內(nèi)河通航船模試驗可靠度評價方法

李曉飚，蔡新永，汪擁赤

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

內(nèi)河通航船模試驗可靠度評價方法

李曉飚1，蔡新永2，汪擁赤1

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

為了對內(nèi)河航道通航條件進行量化評價，將船模航行的諸要素(對岸航速、舵角等)視為隨機變量，以概率論及可靠度相關理論為基礎，構(gòu)建船模航行指標評價體系，并提出內(nèi)河通航船模試驗可靠度求解步驟及方法，研究結(jié)果表明該評價方法可有效對內(nèi)河航道通航條件進行量化評價，其評價結(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依據(jù)。

可靠度；評價；船模試驗；通航

國內(nèi)有關內(nèi)河的航道、港口、通航建筑物等建設項目的規(guī)劃、可行性研究、設計等各階段的涉及通航方面研究，通常采用水工模型并結(jié)合自航船模試驗的方法加以研究。自航船模試驗技術是近幾十年逐漸發(fā)展起來集造船、精密機械、船舶流體力學、計算機測控、水工模擬技術等多學科的交叉技術并成為研究內(nèi)河通航問題不可或缺的重要技術手段[1-3]。然而作為一門較新的交叉技術,其試驗方法尚在不斷發(fā)展和完善之中，目前對于船模試驗的通航條件評價尚未有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，一般業(yè)內(nèi)較普遍采用根據(jù)研究對象的不同而選定不同船模航行指標(如最小對岸航速、最大舵角、最小對岸航速、漂角等)給定一個限值來作為評價依據(jù)的判別標準。如《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》(JTJ/T232-98)[4]規(guī)定“急灘、險灘整治工程船模航行試驗中船模自航上灘的對岸航速小于原型0.3 m/s時，應進行修改方案試驗?！?；重慶交通大學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[5]指出“無論上行進閘或下行出閘，在船模試驗的四種流量工況，其最大舵角遠低于船模試驗舵角安全限值(25°)，最小航速遠大于船模試驗最低航速安全限值(0.4m/s)”；長沙理工大學劉曉平教授在用船模試驗進行施工導流期的斜流效應研究時[3]指出“船舶航行試驗時,船舶的操舵角和航行漂角均需控制在某一范圍內(nèi),即船隊在口門區(qū)航行時,操舵角不應大于20°,航行漂角不應大于10°”等。以上評價方法給出了一個定值的判斷標準，是比較簡單有效的一個工程使用方法，但也存在以下問題：一、該定值判斷標準沒有充分考慮船模航行的諸要素(對岸航速、舵角等)的隨機性，而將其視為確定性常量，這將導致對航道通航條件的評價過于簡單和籠統(tǒng)，只能簡單地判定該通航條件能或不能滿足船舶通航要求，不能給出一個較為明確的通航條件優(yōu)劣程度的量化指標；二、在選擇船模航行的諸要素(對岸航速、舵角等)作為通航條件評價參數(shù)時沒有一個統(tǒng)一而明確的標準，隨意性太大，理論依據(jù)不強。

因此考慮從船模通航航行兩個主要判定指標(對岸航速、舵角)在船模通航試驗中的相關性研究出發(fā)，在船模試驗通航條件評價中引入可靠度方法[6-10]，將船模航行的主要航行要素(對岸航速、舵角等)視為隨機變量，并用可靠指標或失效概率作為船舶通航的評價標準，對內(nèi)河航道的通航條件進行量化的評價。

1 船模試驗通航可靠度分析

1.1 船模試驗數(shù)據(jù)的預處理

在船模試驗所獲得的原始數(shù)據(jù)中，有時會包含很強的干擾信號，使測量值發(fā)生突變，雖然這種強干擾信號出現(xiàn)的頻率并不高，但由于其值遠遠大于測量值，引起的測量誤差是十分明顯的，因而在數(shù)據(jù)處理時，首先應將其從測量數(shù)據(jù)中剔除，這樣就可采用預測的方法得到每一點的預測值，若實測值與預測值相差過大，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行遞推預測，其表達式如下

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

(1)

式中：u/(αi，βi)為測量值u(αi，βi)的預測值。

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

1.2 船模試驗數(shù)據(jù)的概率分布

經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)中的異常值剔除之后，我們認為測試數(shù)據(jù)是基本可靠的，可以對其進行統(tǒng)計分析，根據(jù)概率論的相關理論，只要某一隨機變量受到許多相互獨立隨機因素的影響，而每個個別因素的影響都不能起決定作用，那么就可斷定隨機變量服從或近似服從正態(tài)分布[12,13]。船模試驗的相關測試數(shù)據(jù)如航速、舵角就受到操縱者的操縱習慣、精神狀態(tài)、試驗現(xiàn)場環(huán)境等多種因素影響，但這些因素又不能起決定性作用，因而我們可以認為船模試驗中的航速、舵角測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

我們利用手中現(xiàn)有的船模試驗成果，對試驗測試數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布的假設檢驗，受多種因素的制約，船模試驗的測試一般進行5～10次的重復試驗，其測試數(shù)據(jù)屬于小子樣情況，因而采用W檢驗法[14]對其進行檢驗，具體步驟如下：

(a)假設總體服從正態(tài)分布H0；

(b)將船模測試數(shù)據(jù)按非降次序排列成

x1≤x2≤…≤xn

(c)按下列公式計算統(tǒng)計量

(2)

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

(e)作統(tǒng)計假設判斷

W

W>Wa則接受H0；

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

1.3 船模試驗通航可靠度分析

船模試驗通航可靠度是評價通航可靠性的量化指標，即指船模在規(guī)定的試驗條件和規(guī)定的試驗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彪U灘整治的船模試驗兩個主要評價標準，即(1)船模自航上灘的對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)學表達式表示如下

vc-0.3≥0 且 θc-25°≤0

(3)

船模試驗通航可靠度的評價體系分別由船模對岸最小航速評價單元和船模最大用舵舵角評價單元構(gòu)成，且任一單元評價失效就會導致整個評價體系的失效，因而可以確定船模試驗通航可靠度的評價體系是一個串聯(lián)體系[14，15，16]。船模對岸航速評價單元的可靠度設為pv,其物理含義為船模自航上灘的對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岸航速測試數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，則pv的數(shù)學表達式為：

(4)

其中fv(v)為船模自航上灘的對岸航速的概率密度函數(shù)。

同理可設船模用舵最大舵角評價單元可靠度為pθ，其物理含義為船模在試驗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)學表達式為：

(5)

其中fθ(θ)為船模的最大用舵舵角概率密度函數(shù)。

由于船模試驗通航可靠度的評價體系是一個串聯(lián)體系，根據(jù)串聯(lián)體系可靠度的計算公式，則整個船模試驗通航可靠度p=ps×pθ。

2 實例計算分析

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

表1 船模試驗測試主要數(shù)據(jù)(上行)

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

表2 船模試驗通航可靠度計算結(jié)果

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

3 結(jié)論

本文將可靠度理論應用于內(nèi)河航道通航條件的評價分析中，將船模航行的諸要素(對岸航速、舵角等)視為隨機變量，對船模試驗數(shù)據(jù)進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價標準，研究結(jié)果表明：采用船模對岸最小航速和船模最大用舵舵角作為內(nèi)河航道通航條件評價單元構(gòu)成的串聯(lián)體系可以得到量化評價標準，可將內(nèi)河航道通航條件的評價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因素之間的關系，更好地為航道整治、涉河建筑物布置等相關工程實踐和科學研究提供數(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的量化評價標準，但仍有許多問題有待進一步探討和研究：

1)內(nèi)河通航問題是一個比較復雜的問題，受多種因素的制約與影響，文中采用的兩個判據(jù)是否包含了涉及通航問題的主要因素還值得進一步深入研究。

2)文中對船模對岸最小航速和船模最大用舵舵角的可靠度進行分別獨立的評價，這就假設了二者是相互獨立的，但在實際中，航速與舵角是有一定關聯(lián)的，這種關聯(lián)對結(jié)果的影響有多大也值得進一步研究。

3)文中給出了可靠度評價方法，但未給出評價標準，這需要大量的資料積累和實踐，并結(jié)合經(jīng)濟效益和社會效益來綜合考慮。

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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

交通運輸部西部科技項目資助(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技術，E-mail:1397769143@qq.com

U611

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