基于WS的内河水上服务区平面布置的研究

肖铭坤　郭国平

(武汉理工大学航运学院　武汉　430063)

基于WS的内河水上服务区平面布置的研究

肖铭坤郭国平

(武汉理工大学航运学院武汉430063)

摘要：在对内河水上服务区的概念进行阐述的基础上，分析内河水上服务区的功能需求，运用模糊数学理论对各功能版块相互之间的特征关系进行权重赋值，结合小世界模型(WS Model)，研究内河水上服务区的平面布置.

关键词：小世界模型；内河水上服务区；功能需求；平面布置

肖铭坤(1990- )：男，硕士生，主要研究领域为水域环境污染防治技术

0引言

随着社会经济的不断发展，对内河水路运输提出高效益、高质量的要求，目前内河干线航道网规划建设已初具规模，干线航道上也出现水上加油站、水上服务区等之类的水上服务设施.但是相对于陆上高速公路上的服务区[1]，水上服务区在一定程度上无法满足日益增加的水路运输服务的需求，具体体现在：缺乏统一规范的建设标准、统一完善的管理体制等，这使得内河水上服务区对过往船舶进行服务时，往往出现服务内容单一、匮乏；服务区安全隐患等一系列问题，这些都制约了内河水上服务区的发展和内河水路运输的进步.针对这种情况，本文从内河水上服务区功能需求的角度出发，通过模糊数学理论的相关思想，采用小世界模型的方法，提出一种内河水上服务区平面布置的方案.

1内河水上服务区的概念

1.1内河水上服务区的定义

水上服务区是指保障水上运输高速化、高效性，为水上运输提供高质量服务的配套设施，其主要功能是满足航道上过往船民和船只的各种服务需求，包括提供船民必备的生活购物，等待过闸休息，必要的餐饮娱乐，以及提供船舶停靠、加油、交费、维修，以及废油回收等需求.而内河水上服务区是指那些建设在内河航道的水上服务区.

1.2内河水上服务区的功能分析

1) 现有的内河水上服务区功能分析根据现有的一些水上服务设施，可以发现内河水上服务区的功能主要有：(1)船舶服务方面，主要包括船舶停泊、修理、补给和排污处理等；(2)船员服务方面，主要包括医疗、住宿、购物及其他消费等；(3)物流运输方面，主要包括货物的装卸、仓储、中转和运输交易等.

2) 内河水上服务区功能的发展趋势预测分析内河运输过程的相关环节，可以对内河水上服务区的功能发展趋势主要做以下几方面的预测.

(1)水上行政管理方面据统计资料显示，每年长江沿线航行的船舶中，70%的存在超载行为，虽然沿线海事主管部门采取了一系列的管制、处罚方面的手段，但是超载行为屡禁不止，究其根本在于一条“罚单不重开”的政策上面，很多时候一张小小的罚单成为超载船舶一路畅通的通行证，这将给长江沿线的内河交通带来严重的隐患.内河水上服务区的出现，给解决这个难题提供了一个契机.结合现有水上服务区的物流储备方面的功能和海事行政方面的管理职能，执行过载货物的强制卸载，这对于长江沿线内河运输的安全有着重大的意义.

可以预见，随着海事行政管理功能的融入，内河水上服务区水上行政管理方面的功能也将进一步完善，其中包括船舶签证、水运报港、超载处理、船舶交易，管理信息和规费征收等一系列功能也将逐步融入.

(2)安全救助及防污应急方面据统计，在长江内河沿线上，基本上每个分支局辖区均设有救助打捞机构.在实现内河水上服务区水上行政方面的功能之后，内河水上服务区实现安全救助已不再是幻想，同样类似于防污应急设备库的防污应急方面的功能也必将在内河水上服务区看到其“身影”.

3) 内河水上服务区的基本布置综合上述，有关内河水上服务区的功能分析，大致可以将内河水上服务区的基本格局分为以下几个方面[2-4]：(1)船舶服务方面,具体包括停泊区、加油区、维修区、排污处理区；(2)船员服务方面,主要包括医疗救助区和消费区等；(3)物流运输方面,主要包括装卸区和储藏区；(4)行业管理方面,主要包括行政区、打捞救助区和防污应急区.

具体地，内河水上服务区可分为如表1所列的几个功能版块.

表1　内河水上服务区功能表

2WS模型在内河水上服务区平面布置上的运用

2.1小世界理论的相关内容

小世界理论的基本思想是：任意2个陌生人之间所间隔的人不会超过5个，也就是说，最多通过5个中间人你就能够认识任何1个陌生人.1998年，Watts和Strogatz基于此提出了小世界网络这一概念，并建立了WS模型，这个模型介于传统的规则最近邻耦合网络和ER随机网络之间，同时具有小世界特性和聚类特性,可以很好的来表示真实网络.

WS小世界模型的构造方法是[5]：

1) 从规则图开始构造一个含有N个点的最近邻耦合网络，使他们围成一个环.其中，每个节点都与它左右相邻的各K/2节点相连，K是偶数.

2) 随机化重连以概率p随机地从新连接网络中的每个边，即将边的一个端点保持不变，而另一个端点取为网络中随机选择的一个节点.其中规定，任意两个不同的节点之间至多只能有一条边，并且每一个节点都不能有边与自身相连.

在上述模型中，p=0对应于完全规则网络，p=1则对应于完全随机网络，通过调节p的值就可以控制从完全规则网络到完全随机网络的过渡，见图1.

图1　小世界网络

2.2WS模型在内河水上服务区平面布置上的运用

在WS小世界网络中，平均路径长度也称为特征路径长度或平均最短路径长度，指的是一个网络中2点之间最短路径长度(或称距离)的平均值.从1个节点Si出发，经过与它相连的节点，逐步“走”到另1个节点Sj所经过的路途，称为两点间的路径.其中最短的路径也称为两点间的距离，记作d(i,j).

而平均路径长度定义为

式中：N为节点数目，并定义节点到自身的最短路径长度为0.

在内河水上服务区平面布置研究中，将内河水上服务区的7个功能版块视为WS模型中的节点，即有N=7；而d(i,j)指的是相邻版块间的相互特征关系，根据模糊数学理论的相关思想，对这种关系进行量化.最后，根据WS理论中节点，N，d(i,j)在内河水上服务区平面布置研究中的具体意义，建立相应的内河水上服务区平面布置中的WS模型.

3内河水上服务区平面布置研究中WS模型的建立

3.1相关要素的确定

根据2.2关于内河水上服务区平面布置中的WS模型建立的相关内容，可以确定节点及d(i,j).

1) 节点节点指的是内河水上服务区的7个功能版块，分别为停泊区(O)、船舶服务区(A)、生活区(B)、码头装卸区(C)、货物储藏区(D)、行政办公区(E)及应急救助区(F)，即有N=7.

2) d(i,j)d(i,j)即为相邻版块间的相互特征关系，计算方法为

式中：C(i,j)即相容性(compatibility)，表示相邻两个版块之间的兼容程度，相容性体现在相互之间的促进作用，例如，A区和F区，应急救助区的应急设备库有助于应对船舶加油过程出现的一些紧急情况，这种关系表现为相容性，数值上用负数表示；E(i,j)，即排斥性(exclusiveness)，表示相邻两个版块之间的排斥程度，排斥性体现在相互之间的负面作用，例如：A区和B区，船舶服务区中的一些活动会对生活区的正常活动产生负面影响，这种关系表现为排斥性，数值上用正数表示.

借鉴模糊数学方面的理论，针对不同板块间的相互关系，可以得出赋值对应表，见表2.

表2　赋值对应表

3.2WS模型的建立

分析内河水上服务区各版块间的相互关系，综合考虑人员生命、财产安全，可能发生事故/险情的概率，以及发生事故/险情之后的应急反应能力，得出如图2、表3所示的关系.

表3　特征关系表

图2　特征关系图

根据图2、表3表现出的内河水上服务区各版块间的特征关系，对照表2的相关内容得到如表4所列的不同功能版块间的特征关系对比情况.

表4　不同功能版块间的特征关系对比表

根据表4中得出的特征关系值，可以进行初步的平面布置设计,再通过小世界理论平均路径长度 dc的计算，来进行布置方案的优化.

4实例应用

选取无锡市宜兴地区的某水上服务区为背景，采用作图逼近法进行选址[6-7].在确定停泊区位置之后，根据所建立的WS模型得出的不同功能版块间的特征关系对比表，将内河水上服务区的功能版块分为3个序列.

第一序列：包括与停泊区相容性高的A区和C区.

第二序列：包括与停泊区相容性稍弱的F区。

第三序列：包括剩下的不大适合布置在水域附近的B区、D区和E区.

考虑当地自然条件，同时计算各序列功能版块间的平均路径长度来进行布置方案的优化：(1)考虑风流条件，A区涉及船舶加油，维修，存在溢油污染的风险，故A区尽量位于C区下游下风向；(2)F区为应急救助区，有助于与其他版块的应急救助服务，在整个内河水上服务区平面布局中应居于中间策应位置；(3)B区、D区、E区的布置，首先考虑到这些板块都是背离O区的；其次，F区的相对位置关系较确定；最后，其与A区、C区的关系，需计算平均路径长度.

根据对特征关系值的定义，值越小，表示两者间的关系越融洽，适合布置在一起，比较上述12个值，可以确定B，D，E区的相对位置关系.

综合布置方案的优化结果，得出如图3所示的内河水上服务区平面布置示意图.

图3　内河水上服务区平面布置示意图

5结束语

通过对内河水上服务区的概念进行阐述，分析内河水上服务区的功能需求从而得到内河水上服务区功能分布，结合模糊数学理论来进行内河水上服务区平面布局研究中WS模型的建立.通过WS模型分析得出的不同功能版块间的特征关系对比表，结合江苏省无锡市宜兴地区的某内河水上服务区的实际情况，进行内河水上服务区平面布置的研究.但是由于某些方面的缺陷，平面布置示意图中没有相对精细的规划布置，在将来的日子中仍需进一步优化.

参 考 文 献

[1]张松．浅议高速公路服务区的规划与设计[J]．运输纵横，2003(2)：55-58.

[2]温旭丽，樊钧，过秀成，等.高等级航道水上服务区规划建设思考[R].南京：东南大学交通学院，2004.

[3]温旭丽，李辉，过秀成.高等级航道水上服务区的探索与实践[J].中国水运，2011(9)：45-48.

[4]王国新.无锡市高等级航道水上服务区布局规划研究[D].南京：东南大学，2006.

[5]WS小世界网络模型构造[EB/OL].[2014-10-15].http:∥wenku.baidu.com/.

[6]宿迁市交通局航道处．京杭运河宿迁闸水上服务区详细规划[R]．上海：大德，2004.

[7]过秀成，温旭丽．京杭运河宿迁闸水上服务区工程可行性研究[R]．南京：东南大学交通学院，2004.

中图法分类号：U113

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.036

收稿日期：2014-11-18

Research on the Plane Layout About Inland
Waterway Service Area Based on WS Model

XIAOMingkun GUO Guoping

(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)

Abstract：Based on the concept of the inland waterway service area, the article analyzes the functional requirements first. Then, it associates the functional sections with the different weight on the mutual interests between each other by using the fuzzy mathematical theory. Finally, it carries out the research on the planer layout of the inland waterway service area, combining with the WS (Watts and Strogatz) model.

Key words：WS model；inland waterway service area；functional requirements；plane layout