長江口深水航道船舶超寬交會(huì)通航效率分析

周偉 肖英杰 鄭劍

摘要：為提高長江口深水航道通過能力，減少由船舶交會(huì)寬度限制產(chǎn)生的延誤，通過分析船舶超寬交會(huì)現(xiàn)狀，建立仿真邏輯模型，運(yùn)用Arena進(jìn)行離散仿真試驗(yàn)。采集長江口深水航道交通流數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的船舶交會(huì)寬度限制，對大型船舶進(jìn)出港過程進(jìn)行仿真，分析不同交會(huì)寬度限制對船舶通航的影響，獲得被延誤船舶比例、被延誤船舶數(shù)量和延誤時(shí)間，進(jìn)而提出提升通過能力的建議。試驗(yàn)表明，采用Arena進(jìn)行離散仿真能夠量化分析超寬交會(huì)對通航效率的影響，可為航道拓寬和交通管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶超寬交會(huì); 離散仿真; 船舶延誤; Arena; 長江口; 深水航道

中圖分類號(hào)：U691.3; TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To improve the capacity of Yangtze Estuary deepwater channel and reduce the delay caused by the width limit of ship encountering， the status of the super-wide ship encountering is analyzed， the simulation logic model is built， and the discrete simulation experiment is done using Arena. The ship traffic flow data are collected and the limit of ship encountering width is set to simulate the process of large ship entering and leaving ports. The influence of different encountering width limits on ship navigation is analyzed; the proportion and number of delayed ships and the delay time are obtained; the suggestions on improving the capacity are put forward. The experiment shows that the influence of super-wide ship encountering on navigation efficiency can be analyzed quantitatively by discrete simulation with Arena and it can provide scientific reference for channel broadening and traffic management.

Key words：super-wide ship encountering; discrete simulation; ship delay; Arena; Yangtze Estuary; deepwater channel

收稿日期：2018-07-16

修回日期：2018-12-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51509151）;上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（2015ycx074）

作者簡介：

周偉（1986—），男，江西樟樹人，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程，（E-mail）zhouweismu@163.com;

肖英杰（1959—），男，廣東潮陽人，教授，博導(dǎo)，船長，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具應(yīng)用工程、通航安全保障，（E-mail）xiaoyj@shmtu.edu.cn

0 引 言

長江口12.5 m深水航道三期工程的建設(shè)，使得第五、六代大型集裝箱船和20萬噸級以下減載散貨船乘潮航行成為可能，這極大地刺激了兼顧船型的通航需求的增長，從而引起船舶超寬交會(huì)與航道資源有限之間的矛盾加劇。航道寬度的制約使大型船舶雙向交會(huì)的需求得不到滿足，直接導(dǎo)致以下情況的發(fā)生：（1）空載船壓港占用碼頭泊位，浪費(fèi)碼頭資源，不利于港口生產(chǎn)。（2）因長江口內(nèi)大型錨地資源緊張，空載船滯航占用主航道，影響航道安全，降低航道通航效率。（3）重載船無法按計(jì)劃進(jìn)江，導(dǎo)致物流周轉(zhuǎn)時(shí)間延長，不利于腹地企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營。（4）郵輪進(jìn)出港受阻，引發(fā)游客不滿，進(jìn)而導(dǎo)致社會(huì)事件發(fā)生。（5）2014年以前，主要矛盾是集裝箱船與散貨船之間的矛盾，集裝箱船優(yōu)先，問題并不突出;2015年6月以后，確定“郵輪優(yōu)先”原則，集裝箱船的班期受到較大影響，矛盾沖突嚴(yán)重。

對長江口深水航道雙向通航船舶交會(huì)寬度問題的研究如下：陳愛平等[1] 通過船舶模擬試驗(yàn)和實(shí)船交會(huì)試驗(yàn)，對雙向通航船舶寬度進(jìn)行了研究;熊華[2]采用了船舶會(huì)遇寬度的理論計(jì)算方法進(jìn)行分析;閆化然等[3]利用MATLAB對10萬噸級的散貨船和集裝箱船交會(huì)進(jìn)行了仿真，并研究了風(fēng)、流和兩船間距對船舶交會(huì)的影響。針對船舶會(huì)遇，國內(nèi)學(xué)者[4-5]基于AIS對船舶會(huì)遇規(guī)律進(jìn)行了挖掘。綜上，關(guān)于大型船舶交會(huì)寬度限制對通航效率的影響尚缺乏研究。對通航效率問題，有文獻(xiàn)采用排隊(duì)論[6]、交通波[7-8]和元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata， CA）模型[9]進(jìn)行分析。排隊(duì)論和交通波理論為數(shù)學(xué)模型方法，難以考慮眾多隨機(jī)性因素。CA模型為計(jì)算機(jī)仿真方法，不便引入復(fù)雜交通規(guī)則?？紤]到航道系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊交通規(guī)則，以及船舶到達(dá)等眾多隨機(jī)因素，本文采用離散事件仿真方法，通過Arena對船舶超寬交會(huì)進(jìn)行仿真，獲得船舶延誤數(shù)據(jù)，量化超寬交會(huì)對通航效率的影響，為航道拓寬和交通管理提供參考。

1 超寬交會(huì)概況

1.1 超寬交會(huì)定義

當(dāng)交會(huì)船舶寬度之和在一定范圍內(nèi)時(shí)，需要對船舶進(jìn)行交會(huì)控制，此時(shí)的船舶交會(huì)即被稱作“超寬交會(huì)”。根據(jù)《長江口深水航道通航安全管理辦法（試行）》，在長江口深水航道內(nèi)交會(huì)的兩艘船的總寬度在（80 m，90 m]范圍內(nèi)時(shí)即構(gòu)成“超寬交會(huì)”。

1.2 超寬交會(huì)實(shí)施現(xiàn)狀及通航需要

水文資料表明，長江口北槽上段、下段漲潮垂線平均流速分別約為1.65 kn和1.94 kn。超寬交會(huì)要求的流速不大于2 kn的條件只有在高、低平潮時(shí)段才會(huì)出現(xiàn)，時(shí)長約2～3 h。事實(shí)上，由于水文氣象條件的嚴(yán)格限制，超寬船舶交會(huì)難以組織與實(shí)施。因此，長江口深水航道內(nèi)船舶交會(huì)寬度以往通常按80 m控制，當(dāng)一個(gè)方向的船舶寬度超過40 m時(shí)，將對另一個(gè)方向的通航船舶的寬度進(jìn)行控制。

目前，進(jìn)出上海港的船舶種類主要有郵輪、集裝箱船和散貨船。通過表1可以看出，40 m及以上船寬的船舶流量總體呈增長趨勢。因此，隨著船舶大型化，船舶超寬交會(huì)需求客觀存在，有必要對船舶超寬交會(huì)進(jìn)行研究，分析超寬交會(huì)對大型船舶通航的影響。

2 船舶超寬交會(huì)仿真邏輯模型

經(jīng)過長江口深水航道的進(jìn)港船舶，應(yīng)提前向上海海事局吳淞VTS進(jìn)行申請，獲得進(jìn)港安排后，在規(guī)定的時(shí)間乘潮進(jìn)港;對于寬度超過規(guī)定的船舶，需要等待VTS通知。為仿真分析超寬交會(huì)實(shí)施效果，適當(dāng)簡化仿真流程，假定船舶在可能與之交會(huì)的超寬船舶駛出航道后才能進(jìn)入航道。構(gòu)建的船舶超寬交會(huì)仿真邏輯模型見圖1。

船舶超寬交會(huì)仿真邏輯模型是仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)該模型，仿真系統(tǒng)需要同時(shí)產(chǎn)生進(jìn)港和出港船舶交通流，并對船舶屬性（包括船長、船寬、吃水、船速、船型等）賦值，然后根據(jù)對向航道的船舶情況判斷是否會(huì)產(chǎn)生交會(huì)，與交會(huì)船舶的寬度之和是否會(huì)超過限制，如果超過規(guī)定值就要對后駛?cè)氲某瑢挻斑M(jìn)行控制。除進(jìn)行船寬控制外，深吃水船舶不僅需要乘潮進(jìn)港，還應(yīng)按照規(guī)定在交通管制時(shí)段進(jìn)入航道，當(dāng)潮汐條件不滿足時(shí)，船舶應(yīng)在錨地或泊位等待。當(dāng)船舶需要乘潮進(jìn)港時(shí)，潮汐條件是否滿足需根據(jù)乘潮水位H判定，其計(jì)算公式[10]為

式中：T為船舶吃水，m;D為航道設(shè)計(jì)水深，m;ΔD1為富余水深，m;ΔD2為航道水深基準(zhǔn)面與潮位基準(zhǔn)面高度之差，m。

3 Arena應(yīng)用

Arena屬于離散系統(tǒng)仿真平臺(tái)[11]。應(yīng)用Arena設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)包含船舶到達(dá)和屬性賦值模塊、交通管制時(shí)段產(chǎn)生模塊、超寬判斷和交會(huì)控制模塊、交會(huì)判斷和航道航行模塊、乘潮交通管制模塊、船舶離開模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等。部分主要模塊設(shè)計(jì)如下。

3.1 船舶到達(dá)和屬性賦值模塊

該模塊主要功能是產(chǎn)生參數(shù)符合要求的船舶流量。因?yàn)樾枰M(jìn)行雙向交會(huì)仿真，所以采用Approach Channel Ship Arrival （進(jìn)港航道船舶到達(dá)）和Departure Channel Ship Arrival （出港航道船舶到達(dá)）兩個(gè)Create模塊同時(shí)按照港口船舶到達(dá)規(guī)律產(chǎn)生進(jìn)港和出港船舶交通流量，并分別用兩個(gè)Assign模塊對船長、船寬、吃水、航速屬性進(jìn)行設(shè)置，該模塊的Arena截圖見圖2。

3.2 交通管制時(shí)段產(chǎn)生模塊

該模塊主要功能是根據(jù)潮汐變化產(chǎn)生周期性的交通管制開始時(shí)間。船舶根據(jù)自身吃水情況，判斷是否需要在交通管制時(shí)段進(jìn)港，再通過自身到達(dá)時(shí)間與交通管制開始時(shí)間之差的計(jì)算，判斷是否在交通管制時(shí)段到達(dá)，如滿足條件則可以進(jìn)港，否則在錨地或碼頭等待。通過Traffic Control Create?? （交通管制產(chǎn)生）模塊按照潮汐變化產(chǎn)生實(shí)體，到達(dá)Control Parameter Assign （控制參數(shù)賦值）模塊，通過TNOW函數(shù)賦值產(chǎn)生新的交通管制開始時(shí)間，結(jié)合船舶吃水判斷和時(shí)間差計(jì)算等模塊控制船舶按照交通管制規(guī)律進(jìn)港。該模塊的Arena截圖見圖3。

3.3 超寬判斷和交會(huì)控制模塊

該模塊主要功能是根據(jù)交會(huì)寬度限制（用W0表示），判斷交會(huì)船舶寬度之和是否會(huì)超過W0，如果超過就對后進(jìn)入航道的船舶進(jìn)行交會(huì)控制。通過Width Restrict Assign （寬度限制賦值）模塊設(shè)置交會(huì)寬度限制值，如W0=80，85，90 m，利用Width Decide （寬度判斷）模塊判斷兩船交會(huì)寬度是否超過W0，如果超過則需對后進(jìn)入航道的船舶進(jìn)行交會(huì)控制。交會(huì)控制通過Hold模塊的Scan For Condition （條件檢索）功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測到在航船舶與本船交會(huì)寬度之和小于W0時(shí)，交會(huì)控制結(jié)束。超寬交會(huì)判斷公式為

當(dāng)船舶要駛?cè)脒M(jìn)港航道時(shí)，根據(jù)式（2）進(jìn)行判斷：若進(jìn)港船舶寬度W1與對向航道（即出港航道）在航船舶寬度W2的最大值之和超過W0，則認(rèn)為是超寬交會(huì)。當(dāng)船舶要駛?cè)氤龈酆降罆r(shí)，根據(jù)式（3）判斷是否是超寬交會(huì)。該模塊的Arena截圖見圖4。

3.4 交會(huì)判斷和航道航行模塊

當(dāng)船舶駛?cè)牒降罆r(shí)，通過Width Occupy Assign （寬度占用狀態(tài)）模塊將State屬性值改為1，表示在航道內(nèi)航行;當(dāng)船舶駛出航道時(shí)，通過Width Occupy Change Assign （寬度占用狀態(tài)改變）模塊將State屬性值改為0，表示不在航道內(nèi)航行。采用Navigation Process模塊模擬航行過程。在船舶進(jìn)入航道前，通過檢測對向航道船舶的State屬性，即可判斷會(huì)與哪些船舶交會(huì)。該模塊的Arena截圖見圖5。

4 離散仿真試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

仿真試驗(yàn)采用長江口深水航道運(yùn)營實(shí)例進(jìn)行仿真建模，并對模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：航道情況、潮汐情況、交通管制情況、交通流情況等。（1）航道情況。長江口深水航道位于南港和北槽水域，分為內(nèi)航道、圓圓沙航道、上航道、下航道和外航道，全長約92.2 km，航道有效寬度350 m（口外段為400 m），通航水深12.5 m（理論最低潮面下）。（2）潮汐情況。長江口是中等強(qiáng)度的潮汐河口，一日內(nèi)兩漲兩落，一漲一落平均歷時(shí)約12.4 h。本文采用長興高潮時(shí)間模擬潮汐變化從而產(chǎn)生船舶

乘潮交通管制時(shí)段。（3）交通管制情況。由于水深限制，大型船舶需要乘潮通過北槽航道。根據(jù)長江口深水航道交通管理要求，交通管制時(shí)間為長興高潮前4 h至長興高潮前1 h。受限于吃水的大型船舶需要在交通管制時(shí)間進(jìn)港。（4）交通流情況。對2017年1月到3月的上海港船舶引航數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別得出進(jìn)出長江口深水航道的大型船舶的船寬分布、滿載吃水分布，以及進(jìn)口船舶實(shí)際吃水與滿載吃水的比值（簡稱吃水比例）分布擬合，見圖6。

考慮船舶乘潮編隊(duì)進(jìn)港會(huì)避開大型船舶超寬交會(huì)情況，本文船舶到達(dá)服從泊松分布，但按照吳淞VTS發(fā)布的交通管制時(shí)間要求進(jìn)入航道。其中，分布參數(shù)依據(jù)進(jìn)出船舶流量數(shù)據(jù)換算成對應(yīng)指數(shù)分布參數(shù)。根據(jù)流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，船長分布按平均船長190 m，在142～367 m范圍內(nèi)產(chǎn)生，船速分布按平均船速12 kn，在10～15 kn范圍內(nèi)產(chǎn)生。船寬分布和滿載吃水分布不符合分布擬合條件，直接采用實(shí)測數(shù)據(jù)對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)分布，而吃水比例符合正態(tài)分布。仿真船舶流量特征分布數(shù)據(jù)見表2。

將仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的船舶流量數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見表3），同時(shí)觀測仿真過程動(dòng)畫，得出仿真邏輯和仿真誤差滿足仿真試驗(yàn)要求。

4.2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果

為分析交會(huì)寬度限制W0對通航效率的影響，設(shè)置不同的W0值，通過對比試驗(yàn)獲得通航效率相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律。本文設(shè)置W0=80，81，…，90 m，針對每個(gè)限制值，做10組連續(xù)30 d的仿真試驗(yàn)，取平均值，獲得仿真時(shí)間內(nèi)的船舶延誤數(shù)據(jù)，見圖7。

由圖7可知，當(dāng)W0從80 m逐步增加到90 m，即船舶交會(huì)寬度限制逐步放松時(shí)，被延誤船舶比例、被

延誤船舶數(shù)量和延誤時(shí)間這3個(gè)通航效率參數(shù)總體呈顯著下降趨勢。當(dāng)W0=80 m時(shí)，需要引航的船舶中有7.84%的船舶被延誤，被延誤船舶數(shù)量為151艘次，延誤時(shí)間為117.4 h;當(dāng)W0=90 m時(shí)，被延誤船舶比例下降至2.03%，被延誤船舶數(shù)量減少到38艘次，延誤時(shí)間降至32.6 h。這說明當(dāng)W0=90 m時(shí)，通航效率顯著提高，大約98%的船舶不受交會(huì)寬度限制的影響。因此，把交會(huì)寬度限制放寬到90 m，能夠滿足目前絕大多數(shù)船舶通航需求，當(dāng)然仍有部分超大型船舶受到限制。

考慮到水流、天氣、錨地和泊位等限制因素，不同交會(huì)寬度限制對通航效率的實(shí)際影響還會(huì)更大。隨著港口生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和船舶大型化，未來受影響的船舶也將進(jìn)一步增加。因此，考慮將交會(huì)寬度限制適當(dāng)放松來提高通航效率，減少被延誤船舶數(shù)量和延誤時(shí)間。在考慮放松交會(huì)寬度限制時(shí)，應(yīng)先評估安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，長江口深水航道正在開展超寬交會(huì)試驗(yàn)。

5 提升通過能力的建議

（1）北槽拓寬。長江口深水航道有限的通航能力與不斷增長的剛性通航需求之間的矛盾日益凸顯。在雙向通航寬度成為主要制約因素、通航資源潛力有限和通航風(fēng)險(xiǎn)增大的前提下，拓寬北槽航道是提升長江口深水航道通航功能最根本、最有效的措施。北槽航道拓寬后，船舶交會(huì)寬度限制可以相應(yīng)放松，這將顯著改善船舶延誤情況，同時(shí)可以避免交會(huì)寬度擴(kuò)大而航道寬度不足帶來的風(fēng)險(xiǎn)[12]。

（2）南槽開通。長江口北槽航道是大型重載船舶進(jìn)出上海港和長江下游眾多港口的唯一航道，長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，已經(jīng)面臨較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。南槽航道水深穩(wěn)定，通航寬度資源富余。經(jīng)過科學(xué)論證和規(guī)范設(shè)計(jì)，在采取工程措施后該航道可以成為進(jìn)出“長三角”地區(qū)港口群的“第二通道”，從根本上緩解北槽航道的通航壓力。南槽開通[13]可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)出分離，直接避免大型船舶超寬交會(huì)，有效避免由交會(huì)寬度限制產(chǎn)生的矛盾。

（3）邊坡利用[14]。長江口深水航道設(shè)計(jì)通航水深（12.5 m）的確定，以滿足5萬噸級滿載船舶通航為目標(biāo);船舶雙向通航寬度限制管理規(guī)定的制定，以設(shè)計(jì)航道寬度為基本依據(jù)。事實(shí)上，通航船舶的吃水隨裝載狀態(tài)而變化，對于實(shí)際吃水小于通航標(biāo)準(zhǔn)的船舶，借用航道邊坡是挖掘雙向通航潛力的一個(gè)有效途徑。通過修改相關(guān)通航管理規(guī)定，允許利用邊坡，可以充分利用現(xiàn)有航道寬度，增加交會(huì)寬度限制值至90 m，可以滿足大部分船舶通航需求。目前，相關(guān)管理規(guī)定的修訂工作正在進(jìn)行中。

6 結(jié) 論

（1）由于航道寬度等自然條件的限制，對大型船舶交會(huì)寬度進(jìn)行限制，這雖然保障了安全，但對通航效率產(chǎn)生了影響。如果采取航道拓寬或邊坡利用等措施，再修改相應(yīng)的管理規(guī)定來適當(dāng)放松交會(huì)寬度限制，則可以顯著提高通航效率。

（2）利用離散事件仿真方法，模擬了長江口深水航道船舶超寬交會(huì)過程，并充分考慮了隨機(jī)性因素，反映了真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。未來進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)采集，將有助于提高仿真準(zhǔn)確性。

（3）以長江口深水航道船舶進(jìn)出港數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過仿真試驗(yàn)，獲得了被延誤船舶比例、被延誤船舶數(shù)量和延誤時(shí)間等參數(shù)，量化了超寬交會(huì)對通過效率的影響，用來評估放松交會(huì)寬度限制的效果，為航道拓寬和交通管理提供參考。

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（編輯 趙勉）