基于Arena仿真的天津港大沽沙航道通过能力研究

张 磊，李晓松，李振京

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456； 2.天津临港港务集团有限公司，天津 300452 )

大沽沙航道是继天津港复式航道开通后的第二条船舶进出天津港的主航道，航道总长为36.35 km，等级为10万t级，主要服务于进出大沽口港区和南疆港区南侧岸线码头的船舶通航。目前，大沽口港区主要服务于临港经济区的开发建设，重点发展修造船、装备制造、粮油加工等临港工业，以钢铁、建材、重大件、液体化工品运输为主，是港口与工业一体化发展的大型临港工业港区；南疆港区是以煤炭、铁矿石、石油及其制品等为主的大宗散货中转运输港区，其中北侧码头岸线12.85 km，自西向东为支持系统区、石化作业区、干散货作业区、原油码头区，南侧码头岸线12.0 km，规划为石化作业区、支持系统区和预留发展区。

图1 大沽沙航道平面布置图Fig.1 Layout plan of Dagusha channel

港口航道通过能力是体现航道适航程度的客观指标，是港口服务水平以及核心竞争力的重要体现[1]。当前，航道通过能力已经成为制约大型港口经济发展的瓶颈因素之一，航道通过能力的研究可以为港口规划、建设和运营管理决策提供重要理论和技术支持。随着大沽口港区和南疆南侧岸线码头的快速建设，进出港船舶数量不断增加，尤其5万t级及以上大型船舶数量有所增加，大沽沙航道船舶通航密度明显上升，其通过能力将在一定程度上限制港区吞吐量的增长。因此，为了对大沽沙航道的通过能力有最精确的把握，提高大沽沙航道交通效率，保障船舶通航安全和港口作业的正常运营，提高港口服务水平，对大沽沙航道通过能力进行评价研究是非常必要的。

表1 大沽沙航道南北岸线码头参数表Tab.1 Parameter dagusha channel north and south shore dock

1 大沽沙航道概况

天津港是中国北方最大的综合性港口，也是中国沿海港口功能最齐全的港口之一。现有海河港区、北疆港区、南疆港区、东疆港区、大沽口港区、南港港区、高沙岭港区和北塘港区8个港区。

大沽沙航道是船舶进出天津港大沽口港区和南疆港区南侧岸线码头的主航道。大沽沙航道总长为36.35 km，等级为10万t级，设计底标高为-14.5 m，通航底标高为-13.9 m，底宽375 m；口门内航道方位为289°～109°，出口门2 km航道轴线顺时针偏转17°，航道方位306°～126°。航道边坡坡度：1：5。航道平面布置见图1所示。

目前，大沽口港区主要有临港1A、1B、1C、2#～4#散货泊位；5#～9#液化品泊位；10#～14#通用泊位；博迈科1#、2#泊位；18#泊位、中船重工船厂、中粮佳悦粮油1#～3#泊位以及太重码头；南疆南港区主要有圣瀚石化码头、中航油码头、中化石化码头和中海油LNG码头等。大沽沙航道南北岸线码头参数见表1。

2 天津港大沽沙航道仿真模型的建立

2.1 Rockwell Arena 仿真技术简介

图2 大沽沙航道通过能力Arena仿真逻辑模型流程图Fig.2 Flow chart of Dagusha channel pass capacity Arena simulation logical model

计算机仿真是通过计算机仿真软件建立现实系统的计算机模型，并利用计算机强大的数值计算能力来运行模型，以获取和分析模型运行记录的仿真研究过程。Rockwell Arena 软件是美国System Modeling公司于1993年开始研制开发的新一代可视化通用仿真软件，具有功能强大、使用方便、界面直观、动画显示等优点。可以很容易的建立生产系统、服务系统等仿真模型，如交通运输中的高速公路的交通控制、集装箱码头物流系统仿真与优化研究、港口船舶航行调度等。

利用Rockwell Arena 仿真技术，通过建立反映港口内部实际操作和管理规则的逻辑和数量关系模型，应用模型进行有关模拟实验，从而客观地反映港口的实际营运状况，对航道的通过能力进行定量分析，准确地描述港口船舶航行作业系统的动态变化对航道通过能力的影响[2]。通过比较各种备选方案，得出最优的航道船舶通航模式和最佳的管理方式，确定该航道的通过能力及确定提高航道通过能力的措施，从而使设计更合理，更经济，为港口建设和发展提供更为可靠的决策依据，以便以最少的投资获得最大的效益。

2.2 Arena 仿真逻辑模型的建立

港口船舶航行作业系统是一个离散事件服务系统，提供服务的是系统内部的永久元素，即锚地、航道、泊位及装卸系统，服务对象是船舶；锚地为船舶提供待航、待泊的等待场所；航道为船舶提供进出港口的通道；泊位为船舶提供装卸作业的地点[3]。因此，把船舶到达和离开港口看作船舶航行作业系统的起始点。大沽沙航道通过能力Arena仿真逻辑模型流程顺序按图2进行。

2.3 仿真模型相关参数设置

(1)模型构建假定和原则。

①港口有充足的锚地，为船舶提供等待航道和泊位的服务[4]；②码头后方有足够的堆场，可以存放货物，设定船舶载货而来，卸货而去[4]；③船舶按照船型比例随机到达，次序遵从排队论中先到先服务、LNG船和100 000 t油船优先服务的原则，出港亦同；④不考虑社会船舶、工作船舶等其他非运输船舶在航道中的影响；⑤不考虑航道整治、疏浚施工等船舶不能通过的情况。

(2)船舶实体属性确定。根据天津港大沽沙航道南北岸线各个码头2016年到港实际船舶类型、数量及吞吐量资料，并参照《海港总体设计规范》(JTS165-2013)(附录A设计船型尺度及其他参数)内容，得出大沽沙航道进出港船舶类型及吨级、船型比例、通航水深、型宽、靠泊泊位数量等数据。其中通航水深和型宽取值为平均值。

表2 到港船舶船型参数表Tab.2 Parameter of type of ship arriving at port

(3)航道通航时间。通过对大沽沙航道近几年的通航情况分析，航道通航时间主要受强风、强冰、大雾、大浪等气象环境影响，每年正常通航天数为330 d，则航道每年不能通航天数为35 d[5]。根据《天津港10万吨级大沽沙航道通航标准(试行)》(2014年1月1日施行)，日没至日出时大沽沙航道禁止船舶通航，因此当前大沽沙航道仅限于船舶在日间航行，夏季为06：30～18：30，即每天通航时间12 h；冬季为07：00～17：00，即每天通航时间10 h，因此本航道每天有效通航时间为11 h。将不能通航天数平均分配到一年中，则模型每运行110 h，停止运行11 h。由于大沽沙航道设计底标高为-14.5 m，满足进出港船舶所需水深要求，故不计船舶候潮时间。

(4)船舶航行参数设置。根据《天津港10万t级大沽沙航道通航标准》，10万t级船舶和5万t级以上载运本标准第一条第(五)款所述物质的船舶在航道中最高限速10节，其他船舶最高限速13节。本模型船舶进出港航速设定为8 kn，船舶进港或出港航行距离如表3所示，船舶安全航行时距为15 min。

(5)船舶调度方式。到港船舶实行单向通航，每次进港通航间隔为3 h，出港通航间隔为2.5 h。

表3 到港船舶进、出港航行距离Tab.3 Sail distance of ship entering and leaving port

(6)船舶靠、离泊时间和装卸作业时间。到港船舶靠、离泊时间与泊位港池清爽程度、船员操作技术及自然天气等条件有关[6]，本模型靠、离泊时间服从三角形分布TRIA(0.5,0.8,1.2)，其中低限为0.5 h、众数为0.8、上限为1.2 h。到港船舶装卸作业时间与船舶载货量、泊位装卸工艺有关，本模型装卸作业时间见表4。

(7)泊位分配原则。本模型定义大沽沙航道南北侧岸线拥有的泊位总数为28个，同一类型同一吨级的到港船舶须停靠在指定的泊位，若泊位空闲，即可靠泊，若被占用，需要等待船舶离港。

表4 到港船舶装卸作业时间Tab.4 Time of loading and unloading of ships arriving

(8)仿真模型的验证。依照图2所示的Arena仿真逻辑模型流程图和设置的模型相关参数建立总体模型。运行仿真模型模拟大沽沙航道1 a的运行过程，运行总时间为4 000 h，重复运行30次。模型结果显示，航道年到港船舶数量为2 729艘次，与2015年、2016年实际到港船舶2 670艘和2 772艘基本一致，表明模型运行规则与实际船舶进出港状态相符；年实际吞吐量(即卸载货物总量)为2 702万t，与2015年、2016年实际吞吐量2 776万t和2 611万t基本相符。若本模型假定每个泊位靠泊船舶均为满载，港区年吞吐量可达到13 828万t，由此可见大沽沙航道南北岸线泊位实际进港船舶大部分为低于泊位等级船舶或者同等级减载船舶，没有发挥出港口潜在存储货物的能力，这种现象的出现与现有航运行业状况和港口经营模式有一定关系。

3 仿真结果分析

本模型仿真结果主要参数见表5。

表5 模型仿真结果主要参数Tab.5 Main parameters of model simulation results

结果分析：

(1)本模型中设定船舶类型、船舶吨级及泊位数量与大沽沙航道南北岸线码头泊位现状基本一致。70 000 t级散货船、100 000 t级油船和10 000 t级化学品船，平均等候泊位时间分别为24.4 h、24.9 h和35.2 h，且平均等候泊位船舶队列为12艘、6艘和8艘，表明这三种现有泊位数量(分别为2个、1个和2个)应有所增加，泊位装卸作业效率需提高，从而减少船舶等候时间和船舶等候队列，提高港口服务水平。

(2)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。目前，我国对最佳泊位利用率没有具体的计算方法，一般按照《港口工程技术规范》确定取值范围，或者取0.58这个折中值。本模型泊位中船舶年占用泊位时间为出港船舶艘数×相对应的占用泊位时间的总和(即33 533 h)，年日历时间为每天小时数×每年天数×总泊位数的总和(即24×365×28=245 280 h)，因此模型泊位利用率约为13.6%。该利用率值较小，浪费泊位资源，可通过增加大沽沙航道有效通航时间(如可夜航、可双向通航等方法)来提高泊位利用率。

(3)国际上通常用指标 AWT/AST 来衡量一个港口的服务水平。其中AWT表示船舶的平均等待时间，AST 表示船舶平均在泊作业时间。本模型中船舶平均等候时间AWT值为20.89 h，其值由控制天气条件、泊位是否空闲、等待航道的Hold模块得出，船舶平均在泊作业时间AST值为12.08 h，其值由排队占用泊位的Process模块得出。因此AWT/AST值等于1.73。联合国贸易和发展会议(UNCTAD)在《发展中国家港口规划手册》中提出：对于发展中国家AWT/AST适合的值为0.5，发达国家为0.3。所以，本模型中港口服务水平较低，船舶等待时间较长，以牺牲船方利益为代价，大沽沙航道成为港口发展的瓶颈，应对该航道进行扩建或者优化其航道通航标准。

(4)由于航道通过能力相关指标的多元化且之间不相互独立，在分析时，需结合实际应用背景，寻找出最关键、最本质的特征指标。为保障天津港大沽沙航道通航安全畅通，有效提升港口服务水平，应利用计算机仿真模型，通过测试重要的指标参数在一定范围内变化时，对航道进出船舶数量、港口吞吐量、航道及泊位利用率、港口服务水平等的影响变化，得出港口综合服务水平较高时重要指标参数的运行区间。根据模拟结果，将会为港口通过能力突破极限、继续提升服务水平而所需采取的相应措施提供重要依据。