在港口航道中停泊或者离开的发生点称为止点。对于在港口进行装卸货作业的船舶来说，止点是港口中的码头泊位；对于只是经过港口航道的船舶来说，止点是船舶离开港口航道的位置。
定义3航线
仿真***中，船舶沿航道走向的运动轨迹称为航线。
定义4交叉点
仿真***中，交叉点是指任意两条或者两天以上航线的交叉点。
在***仿真过程中，船舶在港口航道中的运动过程是由航路模型来确定的。具体来说，在模拟过程中，船舶由起点出发，沿着到达止点的航线运动，在到达止点后离开航道进入下一个状态。对于出港船舶，船舶从止点出发，沿着与进港相反的航线运动到起点，离开航道进入下一个状态。
船舶运动模型：
对于船舶的运动，用一阶运动方程近似：
其中，m船舶的质量；mx为是附加质量；Tp为船舶推力；v为航速；θ为船舶的旋转角速度；δ为舵角；T为应舵系数；K为回转性指数。方程(1)用于模拟船舶的加速和减速运动；方程(2)用于模拟船舶的旋回运动。
船舶行为特征模型：
根据港口航道以及进出港船舶的航行特点，对在港口航道中航行的船舶定义下列行为：
定义1进港：船舶由港外水域进入港内航经港口航道时称为进港。
定义2出港：船舶由港内驶往港外航经港口航道时称为出港。
定义3汇出：进港队列中的船舶离开进港队列的行为称为汇出。其中，当船舶需要跨越航道汇出时，称为异侧汇出；当船舶不需要跨越航道汇出时，称为同侧汇出。
定义4汇入：出港船舶加入到出港队列中的行为称为汇入。当船舶需要跨越航道汇入时，称为异侧汇入；当船舶不需要跨越航道汇入时，称为同侧汇入。
定义5穿越：港口内的船舶从港口航道穿过且不构成汇入或者汇出的行为称为穿越。
在仿真模拟中，船舶的上述行为的表达通过计算船舶队列特征来决定。具体来说：
假设
为进港船舶组成的有序队列(船舶按照进港的先后次序排队)，
为进港船舶组成的有序队列(船舶按照出港的先后次序排队)。则：
(1)到港船舶能否加入进港队列进港，需满足条件：
(2)船舶能汇出，需满足条件：
船舶可以根据需要，随时同侧汇出。但对于异侧汇出，应该满足：
(3)船舶能否汇入，需满足条件：
对于异侧汇入：
对于同侧汇入，只需满足
(4)船舶能否穿越，需满足条件：
天气模型：
对于天气的模拟，需要根据模拟区域多年的历史气象资料，利用统计分析的手段，统计分析模拟区域的天气特征，并以此为基础建立相应的天气模型。通常来说，根据航海的习惯和特征以及港区的通航规则，可建立以下简单的天气模型：
Wea＝{双向通航天气，单向通航天气，不可通航天气}利用历史资料，统计分析上述天气模型的分布规律，即可简单模拟出模拟区域某段时间内的天气特征。
潮汐模型：
根据潮汐的特征，考虑到潮水对通航的影响，***建立了如下的潮汐计算模型：
潮位随时间的变化规律A(t)为：
其中，Ms——平均海平面
hi——第i个分潮的振幅
qi——第i个分潮的角速度
gi——第i个分潮的初象角
在仿真模拟中采用Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2八个主要分潮。
综上所述：本发明提供的一种航道通过能力仿真计算方法，与传统技术相比，该方法根据主航道通航环境特征、船舶行为特征，在对主航道船舶交通流进行抽象的基础上，提出了基于时空消耗理论的一维和二维通过能力计算模型，并以此模型为基础，计算出了航道基本通过能力。
提出的基于船舶行为特征的通过能力计算模型是在考虑航道交通流特征的基础上，根据船舶行为特征，对航道基本通过能力进行修正后的能反映航道实际通过能力的计算模型。
基于离散事件仿真理论，根据船舶在港***动的特征，以港口船舶活动的逻辑模型为基础，分别建立了船舶到港模型、船舶行为模型、船舶运动模型以及通航环境模拟模型等。在此基础上，利用面向对象的编程方法，开发了航道通过能力仿真模拟***。能够较准确的模拟航道中船舶的行为以及不同通航环境、不同组织方式下航道的通过能力，为***研究航道通过能力提供了一种有效的研究工具。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种航道通过能力仿真计算方法，其通过对船舶到达港区航道历史数据的拟合，分析船舶进出港区水域航道规律，建立港区水域受限航道通过能力计算和预测数学模型，并根据港区水域的历史和现状数据对数学模型进行验证，确定饱和度的指标体系，利用离散事件仿真建模理论及方法构建仿真***平台，其特征在于：包括如下步骤：
S1、建立船舶进入港区航道规律数学模型：根据船舶进出港区水域的资料进行统计分析，对历史数据进行拟合，并采用卡方检验法进行检验，建立船舶到达港区规律的数学模型；
S2、建立港区水域受限航道通过能力的数学计算模型：根据港区水域受限航道的通航特点，综合考虑航道、船舶、水文、气象、规则要素，建立港区水域受限航道通过能力的理论计算模型；通过理论计算模型可计算出航道饱和状态下的通过能力，评价当前航道饱和度；
S3、开发航道交通流仿真软件***：基于港区调度***特征、受限航道船舶交通流特征的分析，对船舶进出港区航道水域的实际物理过程进行抽象，运用离散事件仿真理论，采用现代软件工程思想，开发用于对受限航道船舶交通流进行仿真模拟的软件***；
S4、模型验证及使用：以港区水域航道作为验证实例，利用理论模型及仿真***计算当前航道饱和度情况，并对未来航道的通过能力进行预测。
2.权利要求1所述的一种航道通过能力仿真计算方法，其特征在于：所述步骤S2中理论计算模型包括用于受限航道静态通过能力计算的修正领域模型和用于受限航道动态通过能力计算的排队模型。
3.权利要求2所述的一种航道通过能力仿真计算方法，其特征在于：所述修正领域模型主要计算航道的理论极限通过能力，并为后续的排队参数提供依据；排队模型可***评价当前航道饱和状态、未来交通流与航道尺度的匹配程度、锚地与航道的适应性。
4.权利要求1所述的一种航道通过能力仿真计算方法，其特征在于：所述步骤S3中航道交通流仿真软件***包括仿真***内核模块、***配置模块、***控制模块、可视化模块、数据输出模块和数据分析模块。
5.权利要求4所述的一种航道通过能力仿真计算方法，其特征在于：所述***配置模块用于配置和改变***运行时的仿真时段参数、船舶平均到达率、航道参数、泊位参数以及***所需要的其它必要参数；
所述***控制模块可以用于启动、暂停或者结束模拟；
所述可视化模块是基于GIS的可视化界面，用户可以直观的看到港口相关的信息，包括水域、航道、码头信息，可以看到***仿真时船舶进出港航行、系泊状况，还可以显示船舶、泊位、航道的相关信息；
所述数据输出模块主要用于将仿真所得到的数据保存到数据库，这些数据可以用于进一步的分析；
所述数据分析模块用于分析仿真结果，对航道的通航能力、瓶颈进行评估。
6.权利要求4所述的一种航道通过能力仿真计算方法，其特征在于：所述仿真***内核模块中运行的模型包括***逻辑模型、船舶到港模型、船舶交通流模型、航路模型、船舶运动模型、船舶行为特征模型、天气模型和潮汐模型。
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