不同通航模式下LNG 泊位組船舶通航效率研究

沈 忱，張民輝，蘇孟超，房卓，姚海元

（交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028）

引言

近幾年，海運(yùn)進(jìn)口液化天然氣（即LNG），作為我國天然氣進(jìn)口的主要方式之一[1]，極大促進(jìn)了我國天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷運(yùn)體系建設(shè)。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范及管理實(shí)際[2]，LNG 船舶在海港進(jìn)出港航道內(nèi)航行時(shí)應(yīng)設(shè)置移動(dòng)安全區(qū)并實(shí)行一定交通管制[3]。前期《單航道多泊位下的LNG 碼頭建設(shè)規(guī)模仿真研究》[4]針對(duì)單一港址不同LNG 泊位數(shù)量下的LNG船舶相互影響進(jìn)行了定量評(píng)估，研究表明，在專用航道條件下單個(gè)LNG碼頭港址泊位規(guī)模不宜超過4個(gè)，過度集中建設(shè)LNG 泊位可能導(dǎo)致船舶接卸效率和通航效率的顯著降低。

鑒于LNG 船舶安全監(jiān)管的特殊要求，保障LNG 船舶進(jìn)出港口航行安全與控制通航影響一直是各方關(guān)注的焦點(diǎn)[5-6]。本文在前期研究基礎(chǔ)上，從不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離、改變船舶通航組織等角度，進(jìn)一步探究4 個(gè)LNG 泊位聯(lián)合運(yùn)營時(shí)，LNG 船舶進(jìn)出港效率以及LNG 泊位之間的制約程度?？蔀長NG 碼頭選址布局、水域布置輔助設(shè)計(jì)以及LNG 船舶通航組織方案設(shè)計(jì)、LNG 船舶通航安全措施等提供參考依據(jù)。

1 研究方法

在前期研究發(fā)現(xiàn)的“現(xiàn)階段通航規(guī)則條件，單個(gè)LNG 港址布局不宜超過4 個(gè)LNG 泊位”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討不同通航組織條件LNG 運(yùn)輸船舶通航效率問題，控制LNG 船舶的航行監(jiān)管距離、出港通航組織規(guī)則等變量進(jìn)行評(píng)估。

本文采用多智能體仿真手段[7-8]，運(yùn)用LNG 泊位組聯(lián)合運(yùn)營仿真建模方法[9]，將船舶作為主動(dòng)仿真對(duì)象，結(jié)合被賦予的屬性和規(guī)則，智能體通過個(gè)體間的信息交互，實(shí)現(xiàn)信息流在LNG 泊位、專用航道、待舶錨地等資源要素間的動(dòng)態(tài)交互，全面反應(yīng)LNG 船舶進(jìn)出港及作業(yè)的全過程。

1.1 仿真模型構(gòu)建

基于AnyLogic 仿真平臺(tái)，構(gòu)建了LNG 船舶專用航道、不可夜航、4 個(gè)泊位聯(lián)合運(yùn)行、碼頭高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)下的LNG 船舶交通流仿真基礎(chǔ)模型，圍繞LNG 泊位組、專用航道、待泊錨地、水域通航條件建立多要素智能化動(dòng)態(tài)聯(lián)系。仿真模擬LNG船舶進(jìn)出港、在港作業(yè)、泊位組同時(shí)運(yùn)營的全過程。詳細(xì)邏輯判斷流程如圖1 所示。

圖1 LNG船舶交通流仿真基礎(chǔ)模型邏輯判斷流程

主要參數(shù)設(shè)定如下：

1）LNG 船舶移動(dòng)安全區(qū)。以當(dāng)前國內(nèi)外普遍移動(dòng)安全區(qū)尺度為依據(jù)，前后設(shè)定1 海里、左右設(shè)定500 米。

2）LNG 船型及月到港艘次。到港LNG 船舶船型按照一定比例設(shè)定，其中以17 萬方級(jí)別船舶為主力船型，約占60 %。結(jié)合船舶實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，高峰月碼頭高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)下4 個(gè)泊位LNG 船舶到港設(shè)定為48 艘/月，理論上高峰月碼頭高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)下單個(gè)LNG 泊位獨(dú)立運(yùn)行時(shí)可滿足12 艘到港船舶的接卸作業(yè)需求。

3）仿真周期?？紤]模型隨機(jī)性，以月為尺度進(jìn)行仿真模擬，重復(fù)12 月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4）限航條件。各月因惡劣天氣導(dǎo)致的限航天數(shù)3～7 天隨機(jī)產(chǎn)生。

5）航速設(shè)定。泊位前沿水域船舶航速與航道行駛船舶航速按實(shí)際情況差別設(shè)定，其中航道行駛船舶航速為10 kn。

1.2 分析評(píng)估指標(biāo)

為全面評(píng)估不同通航組織條件下LNG 船舶的接卸及通航效率，本文主要從總體概況及適宜性評(píng)估兩方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，具體指標(biāo)詳見表1。

表1 影響評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離的影響評(píng)估

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨著未來監(jiān)管水平提升和經(jīng)驗(yàn)累積，不排除在實(shí)際調(diào)度中將LNG 船舶的進(jìn)港監(jiān)管起始點(diǎn)（一般為引航員登輪點(diǎn)）向港池內(nèi)移的情況。本文設(shè)置了不同情景，定量評(píng)估4 個(gè)泊位同時(shí)運(yùn)行條件下，LNG船舶的接卸及通航效率隨LNG 船舶監(jiān)管航行距離的變化情況。不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離，分別設(shè)定5 海里、10 海里、20 海里、30 海里、40 海里的船舶監(jiān)管航行距離。LNG 船舶進(jìn)出港管制規(guī)則按照當(dāng)前普遍實(shí)施規(guī)則進(jìn)行控制：即LNG 船舶單向通航、提前清空航、船舶停靠入泊位后另一艘LNG船舶方可進(jìn)入航道。

2.2 LNG 船舶完成進(jìn)港作業(yè)艘次評(píng)估

4個(gè)泊位獨(dú)立運(yùn)行時(shí)高峰月理論上可完成48艘船舶接卸作業(yè)。運(yùn)輸高峰月時(shí)LNG 船舶碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下，模擬可完成到港作業(yè)艘次占理論接卸船舶艘次的比例，隨不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同航行距離下完成接卸作業(yè)的艘次

研究表明，LNG 船舶監(jiān)管航行距離在20 海里以下時(shí)，高峰月LNG 船舶碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下，4 個(gè)泊位完成進(jìn)港作業(yè)的LNG 船舶總艘次45.5～47.9艘，并且高峰月完成接卸的船舶艘次隨LNG 船舶監(jiān)管航行距離的增長呈現(xiàn)加速下降趨勢，當(dāng)LNG船舶監(jiān)管航行距離達(dá)40 海里時(shí)，4 個(gè)泊位完成進(jìn)港作業(yè)LNG 船舶總艘次僅14.6 艘，僅占理論上可完成進(jìn)港作業(yè)LNG 船舶艘次的30.4 %。可見30～40海里L(fēng)NG 船舶監(jiān)管航行距離時(shí)，若通航組織按照清空航道、船舶?？咳氩次缓罅硪凰襆NG 船舶方可進(jìn)入航道，系統(tǒng)效率相對(duì)較低。

2.3 LNG 船舶影響艘次評(píng)估

LNG 船舶日均進(jìn)港受影響艘次隨船舶航行監(jiān)管距離的變化情況如圖3 所示。在船舶航行監(jiān)管距離在5～40 海里時(shí)，LNG 船舶日均進(jìn)港受影響艘次在0.5～1.6 艘/日，并且隨著船舶航行監(jiān)管距離的增長，呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢。船舶航行監(jiān)管距離超過20 海里后，由于清空航道等管控措施，能夠完成進(jìn)港作業(yè)的LNG 船舶數(shù)量驟減，在這些完成進(jìn)港作業(yè)的LNG 船舶中受影響的也有所減少。LNG船舶受影響出港船舶艘次較進(jìn)港略小，不同船舶航行監(jiān)管距離的LNG 船舶日均出港受影響艘次不超過0.8 艘/日。此外，當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離在10 海里以下時(shí)，LNG 船舶日均進(jìn)港受影響艘次在1 艘以下，平均每天僅約有1 艘LNG 船舶需要候時(shí)進(jìn)港，相對(duì)而言，監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)基本可控。

圖3 不同航行距離下日均進(jìn)港受影響艘次

2.4 LNG 船舶影響時(shí)間評(píng)估

LNG 船舶運(yùn)輸高峰期進(jìn)港平均每艘船舶影響時(shí)間隨船舶監(jiān)管航行距離的變化情況如圖4 所示。高峰期LNG 船舶進(jìn)港平均每艘船舶延誤時(shí)間隨船舶監(jiān)管航行距離的增長呈現(xiàn)指數(shù)式增長趨勢。當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離在10 海里之內(nèi)時(shí)，單船進(jìn)港平均延誤時(shí)間僅1～2 h，通過科學(xué)調(diào)度以及航速控制基本可以將影響控制在可接受范圍內(nèi)；但當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離超過20 海里時(shí)，單船進(jìn)港平均船舶等待時(shí)間超過10 h，并且隨著船舶監(jiān)管航行距離的增長，船舶等待時(shí)間急劇上升，船舶通航效率明顯下降，不利于LNG 運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性與保障度。

圖4 不同LNG航行距離下受影響的進(jìn)港等待時(shí)間

2.5 LNG 船舶影響時(shí)間評(píng)估

LNG 船舶運(yùn)輸高峰月碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下碼頭總接卸量隨船舶監(jiān)管航行距離的變化情況如圖5 所示。當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離在20 海里之內(nèi)時(shí)，4 個(gè)泊位以極限靠泊艘次聯(lián)合運(yùn)行時(shí)LNG 接卸量可到360～380 萬t/月。隨著船舶監(jiān)管航行距離的進(jìn)一步增長，碼頭總接卸量急劇下降，LNG 運(yùn)輸效率受顯著影響。

圖5 不同航行距離下的碼頭總接卸量

2.6 泊位平均利用率及航道晝?nèi)掌骄加寐试u(píng)估

不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離下泊位平均利用率及航道晝?nèi)掌骄加寐孰S船舶監(jiān)管航行距離的變化情況如圖6 所示。當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離在20海里之內(nèi)時(shí)，隨里程增加，4 個(gè)泊位高峰月單個(gè)LNG泊位利用率在70 %～75 %范圍內(nèi)，航道晝?nèi)掌骄加寐食尸F(xiàn)快速增長趨勢；當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離超過20 海里后，隨里程增加，單個(gè)LNG 泊位利用率呈現(xiàn)急速下降趨勢，航道晝?nèi)掌骄加寐试鏊僦鸩綔p緩直至飽和?？梢姡? 個(gè)泊位聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，LNG 船舶監(jiān)管航行距離在20 海里以內(nèi)時(shí)、泊位資源整體利用效率較好，超過20 海里后，需進(jìn)一步優(yōu)化LNG船舶通航組織方式，縮短必要交通管制所占用航道時(shí)間。

圖6 不同航行距離下泊位利用率及航道占用率

3 優(yōu)化通航組織措施的影響評(píng)估

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上述基礎(chǔ)上，本文僅從研究角度提出2 種縮短必要交通管制所占用航道時(shí)間的優(yōu)化通航組織方式，評(píng)估20 海里、30 海里船舶監(jiān)管航行距離條件下的LNG 船舶通航效率。

措施1：LNG 船舶組隊(duì)進(jìn)出港。

措施2：獨(dú)立雙向航路通航。

3.2 討論與分析

仿真結(jié)果分析表明：

1）LNG 船舶完成進(jìn)港作業(yè)艘次。措施1、措施2 條件下，20 海里、30 海里船舶監(jiān)管航行距離，4 個(gè)泊位高峰月碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，基本上可以完成48 艘/月的船舶接卸作業(yè)。其中，措施2 條件下30 海里船舶監(jiān)管航行距離的平均完成進(jìn)港作業(yè)LNG 船舶總艘次略小，為47.4 艘。

2）LNG 船舶影響艘次。兩種優(yōu)化通航組織措施可有效縮短必要交通管制所占用航道時(shí)間，對(duì)LNG 船舶進(jìn)港影響改善效果明顯。措施1、措施2條件下，20 海里、30 海里船舶監(jiān)管航行距離，4 個(gè)泊位高峰月碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，日均進(jìn)出港平均延誤艘次在0.3～0.8 艘/日。其中，LNG 船舶出港受影響相對(duì)進(jìn)港略大，日均出港受影響艘次約0.3～0.6 艘/日。

3）LNG 船舶影響時(shí)間評(píng)估。兩種優(yōu)化通航組織措施主要針對(duì)的是縮短船舶影響時(shí)間。措施1 條件下基本沒有進(jìn)港受影響LNG 船舶，而措施2 條件下，20 海里、30 海里船舶監(jiān)管航行距離時(shí)單船進(jìn)港平均延誤時(shí)間縮短明顯，約2～3 h。

4）LNG 船舶接卸量。措施1、措施2 條件下，20 海里、30 海里船舶監(jiān)管航行距離，4 個(gè)泊位高峰月碼頭高負(fù)荷狀態(tài)下聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，LNG 接卸量約370～380 萬t/月。

5）泊位平均利用率及航道晝?nèi)掌骄加寐?。在措? 或措施2 優(yōu)化條件下，20 海里或30 海里船舶監(jiān)管航行距離時(shí)，泊位平均利用率均達(dá)70 %以上，航道晝?nèi)掌骄加寐示^90 %。

4 結(jié)語

LNG 船舶通航監(jiān)管特殊，前期研究表明單個(gè)港址4 個(gè)泊位不宜超過4 個(gè)。本文從不同監(jiān)管航行距離、監(jiān)管條件角度出發(fā)，研究了4 個(gè)泊位組聯(lián)合運(yùn)行下的船舶通航效率。

1）單個(gè)港址LNG 泊位數(shù)量4 個(gè)時(shí)，適宜LNG船舶監(jiān)管航行距離的系統(tǒng)效率較大。

基于近期一般通航規(guī)則，單個(gè)港址LNG 泊位數(shù)量不宜超過4 個(gè)。專用單向航道條件下，4 個(gè)LNG泊位聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，不同LNG 船舶監(jiān)管航行距離對(duì)船舶通航效率影響較大，且LNG 船舶監(jiān)管航行距離在20 海里左右時(shí)LNG 泊位組運(yùn)營效率相對(duì)更高。當(dāng)LNG 船舶監(jiān)管航行距離小于20 海里，航道通過能力還有進(jìn)一步挖掘空間；當(dāng)LNG 船舶監(jiān)管航行距離大于20 海里，由于LNG 船舶必要交通管制占用航道時(shí)間較長，LNG 泊位組接卸能力顯著下降。

2）采取一定優(yōu)化通航組織措施對(duì)提高LNG 船舶通航效率具有明顯效果。

隨著近期規(guī)劃化布局的LNG 泊位逐步投運(yùn)建成，國內(nèi)多LNG 泊位共同運(yùn)營的通航管理及泊位組運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)不斷豐富。進(jìn)一步采取LNG 船舶組隊(duì)進(jìn)出港或設(shè)置獨(dú)立雙向LNG 航道通航等縮短必要交通管制所占用航道時(shí)間的優(yōu)化通航組織，對(duì)提高LNG 船舶通航效率均具有明顯效果；其中，當(dāng)船舶監(jiān)管航行距離達(dá)20 海里及以上時(shí)，LNG 船舶組隊(duì)進(jìn)出港措施相對(duì)略優(yōu)。

本文基于典型情景進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)研究，可為某一特定LNG 碼頭選址研究、LNG 船舶通航組織規(guī)則與通航安全措施的制定等提供科學(xué)依據(jù)和基本參照。