英语原文共 32 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
内河航道通过能力评估程序
Dennis Harlachera*
杜伊斯堡埃森大学，海洋工程与运输系统船舶技术研究所
Bismarckstr.69, 47057 Duisburg, Germany
摘要
在地理信息系统（GIS）的基础上，开发了一套复杂的程序，用于评估和评价内河航道的通过能力。在评估过程中，除了考虑自由流动河流的给定几何形状外，还考虑了水动力数值流域模型（HN模型）、内河船舶动力参数以及内河电子航海图（inland ENC）的附加信息。在将各种复杂的初始数据传输到相互系统中之后，首先根据相关参数（如水深、流速、吃水、安全距离、航道、泊位、交通管制）生成所谓的单个潜在区域。然后通过适当的组合将单个潜在区域转化为总的潜在区域。总的潜在区域代表了水道通航区域的表面分布，并显示了通行性。这些总的潜在区域是根据不同的排放情景、船舶类型、吃水变化、方向（上/下）准备的，然后通过记录的船舶通道进行验证。通过该程序，可根据航海标准（包括流速、吃水、行驶规则）对水道进行评估和评估，并显示关键点（例如瓶颈），从而在将来优化水道的使用。在对德国莱茵河不同案例研究的基础上，阐述了评估程序的应用。
1 介绍
一段时间以来，用于模拟水体流动的水动力数值（HN-）模型和船舶操纵的建模方法在水利工程领域发挥了重要作用。在工程实践中，用于水流时空模拟的高分辨率HN模型，以及必要时用于泥沙输移的HN模型，广泛应用于内河航道延伸和维护措施的评估和评价。在过去的几十年中，船舶操纵的模型（例如，用于确定所需的扫掠面积宽度）得到了进一步的发展，从运河中的简单几何估计到考虑到河流几何、流动水体中的流动特性以及船舶运动的动力学。
必须考虑流量和流量特性、气候变化、交通演变、船舶尺寸增加等可变参数，并提供适当的维护和扩建规划，以确保或提高水道的长期性能。这方面一个经常出现的问题是，在不断变化的边界条件和要求下，确定内河航道的通过能力是否得到保证。这是一项永久性的任务，必须有适当的工具、模拟方法和程序来支持。
一方面，它涉及通过使用更大的船舶尺寸（更大的货物运输能力）、改进船舶上的设备（更强大的操纵装置）和提供内陆航行信息服务（例如关于德国的电子信息系统）来提高内陆航行的经济效率内陆水道。河流信息服务的目的是促进安全高效的运输过程，从而集中利用内河航道的容量[3]。另一方面，水道的经济运行取决于自然决定因素，例如水文条件，以及因此而产生的排放条件。高容量内河航道的一个主要要求是，航道应适应经批准的船舶尺寸，即确保足够的航道宽度和深度，以确保全年安全、方便和经济高效地运行。适当的河流工程措施可增加可用水深，从而提高航道在低水位和平均水位期间的通过能力。例如，在德国的主要水道莱茵河上，此类措施包括修建和维护调节结构（如横向和纵向丁坝）。尽管边界条件多变，但应在尽可能大的范围内，甚至在整个可通航水道网络上保持足够的航道宽度和深度。
目前还没有一种通用的方法来评估和评估内河航道的通航能力，以及可视化通航区域的表面分布和显示通航能力。确定航道通行性的方法取决于潜在的问题和目标。在许多情况下，使用非常不同的方法和各种输入数据。根据与水道有关的要求，随着时间的推移，制定了不同的程序，以有效的方式处理问题。这可能涉及到实地调查、实验室测量、船舶操纵建模和水动力数值方法的应用，或使用船上支持系统，如内河航行信息服务。
2 制定评估程序
本研究旨在发展一套评估内河航道通航能力及可视化通航区域的方法。不同学科的不同元素将用于表征通行性（见图1）。这些是河流和航道的几何特性、船舶特性和水流特性及其相互作用。该方法还考虑了支持导航的内河航运信息服务以及导航规则。来自不同部门的航海相关信息相关信息将被跨学科使用、处理和扩充。然后可以将这些信息适当地组合起来进行评估。
图1 评估和评估内河航道通行性和可视化通航区域的程序的不同要素
2.1 说明
评估程序主要依赖于来自不同学科的输入数据（来自内陆ENC的信息和其他数据，如有必要，来自HN模型的流量数据以及内陆船舶的特性和/或航道要求）。第一步是将来自不同学科的（矢量和栅格）数据合并到一个系统中（例如地理信息系统gis）。本研究利用全球广泛应用的ArcGIS，在单一系统中传输、准备和处理各种跨学科的数据，必要时通过坐标转换。如果没有可用的光栅信息，则必须将数据转换为光栅数据集（例如通过三角测量、转换），以便在该区域进行适当的计算操作（标准化、重新分类、加权）。在分配电位值之后，可以计算不同的单个电位区域（见第2.2小节）。通过使用单个潜在区域的适当组合开发总潜在区域（见第2.3小节），该组合允许对内河航道的通行性进行评估和评估，并对通航区域进行可视化。根据德国莱茵河特征河段不同内河航运船舶在不同流量条件下所进行的上下游航道记录，验证了该方法的有效性。准备、处理和组合各种跨学科输入数据以及执行计算过程和分析结果涉及大量工作，只有在软件工程支持下才有可能（见第2.4小节）。
2.2 单一电势开发
必须根据所研究的问题、可用数据和研究区域的大小，确定开发电势的适当标准。例如，必须定义单势发展的对象和参数（如水流深度和流速）。此外，必须规定安全裕度、速度和吃水，并确定电位发展的适当方法（例如恒定、基于距离或多级程序）和电池分辨率。
2.2.1 来自内陆地区的信息
将与矢量相关的信息与基于矢量的内陆ENC分离，然后将潜在值分配给信息，然后再将其转换为栅格信息。为此，首先解释内陆ENC的S-57数据格式，然后将其转换为所谓的点、线或曲面形状文件。可以为每个对象定义安全净空（例如桥墩周围、泊位区域等）。电位值在属性表中指定。为了开发与内陆ENC目标有关的潜力，区分了两种程序：恒定或基于距离的潜在价值分配。图2示出了在数字正射影像背景下航道浮标的潜在发展的示例。浮标在左侧可见。中间的图片显示了航道浮标在选定的安全间距为10m的情况下具有恒定电位值分配的电位，而右侧的图片则表示基于距离的分配过程，其中电位值随着距浮标距离的增加而减小。通过使用欧几里德距离方法，可以确定从一个光栅单元到最近的源（点、线或曲面形状文件）的距离。该程序可适用于内陆ENC的任何目标。潜在开发方法包括若干计算步骤和中间步骤，以便对获得的单个潜在区域进行比较和/或数学组合。
图2 航道浮标的潜在发展：从内陆ENC获得的位置（左）；安全距离10m和潜在值分配0（中央）；随着与浮标距离的增加潜在值降低（右）
为了进行全面的交通能力评估和评估，根据问题和研究领域，有必要根据附加信息，例如导航规则，进一步开发单个潜在区域。其中包括航道分隔、桥梁下通行规则、禁止会车/超车操纵、会车操纵规定、洪水时的航行限制。在德国，根据莱茵河警察条例[2]，莱茵河特定水位段洪水标记I和II之间适用的航行限制。船舶在下游航行时，必须尽量保持在河中心，在上游航行时，尽量保持在河中心三分之一。
图3 利用与航海相关附加信息开发潜力（此处：下游航行船舶尽可能靠近中心，水位在洪水标志I和II之间的相关水位段）
图3提供了在下游移动船舶的情况下，当相关水位计段的水位在洪水标记I和II之间时，需要保持在河流中心的潜力发展的示例。为此，在第一步中确定航道（黄色区域）的中心线（红线），因为这条线不一定与源自内陆ENC的水体（蓝点）的中心线重合。根据以这种方式确定的航道中心线，并使用在本例中，距离为50 m，以产生基于距离的电位发展（见图3）。
2.2.2 水动力数值模型的流动特性
评估和评价内河航道通行性所需的相关流量特性一方面是水深，另一方面是流速。这些是从多维流动模型中获得的。计算出的流量结果必须以栅格数据格式提供，才能用于潜在开发。每个光栅单元必须首先使用各自的参数进行标准化，然后重新分类以匹配潜在的图例。当开发水流深度的潜力时，必须指定深度的上限释放值（吃水、下蹲、龙骨下净空和安全裕度或参考值占吃水的百分比之和）用于标准化。此值表示可通行性的最佳可能先决条件。此外，必须定义一个表示通行性阈值的最小深度。最小深度是吃水深度（加上安全裕度）。图4示出了光栅和流动深度的潜在发展。当开发流速势时，必须区分下游和上游航行，并且必须指定流速限制。作为规则，这需要如图5所示的反向重新分类，因为上游运动船舶寻找具有最低流速的航道部分，以便更快地航行，反之亦然。图5（右）显示，在这些排放条件下，有些区域由于流速超过规定的流速限制而无法由逆流航行的船只航行。
图4 来自HN模型的水深光栅（左）；上游释放值为5 m的水深势（右）深度（标准化）和最小深度3m（重新分类）
图5 下游（左）和上游（右）航行流速单势发展比较
2.3 总潜力开发和验证
在下一步中，使用权重因子将基于大量输入数据开发的单个潜在区域聚合为总潜在区域（参见图6和图7）。考虑到船舶和/或航道的规定航海特性以及下游和上游航行之间的区别，总潜势对特定流量有效。为了开发总潜力区域，必须考虑到这样一个事实，即当加权部分相加时，非通航单一潜力将导致非通航总潜力。本程序的验证基于不同类型内河航行船舶（内河液货船，TM；大型机动船舶；GMS，特长大型机动船舶，UGMS；推运船队，SV）的记录通道（下游和上游）和不同尺寸（长度和宽度），不同排放条件（低、中、高水位）下莱茵河（见第3节）。
图6 基于加权流量信息（流量深度和流速）的总电位发展示例；高流量时的下游航行
图7 总潜力开发示例；高水位期间的下游航行；根据流量数据（水深和流速）和内陆ENC信息（航道（左）、泊位区、航道浮标（中）、高水位供应（右））得出
2.4 软件系统RiNA
异构跨学科输入数据的准备、处理和组合以及计算过程、潜力的开发和结果的分析都是极其复杂的，需要软件工程的支持。基于全球应用的地理信息系统ArcGIS，开发了作为综合应用模块的RiNA(河流导航评估)程序，以便能够使用现有的功能。RiNA[1]的建筑元素如图8所示。
图8 建筑元素（根据[1]修改）
3 案例研究
总潜势的验证是基于内河船舶的记录通道，可以通过目视比较和统计分析使用船舶的面积。图9显示了航道中的平均总电势，并与记录的低水位（左）下游和高水位（右）上游的船舶进行了比较。
图9 内河船舶航道总潜势与记录航道总潜势的比较
根据总的潜在比较陈述，文章的质量可以得到满足，例如，通过平均值的总和。此外，还可以对单通道的总电位进行发散分析。图9中的标记指出了下游和上游的重要位置，例如，由于水深较低（A）或高速（C），船舶穿过航道较低的潜在区域（图10），以及进行停泊或停船演习的位置（B）。
图10 低水位（A）下游和高水位（B，C）上游记录通道的比较
此外，记录的通道用于改善总电位的发展，而额外的单个电位则通过考虑内陆ENC目标或通过补充信息（例如导航规则）生成。根据问题的目标，必须分配权重因子。在对深度瓶颈的纯粹分析和发现中，例如速度的单个势有一小部分。然而，必须考虑这些因素，例如，因为上游船舶在流速较低的区域更有效。总的潜力也可以用在有雷达覆盖的内陆ENC，以支持船长或作为开发适当航线的基础。
参考文献
- FZI (Forschungszentrum fuuml;r Informatik), Benutzerhandbuch River Navigation Assessment Tool (RiNA), Version 1.0, Karlsruhe, 2016.
- WSV(Wasser-undSchifffahrtsverwaltung),Rheinschifffahrtspolizeiverordnung (RheinSchPV), Stand: 01. Dezember 2014.
- ZKR(Zentralkommission fuuml;r die Rheinschifffahrt), Ausgabe der umfangreichen Anlagen der Beschluuml;sse 2013-I-23, Straszlig;burg, 2013.
受限水域容量分析的船舶动态领域模型
Jingxian Liu1,2,3,Feng Zhou1,2,4,Zongzhi Li5,Maoqing Wang4 and Ryan Wen Liu1,2
1（武汉理工大学航运学院，武汉430063）
2（武汉理工大学湖北内河航运技术重点实验室，武汉430063）
3（武汉理工大学国家水运安全工程研究中心，武汉430063）
4（长江海事局，武汉430016）
5(伊利诺伊大学土木建筑与环境工程系技术，芝加哥，IL 60616，美国)
（电子邮件：lwsunlight@gmail.com；ljxteacher@sohu.com）
摘要
开发适当的船舶领域模型可以极大地提高船舶航行安全性。从本质上讲，通航安全是由通航航道条件、船舶的大小和形状以及操作人员的技术水平共同影响的。现有的船舶领域主要采用常数作为模型
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[241299]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
