丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力研究

丁 濤 徐湘文

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

低碳經(jīng)濟(jì)的提出使得長(zhǎng)江黃金水道的作用得到了重視.長(zhǎng)江各段航道的等級(jí)不一，對(duì)于長(zhǎng)江的通過(guò)能力的測(cè)算引入OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，將長(zhǎng)江上17個(gè)港口視為網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點(diǎn)，各航段視為網(wǎng)絡(luò)模型中的連線，考慮與航道通過(guò)能力密切相關(guān)的航道貨流OD結(jié)構(gòu)，建立了以任意起點(diǎn)港和終點(diǎn)港之間貨流量為變量，各貨流量之和最大為目標(biāo)函數(shù)，航段通過(guò)能力、礙航建筑物通過(guò)能力為限制條件的OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,來(lái)測(cè)算長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力.

網(wǎng)絡(luò)模型；長(zhǎng)江航道；通過(guò)能力；OD結(jié)構(gòu)

0 引 言

關(guān)于內(nèi)河航道通過(guò)能力計(jì)算的西德公式[1]，王宏達(dá)公式[2]屬于經(jīng)驗(yàn)公式，沒(méi)有形成統(tǒng)一規(guī)范的模式.楊家琪等[3]通過(guò)對(duì)航道通過(guò)能力的定義及其影響因素的分析，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)理論，提出了系統(tǒng)測(cè)算航道(網(wǎng))通過(guò)能力的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此提出了各等級(jí)航道的通過(guò)能力數(shù)量級(jí)，多級(jí)航道通過(guò)能力的數(shù)學(xué)模型[4]在實(shí)際運(yùn)用中仍有瓶頸.

侯海強(qiáng)等[5]利用橋區(qū)航道船舶AIS數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析船舶類型比例、船舶尺寸分布規(guī)律、船舶到達(dá)速度分布規(guī)律、船舶到達(dá)規(guī)律分布和船舶間時(shí)距等數(shù)據(jù)特征，建立橋區(qū)航道船舶通過(guò)能力仿真模型,通過(guò)數(shù)據(jù)輸出及分析處理，實(shí)現(xiàn)橋區(qū)航道船舶通過(guò)能力的分析計(jì)算.黃泰坤等[6]以天津港2011年基礎(chǔ)設(shè)施情況和營(yíng)運(yùn)狀況為模型約束條件,通過(guò)3組仿真試驗(yàn),對(duì)比了復(fù)式航道實(shí)施前后天津港營(yíng)運(yùn)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(shí)的特殊安全要求建立航道通過(guò)能力影響模型,用2種方法分別計(jì)算LNG船舶對(duì)高欄港主航道船舶通過(guò)能力影響程度.杜柯等[8]分析船載貨物本身的危險(xiǎn)性和航道自身發(fā)生的事故屬性的基礎(chǔ)上,給出了相應(yīng)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)暮降劳苓^(guò)力計(jì)算方法和劃分標(biāo)準(zhǔn).張培林等[9]分析了船閘通過(guò)能力影響因素,提出提高一次過(guò)閘平均噸位是提高三峽船閘通過(guò)能力的主要途徑,進(jìn)而提出從提高閘室水深利用和閘室面積利用2個(gè)角度來(lái)提高一次過(guò)閘平均噸位,優(yōu)化船舶運(yùn)輸組織,即優(yōu)化船型和過(guò)閘船舶組合.本文著眼于整個(gè)內(nèi)河水運(yùn)系統(tǒng)通過(guò)能力的研究，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江干線貨流OD矩陣結(jié)構(gòu)的推算，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)模型，測(cè)算長(zhǎng)江干線航道的通過(guò)能力.

1 多級(jí)航道通過(guò)能力

對(duì)于由通過(guò)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(guò)能力，是指考慮航段通過(guò)能力限制、礙航建筑通過(guò)能力限制和航道貨流OD結(jié)構(gòu)的在單位時(shí)間(通常以年為時(shí)間周期)內(nèi)的航道總貨流量Q.

航道上有n個(gè)港口，第i個(gè)港口到第j個(gè)港口的貨流量為Qij(Qij≥0)，總貨流量為

(1)

2 航道通過(guò)能力限制

2.1 航段通過(guò)能力限制

若第k航段的最大通過(guò)能力為Ck，航段通過(guò)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(guò)能力限制

若第p個(gè)礙航建筑物的年最大通過(guò)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(jié)構(gòu)

航道OD結(jié)構(gòu)是指航道中的起點(diǎn)港O點(diǎn)到終點(diǎn)港D點(diǎn)貨流量構(gòu)成的比例關(guān)系.在長(zhǎng)江的貨物運(yùn)輸需求中OD之間發(fā)生以及發(fā)生多少不是任意的，而是與國(guó)家的工業(yè)布局，港口腹地的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等有著密切關(guān)聯(lián)性，在較短的時(shí)期內(nèi)，通常認(rèn)為OD貨流量分布相對(duì)固定.

對(duì)于航道H=(N,A).其中:N為航道結(jié)點(diǎn)(港口)集合；A為有向航段集合.每個(gè)有向航段擁有一個(gè)固定容量C.對(duì)于有n個(gè)港口的多級(jí)航道上的貨流量Q用具有的貨流OD結(jié)構(gòu)的矩陣表示為

(4)

式中：Qij為第i個(gè)港口到第j個(gè)港口的貨物流量，當(dāng)i=j時(shí)，Qij=0.

(5)

式中：∑∑pij=1.

單位OD矩陣P描述了航道上的貨流OD結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系.在某種OD結(jié)構(gòu)下，航道的貨流量承載能力得到充分發(fā)揮，容量達(dá)到最大，這樣的OD結(jié)構(gòu)就稱為“理想OD結(jié)構(gòu)”.此時(shí)，OD結(jié)構(gòu)與航道貨流量達(dá)成最佳匹配.

可達(dá)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(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力計(jì)算

根據(jù)交通運(yùn)輸部、水利部、國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)《關(guān)于內(nèi)河航道技術(shù)等級(jí)的批復(fù)》批復(fù)的長(zhǎng)江干流航道技術(shù)等級(jí)，及《長(zhǎng)江干線航道建設(shè)規(guī)劃》確定的長(zhǎng)江干流航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 長(zhǎng)江干流航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源，交通部《內(nèi)河航道技術(shù)等級(jí)的批復(fù)》，1998.

4.1 長(zhǎng)江航道及礙航建筑物限制

為了使航道通過(guò)能力僅反映航道本身的屬性與特點(diǎn),與航道上的船舶無(wú)關(guān)，采用單一標(biāo)準(zhǔn)船的航道段過(guò)能力.標(biāo)準(zhǔn)船舶航道單向通過(guò)能力見表2.

表2 標(biāo)準(zhǔn)船舶航段單向通過(guò)能力

注：標(biāo)準(zhǔn)船型數(shù)據(jù)來(lái)源，交通運(yùn)輸部，《長(zhǎng)江水系過(guò)閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，2013.

長(zhǎng)江干線規(guī)模以上主要港口16個(gè)，分別為:宜賓港、滬州港、重慶港、宜昌港、荊州港、岳陽(yáng)港、武漢港、黃石港、九江港、安慶港、馬鞍山港、蕪湖港、南京港、鎮(zhèn)江港、蘇州港、南通港.考慮到外貿(mào)貨物的進(jìn)出，增設(shè)一虛擬港，命名為瀏河口.

長(zhǎng)江干線上礙航建筑物一般考慮三峽大壩和南京長(zhǎng)江大橋，其中三峽大壩設(shè)計(jì)雙向年通過(guò)能力為1億t，單向?yàn)? 000萬(wàn)t；南京長(zhǎng)江大橋在豐水期橋梁凈空為24 m，只能通過(guò)3 000 t級(jí)船舶.

綜合考慮航段通過(guò)能力限制、港口吞吐能力限制、礙航建筑通過(guò)能力限制的各參數(shù)見表3.

表3 長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力限制條件

4.2 長(zhǎng)江貨流OD結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的調(diào)查統(tǒng)計(jì)中缺乏各港口之間的貨流統(tǒng)計(jì)，只能通過(guò)港口貨物吞吐量等指標(biāo)推算貨流OD結(jié)構(gòu).

根據(jù)對(duì)貨流特性的分析,如果i港口出港貨物一定時(shí),j港口對(duì)i港口的吸引越大,那么i站到j(luò)站的OD分布量也越大.根據(jù)引力模型[10-11]，定義吸引權(quán)系數(shù)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(luò)港口的距離；k，α，β，γ為模型系數(shù),分別取1，1，1，-1.

貨流OD的結(jié)構(gòu)化模型

(8)

式中:Qij為i港口到j(luò)港口的貨流量，Oi為i港口的出港貨流量.

結(jié)合長(zhǎng)江港口之間里程，按照如上推算過(guò)程，經(jīng)過(guò)6次迭代，得到長(zhǎng)江干線貨流量OD結(jié)構(gòu)見表4.

4.3 計(jì)算模型與結(jié)果

綜上，長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力實(shí)際計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)模型.

(17)

根據(jù)該模型進(jìn)行測(cè)算, 在現(xiàn)有航道通過(guò)能力限制、礙航建筑物通過(guò)能力限制和貨流OD結(jié)構(gòu)下，長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力用貨物通過(guò)能力表征時(shí)，下行的貨物通過(guò)能力為9.5億t，上行貨物通過(guò)能力為7.2億t，合計(jì)為16.7億t.

表4 長(zhǎng)江干線貨流量OD結(jié)構(gòu) 萬(wàn)t/年

5 結(jié) 束 語(yǔ)

1) 為解決通過(guò)能力(容量)大小不同的航段組成的多級(jí)航道通過(guò)能力的計(jì)算問(wèn)題，本文研究了通過(guò)構(gòu)建OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，用貨流量來(lái)表征航道通過(guò)能力.

2) 本文以最大貨流量為目標(biāo)函數(shù)，以航段通過(guò)能力、港口設(shè)計(jì)通過(guò)能力及礙航建筑物通過(guò)能力為限制條件，考慮航道貨流OD結(jié)構(gòu)和航道長(zhǎng)度限制，構(gòu)建了OD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型.

3) 在現(xiàn)有航道通過(guò)能力限制、礙航建筑物通過(guò)能力限制和貨流OD結(jié)構(gòu)下，長(zhǎng)江干線航道通過(guò)能力用貨物通過(guò)能力表征時(shí)，下行的貨物通過(guò)能力為9.5億t，上行貨物通過(guò)能力為7.2億t，合計(jì)為16.7億t.

4) 航道貨流OD結(jié)構(gòu)的推算以及理想OD結(jié)構(gòu)的獲取，在未來(lái)的工作中，可進(jìn)一步探討.

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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(lǐng)域?yàn)楦酆脚c綜合物流研究