沿海集裝箱港區(qū)港內(nèi)錨地面積確定方法

王文淵，唐國(guó)磊，宋向群，彭 云

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023）

隨著我國(guó)海運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，部分沿海航道已成為制約港口快速發(fā)展的主要瓶頸。港口錨地按位置可劃分為港外錨地和港內(nèi)錨地，港內(nèi)錨地供船舶待泊或水上裝卸作業(yè)使用，宜采用錨泊或設(shè)置系泊浮筒、系船簇樁等設(shè)施。作為改善航道通航條件的方法之一，設(shè)立港內(nèi)錨地能縮短船舶港外等待時(shí)間，緩解航道擁堵?tīng)顩r。該措施已在國(guó)內(nèi)多個(gè)港區(qū)推行，如湛江港著手準(zhǔn)備開(kāi)辟新的港內(nèi)錨地區(qū)域以滿足日益增長(zhǎng)的船舶錨泊需要[1]，寧波港也率先實(shí)行船舶定點(diǎn)錨泊制度以最大限度利用港內(nèi)錨地資源[2]。建設(shè)港內(nèi)錨地的前期工作是確定港內(nèi)錨地的面積。因此，有必要研究港內(nèi)錨地面積的確定方法。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于錨地面積確定方法的研究有限。對(duì)于港外錨地面積的確定方法，主要為靜態(tài)水域面積計(jì)算[3]與經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型分析[4]兩種方法。前者忽視了船舶占用錨位的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性；后者采用排隊(duì)論方法求解，忽略了港口生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)各因素的影響。對(duì)于港內(nèi)錨地面積的研究，僅有將其作為應(yīng)急錨地時(shí)的論述[5]。缺少采用系統(tǒng)仿真方法來(lái)分析港內(nèi)錨地面積確定方法的相關(guān)研究。

考慮到船舶航行作業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，當(dāng)航道與錨地條件一定時(shí)，港內(nèi)錨地同時(shí)系泊最大噸級(jí)船舶的可能性并不大；同時(shí)，從運(yùn)輸成本控制的角度，集裝箱船舶要求在港時(shí)間越短越好，對(duì)港口服務(wù)水平的要求較高。因此，本文基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建設(shè)有港內(nèi)錨地的沿海集裝箱港區(qū)船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，研究有可能同時(shí)占用錨地的所有船舶所需的錨地面積以及錨位噸級(jí)組合，以期能給出一種科學(xué)的港內(nèi)錨地面積的確定方法，從而能有效利用港內(nèi)水域資源，降低建設(shè)成本，為沿海港區(qū)規(guī)劃建設(shè)及改造擴(kuò)建提供參考。

1 設(shè)有港內(nèi)錨地的系統(tǒng)仿真模型

1.1 設(shè)有港內(nèi)錨地的沿海集裝箱港區(qū)

港內(nèi)水域條件允許時(shí)，通過(guò)設(shè)置港內(nèi)錨地，能在一定程度上避免船舶排隊(duì)等候進(jìn)港，縮短船舶在港非作業(yè)時(shí)間，提高航道及裝卸設(shè)備利用率，從而提高港口的服務(wù)水平，提升港口的整體競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)置港內(nèi)錨地的沿海集裝箱港區(qū)船舶進(jìn)出港作業(yè)過(guò)程，與沒(méi)有設(shè)置港內(nèi)錨地時(shí)的作業(yè)過(guò)程，主要區(qū)別在于船舶進(jìn)港和離泊操作時(shí)的判斷條件上，如圖1所示。

圖1 設(shè)置港內(nèi)錨地時(shí)船舶進(jìn)港和離泊過(guò)程

1.2 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)沿海港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真基本模型[6]，結(jié)合集裝箱船舶進(jìn)出港內(nèi)錨地的作業(yè)特點(diǎn)，構(gòu)建設(shè)有港內(nèi)錨地的沿海集裝箱港區(qū)船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。

1.2.1 船舶進(jìn)港子模型

在船舶進(jìn)入航道前，由Decide模塊判斷港內(nèi)錨地或相應(yīng)噸級(jí)泊位是否空閑，判斷準(zhǔn)則為：港內(nèi)錨地水深滿足要求，當(dāng)航道中正在進(jìn)港的船舶占用相應(yīng)噸級(jí)泊位及港內(nèi)錨地后，港內(nèi)錨地或該噸級(jí)泊位是否依然有空閑，如有空閑則可進(jìn)港。之后，由Decide模塊判斷航道內(nèi)的船舶航向及安全間距等條件，若滿足，則記錄相關(guān)信息后進(jìn)入航道，否則繼續(xù)等待。

1.2.2 船舶占用港內(nèi)錨地或泊位子模型

當(dāng)船舶駛離航道，由Decide模塊判斷此時(shí)該噸級(jí)泊位是否空閑，若空閑，則由Seize模塊占用泊位，否則占用港內(nèi)錨地并等待泊位。對(duì)于進(jìn)入港內(nèi)錨地的船舶，由Assign模塊記錄此時(shí)各噸級(jí)船舶數(shù)量，當(dāng)泊位有空閑時(shí)，則釋放錨地資源，占用泊位。

1.2.3 船舶離港子模型

船舶裝卸完畢后，航道若滿足航向及安全間距要求，則由Release模塊釋放泊位，駛?cè)牒降离x港；若航道中有船舶進(jìn)港，則由Decide模塊判斷港內(nèi)錨地是否空閑，即：航道中各噸級(jí)船舶占用相應(yīng)噸級(jí)泊位后，港內(nèi)錨地仍有空閑，或即便此時(shí)港內(nèi)無(wú)空閑錨位，但航道中或港內(nèi)錨地有該噸級(jí)船舶等待靠泊，則可離泊進(jìn)入港內(nèi)錨地等待出港，否則繼續(xù)等待。

2 算例分析

2.1 仿真參數(shù)

到港船舶、泊位設(shè)置、自然條件以及船舶進(jìn)出港規(guī)則等參數(shù)設(shè)置與基本模型設(shè)置[6]一致。根據(jù)JTJ211—99《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算各噸級(jí)集裝箱船舶在不同系泊方式下的所占水域面積，見(jiàn)表1。

表1 三種系泊方式下的錨位面積

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真運(yùn)行時(shí)間為5 a，仿真重復(fù)次數(shù)為20次。以通航歷時(shí)為1 h為例，依次增加港內(nèi)錨地的錨位數(shù)，得到在仿真時(shí)間段內(nèi)同時(shí)在港內(nèi)錨地錨泊的船舶噸級(jí)組合，港內(nèi)錨地系泊水域最大時(shí)對(duì)應(yīng)的錨位噸級(jí)組合列于表2。仿真時(shí)間段內(nèi)，港內(nèi)錨地的最大需求量為15錨位，即最多有15艘船舶同時(shí)需要在錨地錨泊。

不同錨泊方式下，采用最大噸級(jí)船舶所需的錨泊面積和仿真得到的實(shí)際所需的錨泊面積進(jìn)行比較，如圖2所示。

表2 不同錨位數(shù)下同時(shí)占用港內(nèi)錨地所需水域最大的錨泊船舶噸級(jí)組合

圖2 實(shí)際所需港內(nèi)錨地水域面積與全部為最大噸級(jí)船舶時(shí)所需面積的比較

由圖2所以看出，當(dāng)港內(nèi)錨位數(shù)小于5個(gè)，實(shí)際所需的系泊水域面積即為最大噸級(jí)船舶同時(shí)在港內(nèi)錨地時(shí)占用的水域面積；當(dāng)港內(nèi)錨位數(shù)大于5個(gè)時(shí)，該值相對(duì)于最大噸級(jí)船舶同時(shí)在港內(nèi)系泊時(shí)的錨地面積較小，相對(duì)比值q如表3所示，計(jì)算公式為：

式中：q為港內(nèi)錨地實(shí)際所需面積與最大噸級(jí)船舶同時(shí)系泊所需面積的比值，%；Ni為在錨位噸級(jí)組合中i噸級(jí)船舶的數(shù)量，個(gè)；Si為i噸級(jí)船舶所需的錨位面積，萬(wàn)m2；Smax為最大噸級(jí)船舶所需的錨位面積，萬(wàn)m2；N為港內(nèi)錨位數(shù)，個(gè)。

由表3可知，當(dāng)港內(nèi)錨位數(shù)∈ [5，15]，港內(nèi)錨地中的船舶采用單錨、單浮筒或雙浮筒系泊時(shí)，實(shí)際所需系泊水域的面積只有最大噸級(jí)船舶同時(shí)在港內(nèi)系泊時(shí)水域面積的96%～73%、94%～67%、92%～61%，且港內(nèi)錨位數(shù)越多，實(shí)際所需的系泊水域面積相對(duì)于最大噸級(jí)船舶同時(shí)系泊時(shí)的面積越小。

表3 三種系泊方式下的q值

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立設(shè)有港內(nèi)錨地的沿海集裝箱港區(qū)船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，重點(diǎn)研究港內(nèi)錨地的錨位數(shù)與錨地面積的關(guān)系，得出不同錨位數(shù)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際最大系泊水域面積及其錨位噸級(jí)組合情況，提出了一種科學(xué)的港內(nèi)錨地面積的確定方法，給出了港內(nèi)錨地實(shí)際所需面積與最大噸級(jí)船舶同時(shí)系泊所需面積的比值q。研究表明：無(wú)論船舶在港內(nèi)錨地采用何種系泊方式，系泊水域面積均隨著港內(nèi)錨位數(shù)的增大而增大，且港內(nèi)錨位數(shù)越多，實(shí)際所需的系泊水域面積相對(duì)于最大噸級(jí)船舶同時(shí)系泊時(shí)的面積越小。

[1] 莊盛發(fā)，朱建平.湛江港錨地容量評(píng)估與錨地開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)水運(yùn)，2010（10）：48-49.

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[6] 郭子堅(jiān)，王文淵，唐國(guó)磊，宋向群.基于港口服務(wù)水平的沿海港口航道通過(guò)能力[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（增刊1）：46-48.