基于SIMIO的航道通过能力仿真研究

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

基于SIMIO的航道通过能力仿真研究

李绍武1，2，李文1*，黄泰坤3

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

以某沿海港口为例，采用新一代面向对象的建模软件SIMIO构建了航行作业系统模型，计算了其航道通过能力，分析了港口运营状态，验证了仿真模型的可靠性，并分析了两种装卸效率下，不同船流密度对通过航道货运量、AWT/AST和AWT的影响。研究结果表明，航道货运量随船流密度的增加而增大，且存在一个极限值，高效率的装卸设备只有在船流密度较大时才能发挥作用。为真实、客观地分析和预报港口航道通过能力提供一种新工具。

仿真；SIMIO；航道通过能力

0 引言

港口航行作业系统是典型的离散事件系统，用传统数学分析方法很难真实地反映港口运营过程中各要素的随机动态变化。计算机仿真技术是研究这类随机、动态、复杂系统问题的有效方法。仿真过程通过修改和调整模型参数可以重复试验，并可实时观察修改带来的影响。

采用SIMIO仿真软件进行建模，以“面向对象”的建模思维取代“面向过程”和“面向事件”的传统建模方式，在一定程度上简化了建模过程[1]，并且在标准对象库和标准过程的基础上，通过修改对象属性、为对象增减过程，得到具有特定行为的对象。在对港口航行作业系统进行分析的基础上，基于SIMIO仿真平台建立可视化的港口航行作业系统仿真模型。用某沿海港口的实际资料验证模型的可靠性；在此基础上，通过修改仿真参数，讨论两种不同装卸效率下船流密度对通过航道货运量、港口服务水平AWT/AST和船舶平均等待时间AWT的影响。为港口航道通过能力计算提供新方法。

1 港口航行作业系统分析

港内船舶的服务过程以船舶到达锚地为起点，以船舶离开港口为终点，包括船舶到达港口、锚地排队待泊、驶入航道、靠泊作业、解缆离泊、驶入航道、离开港口等作业环节。港内船舶作业可以抽象为以下建模逻辑流程（图1）。

1）船舶抵港后，对船舶属性赋值，进入锚地待泊；

2）根据船舶属性，检查是否存在满足其靠泊要求的空闲泊位，若有则进入3），否则，在锚地继续等待；

3）判断风、浪、雾、潮位等自然条件是否满足船舶通航条件，若是则进入4），否则继续在锚地待泊；

4）限定双向航道，无需判断船舶航行方向，只需满足相邻船舶安全时距的要求，满足则进入5），否则锚地待泊；

5）船舶进行解系缆、靠泊并完成装卸作业后，再次判断航道中的船舶是否满足安全时距，满足则进入航道，离港；否则继续等待。

图1 港口航行作业系统逻辑模型Fig.1 Logic model of ship navigation-operation system of port

2 港口航行作业系统仿真模型

在分析航道作业过程的基础上，构建可视化的港口航行作业系统仿真模型。首先，从标准对象库中选取相关对象置于工作区，按照逻辑关系建立各对象的相互连接关系，初步建立可视化的静态系统模型。然后，在对象的属性面板中有选择地对相关参数进行设置，修改对象属性，使引入的对象成为港航作业系统中的组成元素，并采用过程编辑器来修改和扩展对象的行为，使之符合港航作业系统的逻辑规则。利用3D绘图软件GoogleSketchUp绘制地形图，结合SIMIO预制的3D图形，创建具有动画效果的系统模型（图2）。

图2 可视化3D动画系统模型Fig.2 Model of 3D visualization animation system

2.1 模型中主要组成对象

1）实体（ModelEntity）：船舶；

2）源对象（Source）：创建船舶；

3）服务器（Server）：泊位；

4）队列（Storage）：锚地；

5）时间路径（TimePath）：船舶作业过程；

6）资源（Resource）：航道；

7）退出系统（Sink）：船舶离港。

2.2 仿真建模过程

2.2.1 船舶到港

用 SIMIO标准对象库中提供的源对象（Source）产生船舶实体，在Source的属性面板定义船舶实体类型（Entity Type）以及船舶实体到达的时间间隔分布类型（Interarrival Time），引用部件表（Table），设置各类船舶实体混合比例（Type）、船舶吨级（Tonnage）、船舶通航水深（Level）、路径链表（NodeList）。随后将船舶实体送入港外锚地，通过在过程编辑器中添加Insert步骤，插入队列（Storage）来表示锚地排队待泊，至此，船舶完成到港过程。

2.2.2 选择泊位及检查潮汐条件

船舶到港后，根据船舶实体的类型和属性，通过过程编辑器中Route步骤指定满足其靠泊条件的空闲泊位 （NodeList）；在函数定义区（Functions） 输入随时间变化的潮位公式（FunctionTide），在过程编辑器中采用Decide步骤实时判断潮位条件是否满足船舶实体的通航水深（Level），当泊位和潮汐条件均满足，进入航道，否则继续等待。

2.2.3 船舶的安全时距

根据航道内同向航行船舶需要遵循安全时距的原则，在过程编辑器中添加Seize步骤，抓取航道资源（Resource_In），并添加Execute步骤来触发Execute_Distance_In过程，在该过程中船舶实体抓取航道资源并延迟（Delay）一定时间后释放（Release）航道资源。

2.2.4 船舶装卸作业

船舶到达相应的泊位（Server）后，在Server属性面板中设置实体进行辅助作业（Transfer-In Time），根据船舶属性和泊位装卸效率，设置Server的装卸作业时间（Processing Time），由于泊位处不存在排队等待，因此泊位的等待队列（Buffer Capacity）设置为0。

2.2.5 船舶离港

在泊位（Server）处装卸完毕的船舶实体按照与进港时相同的规则进入航道，即先完成装卸作业的船舶抓取航道资源（Resource_out），然后执行Execute_Distance_Out过程，即抓住航道资源一定时间后释放资源，继续航行，直到离港进入（Sink）。

2.2.6 天气因素（风、浪、雾等）

由于天气因素导致港口存在不可作业的时间，通过时钟元素（Timer1）设置事件发生的时间，并与过程编辑器相结合，添加失效（Fail）步骤，控制航道资源失效，禁止船舶实体进入航道，用Timer2设置恢复港口作业的时间，在过程编辑器中采用恢复（Repair）步骤，恢复利用航道资源，使船舶能够进入航道。

3 仿真实验与实验分析

3.1 仿真实验数据资料

以某港口为例，对该港口2004年到港船舶数据及航道资料进行统计，并按照JTJ 211—99《海港总平面设计规范》得出设计船型、船型比例，以及航道的通航水深，如表1所示。

该港口主航道为10万吨级双向航道，底高程-15 m，10万吨级货船需乘潮进港，外航道长19 km，内航道长约10 km。按照航速限制规定设置外航道和内航道航速分别为10 kn和6 kn，通航历时为1.92 h，同向航行船舶的安全时距为20 min[2]。

主航道两侧有各类生产性泊位48个，船舶随机停靠与之种类和靠泊能力相符的泊位进行装卸作业，装卸作业效率按照各泊位平均效率设定，船舶的辅助作业（回转水域调头、靠离泊及解系缆作业）时间取1.5 h。

表1 到港船舶船型统计Table 1 Ship type statistics for the vessels arrived at the port

该港口海域潮汐为不规则半日潮，模型中采用4个分潮进行合成，潮位合成公式为：

式中：η为潮位；η0为平均水位，取2.81 m；ai为分潮振幅；ωi为分潮频率；t为时间；εi为分潮迟角。各参数取值见表2。

表2 各分潮参数Table 2 Various tide constituent parameters

根据工程资料，因天气因素（风、浪、雾等）导致港口1 a中平均不可作业天数为25 d。

3.2 模型系统评价指标

选取能够反映港口系统运营状况的评价指标：

1） 港口吞吐量

港口吞吐量是指1 a内，经水运输出、输入港区并经过装卸作业的货物总量，是衡量港口规模大小的最重要的指标。

2） 船舶平均在港时间

船舶平均在港时间反应了港口的综合服务水平，在港时间越长，表明相对服务水平越低；在港时间越短，表明相对服务水平越高。

3） 港口服务水平指标AWT/AST

国际上通常用指标AWT/AST来衡量一个港口的服务水平[3]。其中AWT表示船舶的平均等待时间，AST表示船舶平均在泊时间。AWT/AST越高，说明船舶相对等待时间越长，是以牺牲船方利益为代价来提升港口的吞吐量；AWT/AST越低，表明港口的服务水平越高，但浪费部分港区装卸能力和泊位资源。

4） 泊位利用率

泊位利用率为船舶年占用泊位时间与年日历时间的百分比。数值越大船舶等待的可能性越大，数值越小则浪费泊位资源。

3.3 仿真模型结果及分析

1）根据该港口2004年统计资料，参照该港口以往船舶到港规律及到港船舶资料，设置船舶平均到港时间间隔服从负指数分布，船舶到港时间间隔λ平均为31.8 min，仿真周期1 a，模型重复运行10次，得到表3验证结果。

2）在原模型实际装卸效率的基础上，将泊位装卸效率提高到额定值，运行试验模型，得到表3试验结果。

表3 仿真实验结果Table 3 Simulation experiment results

3）在原模型与试验模型的基础上，分别设置不同的船舶到港时间间隔，以此来模拟不同的船流密度，得到两种装卸效率下，船流密度与航道货运量、AWT/AST和AWT的关系曲线，分别如图3、图4、图5所示。

从计算结果可以看出，验证模型中通过航道的货运量为21 047.3万t，与该港口2004年实际统计结果22 887万t基本一致。泊位利用率为50%左右，与实际数据基本相符，模型总体能反映出该港口当时的实际运营状态。泊位装卸效率提高后，航道货运量为21 155.3万t，与低效率状态下的数据基本相同，可见航道通过能力受泊位装卸效率的影响不大，但船舶平均在港时间为由原来的31.8 h变为14.24 h，比低效率状态下减少了一半；AWT/AST也由0.65降低到0.56，服务水平有所提高，各类泊位利用率显著降低。

图3 两种装卸效率下船流密度与通过航道货运量关系曲线Fig.3 Relationship curve of ship traffic density and cargo throughput in two different conditions of handling efficiency

图4 两种装卸效率下船流密度与AWT/AST关系曲线Fig.4 Relationship curve of ship traffic density and AWT/AST in two different conditions

图5 两种装卸效率下船流密度与AWT关系曲线Fig.5 Relationship curve of ship traffic density and AWT in two different conditions

该港口两种装卸效率下，航道货运量、AWT/ AST、AWT与船流密度关系曲线显示，船流密度较低时，随着船流密度加大，航道货运量持续增加，但AWT/AST、AWT变化不大；当达到一定船流密度时，通过航道货运量达到极限值不再变化，而AWT/AST、AWT急剧增长，表明航道极其拥堵，到港船舶因航道受限而需要持续等待。

图3中显示，在同一船流密度下，两种装卸效率航道货运量几乎相同，当船舶到港时间间隔小于30 min左右时，较高装卸效率的航道货运量大于较低装卸效率的航道货运量；当船舶到达时间间隔小于20 min左右时，两种装卸效率的航道货运量均达到极限值。这表明高效率的装卸设备在相对较大船流密度条件下才能充分发挥作用。

图4和图5中曲线的水平段显示，船流密度较小时，到港船舶的多少对AWT和AWT/AST影响不大，且由于较高装卸效率的船舶平均在泊作业时间AST相对减小，因此出现高效率的AWT/ AST反而大于低效率的结果，即出现低效率的港口服务水平优于高效率的表面现象。由此可见，不能以AWT/AST作为评价港口服务水平的单一指标，而应同时考虑船舶总在港时间。船舶到港时间间隔较小时，曲线出现突变，表明随着船流密度加大，低效率的港口提前出现拥堵，AWT与AWT/AST快速增长，港口服务水平急剧降低。

4 结语

根据港口航行作业系统的作业流程，基于SIMIO仿真平台，建立了某港口航行作业系统仿真模型，仿真结果基本能够反映该港口实际运营状况，分析探讨了两种装卸效率下，船流密度对通过航道货运量、AWT/AST和AWT的影响，结论如下：

1）通过航道货运量随着船流密度的增加而增大，但是存在一个极限值。

2）高效率的装卸设备只有在船流密度较大时才能发挥其作用；船流密度较小时，装卸效率对提高通过航道货运量和港口服务水平影响甚微。

3）以AWT/AST作为评价港口服务水平的单一指标欠妥，应同时考虑船舶总在港时间为宜。

志谢：

美国SIMIO LLC有限责任公司提供SIMIO软件使用权。

[1]刘宝宏.面向对象建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2011. LIU Bao-hong.Object-oriented modeling and simulating[M].Beijing：Tsinghua University Press，2011.

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[3]陈琦，郭子坚，宋向群，等.船舶安全时距对散货港口服务水平的影响[J].港工技术，2011（6）：19-22. CHEN Qi，GUO Zi-jian，SONG Xiang-qun，et al.Service of bulk cargo terminal being affected by safe time-interval of ships enterleaving port[J].Port Engineering Technology，2011（6）：19-22.

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Simulation study of channel throughput based on SIMIO

LI Shao-wu1，2，LI Wen1，HUANG Tai-kun3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.CCCC-Key Hydrodynamic Laboratory for Coastal Engineering，Tianjin 300222，China；3.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

The object-oriented new-generation simulation software SIMIO is applied to constitute a model of ship navigation-operation system of a coastal port.The throughput of the channel is calculated based on the simulation results.Analysis of the port operation status by using the model is performed to verify the reliability of the simulation model.In two different conditions of handling efficiency，the effects of ship traffic density on cargo throughput，AWT/AST and AWT are analyzed.The results indicate that the volume of cargo throughput of the channel increases as the ship traffic density increases but with an upper limit and that the loading/unloading equipments of higher efficiency can play significant role only in the situation of higher ship traffic density.The method provides a new tool for real，objective analysis and forecast of the throughput of channel.

simulation；SIMIO；throughput of channel

U612.32

：A

：1003-3688（2014）03-0009-04

10.7640/zggwjs201403002

2013-11-18

2014-02-12

李绍武（1962— ），男，天津市人，博士生导师，教授，主要从事港航工程及河流、海岸动力学研究。

*通讯作者：李文，E-mail∶liwentju@126.com