高原库区高速公路施工船舶辅助运输船型尺度研究

李慧赞

摘 要：青海省循隆高速途经黄河上游公伯峡库区生态水源保护区，由于高原库区沿线地形、工程地质、水文条件比较复杂，无道路通行，高速公路在施工过程中，传统施工便道对库区生态环境产生毁灭性破坏，采用船舶辅助高速公路施工物资运输可以有效避免施工便道开挖，防止库区生态环境恶化。为了提高循隆高速公路施工物资船舶运输效率，控制运输经济成本，需要选择适合于公伯峡库区水域环境的优化船型。本文采用层次分析法建立综合评价指标体系对研究船型的可行方案进行决策。通过对高原库区高速公路施工物资运输船型进行实证分析，得到了适用于高原库区高速公路施工物资运输的合理船型尺度，为高原库区高速公路施工物资运输新模式选择具有参考借鉴价值。

关键词：高原库区;公路施工;船型尺度;层次分析法;综合评价

中图分类号：U615.35            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）01-0033-05

青海省循隆高速公路地处高原，地形复杂，其中公伯峡库区路段路线位于库区右岸悬崖峭壁之上，项目建设区域内无可通行道路，解决施工过程中需进场的施工机械和设备、建设物资等运输问题是确保工程顺利施工的先决条件。对于施工机械设备和建设物资运输，如果采用传统的施工便道的方式，一方面会对公伯峡水库饮用水源生态环境产生不可逆的破坏，不符合国家提出的绿色高速公路建设要求，另一方面在地形复杂、环保要求高的高原地区修建长距离施工便道成本巨大。经过多方论证，项目建设方在国内首创采用船舶运输的方式代替修建施工便道进行施工物资运输，既能免除大量长距离施工便道的建设，又能降低对环境和水体的破坏。但是对公伯峡库区特殊水文条件和气候条件下船舶运输的船型选择和评价是一大难题，没有可借鉴的经验，目前我国对于船型的选择和优化评价，主要是对于内河干线船型，关于高原库区适用于高速公路施工物资运输的船型优化评价比较缺乏[1][2][3]。

1 施工物资运输船型方案设立

1.1船舶类型的确定

循隆高速公路公伯峡库区段施工区域属于高原地区且为黄河区间运输河段，上、下游目前尚未全线通航，服务于施工物资运输的船舶采取就地建造，施工结束后需就地拆解，因此，船舶结构形式应简单，建造工艺不应过于复杂。为了公路施工建设期间最大程度减少施工队环境和水体的破坏，同时满足施工期输建造物资及供施工人员往来的使用需求，船型的选择应从施工区的航道和码头条件以及船舶运输需求两方面考虑。

1.1.1航道和码头条件

黄河公伯峡库区航道属于内河VI级，B级航区，根据《内河通航标准》（GB159-2014）中航道尺寸和船舶的匹配关系，该航段允许通行的船舶总长不得超过60m，总宽不得超过15m，船舶吃水不得超过1.0m。同时，《内河通航标准》中代表驳船尺寸为：32.0×7.0×1.0（总长×型宽×设计吃水）;货船尺寸为45.0×5.5×1.0（总长×型宽×设计吃水）。

施工航段内有5个码头， 码头设计最高水位为2006m，设计最低水位2002m，码头前沿长度为21.0m。其中l#～4#码头前沿水域较为开阔，进港航道条件量良好，停泊宽度足够，5#码头作为港湾内码头，主航道至港湾码头前沿水域宽带约在120m左右。由此可见，5个码头的进港条件较好，满足一般工程运输船舶的使用，但5个码头均为斜坡简易码头，码头上无任何起吊货物的设施设备，因此，从现有码头条件看，简易滚裝驳船较适宜使用。

1.1.2船舶使用需求

现场施工船舶是主要用于循隆高速公路施工物资运输和人员接送，用完后需要拆解，所以，船舶应满足机动灵活、使用方便和建造简单的基本需求。同时，施工项目位于黄河库区，其水源防污染保护至关重要。库区运输船舶尽管结构形式简单，但其配备的防污染设备设施应满足相关内河船舶法规要求和规定，施工区域地方海事局和环境保护行政主管部门应根据《中华人民共和国防治船舶污染内河水域环境管理规定》（中华人民共和国交通运输部令2015年第25号）和《船舶水污染物排放标准》（GB3552-2018）对营运船舶进行监管。

综上所述，适合施工水域航道条件和项目施工需求的船舶应为简易滚装驳船。

1.2船舶主尺度方案确定

根据循隆高速公路施工物资运输需求，建设物资主要靠汽车运达码头，因此，滚装驳船的装载物为汽车。根据收集的资料，以规范选取的红岩牌CQ1301C45—30吨三轴重载车作为标准车型，总重32t，前、中、后三轴负荷分布为1：2：2。

规范对载重汽车滚装船的允许载车区域及消防通道都有明确的规定。规范要求：车辆装载处所的两舷边沿船长方向应设置至少850mm的通道;载车处所内沿船宽方向车辆与车辆之间应具有不小于500mm的通道;载车处所内应具有两条沿船宽方向不小于700mm的横向通道，以便于巡逻与消防。除上述要求外，车辆与车辆之间沿船长方向的间隙应不小于300mm。由此，根据布置得到不同车位滚装驳船主尺度范围，如表1所示。

为了得到综合运输性能较优的船型方案，在表1的船舶主尺度范围内，采用网络法，组合若干可行船型方案，通过比较所构建的综合指标体系的计算值，得到综合指标最优的船型方案组合。

1.3经济性评价指标的选择

经济性指标反映某种运输船型的经济盈利能力，衡量船型优劣的经济性指标有很多，不同指标能从不同的侧面反映投资效果和船型差别，为了提高竞争力，施工企业必然希望降低船舶的运输成本，同时提高利润率和缩短投资回收期[4][5]。必要货运运费综合反映船舶的运输成本，单位油耗从占成本比例最高的燃料成本角度反映船舶的经济性能，运输效率是指船舶单位功率对应的单位时间内运输周转量，运输周转量与运输收入、船舶功率与船舶油耗均呈正相关，由此运输效率反映了船舶收入与成本的关系，故选取经济性指标如下：

1.3.1必要运费率RFR

必要运费率RFR是表征船舶在特定航线上单位运输成本的指标，是指在市场预定贴现率条件下，运输每吨货物所需要的最小运费价格。由于在RFR的计算中无需考虑营运收入，所以当整体收益无法确定或难以衡量时需根据最小运费指标对各设计方案进行经济性比较，值越小代表方案的运输成本越低，更加具备竞争优势。必要运费率RFR可以最大程度上反映运输方案的成本控制程度，是衡量航运公司能否盈利的至关重要的经济指标，是公路施工企业造船的首要考虑因素。必要运费率RFR的计算公式如下：

式中：A为年收益（元），Q为年运输总量（吨）;i为贷款利率（%）;N为船舶营运年限（年），（A/P，I，N）为资金回收因数，DA为运距（km）。

1.3.2千吨公里油耗DFC

千吨公里油耗是指船舶运输千吨货物、运行单位距离下所消耗的燃油量。在船舶营运期内，燃料成本一般约占运输总成本的40%以上，是航运成本的决定性因素，也是高原库区公路建设施工企业最为关注的经济指标之一。DFC越小，代表成本控制越优良，同时该指标也间接反映了船舶节能环保性能的高低。DFC计算公式如下：

式中：NRLHL为年总燃料消耗量（t），Q为年运输总量（t），DA为运距（km）。

1.3.3相对稳性高GM/B

初稳性高GM的大小表征着小倾角时船舶抵抗外力的能力。内河法规对不同航区船舶的初稳性高的下限有具体要求，研究流域属库区河流，内河Ⅵ级航道，B级航区，根据《内河船舶法定检验技术规则》（2011）及相关修改通报规定，本研究滚装驳船的初稳性高不得小于0.2m。在设计初始阶段，通常也可用相对稳性高GM/B作为衡量船舶稳性好坏的标准，根据实船统计数据可知，内河货船的相对稳性高GM/B通常为0.1～0.3。设计初始阶段，初稳性高计算通常采用经验公式，具体公式如下：

式中，，，a3为船舶重心高度估算系数，按型船资料选取，取0.79。

1.3.4运输效率YTE

表征船舶单位功率对应的单位时间内运输周转量，该指标一方面反映船舶的运输效率，同时也能一定程度反映船舶的技术水准。

式中：Wc为载货量（t）;V：航速，km/h;ZBHP：主机总功率，kW。

1.3.5各指标的归一化处理

在每个标准船型方案计算中，最后需对经济性指标进行归一化计算，本优化评价采用的归一化方法是max-min，归一化计算方法如下式所示：

（1）原始数据越大越好时：新数据= （原始数据-极小值）/（极大值-极小值）;

（2）原始数据越小越好时：新数据= （极大值-原始数据）/（极大值-极小值）;

综合指标：                                                    （5）

式中：：权系数，根据层次分析法得到;：各指标值，根据数据归一化得到。

2 高原库区运输驳船评价指标体系的构建

船型评价准则是评价船型方案的核心部分，对公路施工企业施工物资运输的船型选择具有决定性作用[6]。典型的评价准则常是与项目参与者期望获得的利益或必须付出的代价有關的产品特征或属性，因此评价准则因人而异。公路施工企业必然以降低船舶的运输成本、提高物资运输效率为目的，航运管理部门会更关注物流大通道效率和船舶节能环保安全等方面;而对于高原库区船舶运输相关海事管理部门最为关注的是船舶运输的安全问题。由于在船型技术经济评价中，不同衡量指标评估的船型优劣不同，为使评价更具客观性，本文采用层次分析法，建立综合评价指标体系对研究船型的可行方案进行决策。

2.1 指标体系构建的基本原则

（1）综合系统性。船型方案比选必须体现综合性与系统性，各个指标之间，要形成有机、有序的联系，从多方面反映现有货运船舶的综合性能。遵循船型评价准则，综合指标体系应能充分反映各系列船型对通航设施、社会效益、技术性能、物资运输经济性能等多要素的适应性，不能只强调某一方面的指标的重要性，应该对各方面指标进行综合衡量，以获得更高的综合效益。

（2）客观针对性。指标体系要体现目标的整体，还应该客观可信、符合实际。每个指标都能如实地反映客观本质，才能较确切地反映出比选船舶的真实水平。本指标体系构建以2012年交通运输部发布的《内河运输船舶标准船型指标体系》（以下简称“内河船指标体系”）为重要依据。

（3）简易实用性。合理、正确地选择有代表性、可比性、独立性、信息量大的指标是构建高效、系统的指标体系的关键，同时，所选指标应使进行评估的实测者易于取得数据资料并便于实施。

2.2优化评价评价指标体系的建立

根据指标体系建立的基本原则和要求，从船型方案经济效益进行分析，找出各自影响因素，逐层逐项进行分解细化，得到整个船型优化评价的评价指标体系如下图1所示。

船型优化评价过程分为三个层次，分别为船型方案层、评价指标层、决策层，根据指标体系递阶层次结构模型制作专家调查表，依据调查结果构造判断矩阵，采用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后通过加权和的方法递阶归并各备选方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案，本方法将定性分析和定量分析结合进行决策。

2.2.1递阶层次结构的建立

进行层次分析， 先定出要分析问题的各种不同层次， 并用图框形式说明递阶层次结构和因素的从属关系。高原库区公路施工物资运输船舶船型综合评价指标体系递阶层次结构模型如图1所示。

2.2.2构造判断矩阵

层次分析法要求对每一层次各元素的相互重要性给出判断， 并将判断结果以数值表达出来， 写成如表2的形式。

其中： bij表示对于ak而言， bi对bj的相对重要性， 这些重要性用数值来表示， 其意义为：1表示bi与bj同等重要;3表示bi 比bj略微重要;5表示bi比bj一般重要;7表示bi 比bj非常重要;9表示bi比bj非常非常重要;2、4、6、8为中间值。

2.2.3层次单排序一致性检验

判断矩阵B对应于最大特征值λmax的特征向量W， 经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值。衡量判断矩阵的标准是否具有一致性。即对于判断矩阵，计算偏差一致性指标CI为：

当随机一致性比例时，认为层次单排序结果有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵，使其具有满意的一致性。

2.2.4层次总排序一致性检验

上面得到的是一组元素对其上一层中某元素的权重向量。对于最高层，其层次单排序即为总排序。如准则层A 包含m个因素A1， A2， …，Am，对目标层的单排序值为a1， a2， …， am。下一层指标层B层包含n个因素B1， B2， …， Bn，它们关于Aj的曾系单排序权重分别为b1j， b2j， …，bnj（当Aj与Bj无关联时，bij = 0）， B层各因素的层次总排序权重b1， b2，…， bn为：

最终得到评价比选各系列船型的经济性指标权重见表3。

3 各指标综合评价

采用网格法，将公伯峡库区循隆高速公路施工物资运输优化评价船型（如表1）中各船型的船长按0.5m间隔步长，船宽按0.1m的间隔步长组成可行的船型方案，利用上述1.3节中各指标计算模型，在统一计算平台下逐一计算各可行船型方案的经济性指标。

以备选船型方案中100t驳船为例，船型经济型指标计算结果如表4所示。

通过对100t驳船的计算结果进行分析，得出当归一化综合指标越小，船型方案越优，因此当归一化综合指标为0.2746最小。同理，对200t驳船和300t驳船进行船型经济性指标进行计算分析，根据计算结果克而终止200t驳船当归一化综合指标为0.1665时最小，300t驳船当归一化综合指标为0.0009时最小。三种驳船归一化综合指标为最小时船舶主尺度最优，较优船舶主尺度如表5所示。

4 结论

将100t级、200t级、300t级船舶四个经济指标进行归一化处理，通过层次分析法得到四个经济指标的权重，通过计算得到各个吨位船舶的综合指标，根据综合指标的对比分析可知300t级驳船为循隆高速公路公伯峡库区段施工物资船舶运输的最优船型，通过对高原库区高速公路施工物资运输船型进行实证分析，得到了适用于高原库区高速公路施工物资运输的合理船型尺度，使得高原库区高速公路施工物资运输更加经济，高原库区船舶辅助高速公路施工物资运输代替辅助运输便道更加环保，为高原库区高速公路施工物资运输新模式选择具有参考借鉴价值。

参考文献;

[1]汪圆圆，金雁，孙鹏，汪志林.基于NSGA-Ⅱ的长江过闸散货船船型优化评价[J].造船技术，2017（04）：9-13.

[2]刘寅东，余秀丽，苏绍娟.西江干线集装箱船船型优化评价[J].船海工程，2011，40（02）：9-13.

[3]张莎，赵千昆.沿海内贸集装箱船型优化评价[J].集装箱化，2010，21（05）：7-11.

[4]何岚，张培林.集装箱航线运输组织与船型优化评价[J].物流技术，2016，35（07）：21-23.

[5]刘寅东，苏绍娟.长江散货运输组织方式优化及船型优化评价[J].大连海事大学学报，2009，35（04）：39-42.

[6]杨路春，李學斌，丁明君，黄利华.多目标遗传算法和决策在船型优化评价中的应用[J].哈尔滨工程大学学报，2012，33（12）：1459-1464.