多因素制約下的港區(qū)交通資源承載力研究

甘浪雄 龔楚鉅 張 羽 張 磊 束亞清 姜宇昂

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

隨著科技、貿(mào)易的快速發(fā)展，日益增大的船舶數(shù)量和水上運(yùn)輸貨物量，導(dǎo)致了航道通過(guò)能力不足、錨地及泊位資源的短缺.由于受到港區(qū)岸線資源、可利用水域面積等因素的限制，港區(qū)交通資源在一定的時(shí)間和空間內(nèi)將達(dá)到承載極限，伴隨而來(lái)的是愈加復(fù)雜的交通態(tài)勢(shì)，將嚴(yán)重制約港口區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.因此,針對(duì)港區(qū)水上交通資源承載能力進(jìn)行量化和分析，能夠有效評(píng)判港口交通資源的合理性,對(duì)未來(lái)合理的規(guī)劃建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于港口交通資源承載力方面的研究多圍繞水土、景區(qū)及環(huán)境[1-4]等方面開(kāi)展.于美娜等[5-6]對(duì)港區(qū)可持續(xù)發(fā)展性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析影響港區(qū)環(huán)境承載力的主要因素.在港口資源承載力方面.桂勁松等[7]基于工程模糊集理論，結(jié)合港區(qū)能源消耗、環(huán)境污染所造成的代價(jià)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多因素進(jìn)行綜合評(píng)估，建立了基于港口貨物吞吐量的預(yù)測(cè)模型.陳楷根[8]定義了區(qū)域承載力的概念，認(rèn)為承載力需要適度而非最大承載極限.韓鵬等[9]匯總了環(huán)境承載力的常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)實(shí)例探討了各個(gè)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)和不足.

這些方法多為定性評(píng)價(jià)，缺乏以真實(shí)數(shù)據(jù)支撐的定量評(píng)價(jià)手段.文中構(gòu)建航道、錨地及泊位的單因素量化模型，分析單因素之間的影響及制約關(guān)系，基于排隊(duì)理論構(gòu)建港區(qū)交通資源承載力的計(jì)算模型來(lái)對(duì)港口整體的承載力量化計(jì)算，引入ALARP原則設(shè)定承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果得知港區(qū)現(xiàn)階段交通資源承載能力，從而發(fā)現(xiàn)制約港口發(fā)展的因素，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，更有效地服務(wù)于港口建設(shè).

1 港區(qū)交通資源承載力建模

1.1 港區(qū)交通資源及其承載力的概念

港區(qū)交通資源指船舶運(yùn)動(dòng)所處的空間和條件，主要包括航道資源、錨地資源和碼頭泊位資源.承載力的實(shí)際含義就是反映出來(lái)某種物質(zhì)的基礎(chǔ)與受體的耦合關(guān)系，表現(xiàn)在物質(zhì)作為基礎(chǔ)條件能夠維持受載體的數(shù)量極限.港區(qū)交通資源承載力表示在一定范圍、時(shí)間和空間內(nèi)，現(xiàn)階段港區(qū)的交通資源能夠支撐港口發(fā)展的經(jīng)濟(jì)要求，同時(shí)又能維系系統(tǒng)安全、便捷、可持續(xù)發(fā)展的承受能力，其中包括航道的通過(guò)能力、錨地利用率以及泊位的服務(wù)效率.

1.2 ALARP分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

“最低合理可行”原則(as low as reasonably practicable，ALARP)[10]，是當(dāng)前國(guó)外風(fēng)險(xiǎn)可接受水平普遍采用的一種風(fēng)險(xiǎn)判斷原則.風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成見(jiàn)圖1.

圖1 承載力分級(jí)圖

1.3 量化模型

1.3.1錨地承載力的量化

錨地利用率是指在不考慮船舶隨機(jī)到達(dá)規(guī)律特征的情況下，通過(guò)計(jì)算錨泊船占用水域面積的總值與錨地實(shí)際總面積的比值.單船錨泊面積計(jì)算根據(jù)拋錨系泊中單錨泊方式計(jì)算[11]:

S=πR2=π(ε+L+d)2

(1)

式中：S為船舶錨泊面積；R為錨泊船的安全半徑；ε為VTS定位產(chǎn)生的誤差；L為錨泊船舶的船長(zhǎng)；d為錨泊船投放錨鏈的長(zhǎng)度.

在計(jì)算出單個(gè)船舶錨泊所需的水域面積之后，通過(guò)AIS(automatic identification system)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)錨地內(nèi)一段時(shí)間錨泊船舶數(shù)量及平均錨泊時(shí)間，最終求得該水域運(yùn)輸船舶對(duì)錨地面積的需求.

錨地利用率的計(jì)算方式為

(2)

式中：Mi為錨地的利用率，即錨地的承載力指數(shù)；Ar為錨地的面積需求值；k為錨地有效利用系數(shù)；At為錨地的建設(shè)水域面積.

參照本領(lǐng)域內(nèi)[12-14]的研究成果設(shè)定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).表1～3分別為錨地、航道及泊位承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表4為綜合多種因素后的綜合承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

表1 錨地單因素承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 航道單因素承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 泊位單因素承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 多因素制約的綜合承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2航道承載力的量化

航道通過(guò)能力是指航道在一定時(shí)期內(nèi)能夠通過(guò)的最大運(yùn)輸量，其能力直接表現(xiàn)在港口的貨物吞吐量大小上.航道通航的飽和程度可以用來(lái)衡量航道的通航能力及服務(wù)能力，由實(shí)際的船舶流量與航道理論上的通航船舶容量比值表示，計(jì)算的結(jié)果可以用來(lái)反映航道某一時(shí)間段或區(qū)域段的擁擠程度.

為方便計(jì)算需進(jìn)行交通流量的換算，根據(jù)不同船長(zhǎng)的船舶在某區(qū)域交通流量中的占比，以該區(qū)域航行的占比最大的船舶類(lèi)型作為標(biāo)準(zhǔn)船型，設(shè)定其換算系數(shù)為1，其它噸位的船舶參照中國(guó)船舶換算系數(shù)換算，得到最終的交通流.

航道年貨物承載能力為

Tf=Cad×DWT

(3)

式中：Cad為航道的年基本交通容量；DWT為船舶平均載重.

航道的飽和度研究可以體現(xiàn)出港口中航道現(xiàn)階段使用情況，具體可以表示為航道實(shí)際貨物吞吐量與理論貨物承載量的比值.航道的實(shí)際交通流量需要考慮生產(chǎn)生活中的影響因素，如航道環(huán)境、交通態(tài)勢(shì)等[15].

航道飽和度為

Hi=Tr/Tf

(4)

式中：Hi為航道飽和度；Tr為貨物吞吐量,億t；Tf為貨物承載能力,億t.

1.3.3泊位承載力的量化

當(dāng)系統(tǒng)中有k艘船舶時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)為k，此時(shí)的概率為Pk，k隨著船舶到達(dá)和離開(kāi)港口而不斷發(fā)生變化，Pk隨著時(shí)間t而發(fā)生變化.當(dāng)k從狀態(tài)1轉(zhuǎn)移到0說(shuō)明系統(tǒng)中有一艘船舶并且船舶被服務(wù)完畢離開(kāi)港口的轉(zhuǎn)移率為μP1；從狀態(tài)2到狀態(tài)1時(shí)，那么說(shuō)明2個(gè)泊位上被服務(wù)的船舶中有一艘船舶服務(wù)完畢離開(kāi)港口，轉(zhuǎn)移概率為2μP2；同樣的道理，從狀態(tài)C轉(zhuǎn)移到c-1時(shí)，如果k

狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)或平衡狀態(tài)的充要條件是

ρ=λ/Cμ

(5)

式中：ρ為排隊(duì)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度，反映泊位的利用率；λ為每天到港船舶的平均數(shù)量；C為泊位數(shù)；μ為每天服務(wù)完畢的船舶數(shù)量.

排隊(duì)系統(tǒng)中船舶平均在港時(shí)間以及船舶平均等待時(shí)間可以反映出港區(qū)交通資源錨地的承載水平，等待時(shí)間及等待的船舶數(shù)量能夠反映出錨地的承載能力.

碼頭泊位全部空閑事件發(fā)生的概率

(6)

在港待泊的平均船舶數(shù)：

(7)

船舶在港內(nèi)的平均等待時(shí)間td為

td=Lq/λ

(8)

1.4 綜合承載力計(jì)算

將航道飽和程度與泊位的利用率進(jìn)行比較，貨物吞吐量越大則泊位越繁忙也就意味著泊位利用效率越高，航道也就越擁擠.假定港口貨物吞吐量為某一定值的情況下，如果碼頭泊位利用率達(dá)到高載或高負(fù)荷狀態(tài)，相對(duì)于航道交通資源來(lái)說(shuō)，泊位資源就是承載力的“短板”；如果航道的通過(guò)能力不足或者嚴(yán)重?fù)頂D，導(dǎo)致船舶靠離泊作業(yè)以及駛離港口的效率過(guò)低，那么航道資源就是承載力的“短板”.將錨地利用率與碼頭泊位的利用率作比較，貨物吞吐量越大也就說(shuō)明泊位利用率越高，而在錨地資源上可以從錨地船舶數(shù)量以及錨地船舶平均等待時(shí)間等指標(biāo)上體現(xiàn).當(dāng)貨物吞吐量一定時(shí)，如果錨地利用沒(méi)有達(dá)到高載或超載狀態(tài)，還可以容納船舶到達(dá)排隊(duì)，而泊位的利用率已經(jīng)超負(fù)荷，導(dǎo)致錨地船舶等待時(shí)間較長(zhǎng)，則泊位是瓶頸因素；如果泊位的利用率尚處于正常且健康的運(yùn)作狀態(tài)，而錨地卻已經(jīng)達(dá)到高載或滿載狀態(tài)，導(dǎo)致港口整體的服務(wù)水平較低，可認(rèn)為錨地資源為制約發(fā)展的瓶頸因素.

排隊(duì)服務(wù)強(qiáng)度反映碼頭泊位的繁忙程度，服務(wù)強(qiáng)度大于1會(huì)造成船舶無(wú)限排隊(duì)，當(dāng)服務(wù)強(qiáng)度小于1時(shí)說(shuō)明港口服務(wù)強(qiáng)度滿足要求，航道承載力可參照航道承載力預(yù)警指標(biāo).

排隊(duì)等待船舶的錨地需求面積為

Ay=Lq·Td·S

(9)

錨地排隊(duì)等待船舶的承載力指數(shù)為

Mj=Ay/Af

(10)

港區(qū)綜合承載力

M=min(Mi,Mj)

(11)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取深圳西部港區(qū)水域范圍并獲取2018年全年AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算.西部港內(nèi)共建泊位107個(gè)，深水泊位25個(gè)；共有90個(gè)生產(chǎn)性泊位，集裝箱泊位28個(gè)，危險(xiǎn)品泊位6個(gè)，雜散貨泊位24個(gè)，客運(yùn)泊位20個(gè)及其他功能泊位；錨地7處，錨地總面積約30.45 km2，主要通航航道5條，貨物吞吐量為2.51億t.通過(guò)船舶AIS數(shù)據(jù)得知，2018年進(jìn)出港船舶總數(shù)量約為37.43萬(wàn)艘·次，其中集裝箱船進(jìn)出港數(shù)量為12.81萬(wàn)艘·次，約占總體數(shù)量的34.2%.

2.2 計(jì)算結(jié)果

1) 錨地相關(guān)參數(shù) 根據(jù)篩選的結(jié)果計(jì)算出錨地的平均錨泊船數(shù)、錨泊船的平均船長(zhǎng)，以及平均錨泊時(shí)間等相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表5.

表5 錨地AIS信息篩選統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2) 航道相關(guān)參數(shù) 根據(jù)2018年深圳西部港區(qū)的航道參數(shù)，將航道劃定為多邊形的水域范圍，并找到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行船位點(diǎn)的船舶AIS信息篩選，依照篩選導(dǎo)出的結(jié)果計(jì)算航道的通航船舶數(shù)量、平均航行時(shí)間等參數(shù)，見(jiàn)表6.

表6 航道AIS信息篩選統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3) 運(yùn)輸船舶在港數(shù)據(jù) 本文通過(guò)對(duì)深圳西港2018年掛靠港61 366艘·次船舶數(shù)據(jù)，利用MATLAB對(duì)船舶類(lèi)型、平均船長(zhǎng)、船寬、平均在港時(shí)間，以及平均作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 船舶在港數(shù)據(jù)

將各類(lèi)參數(shù)代入承載力計(jì)算模型后，依據(jù)ALARP原則對(duì)其進(jìn)行分級(jí)顯示.以集裝箱船為例，每天到港船舶的平均數(shù)λ為57艘；泊位數(shù)C為28，平均服務(wù)船舶數(shù)μ為2.65艘/d，利用式(5)計(jì)算得到服務(wù)強(qiáng)度ρ為0.769 3，利用式(7)計(jì)算得到平均排隊(duì)船舶數(shù)為0.806 8艘，利用式(8)得到平均排隊(duì)時(shí)間為0.089 5 d.再依次得到雜、散貨類(lèi)，油、危險(xiǎn)品船及綜合計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表8.

其中，錨地、航道及泊位三個(gè)影響港區(qū)交通資源承載力的單因素計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9.

表8 港區(qū)交通資源承載力計(jì)算結(jié)果

表9 影響港區(qū)承載力單因素計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，目前整體來(lái)看，深圳西部港區(qū)承載力為0.826 7，雖然仍然處在可接受范圍也就是“ALARP”區(qū)域中，但數(shù)值已經(jīng)十分接近“不可接受區(qū)域”.另外通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，集裝箱類(lèi)泊位服務(wù)能力仍未飽和，還有較為可觀的承載空間，而雜散貨類(lèi)型卻已經(jīng)處于“不可接受”區(qū)域，承載能力較弱，泊位高度繁忙，到港船舶需要排隊(duì)時(shí)間接近7.98 h，這也與船舶AIS信息中統(tǒng)計(jì)的平均等待時(shí)間較為接近.分析承載力的單因素指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，貨船錨地、液貨船錨地以及黃田3號(hào)錨地已經(jīng)處于超載的“不可接受區(qū)域”，銅鼓航道、媽灣航道也十分繁忙和擁擠，這些交通資源的承載力低下無(wú)法滿足當(dāng)前港口運(yùn)輸船舶的需求，需要及時(shí)采取措施.

2.3 優(yōu)化建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，深圳西部港區(qū)的錨地資源已經(jīng)呈現(xiàn)“高載”的態(tài)勢(shì)，建議深圳西部港區(qū)采取以下措施：①擴(kuò)建錨地，為錨泊船舶提供高質(zhì)量服務(wù)；②優(yōu)化錨地布局，部分錨地的利用率并不高.航道資源中，銅鼓航道及媽灣航道的飽和度指標(biāo)分別為0.913和0.862，已經(jīng)在“不可接受”的風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)，可以通過(guò)擴(kuò)建現(xiàn)有航道、設(shè)置船舶定線制等來(lái)提升航道通航能力.泊位資源中，僅有雜散貨類(lèi)的泊位處于“不可接受”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，貨船錨地、液貨船錨地已經(jīng)處于嚴(yán)重超載的狀態(tài)，可通過(guò)增設(shè)泊位，合理分配資源，增加散貨船泊位以滿足此類(lèi)船舶的運(yùn)輸裝卸需求；同時(shí)可以優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃其港區(qū)分布，增設(shè)錨地，避免集中在某一空間導(dǎo)致嚴(yán)重超載的情況發(fā)生.

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文從錨地、航道和泊位三個(gè)單因素出發(fā)，分別構(gòu)建了量化模型，并進(jìn)一步構(gòu)建了多因素影響下的綜合量化模型，對(duì)承載力進(jìn)行等級(jí)界定.最后以真實(shí)港區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例研究，通過(guò)對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析，提出了有針對(duì)性的交通資源優(yōu)化建議.本文研究?jī)?nèi)容有助于提高海事局對(duì)于轄區(qū)內(nèi)交通環(huán)境狀況的認(rèn)知和把控，并且提供量化指標(biāo)供港口管理者做出科學(xué)決策.