天津港北航道航道通過能力仿真模擬試驗研究

焦廣軍,王 軒,李笑晨,孔憲衛(wèi)*,張春生,張 磊,陳佩博

(1.天津港(集團)有限公司,天津 300461;2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,天津 300456)

天津港集裝箱碼頭選址于天津港北港池東側(cè),隨著集裝箱碼頭工程建設(shè),進出港船舶數(shù)量將不斷增加,船舶通航密度明顯上升,船舶將頻繁通過新港航道(包含主航道和北航道)[1],航道通過能力一定程度上存在限制港區(qū)吞吐量的可能性。為了精確把握航道通過能力,提高航道交通效率,保障船舶通航安全和港口作業(yè)的正常運營,提高港口服務(wù)水平,航道通過能力評價研究具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對港口航道通過能力的研究方法大體可分為三類：

第一類是基于船舶領(lǐng)域理論的靜態(tài)計算。該方法基于航道的天然條件和通航船舶的自然屬性,船舶進出港航行過程可被看作是一系列前后排列行進的過程,可被理解為面積求解問題,即航道長和寬構(gòu)成的水域面積可以容納的最大船舶領(lǐng)域面積的數(shù)量,該方法側(cè)重考慮船舶通航安全[2-3]。船舶領(lǐng)域最早由日本學(xué)者藤井彌平提出。張保華[4]構(gòu)建基于修正船舶領(lǐng)域的非限制性航道通過能力計算模型。文元橋等[5]結(jié)合船舶領(lǐng)域的概念構(gòu)建多源匯入和匯出條件下公共航道通過能力模型。QI等[6-7]在元胞自動機和動態(tài)船舶領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)上,建立空間邏輯映射模型,對交通容量進行討論。

第二類是運用排隊論、跟馳論等方法建立航道通過能力計算模型,求取船舶進出港系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù),提出相應(yīng)的管理措施和優(yōu)化調(diào)度方案來提高航道的通過能力,側(cè)重于研究航道服務(wù)水平[8-10]。在排隊論的基礎(chǔ)上,劉敬賢[11]建立了限制性航道通過能力動態(tài)模型;JAGERMAN等[12]通過引入SHIP/G/1排隊系統(tǒng)模型,對港口船舶到達(dá)過程進行研究。

第三類是系統(tǒng)仿真研究。通過構(gòu)建船舶在港航行作業(yè)的仿真模型,更加直觀地分析船舶進出港的整個動態(tài)過程[13-17]。BLOKUS等[18]考慮到船舶的操縱性、速度、交通流密度、類型、船舶的行為、船長和航道狀態(tài)建立了可用來模擬簡單的交叉和環(huán)形交通流的元胞自動機模型,在優(yōu)化港口交通組織建議的驗證方面取得應(yīng)用。XU等[19-20]構(gòu)建了基于Multi-Agent的船舶交通流仿真系統(tǒng)的框架;將每一艘船舶看作一個智能體,根據(jù)船舶的航行行為特性,建立船舶Agent結(jié)構(gòu)模型;研究了船舶Agent之間的協(xié)作與通信機制;研究了船舶自由航行、跟隨和追越等決策模型,提出了船舶Agent及航路生成方法。姚舜[21]使用多智能體方法并結(jié)合船舶交通數(shù)據(jù)庫、船舶調(diào)度優(yōu)化和船舶自動識別系統(tǒng)軌跡分析,建立了應(yīng)用在船舶模擬器內(nèi)的船舶交通仿真系統(tǒng)。王艷紅等[22]提出一種Multi-Agent的船舶避碰決策方法,通過對多目標(biāo)船舶避碰試驗的仿真,能夠得到與人工分析一致的結(jié)果。

對比上述研究方法,船舶領(lǐng)域研究方法側(cè)重船舶通航安全,偏向研究航道的理論通過能力,對解決實際的工程問題略顯不足;理論建模研究方法側(cè)重航道服務(wù)水平,考慮問題更為全面,能夠體現(xiàn)出船舶通航活動的一般特點;系統(tǒng)仿真研究方法在理論建模的基礎(chǔ)上增強了個體在通航活動中的交互作用,通過算法對每個Agent進行邏輯控制,能夠達(dá)到與真實航道情況最為貼近的運行效果[23-24]。綜上,本文選擇以系統(tǒng)仿真方法開展天津港東疆港區(qū)航道通過能力研究。

圖1 航道通過能力研究水域Fig.1 Study water area of channel through capacity

1 通航環(huán)境概述

本文研究水域為天津港新港航道(包含主航道和北航道),天津港主航道長47.5 km,為30萬t級深水航道,設(shè)計底標(biāo)高-22.0 m,25萬t級船舶可以隨時進港,30萬t級船舶可以乘潮進港。天津港北航道航行水域全長約10 km,設(shè)計底高程-15.5 m,其中與主航道連接段通航寬度為320 m,以北至歐亞國際集裝箱碼頭港池北邊線通航寬度為390 m,以北至匯盛碼頭港池通航寬度為185 m,可滿足10萬t級集裝箱船舶進出港要求。

根據(jù)2019年—2021年的統(tǒng)計數(shù)據(jù),天津港新港航道封航共78 d,交通管制總時約580 h,其中1月至2月封航天數(shù)為15 d,交通管制時間為78 h;11月至12月封航天數(shù)為28 d,交通管制時間為255 h;其余月份封航天數(shù)為35 d,交通管制時間為247 h。

根據(jù)《天津海事局船舶交通管理系統(tǒng)安全監(jiān)督管理規(guī)則》中“天津港主航道及附近水域船舶航行規(guī)則”要求：

(1)船舶在天津港主航道1、2號燈浮標(biāo)至西警戒線航行時,主航道35號燈浮標(biāo)(航道里程18+000)以西船舶航速最高不得超過13 kn,以東不得超過15 kn;滿載進港的15萬t級以上船舶航速最高不得超過10 kn,未經(jīng)允許,主航道內(nèi)船舶最低航速不得低于5 kn。遇到下列情況,實施單向通航：風(fēng)力小于7級,船舶單船船寬大于等于52 m(載運特殊危險品貨物的船舶單船船寬大于等于30 m);風(fēng)力小于7級,擬相對航行的船舶兩船船寬之和大于等于80.6 m(擬相對航行兩船,其中一艘為油船時,兩船船寬之和大于76.3 m;其中一艘船為載運特殊危險品貨物的船舶時,其兩船船寬之和大于等于60 m)。

(2)船舶在天津港主航道西警戒線至48號燈浮標(biāo)航行時,主航道內(nèi)船舶航速最高不得超過13 kn,船舶富裕水深不得小于1.7 m,未經(jīng)允許,主航道內(nèi)船舶最低航速不得低于5 kn;遇到下列情況,實施單向通航：風(fēng)力小于7級,船舶單船船寬大于等于40 m(載運特殊危險貨物的船舶單船船寬大于等于30 m);風(fēng)力小于7級,擬相對航行的船舶兩船船寬之和大于等于65 m(擬相對航行兩船,其中一艘為載運特殊危險貨物的船舶時,其兩船船寬之和大于等于52 m)。

另外進港靠泊北港池碼頭的其他船舶,過39號燈浮(航道里程13+910)后,盡早擇機進入主航道北側(cè)水域,通過該水域駛?cè)氡备鄢亍?/p>

2 船舶交通流特征分析

為建立仿真系統(tǒng)中船舶到港數(shù)量和時間間隔模型,對天津港2019年—2021年船舶進出港數(shù)據(jù)進行分析,以1 h為時間步長,對不同時間間隔到港船舶數(shù)量進行分類統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 不同時間間隔到港船舶統(tǒng)計Tab.1 Statistics of ships arriving at different time intervals

通過對近3 a不同時間間隔到港船舶數(shù)量進行擬合修正,船舶到港時間服從負(fù)指數(shù)函數(shù)分布模型,概率密度函數(shù)為

式中：λ為擬合系數(shù),表示船舶平均到港時間間隔。

為準(zhǔn)確模擬不同類型船舶、不同噸位到港情況,對天津港2019年—2021年船舶進出港數(shù)據(jù)進行分析,分別統(tǒng)計每個碼頭到港船舶數(shù)量、占港區(qū)到港船舶數(shù)量比例、到港船舶噸級及其占比,統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 各碼頭到港船舶分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.2 Classification data of ships arriving at each terminal

3 目標(biāo)水域通過能力仿真

3.1 仿真系統(tǒng)邏輯流程

本文設(shè)計航道通過能力仿真模型遵循船舶進出港實際作業(yè)流程,邏輯流程圖如圖3所示,主要包括以下4個階段：

圖3 船舶進出港仿真邏輯流程圖Fig.3 Logic chart of simulation on ship entry and exit

(1)錨地待泊階段。

錨地待泊過程從船舶到達(dá)港口開始,到船舶分配可?？康牟次徊Ⅰ傠x錨地結(jié)束,該過程主要在錨地中完成。系統(tǒng)按照統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型的時間間隔生成船舶Agent并到達(dá)港口。根據(jù)可?？坎次坏目臻e狀況,將空閑的泊位分配給船舶,完成指泊過程。

(2)船舶進港階段。

船舶進港過程從船舶駛離錨地進入航道開始,到船舶駛離航道進行靠泊結(jié)束。船舶進入航道前,需對航道通航條件進行判斷,包括：①自然條件(風(fēng)、潮、能見度等)是否滿足船舶進港要求;②航道條件(單雙向等)是否滿足船舶進港要求。船舶進入航道后應(yīng)遵守航行規(guī)則,保持規(guī)定航速行駛。

(3)船舶裝卸作業(yè)階段。

裝卸作業(yè)過程從船舶靠泊后開始,到船舶裝卸作業(yè)完成后結(jié)束,到港船舶裝卸作業(yè)時間與船舶載貨量、泊位裝卸工藝有關(guān)。裝卸作業(yè)時間采用各碼頭實際船舶裝卸作業(yè)時間統(tǒng)計數(shù)據(jù),擬建及在建泊位仿真過程中取同等規(guī)模碼頭裝卸作業(yè)時間數(shù)據(jù)。

(4)船舶出港階段。

船舶出港過程從船舶完成裝卸作業(yè)后開始,到船舶航道下線結(jié)束。船舶出港駛?cè)牒降狼叭孕枧袛嘧匀粭l件和航道條件,與進港過程相同,如上述條件均滿足,船舶駛?cè)牒降?否則在泊位繼續(xù)等待。

3.2 仿真系統(tǒng)假設(shè)條件

綜合考慮研究水域自然條件、船舶到港規(guī)律、相關(guān)規(guī)范以及通航管理規(guī)則等客觀要求,對真實系統(tǒng)進行合理簡化,條件如下：

(1)港口錨地資源充足,能夠為船舶提供等待航道和泊位的服務(wù);

(2)碼頭后方堆場資源充裕,能夠滿足貨物存放需要;

(3)港口裝卸作業(yè)設(shè)備工作始終正常,并按照正常裝船效率工作;

(4)船舶按照船型比例隨機到達(dá),次序遵從排隊論中先到先服務(wù)的原則,出港亦同;

(5)運行的船舶符合航道等級標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)狀態(tài)好,保持平均航行速度、運行中互無干擾;

(6)忽略航道整治、疏浚施工等船舶航行受限的情況。

3.3 仿真工況設(shè)計

根據(jù)天津港主體港區(qū)發(fā)展規(guī)劃,本文仿真模擬依據(jù)現(xiàn)狀(2019年—2021年)、近期(2025年)和遠(yuǎn)期(2035年)運營狀態(tài)及規(guī)劃,共設(shè)計5種仿真工況,如表3所示。

表3 仿真工況表Tab.3 Simulation condition

(1)工況一：工況一為現(xiàn)狀工況(2019年—2021年),該工況包括太平洋碼頭6個集裝箱泊位,北港池其他碼頭15個泊位,以及主航道兩側(cè)碼頭53個泊位,共74個泊位運營。航行規(guī)則遵守《天津海事局船舶交通管理系統(tǒng)安全監(jiān)督管理規(guī)則》要求,北港池水域船舶實行10萬t級集裝箱船單向通航規(guī)則。

(2)工況二：工況二為近期預(yù)測2025年港區(qū)運營情況,該階段增加北港池水域C段集裝箱智能泊位3個,增加擬選址于東疆港區(qū)的天津港集裝箱碼頭4個泊位,增加北港池水域海嘉碼頭2個泊位,共有83個泊位運營,其中,集裝箱碼頭參照太平洋碼頭同等規(guī)模泊位運營。航行規(guī)則同現(xiàn)狀工況相同。

(3)工況三：工況三為近期預(yù)測2025年港區(qū)運營情況,與工況二相同,不同之處在于北港池水域?qū)嵭?0萬t級集裝箱船單向兼顧10萬t級集裝箱船雙向的通航規(guī)則。

(4)工況四：工況四為遠(yuǎn)期預(yù)測2035年港區(qū)運營情況,根據(jù)天津港總體規(guī)劃和天津港主體港區(qū)實際運行情況,在工況二的基礎(chǔ)上增加?xùn)|疆港區(qū)集裝箱泊位8個和郵輪泊位2個,增加北疆港區(qū)集裝箱泊位8個,增加南疆港區(qū)北側(cè)30萬t油船泊位2個。共有103個泊位運營,其中,集裝箱碼頭參照太平洋碼頭同等規(guī)模泊位運營,郵輪泊位參照原郵輪碼頭同等規(guī)模泊位運營,油船泊位參照南疆30#泊位運營。航行規(guī)則遵守《天津海事局船舶交通管理系統(tǒng)安全監(jiān)督管理規(guī)則》要求,北港池水域船舶實行10萬t級集裝箱船單向通航規(guī)則。

(5)工況五：工況五為遠(yuǎn)期預(yù)測2035年港區(qū)運營情況,與工況四相同,不同之處在于主航道35+000至47+500段水域拓寬后,實行全線雙向通航規(guī)則(設(shè)定船寬要求限制),北港池水域?qū)嵭?0萬t級集裝箱船單向兼顧10萬t級集裝箱船雙向的通航規(guī)則。

4 航道通過能力分析

4.1 評價指標(biāo)的確定

對港區(qū)運營現(xiàn)狀進行調(diào)研,綜合考慮未來發(fā)展趨勢,本文選取以下指標(biāo)對航道通過能力進行評價,建立評價標(biāo)準(zhǔn)如表4和表5所示。

表4 郵輪、集裝箱碼頭航道通過能力評價指標(biāo)Tab.4 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

(1)船舶進港平均等待時間。

船舶進港的平均等待時間為船舶到錨地時間與開始進港航行時間之差,包括平均等待泊位時間和平均等待航道時間。船舶等待泊位時間是指由于沒有可以靠泊的泊位而產(chǎn)生的等待時間,該時間反映了在指定時段下,泊位與到港船舶之間的匹配關(guān)系,船舶等待泊位時間越長,泊位數(shù)量越緊張。船舶等待航道時間主要由兩部分構(gòu)成：①自然條件等待時間;②航道條件等待時間。船舶等待航道時間能直接反映航道交通狀況,當(dāng)船舶進港等待航道時間越短時,船方在港待泊的費用低,則船方的經(jīng)濟性越好。

(2)船舶出港平均等待時間。

船舶出港的平均等待時間為船舶在泊位裝卸作業(yè)完成后等待航道時間。與船舶進港等待航道時間相似,其主要由兩部分構(gòu)成：①自然條件等待時間;②航道條件等待時間。船舶等待航道時間能直接反映航道交通狀況。

(3)泊位(碼頭)利用率。

泊位利用率為船舶年占用泊位時間與年日歷時間的百分比。數(shù)值越大船舶等待的可能性越大,數(shù)值越小則浪費泊位資源。根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS 165—2013)中7.10節(jié)相關(guān)內(nèi)容,泊位利用率應(yīng)根據(jù)運量、到港船型、泊位裝卸效率、泊位數(shù)船舶在港費用和港口投資及營運費用等港口實際情況和各類因素綜合考慮,以港航整體經(jīng)濟效益為目的,集裝箱碼頭有效利用率可參考范圍為50%～70%,件雜貨碼頭可參考范圍為57%～75%,煤炭碼頭可參考范圍為56%～75%,液體散貨碼頭可參考范圍為55%～70%。

(4)港口服務(wù)水平指標(biāo)AWT/AST。

根據(jù)國際航運協(xié)會發(fā)布的《進港航道設(shè)計指南》,港航系統(tǒng)的服務(wù)水平可借鑒港口服務(wù)水平指標(biāo)(AWT/AST)。其中AWT為船舶的平均等待時間,包括平均等待泊位時間和平均等待航道時間;AST為船舶平均在泊作業(yè)時間。AWT/AST越高,說明船舶相對等待時間越長,是以犧牲船方利益為代價來提升港口的吞吐量;AWT/AST越低,表明港口的服務(wù)水平越高,但會浪費部分港區(qū)裝卸能力和泊位資源。

聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議在《發(fā)展中國家港口規(guī)劃手冊》中指出,通常認(rèn)為等待時間不宜超過裝卸作業(yè)時間的10%～50%,其取值范圍在0.1≤AWT/AST≤0.5。

根據(jù)《海港集裝箱碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-4—2011),建議沿海港口集裝箱碼頭中,3個以上泊位連續(xù)布置的大型(5萬t級以上)集裝箱碼頭服務(wù)水平指標(biāo)宜為0.1≤AWT/AST≤0.3;2個以下泊位組成的小型集裝箱碼頭服務(wù)水平指標(biāo)宜取0.4≤AWT/AST≤0.5。

4.2 仿真結(jié)果分析

本文利用Anylogic系統(tǒng)建模和仿真工具,采用Agent建模方法對天津港東疆港區(qū)進行了航道通過能力建模仿真,圖4為仿真效果圖。工況一為模型驗證工況,對關(guān)鍵參數(shù)進行比對,驗證結(jié)果如表6～表8所示,分別是到港船舶數(shù)量驗證、年貨物吞吐量驗證,在泊總時間驗證,誤差均在5%以內(nèi),能較好地體現(xiàn)港區(qū)實際運營規(guī)律。

表6 到港船舶數(shù)量驗證Tab.6 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

表7 年貨物吞吐量驗證Tab.7 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

表8 在泊總時間驗證Tab.8 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

圖4 仿真效果圖Fig.4 Simulation rendering

其他工況下,港區(qū)年貨物吞吐量、到港船舶數(shù)量、集裝箱吞吐量如表9所示,各工況中不同評價參數(shù)計算結(jié)果如圖5～圖8所示。

表9 各工況仿真結(jié)果匯總Tab.9 Summary of simulation results

圖5 船舶進港平均等待時間仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of average waiting time for ships entering port

圖6 船舶出港平均等待時間仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of average waiting time for ships departure

圖7 泊位(碼頭)利用率仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of berth utilization

圖8 港口服務(wù)水平仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of port service level

工況2由于北港池增加C段集裝箱、東疆港區(qū)集裝箱碼頭和海嘉3個碼頭,使北港池進出船舶數(shù)量增加,造成原有碼頭等候時間有所增加,該工況可滿足郵輪船舶和集裝箱船舶正常通航要求,滾裝船舶、散雜貨船舶和油船的進港等候時間偏長,但仍可滿足大部分船舶的通航需求。

工況三對比工況二,調(diào)整北港池兼顧10萬t級集裝箱船雙向航行規(guī)則,使北港池水域碼頭的船舶平均等候時間有所減少,但對主港區(qū)碼頭影響不大。該工況可滿足郵輪船舶和集裝箱船舶正常通航要求,滾裝船舶、散雜貨船舶和油船的進港等候時間偏長,但仍可滿足大部分船舶的通航需求。

工況四新增加泊位20個,使到港船舶數(shù)量增加2 131艘,造成港區(qū)各碼頭船舶進港和出港平均等候時間均有所增加,北港池水域多數(shù)碼頭和主航道部分碼頭增加幅度較大。該工況基本可以滿足郵輪船舶和集裝箱船舶正常通航要求,但北港池中集裝箱的航道通過能力部分評價指標(biāo)有待提升,需通過調(diào)整船舶調(diào)度方式等減少船舶的等待時間。

工況五對比工況四,調(diào)整北港池兼顧10萬t級集裝箱船雙向航行規(guī)則,使北港池水域碼頭的船舶進港平均等候時間減少,主航道水域碼頭受影響較小。該工況基本可以滿足郵輪船舶和集裝箱船舶的正常通航要求,但北港池中集裝箱的航道通過能力部分評價指標(biāo)有待提升,需通過調(diào)整船舶調(diào)度方式等減少船舶的等待時間。滾裝船舶、散雜貨船舶和油船的進港等候時間偏長,基本滿足船舶的通航需求,但會造成船方利益受損。

5 結(jié)論

通過對天津港東疆港進行航道通過能力建模仿真研究,模擬了天津港現(xiàn)狀、近期和遠(yuǎn)期碼頭泊位在不同通航條件下的運營狀況,并根據(jù)調(diào)研成果對模擬工況進行評價。結(jié)果表明：近期工況中滾裝、散雜貨和油船等候時間較長,但能夠滿足大部分船舶的通航需求,北港池航行規(guī)則的調(diào)整能夠較好地緩解北航道交通狀況,但對主航道影響較小;在遠(yuǎn)期工況中,雖然對北航道和主航道都進行了優(yōu)化,但對進港優(yōu)先級較高的郵輪和集裝箱船舶的航道通過能力評價指標(biāo)不滿。因此對仿真結(jié)果進行分析：(1)船舶大型化所產(chǎn)生的單向通航需求對航道通過能力的影響較大,建議開展大型船舶單雙向通航規(guī)則進行優(yōu)化和調(diào)整研究,在保障安全的前提下進一步釋放航道能力;(2)遠(yuǎn)期工況中,港區(qū)部分碼頭泊位利用率仍較低,建議在規(guī)劃碼頭建設(shè)過程中結(jié)合理論研究同步進行,優(yōu)化港區(qū)碼頭泊位布置以及與航道的適應(yīng)性,深度挖掘航道潛能,全面提升天津港綜合競爭力。