面向復(fù)雜環(huán)境的LNG碼頭合理布局規(guī)模仿真案例分析

沈 忱,曹樂(lè)樂(lè),董 敏,查雅平,齊 越,李宜軍,薛天寒

(1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

作為我國(guó)陸上管道氣的重要補(bǔ)充，近幾年水運(yùn)進(jìn)口液化天然氣(簡(jiǎn)稱LNG)的需求急劇增長(zhǎng)。LNG水上運(yùn)輸需要專門的運(yùn)輸船舶，根據(jù)JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，LNG船舶在海港進(jìn)出港航道航行時(shí)應(yīng)設(shè)置移動(dòng)安全區(qū)。此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)已建LNG接收站的船舶通航及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，還會(huì)對(duì)LNG船舶進(jìn)出港經(jīng)過(guò)水域進(jìn)行交通管制[2]。針對(duì)LNG船舶進(jìn)出港的特殊監(jiān)管會(huì)對(duì)相關(guān)港區(qū)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定的影響?？紤]LNG船舶航行時(shí)具有顯著的排他性，其選址宜相對(duì)獨(dú)立，盡量減少對(duì)其他船舶通航的影響，統(tǒng)籌港口協(xié)調(diào)發(fā)展。目前，關(guān)于LNG船舶通航影響已有一些研究，主要采用建立量化分析模型、排隊(duì)論模型和智能體仿真等研究方法[4-6]，評(píng)估一定LNG碼頭運(yùn)輸規(guī)模下船舶通航對(duì)港區(qū)的影響，但缺少對(duì)LNG碼頭合理布局規(guī)模的系統(tǒng)研究。

為進(jìn)一步滿足長(zhǎng)三角地區(qū)日益增長(zhǎng)的天然氣需求，擬在寧波舟山港優(yōu)選布局LNG碼頭。目前，寧波舟山港六橫港區(qū)南側(cè)岸線資源充足，暫未開發(fā)利用，依托外青山形成圍墾堤，其陸域和水域均相對(duì)獨(dú)立，具備較好的LNG碼頭建設(shè)條件，但受現(xiàn)階段航道水深條件等限制，須審慎研究LNG碼頭合理布局規(guī)模。本文以寧波舟山港六橫港區(qū)南側(cè)岸線布局LNG碼頭研究為例，從岸線、航道等資源協(xié)同、高效利用的角度，采用多智能體仿真建模方法，對(duì)該選址的LNG碼頭合理布局規(guī)模進(jìn)行綜合評(píng)估，進(jìn)而指導(dǎo)LNG碼頭布局選址，可為其規(guī)劃調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 研究思路及建模

1.1 對(duì)象描述與研究思路

基于寧波舟山港六橫港區(qū)南側(cè)岸線資源充分利用的角度，可布置若干LNG接卸泊位、LNG水水中轉(zhuǎn)泊位及其他運(yùn)輸貨類泊位。其中LNG接卸泊位用于接卸大型LNG接卸船舶，LNG中轉(zhuǎn)泊位可考慮作為小型LNG罐式集裝箱、小型LNG液體散貨船的中轉(zhuǎn)使用。按照相關(guān)規(guī)劃，擬選址的LNG船舶與象山港區(qū)相關(guān)船舶進(jìn)出港在南部會(huì)共用一段航道，目前上述航道船舶流量較小。相關(guān)通航環(huán)境見圖1。

圖1 六橫港區(qū)南側(cè)規(guī)劃相關(guān)通航環(huán)境

基于上述區(qū)域環(huán)境分析，針對(duì)六橫南側(cè)岸線LNG碼頭布局規(guī)模的研究思路如下：首先，結(jié)合港口實(shí)際條件劃分研究區(qū)域，基于多智能體復(fù)雜系統(tǒng)的仿真方法，建立不同的仿真情境模型；再對(duì)不同情境下LNG船舶進(jìn)出港作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，定量分析船舶等待艘次及占比、等待時(shí)間等評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)估LNG船舶進(jìn)出港影響；最終確定合理的LNG碼頭布局規(guī)模(圖2)。

圖2 研究思路

建立的仿真情境：

1)情境1：設(shè)置只考慮六橫南側(cè)岸線充分利用的情境。仿真模擬六橫港區(qū)南側(cè)岸線充分利用時(shí)(簡(jiǎn)稱六橫南側(cè)作業(yè)區(qū))的船舶進(jìn)出港全過(guò)程，研究區(qū)域LNG運(yùn)輸船舶進(jìn)出港效率，分析六橫南側(cè)作業(yè)區(qū)LNG船舶進(jìn)出港影響，研判航道對(duì)LNG運(yùn)輸?shù)某休d能力，進(jìn)而確定LNG碼頭合理的運(yùn)輸規(guī)模閾值。本文LNG碼頭運(yùn)輸量為500萬(wàn)～2 500萬(wàn)t/a，共設(shè)置9種工況，旨在充分反映通航效率隨LNG碼頭運(yùn)輸量變化的規(guī)律(表1)。

表1 情境1：僅考慮六橫南側(cè)岸線充分利用時(shí)工況設(shè)置

2)情境2：設(shè)置遠(yuǎn)期區(qū)域資源完全開發(fā)的情境。仿真模擬遠(yuǎn)期區(qū)域資源完全開發(fā)情境是指綜合考慮六橫南側(cè)作業(yè)區(qū)和象山港區(qū)相關(guān)區(qū)域，通過(guò)LNG船舶通航影響分析確定LNG碼頭合理布局規(guī)模。在情境1合理的LNG碼頭運(yùn)輸量閾值基礎(chǔ)上，再進(jìn)行情境2的工況設(shè)置，進(jìn)一步確定LNG碼頭合理布局規(guī)模。

3)優(yōu)化分析：為減少LNG船舶進(jìn)出港對(duì)港區(qū)的整體影響并保障LNG運(yùn)輸，在情境2的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析，并評(píng)估優(yōu)化工況下LNG船舶的通航影響。

1.2 仿真建模

傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無(wú)法擬實(shí)地反映出港口營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，而仿真技術(shù)，作為研究多元隨機(jī)要素之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的一種有效技術(shù)手段，類似基于智能體的系統(tǒng)仿真方法已得到廣泛應(yīng)用[7-8]。本文利用多智能體復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法，模擬船舶進(jìn)出港、靠離泊和作業(yè)的全過(guò)程。模型主要包括港口主系統(tǒng)和船舶航行系統(tǒng)兩大系統(tǒng)：前者用于設(shè)定與船舶進(jìn)出港航行密切相關(guān)的各環(huán)節(jié)參數(shù)、變量及函數(shù)；后者將船舶定義為智能體，設(shè)定船舶參數(shù)和判斷船舶進(jìn)出港行為的邏輯流程。模型主要參數(shù)如下。

1)LNG水水中轉(zhuǎn)船舶：現(xiàn)階段對(duì)小型LNG中轉(zhuǎn)船舶的監(jiān)管尚無(wú)特定標(biāo)準(zhǔn)，考慮近期LNG罐式集裝箱試運(yùn)行時(shí)按照大型LNG接卸船舶監(jiān)護(hù)規(guī)則，模型中設(shè)定LNG中轉(zhuǎn)船舶進(jìn)出港與大型LNG接卸船舶進(jìn)出港時(shí)一樣，提前清空航道并進(jìn)行單向通航管制。

2)船舶航速：分別考慮船舶正常航行航速與港區(qū)泊位前沿水域內(nèi)航速。

3)LNG船舶船型組合：設(shè)定大型LNG接卸船考慮多種船舶尺寸組合，其中以17.0萬(wàn)～18.2萬(wàn)m3為主力船型；小型LNG中轉(zhuǎn)船以1萬(wàn)和2萬(wàn)噸級(jí)為主。

4)水域航道：按照相關(guān)港口總體規(guī)劃，六橫南部進(jìn)港航道可滿足5萬(wàn)噸級(jí)船舶雙向通航；象山港進(jìn)港主航道與六橫港區(qū)部分共用，也可滿足5萬(wàn)噸級(jí)船舶雙向通航。

5)船舶流量：結(jié)合岸線資源條件與區(qū)域運(yùn)輸需求對(duì)相關(guān)受LNG船舶通航影響的港區(qū)船舶流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

6)模擬時(shí)長(zhǎng)：為反映港口運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)營(yíng)情況和LNG船舶對(duì)港區(qū)運(yùn)營(yíng)的持續(xù)影響，設(shè)置仿真模擬時(shí)長(zhǎng)為1年。

2 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 情境1六橫南側(cè)岸線充分利用情境研究

2.1.1船舶等待艘次評(píng)估

船舶等待艘次評(píng)估主要有全年船舶等待艘次及占比指標(biāo)(為全年受LNG船舶通航影響的等待船舶的艘次及占總通航船舶艘次的百分比)及單船影響艘次指標(biāo)(LNG船舶單次通航影響的船舶艘次的平均值)。各工況到港船舶總艘次在1 100～1 500艘之間。

全年船舶等待艘次及占比均隨LNG碼頭運(yùn)輸量增多呈現(xiàn)先快速增大、后減速增大的類“S”形趨勢(shì)，全年船舶等待艘次占比隨LNG碼頭運(yùn)輸量的變化曲線見圖3。從圖3可知，LNG碼頭運(yùn)輸量在1 200萬(wàn)～1 700萬(wàn)t/a閾值區(qū)間時(shí)，船舶等待艘次及占比增幅相對(duì)較大，說(shuō)明該閾值區(qū)間內(nèi)LNG船舶通航對(duì)港區(qū)船舶的影響較為敏感。尤其是，當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到1 500萬(wàn)t/a時(shí)，全年船舶等待艘次達(dá)236艘，全年船舶等待艘次占比達(dá)10%，此時(shí)船舶等待艘次和占比的增長(zhǎng)速率均達(dá)到最大。而在LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá) 2 000萬(wàn)t/a后，受航道通過(guò)能力限制，由于不能進(jìn)港的船舶艘次增加，在進(jìn)港船舶中LNG船舶導(dǎo)致等待的總船舶艘次增長(zhǎng)緩慢，泊位占用情況逐漸趨于飽和。此外，單船影響艘次隨運(yùn)量呈現(xiàn)從1.5～2.4艘逐漸增加的趨勢(shì)。

圖3 情境1下船舶等待艘次占比曲線

2.1.2船舶等待時(shí)間評(píng)估

主要評(píng)估單船平均等待時(shí)間(受LNG船舶通航影響的所有船舶的平均等待時(shí)間)及船舶等待時(shí)間概率分布(受LNG船舶通航影響下的船舶等待時(shí)間范圍發(fā)生概率百分比)。情境1等待船舶的單船平均等待時(shí)間隨LNG碼頭運(yùn)輸量的變化曲線見圖4，船舶等待時(shí)間概率分布見圖5。可知約60%的船舶等待時(shí)間主要集中在0～4 h范圍內(nèi)；隨著LNG碼頭運(yùn)輸量的增大，單船等待時(shí)間大于10 h的船舶數(shù)量越來(lái)越多，LNG船舶進(jìn)出港對(duì)港區(qū)船舶的影響程度逐漸加重。當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到約2 000萬(wàn)t/a時(shí)，單船平均等待時(shí)間增長(zhǎng)速率最??；而當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)2 000萬(wàn)t/a以后，受航道通過(guò)能力限制，導(dǎo)致船舶平均等待時(shí)間迅速增加，極大地制約船舶通航效率。

圖4 情境1下單船平均等待時(shí)間曲線

圖5 情境1下船舶等待時(shí)間概率分布

2.1.3不同船舶類型影響評(píng)估

船舶類型影響主要評(píng)估各類船舶等待艘次(受LNG船舶通航影響的各類型船舶等待艘次)及各類船舶平均等待時(shí)間(受LNG船舶通航影響的各類型船舶平均等待時(shí)間)。情境1中各類型船舶的等待艘次隨LNG碼頭運(yùn)輸量變化見圖6，平均等待時(shí)間見圖7。各類船舶的等待艘次均隨著LNG碼頭運(yùn)輸量的增加呈增加趨勢(shì)，尤其是LNG接卸船和LNG中轉(zhuǎn)船的等待艘次快速增長(zhǎng)，說(shuō)明LNG船舶進(jìn)出港對(duì)自身影響逐漸加劇。散雜貨船的影響艘次較多，但等待時(shí)間基本在4～7 h。而LNG接卸船舶雖然影響艘次較少，但等待時(shí)間較長(zhǎng)。

圖6 情境1下各類船舶等待艘次曲線

圖7 情境1下各類船舶平均等待時(shí)間

2.2 情境2遠(yuǎn)期區(qū)域資源完全開發(fā)情境研究

遠(yuǎn)期區(qū)域資源完全開發(fā)情境主要綜合考慮遠(yuǎn)期六橫南側(cè)作業(yè)區(qū)和象山港區(qū)2個(gè)區(qū)域通過(guò)南部航道進(jìn)出港的相關(guān)船舶通航情況。根據(jù)情境1的分析，當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量在1 200萬(wàn)～1 700萬(wàn)t/a范圍時(shí)，區(qū)域船舶通航對(duì)LNG碼頭運(yùn)輸量更加敏感，即更易受到LNG船舶通航的影響。當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到1 500萬(wàn)t/a時(shí)，全年船舶等待艘次占比已超過(guò)10%，其增速也較大，且LNG接卸船的等待時(shí)間達(dá)10 h，由于LNG船舶不能夜航，過(guò)長(zhǎng)等待時(shí)間會(huì)導(dǎo)致LNG船舶須在錨地或外海過(guò)夜，極大地增加監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)。故現(xiàn)階段LNG碼頭運(yùn)輸量不宜超過(guò)1 500萬(wàn)t/a。考慮到岸線資源充分利用，集中集約布局LNG碼頭，情境2設(shè)定2種工況：工況F1的LNG碼頭運(yùn)輸量為1 250萬(wàn)t/a，其中水水中轉(zhuǎn)量250萬(wàn)t/a；工況F2的LNG碼頭運(yùn)輸量為1 500萬(wàn)t/a，其中水水中轉(zhuǎn)量300萬(wàn)t/a。評(píng)價(jià)指標(biāo)如情境1。情境2等待船舶的單船平均等待時(shí)間概率分布見圖8，各類船舶的等待艘次及時(shí)間分布見圖9。

圖8 情境2下船舶等待時(shí)間概率分布

圖9 情境2下各類船舶等待艘次和平均等待時(shí)間

研究表明：LNG碼頭運(yùn)輸量為1 200萬(wàn)t/a左右時(shí)，LNG船舶通航對(duì)相關(guān)港區(qū)的影響基本可接受——年船舶等待艘次約210艘、單船影響艘次2.1艘、平均等待時(shí)間約4.6 h，LNG接卸船的平均等待時(shí)間4.6 h。但當(dāng)LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到1 500萬(wàn)t/a時(shí)，相關(guān)區(qū)域其他船舶流量有限，其影響基本可控，但由于航道較長(zhǎng)，在一定的通航管控措施條件下，LNG船舶自己的進(jìn)出港制約現(xiàn)象明顯，LNG接卸船舶的平均等待時(shí)間超過(guò)10 h，LNG船舶進(jìn)出港對(duì)LNG船舶自身進(jìn)出港的影響不可忽視。從分區(qū)域影響看，2種工況均對(duì)六橫南側(cè)岸線船舶影響較大，六橫南側(cè)岸線船舶進(jìn)出港等待艘次占比高達(dá)85%，平均等待時(shí)間均超過(guò)5 h；而對(duì)象山港區(qū)相關(guān)區(qū)域的影響較小，象山港區(qū)的船舶與六橫南側(cè)LNG船舶進(jìn)出港同用航段不長(zhǎng)，船舶進(jìn)出港等待艘次約在32艘，平均等待時(shí)間在2 h左右。

2.3 優(yōu)化情境分析

由情境2結(jié)果可知，LNG船舶通航對(duì)六橫南側(cè)作業(yè)區(qū)其他船舶影響艘次較多，而LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到1 500萬(wàn)t/a時(shí)對(duì)自身的影響也相對(duì)較大。鑒于六橫港區(qū)南側(cè)岸線主要圍繞LNG碼頭布局，重點(diǎn)保障LNG運(yùn)輸，可適量減少六橫南側(cè)其他類型船舶運(yùn)輸量，從而降低航道通行壓力。此外，現(xiàn)階段根據(jù)海港行駛的小型LNG中轉(zhuǎn)船舶的試運(yùn)行情況可知，其監(jiān)管規(guī)則主要參考大型LNG運(yùn)輸船舶，隨著相關(guān)管理和航行經(jīng)驗(yàn)的積累、航道運(yùn)輸壓力日益增大，對(duì)小型LNG船舶監(jiān)管規(guī)則有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。本文從優(yōu)化區(qū)域貨類運(yùn)輸布局以及小型中轉(zhuǎn)LNG船舶監(jiān)管規(guī)則兩方面提出優(yōu)化措施(表2)。

表2 優(yōu)化工況設(shè)置

2種優(yōu)化措施均有一定的效果，優(yōu)化后單船影響艘次在1.8～2.1艘，LNG船舶進(jìn)出港影響的船舶等待艘次減少9～32艘、占比減少0.3%～1.0%。相比較而言，優(yōu)化措施1減少六橫港區(qū)南側(cè)作業(yè)區(qū)散雜貨船流量對(duì)六橫港區(qū)南側(cè)作業(yè)區(qū)船舶的改善效果更優(yōu)，六橫港區(qū)南側(cè)作業(yè)區(qū)船舶的平均等待時(shí)間可減少0.6～0.7 h，2個(gè)區(qū)域船舶等待艘次及時(shí)間見圖10；優(yōu)化措施2改變小型中轉(zhuǎn)船監(jiān)管規(guī)則對(duì)LNG運(yùn)輸船舶等待時(shí)間的改善效果更優(yōu)，尤其是在LNG運(yùn)輸量1 500萬(wàn)t/a時(shí)LNG大型接卸船舶等待時(shí)間可減少5 h，不同類別船舶等待艘次及時(shí)間見圖11。故適量控制散雜貨船舶艘次可以在一定程度上減小航道壓力，但當(dāng)LNG運(yùn)輸量較大時(shí)，須考慮優(yōu)化LNG運(yùn)輸船舶監(jiān)管規(guī)則、針對(duì)性控制等待船舶時(shí)間，進(jìn)而減緩LNG船舶通航的干擾和影響。

圖10 優(yōu)化情境下兩區(qū)域船舶的等待時(shí)間艘次和等待時(shí)間與原工況對(duì)比

圖11 優(yōu)化情境下各類船舶的等待艘次和等待時(shí)間與原工況對(duì)比

3 結(jié)論

1)在LNG運(yùn)輸船舶進(jìn)出港單向通航且提前清空航道通航管控措施的條件下，當(dāng)六橫LNG碼頭運(yùn)輸量達(dá)到1 500萬(wàn)t/a時(shí)，LNG船舶進(jìn)出港對(duì)自身影響凸顯，協(xié)同考慮象山港區(qū)相關(guān)區(qū)域資源完全開發(fā)，相關(guān)航道承載能力已基本趨于飽和。為保障區(qū)域船舶運(yùn)輸效率,六橫港區(qū)南側(cè)岸線合理的LNG碼頭運(yùn)輸規(guī)模以1 200萬(wàn)t/a為宜。

2)適當(dāng)控制水水中轉(zhuǎn)外輸量，搭配LNG接卸與LNG轉(zhuǎn)運(yùn)泊位，高效利用岸線資源，確保LNG的運(yùn)輸。此外，減少六橫港區(qū)南側(cè)其他船舶運(yùn)量的優(yōu)化措施對(duì)降低船舶等待時(shí)間有較好的效果。為滿足LNG泊位、航道、回旋水域的空間需要，且為L(zhǎng)NG碼頭規(guī)模化發(fā)展留有余地，建議在進(jìn)行岸線規(guī)劃時(shí)適當(dāng)控制其他貨類泊位數(shù)量及貨運(yùn)量。

3)目前，小型LNG中轉(zhuǎn)船舶監(jiān)管無(wú)特定標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)LNG運(yùn)輸船舶通航相互之間存在一定制約和干擾的問(wèn)題，如果小型LNG中轉(zhuǎn)船舶僅控制單向通航但不提前清空航道，可有效降低LNG運(yùn)輸船舶通航影響。此外，在保障安全的前提下，可進(jìn)一步研究船舶組隊(duì)進(jìn)出港、錯(cuò)峰錯(cuò)時(shí)通航等優(yōu)化措施，從而減少LNG運(yùn)輸船舶對(duì)相關(guān)作業(yè)區(qū)船舶通航的干擾。