基于时空关联的京杭运河苏北段通行状态研究

耿艳芬 郭华强 刘 轰 郭梦雅

(东南大学交通学院, 南京 211189)(华设设计集团股份有限公司, 南京 210014)

近年来我国内河航运不断发展,船舶数量增多导致内河航道拥堵,影响运输效率[1].航道通行状态评定及影响因素分析是提升航道服务水平的关键[2].目前道路交通状态的评价研究经历了从人工判别到自动判别、单指标至多指标的发展历程,相对成熟[3].航运领域的研究相对较晚,以航道通行能力改善为重点[4].航道交通状态兼具时效性与系统性,体现综合要素影响下通行状态的特征[5].早期学者多采用单因素指标判断通行状态,不同指标的结果导向差异较大[6-7],后来普遍采用模糊理论结合多因素法判别交通状态[8].航道通行状态是研究交通流规律的基础,同时交通单因素特征是评价通行状态的核心要素[9].前人主要以交通流量、速度、密度间的动态关系评价航道通行状态,以船闸调度信息作为评价依据[10].航道通行状态反映船岸关联性,本质是交通流与航道基础设施间的动态平衡[11].日本明石海峡的船舶交通系统以船舶交通流、航线轨迹、港口基础设施等因素研究船舶航行规律[12];Silveira等[13]利用船舶航线参数分析葡萄牙沿海的船舶交通模式,评估不同航线的重要性;Meng等[14]对新加坡海峡不同区域的船舶类型及行为进行了系统研究,获得船舶通行规律.

本文基于交通流时空关联特性与模糊理论,对京杭运河苏北段典型断面的通行状态展开研究.以航道交通流与基础设施作为通行状态一级评价指标,通行流量、通行效率、待闸时间、待闸流量作为交通流二级因素,航道深度与航道宽度作为基础设施二级因素.分析交通流二级因素的时空分布特征,构建航道通行状态综合评价模型,获取京杭运河苏北段分区通行状态,对京杭运河船舶运输管理、航道基础设施的提升改善提供理论支撑.

1 研究方法与研究区域概况

1.1 模糊综合评价法

航道通行状态受交通流、基础设施、水文等因素影响,评价指标多为定性指标,造成结果模糊,适合用模糊数学法评价.模糊综合评价法通过构建模糊子集、选择评价指标隶属度函数及利用模糊变换原理综合反映各指标风险度[15].

本文采用二级模糊综合评判,基于一级模糊评判,设一级模糊综合评价的单因素评价矩阵为

(1)

式中,Ri为一级评价指标对应的所属各评语集隶属程度;rij为评价因素xi在评语集yj上的特性指标,即隶属度,rij∈[0,1].则第i个因素的模糊综合评价为

{bi1,bi2,…,bij}

(2)

式中,Bi为单因素模糊评判结果;Ai为因素权重;元素ain为第i个因素第n个子因素的权重;bij为第i个因素第j个子因素的评价结果.

二级模糊综合评价单因素评判矩阵为一级模糊综合评价矩阵,即

(3)

式中,s为模糊评判结果的第s项.

二级模糊综合评价为

(4)

式中,B为二级模糊综合评价的最终结果;A为影响因素相对评判结果的权重;bj为各因素的评判结果.

1.2 研究区域概况

京杭运河苏北段是我国内河水运主通道,连接长江水道.施桥至解台船闸是京杭运河通航河段中等级最高且经济效益最好的综合性航道[16].自南至北共设10个船闸梯级断面,将京杭运河苏北段共分为9个航段,从南至北分别为施桥-邵伯船闸(Ⅰ)、邵伯-淮安船闸(Ⅱ)、淮安-淮阴船闸(Ⅲ)、淮阴-泗阳船闸(Ⅳ)、泗阳-刘老涧船闸(Ⅴ)、刘老涧-宿迁船闸(Ⅵ)、宿迁-皂河船闸(Ⅶ)、皂河-刘山船闸(Ⅷ)、刘山-解台船闸(Ⅸ),空间分布如图1所示.

图1 船闸空间分布图

2 单因素时空分析

本文以交通流与航道基础条件作为一级因素,通行流量、通行效率、待闸时间、待闸流量作为交通流二级因素,航道深度、航道宽度作为航道基础条件的二级因素,构建评价模型.

2.1 通行流量

2.1.1 时间与空间分布特征

以2019-11至2020-10京杭运河苏北段数据为基础,从各船闸连续12个月通行流量可见,苏北运河通行流量从北至南递增,航道通行压力增大,通行状态从畅通向饱和过渡.通行流量时间呈稳定震荡分布,春夏季及年末是货运贸易繁忙期,通行流量出现峰值,各船闸存在3.3%～28.6%的流量提升(以邵伯船闸为流量极值).在2月国家节假日期间存在断点式下降,下降幅度为19.4%.时空关联特征分布图如图2和图3所示.

图2 通行流量逐月变化图

图3 各船闸月平均通行流量空间分布

2.1.2 空间区域相似性

区域相似性指不同空间区域内基本要素(如交通流等)的数量及分布呈现相似性特征.本文以欧氏距离相似度为基础提出交通区域相似性系数α,即

(5)

式中,xm、ym分别为通航流量与货运量在不同时间m时的数量值;M为特征类内容数量;α值计算结果在0～0.5阈值内浮动,一般α值越小,相似度越高.

根据相似性系数分析,京杭运河苏北段整体存在区域相似性规律,从北至南将空间分为3个区块:区块1(解台船闸-宿迁船闸)、区块2(刘老涧船闸-淮阴船闸)、区块3(淮安船闸-施桥船闸).由图3可见,各区块通行流量增加.各相邻船闸之间相似系数如表1所示,其中邵伯船闸与施桥船闸具有强相关性,α值均在0.01上下浮动.

表1 相邻船闸货运通行相似性系数

2.2 通行效率

通行效率是交通流关键因素,根据船舶通行时间、航道里程及交通流量计算可得

(6)

(7)

(8)

式中,Ef为航段f的通行效率;Δtf为航段f的船舶通行时间,h;Δtfg为船闸断面f至g航段平均船舶通行时间,h;Lf为航段f总里程,km;tfk、tgk分别为船舶k在船闸断面f与g的调度时刻;Δtwk为船舶k待闸时间,h;Δtpk为船舶k过闸时间,h;K为研究时间内航段通行总船舶数;E0为全航段平均通行效率;Δt0为全航段船舶通行平均时间,h;L为全航段总里程,km.

时间尺度上,冬季船舶航行效率远低于春夏季,降低5.6%～22.3%.船舶性质上,船队运输效率略高于单船.如图4所示,水平横线为整体航段上通航效率的中位数,表示通航临界状态,高于通航效率中位数即为饱和状态,否则为畅通状态.从空间尺度上,通行效率分布与交通流区块划分一致,从北至南航道整体呈畅通向饱和状态发展,施桥船闸相比解台船闸通行效率增大3～6倍.不同航向通行效率有明显差异,上行航向在航段Ⅰ多为饱和状态,其他航段多为畅通或临界状态.下行航向相比上行航向,处于饱和状态的空间区域更多,航段Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ大多时段为饱和状态.

(a) 单船上行

2.3 待闸情况

苏北运河各典型断面的待闸时间与待闸流量在空间分布上存在差异.区块3的船闸待闸时间与待闸流量远大于区块1和区块2.施桥、淮安船闸平均待闸时间为58.1 h;邵伯船闸平均待闸时间为27.5 h.区块1和区块2船闸待闸时间平均为3.4 h.从时间角度,各典型断面待闸时间与待闸流量均在2月发生突变,待闸流量最小,待闸时间最短;全年5月和年末待闸流量较大,待闸时间长,易引起拥堵现象.原因在于:① 船闸流量大使待闸时间与待闸流量增加.② 2月时值春节,通行流量下降,待闸时间与待闸流量下降;5月和12月通货贸易繁忙,通行流量增加,待闸时间与待闸流量增加.

逐月待闸时间变化如图5所示,逐月待闸流量变化如图6所示.各船闸待闸信息区域分布如图7所示.

图5 逐月待闸时间

图6 逐月待闸流量

图7 各船闸待闸信息时空分布

3 通行状态评价

根据京杭运河苏北段交通流单因素时空分析,航道通行流量、通行效率、待闸时间和待闸流量均具有空间相似性与时间变化规律,结果存在差异.因此,以单因素分析为基础,构建模糊综合评价模型,评估航道通行状态,综合评价模型如图8所示.

图8 二级综合评价模型

3.1 权重与评语集

本文采用权重交叉组合方式计算交通状态的最终结果.第1层级指标权重与第2层级交通流指标、基础条件指标权重向量分别为ω、ω1、ω2,采用权重交叉系数法进行权重的排列组合,各权重在0～0.7范围内依次取值计算,所有权重组合通过一致性检验,判断矩阵的不一致程度均可接受.

参考道路交通通行状态分级方法[17],将航道交通通行能力分为4级,评语集Y={非常畅通,畅通,饱和,超饱和},如表2所示.

表2 航道交通通行能力评语集

3.2 评价等级

本文利用交通可靠度原理,以各单因素累计频率分布的15%、50%、85%分位判断航道整体通行状态.累计频率分布如图9所示,等级标准如表3所示.参考《内河通航标准》确定航道基础因素评价等级体系,如表4所示.

表3 交通流评价等级标准

表4 航道基础设施评价指标体系

3.3 隶属函数

本文采用半梯形法确定评价因素相对各评语的隶属函数,二级评价因素的隶属函数分别如下:

通行流量隶属函数

(9)

通行效率隶属函数

(10)

待闸时间隶属函数

(a) 通行流量

(11)

待闸流量隶属函数

(12)

航道深度隶属函数

(13)

航道宽度隶属函数

(14)

式中,Q为通行流量隶属函数;q为通行流量,艘;E为通行效率隶属函数;e为通行效率,h/km;T为待闸时间隶属函数;t为待闸时间,h;C为待闸流量隶属函数;c为待闸流量,艘;H为航道深度隶属函数;h为航道深度,m;W为航道宽度隶属函数;w为航道宽度,m.

3.4 评价结果

采用权重-隶属度矩阵计算,得各航道断面通行状态模糊综合评价结果B,根据最大隶属度原则可知,2020年施桥—淮安段交通超饱和,通行效率低,船闸断面待闸时间长,待闸数量大,航道拥堵频繁.航段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ总体呈交通饱和,交通承载力达临界值.航段Ⅸ相对通畅,船舶通行状态良好.评价结果与通行流量、通行效率的区域性分布一致,整体呈现从北至南3个区块分布,说明通行流量与通行效率是分析航道通行状态的关键因素,在制定决策时需重点关注.评价结果如表5所示.

表5 各典型断面航道交通通行状态评价

因此,京杭运河苏北段航道交通总体处于饱和状态,水上交通监管部门可依此评价模型预判航道拥堵区域,及时管控疏导航道交通拥堵,提升航道通航效率.

4 结论

1) 空间尺度上,京杭运河苏北段具有明显区域相似性.根据交通流量相似性系数可划分为3个区块,从北至南通行流量逐渐增加.

2) 时间尺度上,航道通行流量、通行效率、待闸时间和待闸流量具有一致的时间演变规律.2月通行流量大幅减少后通行状态改善,夏季航道通行压力增大,基本呈平稳震荡变化态势.

3) 基于交通流单因素时空关联分析,建立多因素综合评判指标体系,采用二级模糊综合评价法,定性、定量相结合评判京杭运河苏北段交通通行状态.通行状态分布与通行流量、通行效率的空间分布相一致.研究方法与结论可为其他航道交通状态判别提供理论支撑.