普陀山客运航线最大承载力分析

2020-09-01高嵩刘畅

上海海事大学学报 2020年2期

高嵩刘畅

摘要：为推进水路客运市场转型升级，协调客运需求与疏运能力，基于普陀山水路客运实际情况，分析客運航线承载力的逻辑框架，确立承载力计算数学模型。通过优化码头作业流程，模拟最大靠离泊次数，确定码头极限承载力;结合船期表，计算船舶饱和数量，确定船舶经济承载力;考虑乘客候船面积和候船时间因素，创新提出舒适因子，优化船舶运输周期，确定乘客舒适承载力。模拟结果表明：高峰期客运量已逼近码头极限承载力，超过船舶经济承载力，远高于乘客舒适承载力，普陀山水路客运供给矛盾亟待优化调控。研究可为客运行业评判最大承载力提供技术支撑，为市场主体有序管理、经营提供决策参考。

关键词：水路客运; 航线承载力; 码头疏运能力; 配船数量; 乘客舒适度; 大客流

中图分类号： U695.1; U692.3 文献标志码： A

Analysis on maximum carrying capacity of Mount

Putuo passenger transport waterways

GAO Song， LIU Chang

（China Waterborne Transport Research Institute， Ministry of Transport， Beijing 100088， China）

Abstract： To promote the transformation and upgrading of waterway passenger transport market and coordinate the passenger transport demand and distribution capacity， the carrying capacity logical framework of passenger transport waterways is analyzed and a mathematical model for calculating the carrying capacity is established based on the actual status of Mount Putuo waterway passenger transport. The extreme carrying capacity of terminals can be derived by optimizing the operation process of terminals and simulating the maximum berthing times. Combined with shipping schedule， the ship economic carrying capacity can be derived by calculating the saturated quantity of ships. Considering the factors of waiting area and waiting time of passengers， a comfort factor is added innovatively to calculate the passenger comfort carrying capacity and optimize the ship transport cycle. Simulation results show that the passenger flow is approaching the extreme carrying capacity of terminals during the peak time， exceeding the ship economic carrying capacity， and far more than the passenger comfort carrying capacity. The contradiction between demand and supply of Mount Putuo waterway passenger transport needs to be optimized and controlled urgently. The research can provide technical support for the passenger transport industry to judge the maximum carrying capacity， and provide decision-making reference for the orderly management and operation of the main body of the market.

Key words： waterway passenger transport; waterway carrying capacity; terminal distributing capacity; number of ships allocated; passenger comfort; large passenger flow

0 引言

近年来，普陀山旅游知名度不断提升，伴随佛教文化旅游的内在需求和节日朝拜的常态需要，来山游客数量持续保持高位增长，进出口客流量从2014年的1 174万人次增长到2018年的1 465万人次，年均增幅5.7%。作为舟山市内最重要的涉旅航线以及进出普陀山的交通主动脉，普陀山—朱家尖航线客流量增长态势更加明显，从2014年的828万人次增长到2018年的1 219万人次，年均增幅高达10.2%;特别在重要节假日会迎来客流高峰，如2019年正月初三进出岛客流量突破18万人次，较2015年增长27%，再创峰值纪录，疏运压力与日俱增[1]。虽然行业主体已经积极落实了多项运输保障举措，但大客流压力不断挑战着客运航线承载力和疏运极限，存在着一定的安全风险和隐患，已成为普陀山水路客运发展瓶颈。

因此，亟待开展相关研究，科学分析客运增长需求与航线承载力之间的关系，为相关政策制定等提供決策依据，为客运船舶有序调度、优化运营建言献策，有效保障普陀山水路客运安全有序运行[2]。

1 承载力分析方法及思路

基于普陀山客运航线的特殊性，本文水路客运承载力是测算极限客流量状态下的人员流通能力。承载力硬性指标取决于泊位能力和配船数量，软性指标取决于企业经营水平和政府管控能力。厘清分析框架对于行业提质增效，周密制定疏运方案，保障乘客安全、有序出行意义重大。

（1）研究方法。目前对水路客运承载力的研究相对匮乏。航线承载力分析大多集中在集装箱码头泊位及堆场能力的计算上[3-4];航线配船分析多聚焦于班轮航线，使用数学函数模型较多[5-7];对航道通过能力的研究多利用排队论思想建模[8-9]，主要基于船舶行为特征进行仿真[10]。上述研究方法总体较为复杂，难以直接用来求解水路客运承载力。

（2）设计规范。目前与客运码头相关的规范主要有《河港工程总体设计规范》《海港总体设计规范》《港口客运站建筑设计规范》[11]等。上述规范主要针对港口客运站的选址与布局、广场和码头的规模，以及各类站房的设计、出入口尺寸、安全和疏散等要求进行了规定，但对客运码头承载力的计算没有任何计算公式可以直接借鉴[12]。

（3）计算理论。承载力分析可视为航道上船舶通过能力的计算，根据《海上交通工程》[13]对船舶通过能力（又称为船舶交通容量）的表述，其与航道及水文气象、船舶航速及密度等因素息息相关，表示在航道条件和交通状况皆属理想状态时，单位时间内航道处理通行船舶的最大交通量。然而，该方法无法兼顾客流量分布不均匀的特征，难以与实际情况契合。根据交通流理论，船舶随机到达航道横截面的规律基本符合泊松分布Pn（t）=（λt）ne-λt/n！（表示在时间t内到达n艘船的概率，其中λ为船舶平均艘次），说明船舶数量或运力结构可能是航线承载力的短板，这成为本研究的分析方向之一。

鉴于此，本文在充分把握舟山水路客运发展要求的基础上，系统做好普陀山水路客运需求调查摸底工作，认真总结大客流疏运经验，基于工程案例的文案调查法，结合实地调查情况，以缓解客运站疏运矛盾为问题导向，以计算客运航线最大承载力为目标导向[2]，主要从码头、船舶、乘客3个要素开展承载力分析，见图1。

一是码头极限承载力。工况聚焦普陀山客运站，假定航线船舶数量充足或运力服从调剂，优化船舶在泊作业时间，模拟船舶最大停靠次数，确定码头极限承载力（码头设施在极限状态下的最大承载力）。

二是船舶经济承载力。工况兼顾普陀山和朱家尖两个客运站，基于船期表和客运公司经营情况，优化船舶运输周期，计算船舶饱和数量，确定船舶经济承载力（考虑船舶经营实际的最大承载力）。

三是乘客舒适承载力。工况着眼于现有船舶运行优化模式，考虑乘客候船面积和步行速度，创新提出舒适因子，优化船舶运输周期，确定乘客舒适承载力（考虑乘客舒适因素的最大承载力）。

研究以最大承载力可控为前提，力求通过简化的数学分析方法，建立一套适用于水路客运的简单且易于理解、可移植性强的数学模型，使设计和规划人员能够更加快捷简单、科学合理地判断客运站的最大承载力，并与客流量的节日性、时段性特征紧密结合，为管理和决策者提供契合实际的量化结果。

2 承载力分析模型及参数

2.1 码头极限承载力分析

客船靠离泊过程包括靠泊、下客、放行、步行、上客、离泊6个过程，见图2。通过确定单个泊位的船舶最大停靠次数，累积计算全部泊位所能满足的最大客流量，即视为码头极限承载力。

根据类似码头的工作经验[14]，并与行业专家及业内人员进行沟通研讨，得出本工况下码头及其设施的承载力计算式为PS=TdTs+Tf×GK

（1）

PC=n αPS

（2）式中：PS为单个泊位承载力，人次/d;PC为码头综合承载力，人次/d;Td为昼夜法定工作时间，min;Ts为船舶停靠时间，包括船舶从靠泊到离泊的全部时间，min;Tf为船舶离靠泊间隔时间，min;G为设计船型载客数，人;K为不平衡因数;α为泊位各类船舶的客运量比例，%;n为码头实际可用泊位数量，个。

结合普陀山客运站经营实际：客流具有“朝进夕出”特征，重要节日分为客流高峰时段（下午至傍晚）和平常时段（早晨至中午），需要分时段计算承载力;客运市场服务具有“差异化”特征，包括客船和快艇两种运输服务模式，需要分船型计算承载力。上述两种特征要素相辅相成、相互影响，共同决定该客运航线的最大承载力，同时由于普陀山码头通常按照船舶类型专属专用，不存在某泊位停靠不同类型船舶的情况，因此泊位各类船舶的客运量比例α取1，最终可确定码头极限承载力计算式为Pi，j=nGK×TdTs+Tfi，j

（3）式中：i表示运输时段特征，取值1、2（1表示高峰时段，2表示平常时段）;j表示客运船型，取值1、2（1表示客船，2表示快艇）。

根据调研实际情况，确定码头极限承载力计算参数，见表1。

船舶离靠泊间隔时间Tf为前船离泊结束与后船靠泊开始的时间差，是通过时间来量化相邻两船的作业距离（类似地面车辆的车头时距）的。考虑码头作业过程充分衔接的要求，Tf可由船舶停靠时间Ts决定，但由于Ts包含候船厅放行时间和引桥通道步行时间，而它们与运行调度模式和管理水平相关，且波动性较强，不属于船舶在港作业时间要素的必要组成部分，应予以剔除。为提高安全阈值，可以取船舶的最大停靠时间max{Ts-候船厅放行时间-引桥通道步行时间}作为Tf的最小值。

2.2 船舶经济承载力分析

如图3所示，客船运输周期包括A码头停靠、AB航线航行、B码头停靠、BA航线航行4个过程。对照船期表和客运公司经营情况，分析船舶饱和数量，考虑船舶运输能力，计算船舶经济承载力。

航线上船舶经济承载力取决于该航线上配置的船舶数量，以及每艘船在工作时间内完成运输周期的最大次數。船舶完成运输周期次数主要取决于船舶的实际发船间隔时间[15]。

对单个泊位而言，若1艘船的运输周期Tp≤某一泊位实际发船间隔时间Tr，即一个运输周期中只有1艘船返回始发泊位，则1艘船的最大运力就满足运输需求，此时仅需配置1艘船，反之则需增加配船数量。当一个运输周期中有m（m≥2）艘船返回始发泊位时，将其理论发船间隔时间记为Tt，即Tt=Tp/m，若Tt≤Tr，则m艘船满足运输需求。为使配置的船舶不闲置，应加入限制条件：m-1艘船的运力不能满足运输需求，也即实际发船间隔Trm≥TpTr

（4）根据普陀山客运站的船期情况，设某一泊位船舶饱和数量为m艘，共有n个泊位，则船舶总饱和数量M=nm。由于综合实际发船间隔时间TR是在n个泊位情况下提出的，所以还需估算每个泊位的平均实际发船时间，即Tr=nTR，代入式（4）得到Tp+nTRTR>M≥TpTR

（5）式中：船舶运输周期Tp包括船舶在客运航线两端客运站的停靠时间和双向航行时间。

结合普陀山客运站经营实际，船舶达到饱和数量时的最大承载力为Pi，j=Mmax×GK×TdTpi，j

（6）由前述分析可知Td、G、K的值，进一步由航线船期表和经营实际情况可确定Tp、TR和M，见表2。对比2019年正月初三的大客流应急疏运情况，普陀山—朱家尖航线共计投入客船19艘，已达到航线饱和运力需求。

2.3 乘客舒适承载力分析

乘客登船过程包括前往客运站、候船、登船3个过程，见图4。通过分析候船面积对客流量和流速的影响，研究乘客候船、登船时间对船舶运输周期的影响，计算乘客舒适承载力。

针对普陀山客运站是影响乘客舒适度的重要节点，为给乘客提供一个满意的舒适环境，可改变客流疏运方式和船舶调度模式，优化候船厅乘客数量。结合船舶经济承载力计算公式（6），主要考虑乘客候船时间和登船时间（候船厅放行间隔时间和乘客步行至船舶的时间）对船舶运输周期的影响，首次引入舒适因子η进行修正，得到乘客舒适承载力计算公式为Pi，j=Mmax×GK×TdTai，j

（7）式中：Ta为考虑乘客舒适度的船舶运输周期，Ta=Tp-两端客运站的放行时间和步行时间+（1+η）×一端客运站的放行时间和步行时间，min。

在客运量一定时，船舶运输周期变化会影响客运流速，导致人均候船面积变化，影响乘客舒适度，因此可通过人均候船面积计算舒适因子η。设人均候船面积S由人均使用长度l与人均使用宽度b构成，即S=lb。b为人行通道横截面的平均宽度B与通行列数r的比值，即b=B/r;l与单列乘客数量Q/r之积可以视为乘客足迹长度，记为L;乘客足迹长度L与步行速度v之比为乘客足迹时间t。乘客足迹参数示意图见图5。乘客足迹时间计算式见式（8）：t=Lv=lQvr=lQbvB

（8）据此，舒适因子η可通过乘客的舒适足迹时间tc与现状足迹时间tn之比确定，由于通行人数Q和通道宽度B为定值，所以η的计算公式可进一步简化为与人均候船面积和步行速度相关的公式：η=tctn=lcbcvnlnbnvc=ScvnSnvc

（9）式中：Sn为现状人均候船面积，据资料显示目前普陀山客运站候船厅使用面积约为5 400 m2，最大承载力为3 000人，即Sn=1.8 m2/人;Sc为舒适人均候船面积（《港口客运站建筑设计规范》建议不宜小于2.0 m2/人[11]，《建筑设计资料集（第二版）》建议3.0～3.5 m2/人[16]，本文采用区间值进行分析，即Sc∈[2.0 m2/人， 3.5 m2/人]）;vn、vc分别为现状、舒适的人均步行速度，根据相关学者的研究[17]，当人群密度小于4人/m2时，人行走速度基本保持不变。由于本文模拟的人群密度在此区间，理论上应维持步行速度不变，但考虑放缓步行速度有助于提升乘客舒适度，所以按照舒适步速为现状步速的60%～90%计算，即vc/vn∈[0.6， 0.9]。

若舒适因子η=1，则计算出的承载力为最小值，即为没有考虑乘客舒适度的船舶经济承载力，目前普陀山客运航线承载力评价均属于此场景，对影响乘客舒适度的候船时间、候船面积、步行速度等因素考虑有限。在实际应用中，由于乘客舒适度与舒适因子取值具有正相关性，所以舒适因子越大，乘客舒适承载力越小，乘客舒适度也就越高。如表3所示：η=1.23时的场景，被认为是略微提升人均候船面积，小幅降低乘客步速，为保守舒适场景;η=3.24时的场景，被认为是明显提升人均候船面积，大幅降低乘客步速，为乐观舒适场景。

3 承载力分析结果及比较

3.1 理论承载力分析结果

理论承载力，按运输方式界定，指各种类型的船在客源充足情况下所允许承载的最大客流量，即理论承载力=客船最大承载力+快艇最大承载力。普陀山客运航线承载力分析结果（分船型）见表4。

由表4可知：①在普陀山客运站运力充分调配或船舶数量充足、泊位能力完全释放、船舶能够实现最大停靠次数的理想状态下，码头极限承载力出山约为9.92万人次/d，进出山合计约18.29万人次/d。②在兼顾航线两端客运站经济运行，根据船期实际，保障船舶数量达到饱和能力，船舶运输周期次数达到最大的情况下，船舶经济承载力出山约为7.12万人次/d，进出山合计约14.24万人次/d。③在控制客流量及流速，改善乘客人均候船面积，提高乘客出行体验的背景下，乘客舒适承载力出山约为5.85万人次/d，进出山合计约11.70万人次/d。

理论承载力，按时段界定，指各客运时段在客源充足情况下所允许承载的最大客流量，即理论承载力=平常时段最大承载力+高峰时段最大承载力。普陀山客运航线承载力分析结果（分时段）见表5。

上述结果是在客流分布处于理想状态下普陀山客运航线的最大承载力，实际上平常时段的最大承载力难以充分显现。对比2018年普陀山某重要节日与平常日期的客流量（见表6）可知，节日当天出山客流达到5.45万人次，其中平常时段（8：00—12：00及17：00以后）出山客运量为2.40万人次，明显低于每日平常时段码头极限承载力3.67万人次，接近每日平常时段船舶经济承载力2.44万人次。因此，理论承载力只能作为行业关于客流量宏观调控的参考限值，表示通过疏运措施，将高峰时段客流压力、自然增量转移至平常时段所能达到的最大承载力边界。

3.2 实际承载力分析结果

实际承载力关注的是高峰时段承载力与大客流之间的不适应性，对于缓解现实疏运压力具有重要意义。基于表5可知：每日高峰时段码头极限承载力约为6.25万人次，对应约1.25万人次/h;每日高峰时段船舶经济承载力约为4.68万人次，对应约0.94万人次/h;每日高峰时段乘客舒适承载力约为4.26万人次，对应约0.85万人次/h。与2019年正月初三的大客流情况对比，普陀山—朱家尖航线当日高峰时段（15：00—20：00）出山累计5万人次以上，即疏运量为1万人次/h以上，并结合客运站反馈经验，在现有运力下最大乘客发送量为1.2万人次/h，显然已经逼近码头极限承载力，并且超过了船舶经济承载力，乘客舒适性也欠佳。

将2018年普陀山客运航线每日实际客运量与客运航线理论承载力进行比较（数据来源：根据舟山市交通运输局提供数据整理），结果见图6。对比全时段结果：实际客运量均远低于码头极限承载力，全年大部分日期的实际客运量也低于船舶经济承载力和乘客舒适承载力。对比高峰时段结果：部分日期的全天客流量不能集中在高峰时段，否则将超过码头极限承载力，同时增加了超过船舶经济承载力和乘客舒适承载力的风险。

4 结论

（1）普陀山水路客运量尚未达到客运航线的理论承载力限值，但重要节日高峰时段客运量已经逼近码头极限承载力，并已超过了船舶经济承载力，且远高于乘客舒适承载力，短期内难以满足高峰时段集中疏运的需求，长期也难以契合客运市场增量需要。鉴于普陀山客运实际与监管形势，急需界定高峰时段客运限值、优化行业运管模式，并将超额客流转嫁于平常时段承运，建议重要节日客运量限值参考码头极限承载力设定，平常日期客运量限值参考船舶经济承载力或乘客舒适承载力设定。

（2）考虑大客流疏运压力，可通过引流、限流、分流等措施调控客流量。一是优化客运组织，高峰时段设置临时疏客区域、启用临时疏客通道等，并结合客运“朝进夕出”特征控制客流涌入;二是完善客运机制，包括优化票务机制、运力配置机制、统一调度机制、信息公开機制等;三是强化保障措施，主要是完善候客区基础设施建设、修订应急预案、配置雾航设备系统等。

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（编辑赵勉）

收稿日期： 2019- 08- 19 修回日期： 2019- 12- 17