基于時(shí)空關(guān)聯(lián)的京杭運(yùn)河蘇北段通行狀態(tài)研究

耿艷芬 郭華強(qiáng) 劉 轟 郭夢(mèng)雅

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 南京 210014)

近年來(lái)我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)不斷發(fā)展,船舶數(shù)量增多導(dǎo)致內(nèi)河航道擁堵,影響運(yùn)輸效率[1].航道通行狀態(tài)評(píng)定及影響因素分析是提升航道服務(wù)水平的關(guān)鍵[2].目前道路交通狀態(tài)的評(píng)價(jià)研究經(jīng)歷了從人工判別到自動(dòng)判別、單指標(biāo)至多指標(biāo)的發(fā)展歷程,相對(duì)成熟[3].航運(yùn)領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚,以航道通行能力改善為重點(diǎn)[4].航道交通狀態(tài)兼具時(shí)效性與系統(tǒng)性,體現(xiàn)綜合要素影響下通行狀態(tài)的特征[5].早期學(xué)者多采用單因素指標(biāo)判斷通行狀態(tài),不同指標(biāo)的結(jié)果導(dǎo)向差異較大[6-7],后來(lái)普遍采用模糊理論結(jié)合多因素法判別交通狀態(tài)[8].航道通行狀態(tài)是研究交通流規(guī)律的基礎(chǔ),同時(shí)交通單因素特征是評(píng)價(jià)通行狀態(tài)的核心要素[9].前人主要以交通流量、速度、密度間的動(dòng)態(tài)關(guān)系評(píng)價(jià)航道通行狀態(tài),以船閘調(diào)度信息作為評(píng)價(jià)依據(jù)[10].航道通行狀態(tài)反映船岸關(guān)聯(lián)性,本質(zhì)是交通流與航道基礎(chǔ)設(shè)施間的動(dòng)態(tài)平衡[11].日本明石海峽的船舶交通系統(tǒng)以船舶交通流、航線軌跡、港口基礎(chǔ)設(shè)施等因素研究船舶航行規(guī)律[12];Silveira等[13]利用船舶航線參數(shù)分析葡萄牙沿海的船舶交通模式,評(píng)估不同航線的重要性;Meng等[14]對(duì)新加坡海峽不同區(qū)域的船舶類型及行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究,獲得船舶通行規(guī)律.

本文基于交通流時(shí)空關(guān)聯(lián)特性與模糊理論,對(duì)京杭運(yùn)河蘇北段典型斷面的通行狀態(tài)展開(kāi)研究.以航道交通流與基礎(chǔ)設(shè)施作為通行狀態(tài)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),通行流量、通行效率、待閘時(shí)間、待閘流量作為交通流二級(jí)因素,航道深度與航道寬度作為基礎(chǔ)設(shè)施二級(jí)因素.分析交通流二級(jí)因素的時(shí)空分布特征,構(gòu)建航道通行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型,獲取京杭運(yùn)河蘇北段分區(qū)通行狀態(tài),對(duì)京杭運(yùn)河船舶運(yùn)輸管理、航道基礎(chǔ)設(shè)施的提升改善提供理論支撐.

1 研究方法與研究區(qū)域概況

1.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

航道通行狀態(tài)受交通流、基礎(chǔ)設(shè)施、水文等因素影響,評(píng)價(jià)指標(biāo)多為定性指標(biāo),造成結(jié)果模糊,適合用模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià).模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)構(gòu)建模糊子集、選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)及利用模糊變換原理綜合反映各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)度[15].

本文采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判,基于一級(jí)模糊評(píng)判,設(shè)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的單因素評(píng)價(jià)矩陣為

(1)

式中,Ri為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的所屬各評(píng)語(yǔ)集隸屬程度;rij為評(píng)價(jià)因素xi在評(píng)語(yǔ)集yj上的特性指標(biāo),即隸屬度,rij∈[0,1].則第i個(gè)因素的模糊綜合評(píng)價(jià)為

{bi1,bi2,…,bij}

(2)

式中,Bi為單因素模糊評(píng)判結(jié)果;Ai為因素權(quán)重;元素ain為第i個(gè)因素第n個(gè)子因素的權(quán)重;bij為第i個(gè)因素第j個(gè)子因素的評(píng)價(jià)結(jié)果.

二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)單因素評(píng)判矩陣為一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣,即

(3)

式中,s為模糊評(píng)判結(jié)果的第s項(xiàng).

二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)為

(4)

式中,B為二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的最終結(jié)果;A為影響因素相對(duì)評(píng)判結(jié)果的權(quán)重;bj為各因素的評(píng)判結(jié)果.

1.2 研究區(qū)域概況

京杭運(yùn)河蘇北段是我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)主通道,連接長(zhǎng)江水道.施橋至解臺(tái)船閘是京杭運(yùn)河通航河段中等級(jí)最高且經(jīng)濟(jì)效益最好的綜合性航道[16].自南至北共設(shè)10個(gè)船閘梯級(jí)斷面,將京杭運(yùn)河蘇北段共分為9個(gè)航段,從南至北分別為施橋-邵伯船閘(Ⅰ)、邵伯-淮安船閘(Ⅱ)、淮安-淮陰船閘(Ⅲ)、淮陰-泗陽(yáng)船閘(Ⅳ)、泗陽(yáng)-劉老澗船閘(Ⅴ)、劉老澗-宿遷船閘(Ⅵ)、宿遷-皂河船閘(Ⅶ)、皂河-劉山船閘(Ⅷ)、劉山-解臺(tái)船閘(Ⅸ),空間分布如圖1所示.

圖1 船閘空間分布圖

2 單因素時(shí)空分析

本文以交通流與航道基礎(chǔ)條件作為一級(jí)因素,通行流量、通行效率、待閘時(shí)間、待閘流量作為交通流二級(jí)因素,航道深度、航道寬度作為航道基礎(chǔ)條件的二級(jí)因素,構(gòu)建評(píng)價(jià)模型.

2.1 通行流量

2.1.1 時(shí)間與空間分布特征

以2019-11至2020-10京杭運(yùn)河蘇北段數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從各船閘連續(xù)12個(gè)月通行流量可見(jiàn),蘇北運(yùn)河通行流量從北至南遞增,航道通行壓力增大,通行狀態(tài)從暢通向飽和過(guò)渡.通行流量時(shí)間呈穩(wěn)定震蕩分布,春夏季及年末是貨運(yùn)貿(mào)易繁忙期,通行流量出現(xiàn)峰值,各船閘存在3.3%～28.6%的流量提升(以邵伯船閘為流量極值).在2月國(guó)家節(jié)假日期間存在斷點(diǎn)式下降,下降幅度為19.4%.時(shí)空關(guān)聯(lián)特征分布圖如圖2和圖3所示.

圖2 通行流量逐月變化圖

圖3 各船閘月平均通行流量空間分布

2.1.2 空間區(qū)域相似性

區(qū)域相似性指不同空間區(qū)域內(nèi)基本要素(如交通流等)的數(shù)量及分布呈現(xiàn)相似性特征.本文以歐氏距離相似度為基礎(chǔ)提出交通區(qū)域相似性系數(shù)α,即

(5)

式中,xm、ym分別為通航流量與貨運(yùn)量在不同時(shí)間m時(shí)的數(shù)量值;M為特征類內(nèi)容數(shù)量;α值計(jì)算結(jié)果在0～0.5閾值內(nèi)浮動(dòng),一般α值越小,相似度越高.

根據(jù)相似性系數(shù)分析,京杭運(yùn)河蘇北段整體存在區(qū)域相似性規(guī)律,從北至南將空間分為3個(gè)區(qū)塊:區(qū)塊1(解臺(tái)船閘-宿遷船閘)、區(qū)塊2(劉老澗船閘-淮陰船閘)、區(qū)塊3(淮安船閘-施橋船閘).由圖3可見(jiàn),各區(qū)塊通行流量增加.各相鄰船閘之間相似系數(shù)如表1所示,其中邵伯船閘與施橋船閘具有強(qiáng)相關(guān)性,α值均在0.01上下浮動(dòng).

表1 相鄰船閘貨運(yùn)通行相似性系數(shù)

2.2 通行效率

通行效率是交通流關(guān)鍵因素,根據(jù)船舶通行時(shí)間、航道里程及交通流量計(jì)算可得

(6)

(7)

(8)

式中,Ef為航段f的通行效率;Δtf為航段f的船舶通行時(shí)間,h;Δtfg為船閘斷面f至g航段平均船舶通行時(shí)間,h;Lf為航段f總里程,km;tfk、tgk分別為船舶k在船閘斷面f與g的調(diào)度時(shí)刻;Δtwk為船舶k待閘時(shí)間,h;Δtpk為船舶k過(guò)閘時(shí)間,h;K為研究時(shí)間內(nèi)航段通行總船舶數(shù);E0為全航段平均通行效率;Δt0為全航段船舶通行平均時(shí)間,h;L為全航段總里程,km.

時(shí)間尺度上,冬季船舶航行效率遠(yuǎn)低于春夏季,降低5.6%～22.3%.船舶性質(zhì)上,船隊(duì)運(yùn)輸效率略高于單船.如圖4所示,水平橫線為整體航段上通航效率的中位數(shù),表示通航臨界狀態(tài),高于通航效率中位數(shù)即為飽和狀態(tài),否則為暢通狀態(tài).從空間尺度上,通行效率分布與交通流區(qū)塊劃分一致,從北至南航道整體呈暢通向飽和狀態(tài)發(fā)展,施橋船閘相比解臺(tái)船閘通行效率增大3～6倍.不同航向通行效率有明顯差異,上行航向在航段Ⅰ多為飽和狀態(tài),其他航段多為暢通或臨界狀態(tài).下行航向相比上行航向,處于飽和狀態(tài)的空間區(qū)域更多,航段Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ大多時(shí)段為飽和狀態(tài).

(a) 單船上行

2.3 待閘情況

蘇北運(yùn)河各典型斷面的待閘時(shí)間與待閘流量在空間分布上存在差異.區(qū)塊3的船閘待閘時(shí)間與待閘流量遠(yuǎn)大于區(qū)塊1和區(qū)塊2.施橋、淮安船閘平均待閘時(shí)間為58.1 h;邵伯船閘平均待閘時(shí)間為27.5 h.區(qū)塊1和區(qū)塊2船閘待閘時(shí)間平均為3.4 h.從時(shí)間角度,各典型斷面待閘時(shí)間與待閘流量均在2月發(fā)生突變,待閘流量最小,待閘時(shí)間最短;全年5月和年末待閘流量較大,待閘時(shí)間長(zhǎng),易引起擁堵現(xiàn)象.原因在于:① 船閘流量大使待閘時(shí)間與待閘流量增加.② 2月時(shí)值春節(jié),通行流量下降,待閘時(shí)間與待閘流量下降;5月和12月通貨貿(mào)易繁忙,通行流量增加,待閘時(shí)間與待閘流量增加.

逐月待閘時(shí)間變化如圖5所示,逐月待閘流量變化如圖6所示.各船閘待閘信息區(qū)域分布如圖7所示.

圖5 逐月待閘時(shí)間

圖6 逐月待閘流量

圖7 各船閘待閘信息時(shí)空分布

3 通行狀態(tài)評(píng)價(jià)

根據(jù)京杭運(yùn)河蘇北段交通流單因素時(shí)空分析,航道通行流量、通行效率、待閘時(shí)間和待閘流量均具有空間相似性與時(shí)間變化規(guī)律,結(jié)果存在差異.因此,以單因素分析為基礎(chǔ),構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型,評(píng)估航道通行狀態(tài),綜合評(píng)價(jià)模型如圖8所示.

圖8 二級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型

3.1 權(quán)重與評(píng)語(yǔ)集

本文采用權(quán)重交叉組合方式計(jì)算交通狀態(tài)的最終結(jié)果.第1層級(jí)指標(biāo)權(quán)重與第2層級(jí)交通流指標(biāo)、基礎(chǔ)條件指標(biāo)權(quán)重向量分別為ω、ω1、ω2,采用權(quán)重交叉系數(shù)法進(jìn)行權(quán)重的排列組合,各權(quán)重在0～0.7范圍內(nèi)依次取值計(jì)算,所有權(quán)重組合通過(guò)一致性檢驗(yàn),判斷矩陣的不一致程度均可接受.

參考道路交通通行狀態(tài)分級(jí)方法[17],將航道交通通行能力分為4級(jí),評(píng)語(yǔ)集Y={非常暢通,暢通,飽和,超飽和},如表2所示.

表2 航道交通通行能力評(píng)語(yǔ)集

3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)

本文利用交通可靠度原理,以各單因素累計(jì)頻率分布的15%、50%、85%分位判斷航道整體通行狀態(tài).累計(jì)頻率分布如圖9所示,等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示.參考《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》確定航道基礎(chǔ)因素評(píng)價(jià)等級(jí)體系,如表4所示.

表3 交通流評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 航道基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.3 隸屬函數(shù)

本文采用半梯形法確定評(píng)價(jià)因素相對(duì)各評(píng)語(yǔ)的隸屬函數(shù),二級(jí)評(píng)價(jià)因素的隸屬函數(shù)分別如下:

通行流量隸屬函數(shù)

(9)

通行效率隸屬函數(shù)

(10)

待閘時(shí)間隸屬函數(shù)

(a) 通行流量

(11)

待閘流量隸屬函數(shù)

(12)

航道深度隸屬函數(shù)

(13)

航道寬度隸屬函數(shù)

(14)

式中,Q為通行流量隸屬函數(shù);q為通行流量,艘;E為通行效率隸屬函數(shù);e為通行效率,h/km;T為待閘時(shí)間隸屬函數(shù);t為待閘時(shí)間,h;C為待閘流量隸屬函數(shù);c為待閘流量,艘;H為航道深度隸屬函數(shù);h為航道深度,m;W為航道寬度隸屬函數(shù);w為航道寬度,m.

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用權(quán)重-隸屬度矩陣計(jì)算,得各航道斷面通行狀態(tài)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B,根據(jù)最大隸屬度原則可知,2020年施橋—淮安段交通超飽和,通行效率低,船閘斷面待閘時(shí)間長(zhǎng),待閘數(shù)量大,航道擁堵頻繁.航段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ總體呈交通飽和,交通承載力達(dá)臨界值.航段Ⅸ相對(duì)通暢,船舶通行狀態(tài)良好.評(píng)價(jià)結(jié)果與通行流量、通行效率的區(qū)域性分布一致,整體呈現(xiàn)從北至南3個(gè)區(qū)塊分布,說(shuō)明通行流量與通行效率是分析航道通行狀態(tài)的關(guān)鍵因素,在制定決策時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注.評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示.

表5 各典型斷面航道交通通行狀態(tài)評(píng)價(jià)

因此,京杭運(yùn)河蘇北段航道交通總體處于飽和狀態(tài),水上交通監(jiān)管部門可依此評(píng)價(jià)模型預(yù)判航道擁堵區(qū)域,及時(shí)管控疏導(dǎo)航道交通擁堵,提升航道通航效率.

4 結(jié)論

1) 空間尺度上,京杭運(yùn)河蘇北段具有明顯區(qū)域相似性.根據(jù)交通流量相似性系數(shù)可劃分為3個(gè)區(qū)塊,從北至南通行流量逐漸增加.

2) 時(shí)間尺度上,航道通行流量、通行效率、待閘時(shí)間和待閘流量具有一致的時(shí)間演變規(guī)律.2月通行流量大幅減少后通行狀態(tài)改善,夏季航道通行壓力增大,基本呈平穩(wěn)震蕩變化態(tài)勢(shì).

3) 基于交通流單因素時(shí)空關(guān)聯(lián)分析,建立多因素綜合評(píng)判指標(biāo)體系,采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法,定性、定量相結(jié)合評(píng)判京杭運(yùn)河蘇北段交通通行狀態(tài).通行狀態(tài)分布與通行流量、通行效率的空間分布相一致.研究方法與結(jié)論可為其他航道交通狀態(tài)判別提供理論支撐.