考慮游覽船運營特征的航道通過能力評價方法

翁金賢，廖詩管，付珊珊，王亞力

(1.上海海事大學(xué)交通運輸學(xué)院，上海201306；2.中華人民共和國黃浦海事局，上海200086)

0 引 言

近年來，以貨運為主的過境船和游覽船的航次數(shù)量均顯著增長.2019年上半年，僅黃浦海事轄區(qū)游覽船、游艇、國際郵輪及客渡船開航15.3萬艘次，同比上漲12%；載客1 097.6 萬人次，客運量同比上升5%.隨著游覽核心區(qū)船舶航次的日益增長，通航環(huán)境與資源問題日益突出.為進一步提高航道利用率，需構(gòu)建考慮游覽船運營特征的航道通過能力模型以準(zhǔn)確掌握游覽核心區(qū)等復(fù)雜水域航道的實際通行能力，從而更好地協(xié)調(diào)航運與旅游功能.

學(xué)者關(guān)于航道通過能力評價方法開展了大量研究.Liu等[1]建立動態(tài)船舶領(lǐng)域模型，分析沿航道航行，穿越航道等多種情形下航道通過能力；Weng等[2]考慮船舶交通流特征，通航船舶的一般屬性等因素，以概率分布的形式表示航道通過能力；徐力等[3]通過引入不同尺度船舶出現(xiàn)頻率因子對航道通過能力模型加以改進；周偉等[4]分析不同交會寬度限制對船舶通航的影響，提出關(guān)于提升長江口深水航道通過能力的建議.綜上，復(fù)雜條件的建模方法能夠考慮船舶間細微的影響，卻無法適用于游覽船和貨船交替通行等復(fù)雜水域下的航道通過能力評價.

本文從黃浦江航道兼具航運與旅游功能的特殊情況，提取游覽船運營特征，構(gòu)建基于游覽船運營特征的航道通過能力模型，以分析影響客貨運船舶交叉通行等復(fù)雜水域下的航道通行效率與風(fēng)險制約因素，從而提出有效對策.最后，以黃浦江游覽核心區(qū)船舶通航情況為例，進行實證分析.

1 航道通過能力評價

首先，利用航道通過能力基本計算方法構(gòu)建過境船通過能力計算模型；然后，結(jié)合游覽船發(fā)船高峰性和航線集中特征，構(gòu)建考慮游覽船運營特征的航道通過能力計算模型.具體流程如圖1所示.

圖1 考慮游覽船運營特征的航道通過能力評價模型構(gòu)建Fig.1 Calculation model for traffic capacity considering operation characteristics of cruise ships

1.1 通過能力評價方法

水路交通將通過能力分為基本通過能力和設(shè)計通過能力[5].基本通過能力指環(huán)境、船舶交通流、航道條件等影響因素均為理想條件下，航道單位時間內(nèi)允許通過的最大船舶艘次；設(shè)計通過能力指考慮上訴因素對船舶航行的影響的通過能力.例如，不良天氣條件下，船舶一般保持較低航速前行，因此設(shè)計通過能力一般低于基本通過能力.

基本通過能力[5]為

式中：Cb為基本通過能力；W為航道寬度；ρmax為單位航道寬度上船舶交通流密度理論最大值；vˉ為船舶交通流平均船速.

傳統(tǒng)基本通過能力方法[5]主要是針對縱向航道通過能力的評價，并不適用于客貨船交叉混行水域的航道通行能力評價.在游覽核心區(qū)水域，客運游覽船(游覽船、游艇、國際郵輪及客渡船等，以下統(tǒng)稱游覽船)頻繁與過境船舶(貨船等)交叉通行.游覽船的發(fā)船頻次和游覽船碼頭數(shù)量顯著影響該水域的整體通行能力.過境船舶主要沿航道縱向航行，依據(jù)初秀民[5]等的航道通過能力評價方法，過境船的設(shè)計通過能力Ctra為

式中：N為航道允許并排航行的船舶數(shù)量；Di為船舶i領(lǐng)域縱向長度；Li為船舶i本身長度；n為過境船舶數(shù)量.

在游覽核心區(qū)，游覽船的最大通行能力主要受游覽船發(fā)船頻次和碼頭數(shù)量等因素影響.因此，游覽船的設(shè)計通過能力Ctou為

式中：Fj為游覽船碼頭j單位小時的發(fā)船艘次；m為游覽船碼頭數(shù)量.

綜上，考慮游覽船運營特征對航道通過能力的影響，游覽核心區(qū)水域的航道通過能力Cd為

本文提出的游覽核心區(qū)水域的航道通過能力評價方法彌補了文獻[5]等傳統(tǒng)方法的不足，使之適用于客貨船交叉混行航道的通行能力評價.

1.2 船舶領(lǐng)域

船舶在航行過程中為避免碰撞需保持最小船頭間距，又稱船舶領(lǐng)域.由于內(nèi)河運輸與海洋運輸不同，船舶領(lǐng)域的研究結(jié)果存在明顯差異.海洋運輸船舶以大型、巨型船為主，航速較快，一般船舶領(lǐng)域較大；內(nèi)河運輸船型較小，航速相對較低，一般船舶領(lǐng)域較小.根據(jù)徐笛清[6]等研究結(jié)果，如表1所示，本文研究對象(過境船和游覽船)可視為機動單船，即船舶領(lǐng)域縱向長度均等于3倍單船長度.

表1 船舶領(lǐng)域建議值Table 1 Suggested value for ship domain

2 黃浦江航道特征

2.1 黃浦江游覽核心區(qū)航道條件

黃浦江作為上海市內(nèi)河運輸?shù)闹匾?，河寬?00～770 m.位于河流中部地段的水域匯聚了上海市著名景區(qū)(外灘、東方明珠等)，該水域附近以十六鋪碼頭為核心，交錯聚集多條旅游航線，是航道通航的瓶頸所在.

如圖2 所示，黃浦江航道實行雙向通航，對十六鋪碼頭前沿水域通航環(huán)境進行實地考察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域靠近兩岸約50 m 寬水域存在水深不足等現(xiàn)象，故該水域航道供過境船舶的最大航行寬度為300 m.

圖2 十六鋪碼頭前沿水域Fig.2 Frontal waters of Shiliupu Wharf

目前，黃浦江游覽核心區(qū)運營航線主要有3條，如圖3 所示.①精華游覽線，自3 號掉頭區(qū)→世博掉頭區(qū)→3 號掉頭區(qū)；②世博航線，自十六鋪掉頭區(qū)→世博掉頭區(qū)→十六鋪掉頭區(qū)；③外灘航線，自3 號掉頭區(qū)→十六鋪掉頭區(qū)→3 號掉頭區(qū).從3條航線運營情況可以看出，所有游覽船都經(jīng)過十六鋪碼頭前沿水域，加大了該水域的通航風(fēng)險.

圖3 游覽船運營航線示意圖Fig.3 Schematic diagram of cruise ship operating route

2.2 過境船通航情況

由長江口進出黃浦江的過境船存在明顯的潮汐特征，過境船乘潮而入很可能造成游覽船與過境船“雙峰”疊加的現(xiàn)象.航道通過能力受過境船船長和船舶組成比例因素的影響，有必要對研究期間過境船的相關(guān)信息進行初步統(tǒng)計分析.

為使通過能力大小具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要對船舶進行標(biāo)準(zhǔn)化，研究標(biāo)準(zhǔn)船的通過情況.根據(jù)初秀民[5]等給出的內(nèi)河船舶換算系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合黃浦江過境船大小實際情況，將過境船的長度(L)分為5類.分別為：S1，L≤40 m；S2，40 m＜L≤50 m；S3，50 m＜L≤90 m；S4，90 m＜L≤115 m；S5，L＞115 m.

根據(jù)《黃浦江通航安全管理規(guī)定》，黃浦江水域航行船舶的最大航速不得超過8 kn.為充分發(fā)揮航道資源，忽略游覽船航速影響，取平均航速為8 kn計算通過能力，即vˉ=14.816 km/h.

3 黃浦江航道通過能力分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

客流量是游覽船發(fā)船的主要因素，且黃浦江旅游業(yè)主要以兩岸燈光夜景為主要吸引點.收集2019年10月2～7日這6天中所有游覽船碼頭(9個)發(fā)船情況，共計1 019條發(fā)船信息；游覽船39艘，最小船長為13 m，最大船長為60 m，平均船長為40.28 m.需要指出的是，受到臺風(fēng)天氣的影響，10月1日當(dāng)天暫停游覽.秦皇島路碼頭與十六鋪碼頭是黃浦江游覽核心區(qū)規(guī)模最大的兩個游覽船碼頭，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其游覽船發(fā)船班次占50%以上，實際發(fā)船率達到90%以上.因此，后續(xù)分析以這兩個碼頭為主.此外，收集到進出十六鋪觀測線位置處(北緯31.23°，東經(jīng)121.51°)的過境船AIS數(shù)據(jù)，6天共計7 745 條信息，去除明顯錯誤信息，保留7 653條信息.

3.2 游覽船及過境船通航情況

節(jié)假日游覽船發(fā)船班次遠高于平時高峰期流量，且主要集中在18:00-23:00.因此，統(tǒng)計該時間段秦皇島路碼頭和十六鋪碼頭每小時發(fā)船班次，分別如圖4 和圖5 所示.需要注意的是，對于預(yù)計發(fā)船而因?qū)嶋H情況最終取消的游覽船班次不在統(tǒng)計范圍內(nèi).

圖4 秦皇島路碼頭游覽船發(fā)船班次統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistics on number of cruise ships departures at Qinhuangdao-road wharf

2019年“十一”期間過境船統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示.5 類過境船的平均船長分別為25.05，46.28，58.39，100.66，140.71 m；過境船長度主要以0～40 m、40～50 m 和50～90 m 為主，三者占比達到94.98%；船長90 m 以上的過境船舶較少，占比僅為5.02%.根據(jù)黃埔海事局管理處調(diào)查結(jié)果，建議50 m 以上船舶最多保持2艘并排航行，50 m以下船舶最多保持4艘并排航行.

3.3 航道通過能力計算

分別計算保持3 倍船舶領(lǐng)域與5 倍船舶領(lǐng)域的通過能力，即Di=3Li和Di=5Li，結(jié)果如表3 所示，需要注意的是，通過能力計算結(jié)果已經(jīng)利用換算系數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化.過境船保持3 倍船舶領(lǐng)域時，航道通過能力為69艘/h；過境船保持5倍船舶領(lǐng)域時，航道通過能力為49艘/h.根據(jù)圖4和圖5統(tǒng)計結(jié)果，秦皇島路碼頭與十六鋪碼頭高峰時期平均每小時發(fā)船班次約為3.3 艘(標(biāo)準(zhǔn)化).這兩個碼頭承擔(dān)所有碼頭發(fā)船班次的50%以上，故所有碼頭發(fā)船班次約為7 艘.得出，黃浦江游覽核心區(qū)航道通過能力約為76艘/h(3倍船舶領(lǐng)域)和56艘/h(5倍船舶領(lǐng)域).

圖5 十六鋪碼頭游覽船發(fā)船班次統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Statistics on number of cruise ships departures at Shiliupu wharf

表2 過境船分類統(tǒng)計及換算系數(shù)Table 2 Transit ship classification statistics and conversion coefficients

表3 不同船舶領(lǐng)域下航道通過能力Table 3 Traffic capacity in different ship domain

3.4 結(jié)果分析

為驗證所提方法的有效性，收集2019年10月2～7日18:00-23:00過境船AIS數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計其標(biāo)準(zhǔn)化后的通過能力.

統(tǒng)計結(jié)果如圖6 所示，過境船通過能力在19:00-21:00相對較高，與船舶領(lǐng)域保持3倍計算結(jié)果，即69 艘/h 較為接近.計算結(jié)果偏大，可能是因為實際過境船在保持3倍船舶領(lǐng)域下航行，無法一直保持8 kn航速，實際過境船通過能力略低于理論計算值.值得注意的是，有兩個時段超過69艘/h，這暗示著過境船可能保持小于本研究的安全距離或者以較高航速航行.

為發(fā)揮黃浦江的旅游效益與運輸功能，保障黃浦江游覽核心區(qū)的通航安全，根據(jù)研究結(jié)果，給出如下建議：

(1)相對安全情形，當(dāng)過境船到達為69 艘/h，建議控制游覽船(40 m 船舶長度)發(fā)船艘為14 艘/h及以下，確保通航安全有序.

(2)需要管控情形，如圖6 中10月2～3日20:00-21:00，建議海事相關(guān)部門采取“錯峰”航行等相關(guān)政策，并呼吁過境船保持安全距離，嚴(yán)禁超速航行.

(3)航道擁擠情形，當(dāng)過境船到達超過76艘/h，建議海事相關(guān)部門告知船舶公司在該時間段停止發(fā)船.

此外，研究結(jié)果還表明，將游覽船航線進行合理規(guī)劃，例如適當(dāng)拉長游覽航線有利于降低航道游覽船密集程度，保障通航安全性；同時減少過多航線交叉，尤其是航道瓶頸處，有利于降低船舶會遇風(fēng)險.

圖6 過境船到達艘次統(tǒng)計結(jié)果Fig.6 Statistics on arrival of transit ship

4 結(jié) 論

以游覽船運營數(shù)據(jù)和過境船AIS數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建基于游覽船運營特征的航道通過能力模型，用于評價游覽船貨船交叉通行等復(fù)雜水域的航道飽和程度，計算方法適用于相同船舶行為特征的內(nèi)河水域航道通過能力計算.模型計算結(jié)果表明，在游覽船運營高峰時期，黃浦江游覽核心區(qū)航道已趨于飽和.游覽船多條航線集中經(jīng)過十六鋪碼頭前沿水域，造成該水域過境船與游覽船“雙峰”交匯現(xiàn)象，給船舶航行帶來極大的安全隱患.此外，研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，過境船存在高風(fēng)險航行情況，例如超速.因此，針對游覽船運營時錯開過境船高峰期、減少航線交叉等措施，有利于更好地協(xié)調(diào)航運與旅游功能，降低船舶會遇風(fēng)險和提高航道利用率.本文提出的航道通過能力模型為構(gòu)建客貨船協(xié)同動態(tài)運行控制技術(shù)體系奠定理論基礎(chǔ)，為海事管理部門協(xié)同提升游覽核心區(qū)水域航道通行效率和安全提供決策依據(jù).