复杂水域船舶进出港全过程仿真建模方法

沈 忱 ，赵晓艺 ，齐 越 ，房 卓 ，梅 蕾 ，李 蕊 ，董 敏 ，黄 力

（1.交通运输部规划研究院，北京 100070；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

引 言

现有港口船舶进出港研究方法众多，主要包括经验分析、数学建模、系统仿真、多方法融合等。而港口航道系统是一个随机因素多、动态联系复杂、多级排队的离散随机服务系统[1]。相比数学建模的计算方法，计算机仿真技术可以真实地反映港口航行作业系统中各要素的随机动态变化及相互关系，非常适用于随机性、复杂性比较强的系统，现已广泛应用于船舶进出港研究。

目前船舶进出港仿真建模研究旨在解决码头选址规划、港口建成运营中的若干问题。在码头选址规划方面，可科学评估船舶通航影响，尤其是对特殊码头（如 LNG码头、大型油船码头等）的选址方案进行定量评估，如Valentin Moran等[2]考虑环境条件以及港口设施，通过系统仿真技术评估了港口的性能，并应用到了布兰卡港的总体规划评估中；刘春泽[3]基于智能体理论，构建了沿海港口船舶航行作业系统仿真模型，研究 LNG船舶到港对散货泊位利用率及通过能力的影响。在港口建成运营方面，可探寻船舶进出港作业瓶颈，指导船舶通航管理及交通组织，并为码头生产调度计划提供参考，如Rahimikelarijani等[4]对休斯敦航道船舶交通与运营进行了仿真与分析，研究新建水上桥梁对航道封闭的影响；Xiao Z等[5]通过集成学习、预测和规划技术，提出一种数据驱动的多智能体系统，可对海上交通数据进行分析和模拟，并进行海上通航安全评估和管理。

本文在对比了国内外在船舶通航仿真建模研究方法的基础上，提出了一种基于多智能体信息交互港口交通仿真建模方法，并对未来应用和拓展方向做出展望。

1 国内外仿真建模方法研究进展

国内外仿真建模研究的各类模型对比见表1。

表1 国内外仿真建模研究方法对比

通过对各种建模方法的对比可见，各种研究方法有各自的优势，但总体来讲，数学模型在航道航行仿真系统的模拟过程中存在精确度不高的问题，且求解数学模型的解析值也存在一定的困难。而计算机系统仿真技术是模拟具有多变量随机复杂特征的航道航行作业系统的有效方法。目前，离散事件建模方法、多智能体建模方法是比较常见的航道系统仿真建模方法。相比离散事件建模对事件的线性描述和对细节仿真的缺失问题，基于智能体的仿真建模方法可以实现港口资源、船舶、航行规则及自然条件等多因素多实体的交互，较好地反映和描述整体复杂系统，且在航道航行作业系统的各种问题的研究中具有普遍适用性。

2 多智能体信息交互港口运营系统仿真

本文提出的一种多智能体信息交互的港口运营系统仿真建模方法，针对复杂水域的多点到港、多港协调等研究难点进行了初步探究，提出了系统的仿真技术框架。技术框架如图1所示。

图1 基于多智能体信息交互的港口运营系统仿真技术框架

结合多智能体系统仿真理论、离散事件仿真理论与多元数据统计分析方法，利用 AnyLogic智能体仿真建模平台和Java程序设计语言，通过逻辑流程与判断规则，建立了船舶、锚地、航道、泊位等多智能体之间的关联关系，构建了过程可视化的数值仿真模型，实现了对复杂水域船舶进出港全年的全过程进行精细化仿真模拟，通过对仿真模拟结果的多元数据统计分析方法，可针对诸如逐月逐日的船舶进出港行为规律进行不确定性分析。

模型主体由主系统及船舶航行系统组成。主系统是与船舶进出港航行密切相关的各环节参数的设定部分，同时承担仿真模拟的可视化功能和仿真数据的输入、输出及存储功能。船舶航行系统由船舶智能体、锚地智能体、航道智能体及泊位智能体构成，负责判断船舶进出港行为的逻辑流程。两大系统的参数、变量及逻辑函数等数据实时传递，互相调用。

本仿真模型融合了对船舶航行客观环境条件的模拟与船舶进出港航行行为的模拟。一方面，对研究地区的日夜时长、风、雾、冰、流、波浪、潮汐等自然条件以及泊位、航线、水道、锚地等港口条件进行参数设置，尽可能真实反映现实生活中的船舶通航环境；另一方面，自定义船舶属性、到港流量、到港规律、到港时间间隔等船舶自身规律，并对安全间距、夜航规则、优先级规则、航行速度和乘潮规则等航道通航规则进行设置。

该系统仿真方法可为船舶进出港全过程模拟、通航控制要素定量识别、航道适应性和锚地承载力定量分析、航道泊位锚地多要素协调关系分析、船舶航行风险敏感要素确定、服务水平评估等研究提供技术支持。为了支撑远期开发，仿真模型留有功能扩展接口，可通过多模块对接，实现仿真模型在多元数据融合、港口水陆协同智能调度、港口综合规划及联合运营等方面的功能延伸。

本仿真技术可涵盖船舶预约进港、船舶航行过程、码头生产经营、港口航道组织实施等各阶段过程，为复杂水域船舶航行管理，港口码头、航道、锚地等港口资源的统筹配置，港口生产作业的精细化组织，港口生产效率及服务质量的提高提供支持。目前，本研究方法及模型已在码头选址及港口规划、航道通航标准制定、船舶进出港通航影响评估和航道适应性研究等方面提供技术支撑[23-27]，并在全国范围内多个港区的规划专项论证研究中实际应用，对促进港口科学规划和健康有序发展具有重要作用。

3 可解决的关键问题

面向未来在港口平面规划、水域船舶调度、通航标准制定等方面更加具体和系统的需求，本文从六个方面归纳指出可通过复杂水域仿真建模解决的关键问题，可为港口规划及港口运营各领域工作提供研究手段。

3.1 复杂水域船舶进出港全过程的拟实反映

船舶航行作业系统的随机性、复杂性、模糊性决定了船舶通航全过程的模拟及港口航道问题的研究难以完全依靠数学模型进行模拟及解析求解。依托本模拟仿真方法，可拟实反映复杂水域船舶进出港作业全过程，系统解决多点船舶上线、多港运营协调等难点问题，准确反映包括船舶到港、锚地待泊、航道航行、船舶靠泊、装卸作业、船舶离港等事件的时空维度，可精确到秒，为研究各个事件在船舶到港集中期影响、船舶错峰到港效果等提供技术手段。

1）船舶到港。不同类型船舶（包括班轮和非班轮船舶）以不同到达规律到达港口。不定期到港船舶的到港时间体现一定随机性。可实现复杂水域船舶多点到港功能。

2）锚地等待。船舶到达港口后将在锚地等待分配泊位。在被分配到泊位以后，船舶判断是否满足航道的各个通行条件。在所有通航要素均满足以后才可驶入航道。

3）航道航行及靠泊。船舶在相应的航道规则约束下进行航行，在航行过程中需随时对航道外界环境变化做出相应反应。

4）装卸作业。船舶泊位停时因船舶类型、船舶尺寸、装卸设备和装卸量不同而有差异。

5）船舶离港。船舶在泊位等待满足航道航行条件后离港。

3.2 影响区域船舶通航的控制性要素的定量识别

在模拟船舶通航作业过程的基础上，可定量识别影响区域船舶进出港的各个控制性要素，如水文气象条件、航道锚地条件、监护管理条件等。

1）水文气象条件。从年度通航限航天数来看，风、雨、雾等恶劣天气情况以及海流、波浪等不适宜通航的水文条件对船舶通航限航天数的影响通常具有月度不平衡性，会对船舶通航行为产生影响。从日通航时间段来看，港口根据各自的潮汐特点设置保障船舶安全通行的时间段，不同类型、吨级船舶根据不同港区的潮汐和水流状况具有不同的通航时间段。

2）航道、锚地条件。复杂水域船舶通常具有多条可通行航路和多个可利用锚地，港区对船舶不同航路及待泊锚地的分配将影响船舶的通航效率和航道、锚地资源利用率。

3）监护管理条件。不同的海事监管规则以及船舶通航规则对区域船舶通航效率影响较大，如船舶安全间距、进出港优先级、航速限制、限航时段、特殊船舶通航规则（如LNG船舶移动安全区规则、清空航道规则）等。

3.3 航道适应性及锚地承载力的专项评估

作为影响航道水域船舶交通安全的一个重要方面，航道适应性的主要影响因素包括航道水深、航道宽度（或有效宽度）、转弯半径、航道弯曲段宽度、航道边坡比、碍航物分布情况等航道基本条件以及交通规则、助航标志、VTS辅助管理等导助航设施等多方面[28]。通过航道条件的概化及仿真模拟分析，可探索研究航道适应性问题，进一步保障船舶进出港安全、确保水域通航环境安全。

合理配布锚位数量是港口规划和建设的重要环节[6]。根据相关规范规定，锚地规模和数量应根据到港船型及其密度、港口生产组织和水域自然环境等因素综合确定[29]。目前计算锚地规模的方法主要是基于反映船舶到港规律的排队论，建立推算锚地规模的排队模型。但该方法忽略了航道条件对锚地容量的影响，忽略了港口内外锚地、航道、泊位之间的动态关系[13]。为了更加符合港口锚地实际特征，并考虑港口多重不确定因素，可在模拟船舶实际通航作业全过程的基础上，对锚地承载力进行探索研究。

3.4 航道通过能力及服务水平的定量评估

港口航道通过能力是度量航道疏导水路交通能力的尺度，航道服务水平则是衡量航道中船舶运行质量的重要指标[7]。沿海港口航道通过能力和服务水平研究，是我国港口规划和建设的重要内容之一，也是支持港口建设决策和运营管理的重要因素之一。过去我国港口通过能力与服务水平主要受制于泊位数量和港口装卸水平，以往的研究也多是围绕确定合理的泊位数量和提高港口装卸效率方面，对航道的定量研究相对欠缺。目前通过引入系统仿真等方法，对沿海港口航道通过能力和服务水平进行研究，对提高航道利用率及保障港口服务水平具有重要意义；通过深入研究沿海港口航道通过能力的计算方法，也可为相关规范的条文修订提供理论支撑。

3.5 区域航道、泊位、锚地多要素的匹配协调分析

海上航道资源、锚地资源、泊位资源是港口交通资源的三大要素。从船舶进出港过程来看，港口的锚地、航道和泊位资源的占用过程存在一定的时间、空间联系。为了提高港口资源利用效率，可探索在对港口航道通航全过程进行模拟的基础上，构建航道、泊位、锚地之间的非线性关系，研究港口航道、锚地、泊位的资源配置及作业管理的协调问题，在保证港口达到预定的通过能力的基础上，提高航道、锚地、泊位的利用率，为促进港口资源科学规划和合理分配提供科学依据。

3.6 船舶通航敏感因素的确定

航道航行风险预测和识别可以为船舶航行风险预防措施的制定提供理论参考，有效避免船舶航行风险。船舶航行风险受船舶、船员、通航环境和通航规则等多种因素的影响。目前从宏观角度上研究船舶通航风险主要集中于通航环境和规则方面。其中，航道船舶密度、航道存量、航道实时运行状态、航向区间、航向秩序、航向数量、交叉节点等是评估船舶航行风险的关键因素[30]，可探索基于对船舶通航过程的模拟仿真技术，对导致风险的敏感要素进行识别，以从宏观角度评价和预测航道碰撞风险，为保障措施的制定提供依据。

4 结 语

为了深化港口通航研究，满足港口规划精细化发展需求，支持港口重大项目的决策，根据研究现状及实际需求，本多智能体信息交互运营系统仿真建模技术未来可以在仿真技术的多元数据融合、港口水陆协同集疏运智能调度、港口群的综合规划及联合运营等方面进行拓展和升级，主要包括：

1）仿真技术的多元数据融合。实现仿真模型输入输出端口与大数据模块的衔接，以港口AIS数据、LRIT数据等作为输入数据基础，输出仿真结果数据库支撑港口大数据分析；仿真模型与船舶到离港预测模型相衔接，为港口精准调度、贸易行为模式预测等方面提供技术支持。

2）港口水陆协同集疏运智能调度。将水域交通流仿真与陆域集疏运仿真模型相结合，构建港口集疏运生产作业流程的综合模拟多层次嵌套模型，实现港口水陆协同集疏运智能调度，支撑智慧港口建设。

3）港口群的综合规划及联合运营。从单点港口水域仿真逐步扩展到多点港口船舶通航仿真，模拟港口集群的联合运营调度，为港口集群的综合规划、区域货类结构的协调布局提供参考。