蔡大富，劉 清，劉懷漢，曾旭虹，李學(xué)祥，張 恒

(1.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430011;2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

一、引 言

長江歷史悠久，孕育了燦爛的荊楚巴蜀文明，從古至今在貨物運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事應(yīng)用等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用。長江橫貫我國東中西，全長約2838 km，從新石器時期行舟楫之利，到21世紀(jì)的黃金水道，經(jīng)歷了相當(dāng)長的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，串起了長江的整個發(fā)展史。長江航道經(jīng)過了時間、技術(shù)、需求的數(shù)次推拉，形成了具有顯著分水嶺的發(fā)展階段，在不同的階段存在著具有差異性的發(fā)展特征，這些發(fā)展特征有著鮮明的時代印記。開展長江航道發(fā)展階段及特征的研究，有助于深化航道基礎(chǔ)理論，加快長江航道跨越轉(zhuǎn)型，推動長江航道文化建設(shè)進一步發(fā)展，對科學(xué)指導(dǎo)長江航道規(guī)劃建設(shè)、促進國際航道基礎(chǔ)研究交流與合作具有十分重要的意義和作用［1］。

目前，國外關(guān)于交通運輸業(yè)發(fā)展的階段劃分理論，大多從技術(shù)或需求角度對其核心驅(qū)動力作細致分析，并通過經(jīng)驗研究總結(jié)交通運輸?shù)陌l(fā)展規(guī)律。國內(nèi)關(guān)于交通發(fā)展理論的研究比較零散，還沒有形成一個相對成熟的、系統(tǒng)的理論體系，對于我國交通運輸發(fā)展階段的研究較少，其他行業(yè)發(fā)展階段劃分理論尚未形成。目前，國內(nèi)外對航道發(fā)展階段劃分尚沒有成熟的理論和案例可以借鑒。本文根據(jù)航道發(fā)展的時間軸特性，通過對技術(shù)、需求的整合及需求的量化算法分析，給出長江航道發(fā)展階段劃分及特征描述，指引長江航道未來的發(fā)展，也為其他內(nèi)河航道的階段劃分提供參考。

二、基于fisher算法的長江航道發(fā)展階段劃分

前期研究已經(jīng)給出了基于時間的劃分方法，基于時間、技術(shù)的劃分方法，基于時間、技術(shù)、需求的劃分方法，來展開內(nèi)河航道發(fā)展階段的劃分［2］32-38。其中，基于時間、技術(shù)、需求的劃分方法在前面兩種定性分析的基礎(chǔ)上，通過對需求指標(biāo)的量化分析，能夠得到更優(yōu)的階段數(shù)和更具體的劃分點。在該方法的量化分析中，F(xiàn)isher算法［3］是關(guān)鍵，它是數(shù)學(xué)最優(yōu)問題的一種算法，可應(yīng)用于多維問題研究。

Fisher算法又稱最優(yōu)分割法，就是對有序樣品進行分類的一種多元統(tǒng)計分析方法，它開始將所有樣品看成一類，然后將它們分為一類、二類等，直到分成所需的k類為止。將n個有序樣品分成k類的一切可能分法有Ck-1n-1種，每一種分法，稱為一種分割，在這種Ck-1n-1分割中找出一種分割，使得各種分類數(shù)k中，它的k類各段內(nèi)部的樣品之間差異最小，而段與段之間的差異最大。

航道的發(fā)展具有時序性，且每一個時間點都對應(yīng)了不同的特征，存在一定的差異性，如技術(shù)運用的差異、航運需求的差異等。各時間點的特征具有或大或小的關(guān)聯(lián)性，各時間點的差異程度也有大有小。因此，劃分的階段數(shù)會隨劃分時考慮的因素、要求的差異而不同。Fisher算法科學(xué)地將航道發(fā)展的差異性進行聚類分析，有效地解決了航道發(fā)展階段的劃分問題。本文從實際運用角度出發(fā)，運用Fisher算法對需求指標(biāo)進行分析，得到基于需求的最優(yōu)階段劃分?jǐn)?shù)和劃分點，結(jié)合基于時間、技術(shù)劃分方法的劃分結(jié)果，確定航道的階段劃分，并展開階段特征分析。

1.需求量化指標(biāo)的選擇及模型的構(gòu)建

(1)指標(biāo)的選擇及量化。航道發(fā)展具有復(fù)雜性、多維性，航道發(fā)展階段的劃分應(yīng)該比較全面地反映航道發(fā)展的總體情況和特征。在雙因素方法定性劃分航道發(fā)展階段的基礎(chǔ)上，本文加入了驅(qū)動航道發(fā)展的源泉——需求因素，并對需求因素進行量化。需求因素相對于時間、技術(shù)因素更易得到科學(xué)合理的量化值。根據(jù)航道發(fā)展的整體情況，需求因素可選的量化指標(biāo)包括貨運量、貨運周轉(zhuǎn)量、船舶噸位、通航里程、航道等級等，這些指標(biāo)可用X1，X2，…，Xn表示。

D(i，j) 表示的是該變量段{Xi，Xi+1，…，Xj}(j＞i)內(nèi)部各變量之間的差異情況。D(i，j)越小，表示該段內(nèi)變量的差異越小，或說明相互間越接近。反之，D(i，j)越大，則表示該段內(nèi)變量之間的差異越大，或說明相互間越分散。

(3)定義分類的誤差函數(shù)。用P(n，k)表示將n個有序航道劃分變量分成k類的某種分法。常記分法 P(n，k) 為

(4)求最優(yōu)劃分k分段。對于給定的階段分段數(shù)k(0＜k＜n)，可以在所有可能的劃分階段方案P(n，k)中找出使L［P(n，k)］達到極小者作為最優(yōu)劃分k分段，記為b(n，k)。

欲分成k段時，先找jk使式(4)達到最小，即(5)確定階段劃分?jǐn)?shù)。分段數(shù)k或根據(jù)需要指定或依據(jù)L［P(n，k)］依k變化情況，結(jié)合航道階段二維劃分方法確定。本文通過作L［P(n，k)］與k的曲線關(guān)系圖，曲線拐彎處的k值即為最優(yōu)劃分階段數(shù)。然后將k值帶入Matlab進行計算，可以得出前面Fisher算法計算的時間段的航道發(fā)展的更為具體的階段。

2.長江航道發(fā)展階段的劃分

從航運固有特性來看，長江干線貨運量最能反映長江的航運需求，因此，選取長江干線貨運量作為長江航道需求的量化，運用Fisher算法進行定量劃分。因資料的可獲取性，本文選取1950—2011年間貨運量作為航道階段劃分的指標(biāo)，如表1所示。

表1 1950—2011年部分年份長江干線貨運量

運用Fisher算法在進行有序樣本分類之前，首先要對貨運量指標(biāo)進行評定，評定結(jié)果構(gòu)成了一個有序樣本。采用中心化無量綱方法將表中指標(biāo)量作無量綱處理，計算方法如下:

采用中心化無量綱化方法對表中數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，得到1950—2011年貨運量得分，如表2所示。

表2 1950—2011年部分年份貨運量無量綱得分

根據(jù)表2中得分對1950—2011年長江航道發(fā)展階段進行劃分，利用Matlab語言實現(xiàn)Fisher算法，得到L［P(20，k)］與k的曲線關(guān)系，如圖1所示。

圖1 基于貨運量的長江航道階段劃分Fisher關(guān)系

從圖1可以看出，當(dāng)k=4時，曲線明顯開始趨于平滑，因此，1950—2011年間長江航道發(fā)展階段分為4段較優(yōu)。

將k=4代入Matlab進行計算，可以得出Fisher算法計算的1950—2011年長江航道發(fā)展最優(yōu)分段為:1950—1972年，1973—1994年，1995—2007年，2008—2011年。

因此，在雙因素劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合考慮時間、廣義的航道技術(shù)和需求三方面，可以將長江航道發(fā)展階段劃分為原始航道(1950年以前)、助航航道(1950—1972年)、標(biāo)準(zhǔn)航道(1973—1994年)、高等級航道(1995—2007年)、數(shù)字航道(2008—2015年)、智能航道(2016年以后)。將該結(jié)論與前期定性階段劃分結(jié)果比較可知，此結(jié)論與前期結(jié)論基本一致，但劃分更為細致、具體［2］42-47。

三、長江航道發(fā)展階段特征分析

航道的發(fā)展階段既是時間的縮影，又是技術(shù)發(fā)展水平的凝結(jié)，更是運輸需求的集中反映，所以本文在進行特征分析過程中，主要從運輸需求、通航條件、航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果、航道管理及效果四個方面對六階段展開分析。

1.原始航道(1950年以前)

運輸需求方面:主要用于販賣糧食、食鹽、茶、布匹等生活必需品和瓷器等手工業(yè)產(chǎn)品，由于封建經(jīng)濟的自給自足，造船技術(shù)的限制，貨運量水平一直不高，運輸需求維持在較低的層次，1949年長江干線貨運量僅為191萬t。

通航條件方面:為天然狀態(tài)，通航條件很差，險灘、淺灘、礁石遍布叢生，助航設(shè)施簡陋，數(shù)量不足，不能夜航，只能通航小噸位船舶。

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:主要以鑿治開渠，靈渠溝通長江和珠江;人工開挖運河，京杭大運河將東西和南北水運通道連接。

航道管理及效果方面:古時航道的利用水平很低，運輸能力低下，無專門的航道管理機構(gòu)，各時期的管理主要以征收關(guān)卡稅為主，貨物運輸零散組織，無規(guī)模的運輸船隊。到了近代，管理模式初創(chuàng)，各項制度不相統(tǒng)一，執(zhí)行度較低，出現(xiàn)了一定數(shù)量的航運企業(yè)，貨運運輸開始定期定點，木船、輪船同航長江。

2.助航航道(1950—1972年)

隨著第一個五年計劃開始實施，長江航道迎來了重要的發(fā)展機遇期，進入助航航道發(fā)展階段。具體特征如下。

運輸需求方面:貨運量從1950年的232萬t增加到1973年的2855萬t，增長近12倍。蒸汽船和柴油機船逐步取代木船，成為長江上的主要船型，船舶噸位也逐漸增加，頂推船規(guī)模和運力逐漸擴大，一次運輸可達2萬t。

通航條件方面:經(jīng)過航道整治、航標(biāo)改革等舉措，長江干線航道維護手段和水平比新中國成立前有很大提高，航標(biāo)全部發(fā)光，標(biāo)志覆蓋率成倍增加，部分航段可夜航，通航條件有了重大改善，長江下游可通航5000噸級船舶，中上游常年可通航1000噸級船舶。［4］327-336

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:該階段水下炸礁、爆破、筑壩等新的整治技術(shù)及挖泥船、拖耙船等機械疏浚的使用，使長江中上游航道的維護水深、寬度、曲率半徑有了大的提高，卡脖子、礙航航道得到基本治理，提高了運輸通過能力。

航道管理及效果方面:統(tǒng)一的航道管理機構(gòu)長江航道局成立，航標(biāo)改革初步完成，長江航標(biāo)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，并制定了航道尺度計劃以及干線航道水深標(biāo)準(zhǔn)［4］315-320，使長江航道的引航能力增強，航道施工管理也日趨完善，航道維護和管理開始走向規(guī)范化、制度化、持久化。此外，國家先后對原有的船運公司進行整合和改革，國有航運企業(yè)崛起并成為航運主力，運輸規(guī)模不斷擴大，航運市場逐步成型。

3.標(biāo)準(zhǔn)航道(1973—1994年)

1973年《全國天然渠化河流及人工運河通航試行標(biāo)準(zhǔn)》出臺，由此進入標(biāo)準(zhǔn)航道發(fā)展階段。具體特征如下。

運輸需求方面:貨運量從1973年的2855萬t增加到1995年的3.2億t，增長達10倍。柴油機船成為長江上的主要船型，船舶載重量繼續(xù)增加，頂推船運輸能力繼續(xù)擴大，駁船開始應(yīng)用，同時專業(yè)化船舶開始在長江上航行。

通航條件方面:交通部先后頒布了關(guān)于加強長江航道等級化、規(guī)范化的文件，沿線各省市相繼完成對航道標(biāo)準(zhǔn)的測量與建設(shè)規(guī)劃，同時船型標(biāo)準(zhǔn)化也開始展開，頂推船技術(shù)被推廣;引航中心成立，大噸位海船可從下游直達上游;葛洲壩三江航道船閘試航成功，使長江中上游航道維護狀態(tài)明顯改善;大噸位船舶和頂推船隊通過能力提高。［4］522-584

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料得到廣泛應(yīng)用，整治的設(shè)計和施工更具科學(xué)性;航標(biāo)技術(shù)更加成熟，完成從電氣化、電子化到太陽能技術(shù)的跨越，實現(xiàn)了航標(biāo)大型化、智能化;測量手段逐步現(xiàn)代化，微波和激光定位等先進技術(shù)被不斷應(yīng)用，實現(xiàn)了測點定位、測深、制圖和數(shù)據(jù)處理的全自動化。

航道管理及效果方面:航道標(biāo)準(zhǔn)化和船型標(biāo)準(zhǔn)化開始推行;管理制度改革和管理水平逐漸提高，使長江航道的服務(wù)水平大幅提高，貨運量突破1億t大關(guān)，運輸組織方式多元化，機動駁、分節(jié)駁頂推和機動駁頂推三種方式開始主導(dǎo)長江航運。

4.高等級航道(1995—2007年)

從“九五”開始我國交通運輸現(xiàn)代化建設(shè)全面啟動，長江航道迎來新的發(fā)展機遇，航道投資逐年翻番，航道高等級化成為這一時期的重要任務(wù)。具體特征如下。

運輸需求方面:投資拉動和對外出口的經(jīng)濟政策刺激了航運需求的猛增，沿江七省二市成為我國經(jīng)濟重要的增長點，貨運需求發(fā)展迅速。1988年長江干線貨運量達到1億t，2007年底突破了11億t，增長了10倍，2010年突破了15億t。

通航條件方面:航道標(biāo)準(zhǔn)化后，為提高長江航道等級，中下游的礙航航段繼續(xù)得到維護治理，長江下游的維護水深達到10.5 m以上，中游達到2.9 m以上。三峽大壩建成蓄水使上游通航條件顯著改善，千噸級船舶可直達宜賓。長江干線航道全線達到三級以上航道標(biāo)準(zhǔn)。

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:新的整治和疏浚工藝開始應(yīng)用，注重自然特性，加強環(huán)保觀念，淺灘淤積河段治理成效明顯，支流渠化及干支協(xié)調(diào)使長江航道網(wǎng)逐步建立。

航道管理及效果方面:航道建設(shè)編入五年計劃，長江航道發(fā)展規(guī)劃出爐，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)重新修訂，內(nèi)河維護規(guī)范同步修訂，管理趨于高效統(tǒng)一。船舶監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急和預(yù)警系統(tǒng)、VTS系統(tǒng)、電子航道圖系統(tǒng)等信息系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)步伐加快。航道管理體系日益完善，使航道的服務(wù)水平、服務(wù)潛力空前提高。

5.數(shù)字航道(2008—2015年)

2008年示范性工程南京—瀏河口數(shù)字航道工程竣工并驗收，標(biāo)志著長江航道進入數(shù)字時代。具體特征如下。

運輸需求方面:受擴大內(nèi)需經(jīng)濟刺激政策的推動，雖然國際需求緊縮，但國內(nèi)需求仍然保持增長態(tài)勢，能源、礦石、散糧和大宗貨物需求仍然旺盛，貨運量由2008年的12億t增加到2011年的16.6億t，增長率為38%。

通航條件方面:“深下游、暢中游、延上游、通支流”航道工程啟動，航道建設(shè)更加系統(tǒng)明確，航道通航條件進一步完善，航道通過能力有了更顯著的提高。

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:長江上游宜賓至重慶水深提高到2.7 m，宜昌至城陵磯河段枯水期水深提高到3.2 m，南京以下實現(xiàn)12.5 m深水航道。2008年數(shù)字航道在長江下游建成并使用，2010年三峽庫區(qū)數(shù)字航道開工建設(shè)，2015年將全線建成數(shù)字航道，為智能航道建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

航道管理及效果方面:《“十二五”長江航道發(fā)展規(guī)劃》的頒布為長江航道的建設(shè)和發(fā)展提供了政策支持，將信息系統(tǒng)建設(shè)與航道測量、調(diào)度、監(jiān)控、航務(wù)管理相結(jié)合，可有效提高維護質(zhì)量，擴大航道的通過能力。

6.智能航道(2016年以后)

智能航道是航道發(fā)展的高級階段，以數(shù)字航道為基礎(chǔ)、電子航道圖為載體，結(jié)合智能傳感器、射頻識別、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等手段，將從空中、水面、水下實現(xiàn)航道要素信息全方位透徹的獲取，同時，基于航道演變的模型將計算出高分辨率的航道水位、水深、流速、流態(tài)，全方位實現(xiàn)航道通航要素信息的精細感知。與此同時，已獲得的信息將以各種方式嵌入互聯(lián)網(wǎng)，與用戶的感知工具連接，依托正在建設(shè)的多功能電子航道圖系統(tǒng)，利用三維顯示技術(shù)，實現(xiàn)航道信息實時、順暢交流。

2015年長江數(shù)字航道將全部建成，以數(shù)字化平臺為基礎(chǔ)的智能航道成為長江航道的代名詞。具體特征如下。

運輸需求方面:將繼續(xù)保持增長，船舶向大型化、節(jié)能化、自動化和智能化方向發(fā)展。

通航條件方面:高等級航道的深化及數(shù)字航道的建成，將使長江干線的船舶通過能力進一步提升，全線達到2級航道標(biāo)準(zhǔn)以上。

航道工程技術(shù)及應(yīng)用效果方面:航道工程技術(shù)將會融入新能源、新材料、人工智能技術(shù)，可實現(xiàn)無人勘探及航道信息自動獲取技術(shù)。

航道管理及效果方面:航道的利用水平更高，航道維護實現(xiàn)機械化、自動化和智能化，船舶通航實現(xiàn)智能導(dǎo)航，航道管理將向綠色、安全、各方協(xié)同方向發(fā)展。

四、結(jié)論與展望

長江航道由原始的天然河流發(fā)展到今天的信息數(shù)字化運輸大動脈，經(jīng)歷了相當(dāng)豐富的發(fā)展歷程。其發(fā)展是一部時間史，也是一部進步史，不同的劃分方法會形成不同的劃分格局。以典型時間節(jié)點為劃分依據(jù)，可以將長江航道劃分為古代航道、近代航道、現(xiàn)代航道和未來航道;以時間、技術(shù)為節(jié)點，形成了天然航道、引航航道、規(guī)范航道、智能航道四個階段;以時間、技術(shù)、需求為劃分依據(jù)，長江航道經(jīng)歷了原始航道、助航航道、標(biāo)準(zhǔn)航道、高等級航道、數(shù)字航道、智能航道六個階段。不同發(fā)展階段特征揭示了航道發(fā)展的規(guī)律性及必然性，可為國內(nèi)外其他河流建設(shè)與發(fā)展提供理論參考。

“十二五”期間，國家將投資215億元用于長江航道建設(shè)，長江下游數(shù)字航道建成運營，上游數(shù)字航道建設(shè)已經(jīng)啟動，長江航道進入數(shù)字化發(fā)展時期。沿江經(jīng)濟社會發(fā)展給長江航道帶來了新的機遇，預(yù)計到2020年長江年貨運需求量將達到20億t，新興技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用也為長江航道發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持，長江航道未來必將向智能航道發(fā)展。

前進的道路充滿曲折，長江航道在未來的發(fā)展過程中要處理好航道通過能力提升與資源協(xié)調(diào)發(fā)展、航道發(fā)展與維護管理體系適應(yīng)性、航道協(xié)調(diào)發(fā)展及干支流銜接和航道信息需求與航道感知能力適應(yīng)性等問題，實現(xiàn)長江航道的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展［5］。

［1］魏志剛.長江航道建設(shè)與流域經(jīng)濟發(fā)展［J］.交通建設(shè)與管理，2008(8):49-52.

［2］“長江航道階段劃分研究”課題組.長江航道發(fā)展階段研究［R］.武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2012.

［3］柯 健.基于最優(yōu)分割的中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段劃分［J］.統(tǒng)計教育，2007(1):41-42.

［4］長江航道史編委會.長江航道史［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［5］張沛文.長江流域的航運發(fā)展與航道規(guī)劃建設(shè)經(jīng)驗［J］.水運工程，2007(11):91-96.

［6］羅傳棟.長江航運史(古代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1991.

［7］許 可.長江航運史(現(xiàn)代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1993.