桥梁施工受限水域船舶拥塞风险辨识及对策

陈蜀喆, 桓 泽， 袁志涛

(1.内河航运技术湖北省重点实验室, 武汉 430063；2.武汉理工大学 a.航运学院；b.能源与动力工程学院， 武汉 430063)

桥梁施工受限水域船舶拥塞风险辨识及对策

陈蜀喆1,2a, 桓 泽2b， 袁志涛1,2a

(1.内河航运技术湖北省重点实验室, 武汉 430063；2.武汉理工大学 a.航运学院；b.能源与动力工程学院， 武汉 430063)

在跨长江桥梁建设阶段,往往会由于施工作业水域设置等原因而使水域受限，在不同水位期造成桥位局部拥塞并使潜在水上交通事故风险提升。对此，进行以施工期通航净宽和通过能力分析为基础的拥塞风险仿真及对策研究具有较强的针对性和现实意义，可在实际施工前对施工受限水域拥塞风险进行辨识，提出降低拥塞风险的对策，为施工期临时航路设置和海事监管部门安全监管提供辅助决策。研究结果表明：在所提供的通航环境条件下，桥梁施工受限水域上行通过能力不足，存在拥塞风险，需在拆除下游化工码头的基础上进行施工期多线航路规划。

水路运输;船舶拥塞；风险辨识；桥梁施工受限水域；对策研究

Abstract: During the construction of a bridge a part of navigable waters are occupied by the project. This may cause regional traffic congestion and a high risk of accident in the periods of certain water levels on the Yangtze River. The navigable clear width and its passing capacity is analyzed, and the risk of traffic congestion by means of simulation is identified. A case study is presented, which indicates that, during the construction period of the bridge, the passing capacity will not be enough for upriver ships, therefore, a multi-line route plan should be devised. The possible solution is to remove the chemical dock downriver temporaily. This study, predicting the traffic congestion risk of a bridge construction project, will be useful for planning of this kind of projects.

Keywords: waterway transportation; vessel traffic jam； risk identification; water area constrained by bridge construction； countermeasure planning

船舶受限水域一般是指受到水域或水深限制而不能自由操纵的可航水域。与港口水域和开阔水域相比，受限水域具有特定的交通流和船舶拥塞特征，且缺乏针对性的分析与对策，在该水域发生水上交通事故的风险较高。

随着大跨度的桥梁建设方案不断出现，施工过程中涉水桥墩基础、主桥墩及上部相关设施的建设会对原有的船舶交通流和通航环境产生较大影响，导致船舶拥塞等水上交通安全风险增大、海事安全监管的难度增加，若不进行相应的风险辨识并提出对策，将形成较大隐患。

目前，大部分学者都是利用事故因果连锁理论来研究内河航道拥堵的成因，描述基于贝叶斯网络的内河航道拥堵预测预警模型；此外，还有一些学者利用聚类分析法确定拥挤航段，通过计算簇内航段水域交通密度并将其与航道最佳密度相比较，判断航道是否拥挤。然而，很少有针对具体受限水域通航环境对船舶拥塞风险进行辨识的研究。

1 桥梁施工受限水域船舶交通流特征

以拟建的某长江公铁大桥为例对桥梁建设前和施工中的船舶交通流特征进行分析。拟建桥梁工程的平面布置见图1。

图1 拟建桥梁工程的平面布置

1.1桥梁施工水域船舶交通流特征分析

根据不同水位期的船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)调研资料，桥梁施工水域船舶的上行和下行航线均较为分明；船舶航线较为分散，上行和下行航迹线的宽度相对较大(上行约400 m,下行约350 m)。拟建工程位于芜湖长江大桥上游约3 km位置处，洪水期上行船舶通过芜湖长江大桥后均向左岸侧过渡并偏靠左岸侧航行，通过左岸侧运营的化工码头的船舶停泊水域之后大部分船舶均贴左岸航行;枯水期多数船舶更靠江心航行。右岸侧码头等设施较多，下行船舶在不同水位期均距右岸约200 m航行。拟建桥梁工程水域洪水期(2014年8月1日至8月3日)AIS航迹见图2。

拟建桥梁工程水域近3 a的船舶年平均日流量分别为1 540,1 433和1 412艘次，高峰期月流量为1 825艘次。船舶类型主要为普通货船、集装箱船及危险品船，其中普通货船所占的比例最大，为船舶交通流量的90.17%～94.51%。长度在30～90 m的船舶占船舶交通流量的84.86%～95.46%，是整个船舶交通流的主体;90 m以上长度的船舶逐年增多。2013年流量的最高值为126艘次/h(10月份的16:00-17:00)，最低值为13艘次/h(2月份的02:00-03:00)。船舶流量高、低峰期每天出现的时间随季节变化而变化。昼夜船舶流量差值在0.4%～2.48%。洪水期,上行船舶平均航速在5 kn左右，下行船舶平均航速在12 kn以上;枯水期,上行和下行船舶的航速均在10 kn以上。

1.2桥梁施工受限水域船舶交通流特征分析

根据桥梁施工方案，工程建设主要分为主墩基础施工阶段和钢箱梁架设施工阶段。

1.2.1主墩基础施工阶段交通流特征

在主墩基础施工阶段,河道两岸均设置有临时栈桥码头，2#和3#墩设有临时施工平台，这些临时工程施工时需要停靠施工船舶;同时,2#和3#墩围堰施工还要抛设锚碇,3#墩基础施工前还存在爆破与清基阶段。2#和3#墩基础施工期间，受各类施工船舶靠泊、移位、围堰两侧锚碇系统的影响，从2#墩中心到江心侧需占用90 m宽的水域，从3#墩中心到江心侧需占用48 m宽的水域。由于两岸均设有起重码头、砂石码头和水泥粉煤灰码头等，因此会有大量施工船舶停靠，且2#和3#墩上的施工材料均从起重码头下水运输，大量船舶在1#～2#墩及3#～4#墩之间水域穿行。该阶段施工水域布置见图3。

基于该阶段的施工平面布置，1#～2#墩和3#～4#墩之间的水域无法通航。因此，该阶段船舶交通流将完全位于2#和3#墩之间。扣除该施工水域，主河槽2#和3#墩之间仅有约450 m的水域可供通航。该阶段的交通流特征见图4。

1.2.2钢箱梁架设施工阶段交通流特征

钢箱梁架设施工阶段，河道两岸的钢桁梁运输船进出钢桁梁起重码头，往返于辅助通航孔之间。该阶段船舶交通流基本位于2#和3#墩之间，但该阶段预留的可通航水域将发生变化。

图4 主墩基础施工阶段交通流特征

(1) 钢箱梁架设第一阶段，由于预留水域与主墩基础阶段一致，船舶交通流特征亦相同;

(2) 钢箱梁架设第二阶段，施工水域进一步向江心扩展，预留通航水域为2#和3#墩之间的300 m未架钢梁区域，可航水域进一步束窄;

(3) 钢箱梁架设第三阶段，由于要完成跨中合拢，需将合拢处两侧各200 m水域开放为通航水域。

钢箱梁架设第二和第三阶段交通流特征见图5和图6。

图5 钢箱梁架设第二阶段交通流特征

图6 钢箱梁架设第三阶段交通流特征

2 桥梁施工受限水域拥塞风险特征

2.1桥梁施工受限水域船舶拥塞风险分析

在拟建大桥施工期，船舶的通过能力[1]Qc的大小可按式(1)估算。

(1)

式(1)中：m为船舶上行或下行通道数；ri为船舶交通流中第i种船舶(队)的分布(i=1，2，3，…，n)；Vi为船舶交通流中第i种船舶(队)的平均航速；li为船舶交通流中第i种船舶(队)的船舶领域纵长。

对于实际施工期计算参数，可按以下3种情况计算其通过能力。[2-3]

(1) 主通航孔单孔双向通航(2线)；

(2) 主通航孔单孔双向通航，南、北侧辅助通航孔通航(4线)；

(3) 主通航孔单孔三线通航，南、北侧辅助通航孔单向通航(5线)。

根据调研结果和相关观测数据，对于枯水期和洪水期，船舶(队)实际上行和下行参数有较大区别，需按枯、洪水期分开计算。通过能力计算结果见表1，其中,单线上行和下行通过能力是指主通航孔中的数值，辅助通航孔计算参数因船舶尺度与主通航孔不一致而不同，整体通过能力并非线性变化。

表1 通过能力计算结果 艘次

参照表1，考虑到洪水期月流量约为1 800艘次、高峰日流量超过3 000艘次的实际情况，虽然主通航孔下行船舶通过能力可基本满足实际需求，但上行船舶通过能力在考虑单线通航的情况下与实际的差距较大。若施工期仅考虑单线通航，则实际船舶上行通航将产生拥堵，一旦局部交通秩序出现混乱，将产生较大的通航安全风险。

2.2桥梁施工受限水域拥塞仿真

2.2.1施工受限水域拥塞特点

通过对施工期通航所需净空宽度和通过能力进行分析可知，主通航孔单孔双向通航(2线)方案基本上能满足桥梁施工受限水域枯水期上、下行通过能力要求，仅在极端流量高峰情况下需要采取一定措施。因此，枯水期拥塞不作重点分析。而在洪水期，由于流速较大，上、下行船舶的航速会受到较大影响，实际观测上行过往船舶在化工码头和施工桥位处的航速仅3 km/h，平均每小时仅能通过约20艘次船舶，无法满足上行船舶实际通过能力的要求，将发生严重拥塞；而对于下行船舶，由于是顺流航行，航速较快，可达20 km/h，平均每小时能通过船舶50艘次以上。因此，若按主通航孔双向通航确定施工期交通流方案，施工受限水域拥塞的重点风险源为洪水期上行船舶。

2.2.2施工受限水域拥塞仿真模型

采用NetLogo[4]建立施工受限水域拥塞仿真模型。对于桥梁施工受限水域，可导入实际水域CAD资料中的坐标数据，形成仿真边界；然后设定桥墩位置和桥墩大小，作为不可到达区域，建立仿真环境。对于施工水域实际航路，洪水期上行船舶通过芜湖长江大桥后均向左岸侧过渡并偏左岸侧航行，因此洪水期桥梁施工水域实际上行船舶交通流可简化为单一方向的交通流(下行船舶交通流亦然)。对于实际施工受限水域过往船舶，将按单位时间，以不同数量、不同类型的方式随机进入仿真环境，以一定规则按照仿真周期行动。这里以船舶与仿真边界、不可达区域或其他船舶间的相互“斥力”作为行动规则。[5]仿真技术路线见图7。

图7 仿真技术路线

仿真模型规则[6-7]制定如下。

(1) 船舶初始生成间距以船舶领域为基础，船舶领域规定为船长的整数倍；船舶等级根据实际船舶等级分布生成。为使仿真尽快收敛，迅速得到实际通过能力最大值，洪水期船舶初始间距以船舶领域的1.5～2倍随机生成。

(2) 洪水期上行船舶的航速随机分布在3～9 km/h。

(3) 船舶斥力模型以船舶领域的“侵入”作为计算初始条件，当船舶领域侵入后，船舶开始按算法减速。侵入越多，斥力越大，减速越大。这里界定当两船间距为前后最大船舶的1.5倍船长时后船航速将与前船航速保持一致。

(4) 仿真区域为桥位下游3 000 m至桥位上游3 000 m。初始化船舶生成地点为桥位下游3 000 m，当船舶到达桥位上游3 000 m时退出仿真。船舶拥堵至初始生成地点时，以船舶领域的1.5～2倍随机生成后一艘船舶。

2.2.3仿真结果分析

根据受限水域拥塞仿真模型[8-10]，得到上行单线仿真计算结果见表2，其中平均饱和度是指仿真日通过能力与实际通过能力最大值的比值。

表2 仿真计算结果

仿真结果与步长的定义有关，这里定义步长为1 min，实际仿真船舶运动距离为60～180 m，相对于船舶领域(2～3倍船长)的1.5～2倍并不会对仿真过程产生较大干扰。实际上，当步长增加至3 min及以上时，船舶间距会大于船舶运动距离，实际通过能力和饱和度开始下降。

现有仿真结果与数值计算结果基本一致，桥梁施工时辅助通航孔无法使用，采用主通航孔双向通航时的实际上行日通过能力不足，且平均间距较小、平均航速较低，不利于船舶避碰等操作，存在通航安全隐患。若采取双线上行，则通过能力基本可满足1 000艘次之内船舶上行通过能力的要求。

3 桥梁施工受限水域拥塞对策研究

现行施工方案无法满足施工期船舶通过能力的要求，会带来较为严重的拥塞，因此必须在施工期采取相应的对策。

3.1施工方案优化及多线航路规划

施工前应对施工方案进行优化，核实围堰锚碇定位系统所占的水域资源，减少对可航水域的侵占；同时，应在不同施工阶段制定不同的通航方案。总体而言，枯水期可按主通航孔(2#墩和3#墩之间)双向通航方案执行；洪水期基于多线原则，在主通航孔内按不同船型制定上行2线通航方案(见图8)。

该方案以施工期通航所需净空宽度为基础，将450 m水域划分为150 m和300 m两部分，满足上行2线、下行1线的要求，增强了上行船舶的通过能力。但是,该方案仅能满足施工预留水域450 m的要求，并不适宜钢梁箱架设第二和第三阶段施工预留水域的情况，应另行分析。

图8 洪水期通航方案(450 m)

3.2钢箱梁架设阶段辅助通航孔开通可行性分析

对于钢箱梁架设第二和第三阶段，根据施工方案，1#和2#主墩之间的钢箱梁架设作业已完成，可开放辅助通航孔作为小型船舶的上行航路。图9和图10分别为钢箱梁架设第二和第三阶段通航方案。

图9 钢箱梁架设第二阶段通航方案

图10 钢箱梁架设第三阶段通航方案

辅助通航孔开放的临时航路为：小型船舶上行通过化工码头前沿，与其前沿线保持100 m的安全距离；正横通过码头栈桥，向右转向约30°，进入1#和2#主墩之间的辅助通航孔；上行驶过桥梁施工水域。由于小型船舶采用该航法时需要大角度转向，且距离实际施工的2#主墩仅500 m左右，同时危险品码头的营运及上水船舶航速较低、可操作性较弱，因此认为该方案操作风险较高，不适合设置为实际施工期临时航路。

该阶段合理的航法为：以码头拆除为前提，洪水期(芜湖水位6 m及以上)小型船舶通过芜湖长江大桥第10孔上行，沿定线制深水航路(上行)的右侧航行，与码头保持200 m以上的安全距离驶过，向右转向8°～10°，进入大桥施工区水域，经1#和2#主墩之间的边孔，可航水域宽度为120 m，上行驶过桥梁施工区水域。

因此，辅助通航孔开通应以码头拆除为前提，否则基本不具备可行性。图11和图12分别为该前提下钢箱梁架设第二和第三阶段通航方案。

图11 钢箱梁架设第二阶段通航方案(拆除华谊码头)

图12 钢箱梁架设第三阶段通航方案(拆除华谊码头)

3.3拖船协助

采用拖船协助可提高洪水期上行船舶的航速，进而提升桥梁施工期船舶的通过能力。但是，实际拖船的助推过程较为繁琐，效率较低。仿真验证结果表明，即使将平均航速提升至10 km/h，仍无法满足船舶的实际通过能力要求，但该方案能有效解决个别过往船舶航速过慢影响通过能力的问题，可作为施工多线航路规划的补充。

4 结束语

在跨长江桥梁建设阶段，往往会因施工水域作业和施工船活动等原因而使该水域受限，进而改变原有交通流环境、暂时削弱航道通过能力。船舶流量较大是长江下游水域的显著特征，若施工预留水域无法满足实际通过能力要求，将造成大量船舶积压，导致桥区施工水域出现局部交通秩序混乱，增加船舶和船桥间碰撞的风险。因此，对桥梁施工受限水域进行拥塞风险辨识及对策研究具有较强的针对性和现实意义。对桥区受限水域的拥塞风险辨识及对策进行研究，可为海事监管部门在施工前及时介入安全监管提供依据，进而降低实际施工风险、适应当前海事监管要求。

[1] 刘敬贤,韩晓宝,易湘平.基于排队论的受限航道通过能力计算[J].中国航海,2008,31(3):261-264.

[2] 文元桥,刘敬贤.港口公共航道船舶通过能力的计算模型研究[J].中国航海,2010,33(2):35-39.

[3] 刘敬贤,文元桥.基于船舶行为特征的港口航道通过能力仿真[J].大连海事大学学报,2009,35(2):31-33.

[4] 徐武雄,初秀民, 刘兴龙. 船舶交通流建模与仿真研究进展[J]. 水利水运工程学报,2014(6):91-99.

[5] XIAO Fangliang, LIGTERINGEN H, VAN GULIJK C,etal. International Workshop on Next Generation Nautical Traffic[C]. Models, 2013.

[6] 刘克中,张子昱,吕正祥,等.基于时间区分服务模型的航道交通流仿真[J].中国航海,2014, 37(2):53-57.

[7] 杨星,李键,陈巍博,等.内河船舶交通流建模与仿真研究[J].中国航海,2013，36(3):80-85.

[8] PUSZCZ A, GUCMA L, GUCMA M. Development of a Model for Simulation of Vessel Traffic Streams[C]．The 14th International Conference on Transport Science-ICTS，2011．

[9] LIU JX，ZH0U F，WANG MQ．Simulation of Waterway Traffic Flow at Harbor Based on the Ship Behavior and Cellular Automata[C].International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence，2010.

[10] FEND Hongxiang. Cellular Automata Ship Traffic Flow Model Considering Integrated Bridge System[J]. International Journal of U-and E-Service, Science and Technology, 2013,6(6):111-120.

RiskAnalysisofTrafficCongestioninBridgeConstructionAreaandCountermeasures

CHENShuzhe1,2a,HUANZe2b,YUANZhitao2a

(1. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 2a. School of Navigation; 2b. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

2016-01-11

国家自然科学基金(51479157)；国家科技支撑计划(2015BAG20B05)

陈蜀喆(1979—)，男，湖北武汉人，讲师，博士，从事交通信息工程及控制研究。E-mail:404816705@qq.com

1000-4653(2016)01-0044-06

U676.1

A