内河通航船模试验可靠度评价方法

李晓飚，蔡新永，汪拥赤

(1.重庆交通大学，重庆，400074；2.重庆西南水运工程科学研究所，重庆，400016)

内河通航船模试验可靠度评价方法

李晓飚1，蔡新永2，汪拥赤1

(1.重庆交通大学，重庆，400074；2.重庆西南水运工程科学研究所，重庆，400016)

为了对内河航道通航条件进行量化评价，将船模航行的诸要素(对岸航速、舵角等)视为随机变量，以概率论及可靠度相关理论为基础，构建船模航行指标评价体系，并提出内河通航船模试验可靠度求解步骤及方法，研究结果表明该评价方法可有效对内河航道通航条件进行量化评价，其评价结果比传统方法更精确和全面,可为工程方案决策提供科学依据。

可靠度；评价；船模试验；通航

国内有关内河的航道、港口、通航建筑物等建设项目的规划、可行性研究、设计等各阶段的涉及通航方面研究，通常采用水工模型并结合自航船模试验的方法加以研究。自航船模试验技术是近几十年逐渐发展起来集造船、精密机械、船舶流体力学、计算机测控、水工模拟技术等多学科的交叉技术并成为研究内河通航问题不可或缺的重要技术手段[1-3]。然而作为一门较新的交叉技术,其试验方法尚在不断发展和完善之中，目前对于船模试验的通航条件评价尚未有统一的标准和规范，一般业内较普遍采用根据研究对象的不同而选定不同船模航行指标(如最小对岸航速、最大舵角、最小对岸航速、漂角等)给定一个限值来作为评价依据的判别标准。如《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》(JTJ/T232-98)[4]规定“急滩、险滩整治工程船模航行试验中船模自航上滩的对岸航速小于原型0.3 m/s时，应进行修改方案试验。”；重庆交通大学蔡汝哲研究员在采用自航船模研究吴家渡枢纽通航问题时[5]指出“无论上行进闸或下行出闸，在船模试验的四种流量工况，其最大舵角远低于船模试验舵角安全限值(25°)，最小航速远大于船模试验最低航速安全限值(0.4m/s)”；长沙理工大学刘晓平教授在用船模试验进行施工导流期的斜流效应研究时[3]指出“船舶航行试验时,船舶的操舵角和航行漂角均需控制在某一范围内,即船队在口门区航行时,操舵角不应大于20°,航行漂角不应大于10°”等。以上评价方法给出了一个定值的判断标准，是比较简单有效的一个工程使用方法，但也存在以下问题：一、该定值判断标准没有充分考虑船模航行的诸要素(对岸航速、舵角等)的随机性，而将其视为确定性常量，这将导致对航道通航条件的评价过于简单和笼统，只能简单地判定该通航条件能或不能满足船舶通航要求，不能给出一个较为明确的通航条件优劣程度的量化指标；二、在选择船模航行的诸要素(对岸航速、舵角等)作为通航条件评价参数时没有一个统一而明确的标准，随意性太大，理论依据不强。

因此考虑从船模通航航行两个主要判定指标(对岸航速、舵角)在船模通航试验中的相关性研究出发，在船模试验通航条件评价中引入可靠度方法[6-10]，将船模航行的主要航行要素(对岸航速、舵角等)视为随机变量，并用可靠指标或失效概率作为船舶通航的评价标准，对内河航道的通航条件进行量化的评价。

1 船模试验通航可靠度分析

1.1 船模试验数据的预处理

在船模试验所获得的原始数据中，有时会包含很强的干扰信号，使测量值发生突变，虽然这种强干扰信号出现的频率并不高，但由于其值远远大于测量值，引起的测量误差是十分明显的，因而在数据处理时，首先应将其从测量数据中剔除，这样就可采用预测的方法得到每一点的预测值，若实测值与预测值相差过大，则该值剔除，否则保留。在这里我们采用一阶差分的方法来进行递推预测，其表达式如下

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

(1)

式中：u/(αi，βi)为测量值u(αi，βi)的预测值。

为了判断测量的数据是否为干扰数据需设定一个最大误差限值e，当|u′(αi，βi)-u(αi，βi)|>e时，为干扰信号，应剔除，否则保留。e值的选取十分关键，过大则不易剔除干扰信号；过小则会造成正常测量数据的丢失。e值选取原则一般为不小于两相邻测量点可能的最大变化值[11]，在实践中可根据实测资料值的正常波动范围以及噪声的幅度来确定。

1.2 船模试验数据的概率分布

经过对测试数据中的异常值剔除之后，我们认为测试数据是基本可靠的，可以对其进行统计分析，根据概率论的相关理论，只要某一随机变量受到许多相互独立随机因素的影响，而每个个别因素的影响都不能起决定作用，那么就可断定随机变量服从或近似服从正态分布[12,13]。船模试验的相关测试数据如航速、舵角就受到操纵者的操纵习惯、精神状态、试验现场环境等多种因素影响，但这些因素又不能起决定性作用，因而我们可以认为船模试验中的航速、舵角测试数据服从正态分布。

我们利用手中现有的船模试验成果，对试验测试数据进行了正态分布的假设检验，受多种因素的制约，船模试验的测试一般进行5～10次的重复试验，其测试数据属于小子样情况，因而采用W检验法[14]对其进行检验，具体步骤如下：

(a)假设总体服从正态分布H0；

(b)将船模测试数据按非降次序排列成

x1≤x2≤…≤xn

(c)按下列公式计算统计量

(2)

(d)根据给定的置信度α查统计量W的P分位数表可得到Wa；

(e)作统计假设判断

W

W>Wa则接受H0；

我们对多组船模测试数据进行了检验，均服从正态分布[11]，证明以前的判断是正确的。

1.3 船模试验通航可靠度分析

船模试验通航可靠度是评价通航可靠性的量化指标，即指船模在规定的试验条件和规定的试验航段上能顺利通航的概率。在这里我们仍采用在上面提到的针对急险滩整治的船模试验两个主要评价标准，即(1)船模自航上滩的对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°。用数学表达式表示如下

vc-0.3≥0 且 θc-25°≤0

(3)

船模试验通航可靠度的评价体系分别由船模对岸最小航速评价单元和船模最大用舵舵角评价单元构成，且任一单元评价失效就会导致整个评价体系的失效，因而可以确定船模试验通航可靠度的评价体系是一个串联体系[14，15，16]。船模对岸航速评价单元的可靠度设为pv,其物理含义为船模自航上滩的对岸最小航速大于等于原型0.3m/s出现的概率，由上面的分析可知船模自航上滩的对岸航速测试数据为正态分布，则pv的数学表达式为：

(4)

其中fv(v)为船模自航上滩的对岸航速的概率密度函数。

同理可设船模用舵最大舵角评价单元可靠度为pθ，其物理含义为船模在试验过程中操舵的最大舵角不大于25°可能出现的概率，其数学表达式为：

(5)

其中fθ(θ)为船模的最大用舵舵角概率密度函数。

由于船模试验通航可靠度的评价体系是一个串联体系，根据串联体系可靠度的计算公式，则整个船模试验通航可靠度p=ps×pθ。

2 实例计算分析

在这里我们采用了一组长江一处著名弯道——石牌弯道的船模试验资料，其试验船队为2250HP六驳船队，在流量Q=30000m3/s和流量Q=35000m3/s时，在相同的航段上进行船模试验，其中在流量Q=30000m3/s工况下进行了8次重复试验，在流量Q=35000m3/s时进行了6次，其主要测试数据见表1。

表1 船模试验测试主要数据(上行)

注：以上数据均换算为原型值，并进行了数据预处理。

表2 船模试验通航可靠度计算结果

从计算结果可明确看出在Q=30000m3/s流量时弯道船舶上行的通航条件明显好于Q=35000m3/s流量时的情况。

3 结论

本文将可靠度理论应用于内河航道通航条件的评价分析中，将船模航行的诸要素(对岸航速、舵角等)视为随机变量，对船模试验数据进行了滤波和概率分布规律研究，并用失效概率作为船舶通航的量化评价标准，研究结果表明：采用船模对岸最小航速和船模最大用舵舵角作为内河航道通航条件评价单元构成的串联体系可以得到量化评价标准，可将内河航道通航条件的评价由以往的定性判断优化为定量分析，更能较精确地揭示影响通航条件的相关因素之间的关系，更好地为航道整治、涉河建筑物布置等相关工程实践和科学研究提供数据支撑。本文虽然从通航可靠度的角度给出了通航船模试验的量化评价标准，但仍有许多问题有待进一步探讨和研究：

1)内河通航问题是一个比较复杂的问题，受多种因素的制约与影响，文中采用的两个判据是否包含了涉及通航问题的主要因素还值得进一步深入研究。

2)文中对船模对岸最小航速和船模最大用舵舵角的可靠度进行分别独立的评价，这就假设了二者是相互独立的，但在实际中，航速与舵角是有一定关联的，这种关联对结果的影响有多大也值得进一步研究。

3)文中给出了可靠度评价方法，但未给出评价标准，这需要大量的资料积累和实践，并结合经济效益和社会效益来综合考虑。

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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

交通运输部西部科技项目资助(2011318350990)

李晓飚(1971-)，男，四川安岳人，硕士，副研究员，主要从事航道通航及水工量测技术，E-mail:1397769143@qq.com

U611

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