李曉飚，蔡新永，汪擁赤

(1.重慶交通大學(xué)，重慶，400074；2.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶，400016)

內(nèi)河通航船模試驗(yàn)可靠度評(píng)價(jià)方法

李曉飚1，蔡新永2，汪擁赤1

(1.重慶交通大學(xué)，重慶，400074；2.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶，400016)

為了對(duì)內(nèi)河航道通航條件進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，將船模航行的諸要素(對(duì)岸航速、舵角等)視為隨機(jī)變量，以概率論及可靠度相關(guān)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建船模航行指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，并提出內(nèi)河通航船模試驗(yàn)可靠度求解步驟及方法，研究結(jié)果表明該評(píng)價(jià)方法可有效對(duì)內(nèi)河航道通航條件進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果比傳統(tǒng)方法更精確和全面,可為工程方案決策提供科學(xué)依據(jù)。

可靠度；評(píng)價(jià)；船模試驗(yàn)；通航

國(guó)內(nèi)有關(guān)內(nèi)河的航道、港口、通航建筑物等建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、可行性研究、設(shè)計(jì)等各階段的涉及通航方面研究，通常采用水工模型并結(jié)合自航船模試驗(yàn)的方法加以研究。自航船模試驗(yàn)技術(shù)是近幾十年逐漸發(fā)展起來集造船、精密機(jī)械、船舶流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)測(cè)控、水工模擬技術(shù)等多學(xué)科的交叉技術(shù)并成為研究?jī)?nèi)河通航問題不可或缺的重要技術(shù)手段[1-3]。然而作為一門較新的交叉技術(shù),其試驗(yàn)方法尚在不斷發(fā)展和完善之中，目前對(duì)于船模試驗(yàn)的通航條件評(píng)價(jià)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，一般業(yè)內(nèi)較普遍采用根據(jù)研究對(duì)象的不同而選定不同船模航行指標(biāo)(如最小對(duì)岸航速、最大舵角、最小對(duì)岸航速、漂角等)給定一個(gè)限值來作為評(píng)價(jià)依據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)。如《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T232-98)[4]規(guī)定“急灘、險(xiǎn)灘整治工程船模航行試驗(yàn)中船模自航上灘的對(duì)岸航速小于原型0.3 m/s時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修改方案試驗(yàn)。”；重慶交通大學(xué)蔡汝哲研究員在采用自航船模研究吳家渡樞紐通航問題時(shí)[5]指出“無論上行進(jìn)閘或下行出閘，在船模試驗(yàn)的四種流量工況，其最大舵角遠(yuǎn)低于船模試驗(yàn)舵角安全限值(25°)，最小航速遠(yuǎn)大于船模試驗(yàn)最低航速安全限值(0.4m/s)”；長(zhǎng)沙理工大學(xué)劉曉平教授在用船模試驗(yàn)進(jìn)行施工導(dǎo)流期的斜流效應(yīng)研究時(shí)[3]指出“船舶航行試驗(yàn)時(shí),船舶的操舵角和航行漂角均需控制在某一范圍內(nèi),即船隊(duì)在口門區(qū)航行時(shí),操舵角不應(yīng)大于20°,航行漂角不應(yīng)大于10°”等。以上評(píng)價(jià)方法給出了一個(gè)定值的判斷標(biāo)準(zhǔn)，是比較簡(jiǎn)單有效的一個(gè)工程使用方法，但也存在以下問題：一、該定值判斷標(biāo)準(zhǔn)沒有充分考慮船模航行的諸要素(對(duì)岸航速、舵角等)的隨機(jī)性，而將其視為確定性常量，這將導(dǎo)致對(duì)航道通航條件的評(píng)價(jià)過于簡(jiǎn)單和籠統(tǒng)，只能簡(jiǎn)單地判定該通航條件能或不能滿足船舶通航要求，不能給出一個(gè)較為明確的通航條件優(yōu)劣程度的量化指標(biāo)；二、在選擇船模航行的諸要素(對(duì)岸航速、舵角等)作為通航條件評(píng)價(jià)參數(shù)時(shí)沒有一個(gè)統(tǒng)一而明確的標(biāo)準(zhǔn)，隨意性太大，理論依據(jù)不強(qiáng)。

因此考慮從船模通航航行兩個(gè)主要判定指標(biāo)(對(duì)岸航速、舵角)在船模通航試驗(yàn)中的相關(guān)性研究出發(fā)，在船模試驗(yàn)通航條件評(píng)價(jià)中引入可靠度方法[6-10]，將船模航行的主要航行要素(對(duì)岸航速、舵角等)視為隨機(jī)變量，并用可靠指標(biāo)或失效概率作為船舶通航的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)河航道的通航條件進(jìn)行量化的評(píng)價(jià)。

1 船模試驗(yàn)通航可靠度分析

1.1 船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在船模試驗(yàn)所獲得的原始數(shù)據(jù)中，有時(shí)會(huì)包含很強(qiáng)的干擾信號(hào)，使測(cè)量值發(fā)生突變，雖然這種強(qiáng)干擾信號(hào)出現(xiàn)的頻率并不高，但由于其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量值，引起的測(cè)量誤差是十分明顯的，因而在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先應(yīng)將其從測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除，這樣就可采用預(yù)測(cè)的方法得到每一點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，若實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相差過大，則該值剔除，否則保留。在這里我們采用一階差分的方法來進(jìn)行遞推預(yù)測(cè)，其表達(dá)式如下

u/(αi，βi)=u(αi-1，βi-1)+[u(αi-1，βi-1)-u(αi-2，βi-2)]

(1)

式中：u/(αi，βi)為測(cè)量值u(αi，βi)的預(yù)測(cè)值。

為了判斷測(cè)量的數(shù)據(jù)是否為干擾數(shù)據(jù)需設(shè)定一個(gè)最大誤差限值e，當(dāng)|u′(αi，βi)-u(αi，βi)|>e時(shí)，為干擾信號(hào)，應(yīng)剔除，否則保留。e值的選取十分關(guān)鍵，過大則不易剔除干擾信號(hào)；過小則會(huì)造成正常測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失。e值選取原則一般為不小于兩相鄰測(cè)量點(diǎn)可能的最大變化值[11]，在實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)測(cè)資料值的正常波動(dòng)范圍以及噪聲的幅度來確定。

1.2 船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率分布

經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中的異常值剔除之后，我們認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)是基本可靠的，可以對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)概率論的相關(guān)理論，只要某一隨機(jī)變量受到許多相互獨(dú)立隨機(jī)因素的影響，而每個(gè)個(gè)別因素的影響都不能起決定作用，那么就可斷定隨機(jī)變量服從或近似服從正態(tài)分布[12,13]。船模試驗(yàn)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如航速、舵角就受到操縱者的操縱習(xí)慣、精神狀態(tài)、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等多種因素影響，但這些因素又不能起決定性作用，因而我們可以認(rèn)為船模試驗(yàn)中的航速、舵角測(cè)試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

我們利用手中現(xiàn)有的船模試驗(yàn)成果，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)分布的假設(shè)檢驗(yàn)，受多種因素的制約，船模試驗(yàn)的測(cè)試一般進(jìn)行5～10次的重復(fù)試驗(yàn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)屬于小子樣情況，因而采用W檢驗(yàn)法[14]對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，具體步驟如下：

(a)假設(shè)總體服從正態(tài)分布H0；

(b)將船模測(cè)試數(shù)據(jù)按非降次序排列成

x1≤x2≤…≤xn

(c)按下列公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量

(2)

(d)根據(jù)給定的置信度α查統(tǒng)計(jì)量W的P分位數(shù)表可得到Wa；

(e)作統(tǒng)計(jì)假設(shè)判斷

W

W>Wa則接受H0；

我們對(duì)多組船模測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，均服從正態(tài)分布[11]，證明以前的判斷是正確的。

1.3 船模試驗(yàn)通航可靠度分析

船模試驗(yàn)通航可靠度是評(píng)價(jià)通航可靠性的量化指標(biāo)，即指船模在規(guī)定的試驗(yàn)條件和規(guī)定的試驗(yàn)航段上能順利通航的概率。在這里我們?nèi)圆捎迷谏厦嫣岬降尼槍?duì)急險(xiǎn)灘整治的船模試驗(yàn)兩個(gè)主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即(1)船模自航上灘的對(duì)岸最小航速不小于原型0.3m/s；(2)船模用舵最大舵角不大于25°。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下

vc-0.3≥0 且 θc-25°≤0

(3)

船模試驗(yàn)通航可靠度的評(píng)價(jià)體系分別由船模對(duì)岸最小航速評(píng)價(jià)單元和船模最大用舵舵角評(píng)價(jià)單元構(gòu)成，且任一單元評(píng)價(jià)失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)評(píng)價(jià)體系的失效，因而可以確定船模試驗(yàn)通航可靠度的評(píng)價(jià)體系是一個(gè)串聯(lián)體系[14，15，16]。船模對(duì)岸航速評(píng)價(jià)單元的可靠度設(shè)為pv,其物理含義為船模自航上灘的對(duì)岸最小航速大于等于原型0.3m/s出現(xiàn)的概率，由上面的分析可知船模自航上灘的對(duì)岸航速測(cè)試數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，則pv的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

其中fv(v)為船模自航上灘的對(duì)岸航速的概率密度函數(shù)。

同理可設(shè)船模用舵最大舵角評(píng)價(jià)單元可靠度為pθ，其物理含義為船模在試驗(yàn)過程中操舵的最大舵角不大于25°可能出現(xiàn)的概率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

其中fθ(θ)為船模的最大用舵舵角概率密度函數(shù)。

由于船模試驗(yàn)通航可靠度的評(píng)價(jià)體系是一個(gè)串聯(lián)體系，根據(jù)串聯(lián)體系可靠度的計(jì)算公式，則整個(gè)船模試驗(yàn)通航可靠度p=ps×pθ。

2 實(shí)例計(jì)算分析

在這里我們采用了一組長(zhǎng)江一處著名彎道——石牌彎道的船模試驗(yàn)資料，其試驗(yàn)船隊(duì)為2250HP六駁船隊(duì)，在流量Q=30000m3/s和流量Q=35000m3/s時(shí)，在相同的航段上進(jìn)行船模試驗(yàn)，其中在流量Q=30000m3/s工況下進(jìn)行了8次重復(fù)試驗(yàn)，在流量Q=35000m3/s時(shí)進(jìn)行了6次，其主要測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 船模試驗(yàn)測(cè)試主要數(shù)據(jù)(上行)

注：以上數(shù)據(jù)均換算為原型值，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理。

表2 船模試驗(yàn)通航可靠度計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可明確看出在Q=30000m3/s流量時(shí)彎道船舶上行的通航條件明顯好于Q=35000m3/s流量時(shí)的情況。

3 結(jié)論

本文將可靠度理論應(yīng)用于內(nèi)河航道通航條件的評(píng)價(jià)分析中，將船模航行的諸要素(對(duì)岸航速、舵角等)視為隨機(jī)變量，對(duì)船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波和概率分布規(guī)律研究，并用失效概率作為船舶通航的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究結(jié)果表明：采用船模對(duì)岸最小航速和船模最大用舵舵角作為內(nèi)河航道通航條件評(píng)價(jià)單元構(gòu)成的串聯(lián)體系可以得到量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可將內(nèi)河航道通航條件的評(píng)價(jià)由以往的定性判斷優(yōu)化為定量分析，更能較精確地揭示影響通航條件的相關(guān)因素之間的關(guān)系，更好地為航道整治、涉河建筑物布置等相關(guān)工程實(shí)踐和科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐。本文雖然從通航可靠度的角度給出了通航船模試驗(yàn)的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但仍有許多問題有待進(jìn)一步探討和研究：

1)內(nèi)河通航問題是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，受多種因素的制約與影響，文中采用的兩個(gè)判據(jù)是否包含了涉及通航問題的主要因素還值得進(jìn)一步深入研究。

2)文中對(duì)船模對(duì)岸最小航速和船模最大用舵舵角的可靠度進(jìn)行分別獨(dú)立的評(píng)價(jià)，這就假設(shè)了二者是相互獨(dú)立的，但在實(shí)際中，航速與舵角是有一定關(guān)聯(lián)的，這種關(guān)聯(lián)對(duì)結(jié)果的影響有多大也值得進(jìn)一步研究。

3)文中給出了可靠度評(píng)價(jià)方法，但未給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這需要大量的資料積累和實(shí)踐，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益來綜合考慮。

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Reliability evalution method for ship model test of inland river navigation

LI Xiaobiao，CAI Xinyong，WANG Yongchi

(1.Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016，China; 2.Southwest Research Institute for Water Transport Engineering,Chongqing 400016,China)

In order to evaluate inland waterway navigation conditions quantitatively,some components of a sailing ship model(speed,rudder angle,etc)are considered as random variables ,The model ships sailing index evaluation system is built based on the probability theory and reliability theory,and steps and methods to solve the reliability of inland waterway sailing ship are proposed ,Analysis results indicate that the evaluation method can evaluate quantitatively inland waterway navigation conditions effectively,and the evaluation result is more accurate and comprehensive than traditional methods，and it can provide scientific basis for engineering proposal.

reliability;evaluation;ship model test;navigation

1672-7010(2017)04-0080-05

2017-04-24

交通運(yùn)輸部西部科技項(xiàng)目資助(2011318350990)

李曉飚(1971-)，男，四川安岳人，碩士，副研究員，主要從事航道通航及水工量測(cè)技術(shù)，E-mail:1397769143@qq.com

U611

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