天津港北航道航道通过能力仿真模拟试验研究

焦广军,王 轩,李笑晨,孔宪卫*,张春生,张 磊,陈佩博

(1.天津港(集团)有限公司,天津 300461;2.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456)

天津港集装箱码头选址于天津港北港池东侧,随着集装箱码头工程建设,进出港船舶数量将不断增加,船舶通航密度明显上升,船舶将频繁通过新港航道(包含主航道和北航道)[1],航道通过能力一定程度上存在限制港区吞吐量的可能性。为了精确把握航道通过能力,提高航道交通效率,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,航道通过能力评价研究具有重要理论价值和现实意义。

国内外学者对港口航道通过能力的研究方法大体可分为三类：

第一类是基于船舶领域理论的静态计算。该方法基于航道的天然条件和通航船舶的自然属性,船舶进出港航行过程可被看作是一系列前后排列行进的过程,可被理解为面积求解问题,即航道长和宽构成的水域面积可以容纳的最大船舶领域面积的数量,该方法侧重考虑船舶通航安全[2-3]。船舶领域最早由日本学者藤井弥平提出。张保华[4]构建基于修正船舶领域的非限制性航道通过能力计算模型。文元桥等[5]结合船舶领域的概念构建多源汇入和汇出条件下公共航道通过能力模型。QI等[6-7]在元胞自动机和动态船舶领域模型的基础上,建立空间逻辑映射模型,对交通容量进行讨论。

第二类是运用排队论、跟驰论等方法建立航道通过能力计算模型,求取船舶进出港系统的关键指标参数,提出相应的管理措施和优化调度方案来提高航道的通过能力,侧重于研究航道服务水平[8-10]。在排队论的基础上,刘敬贤[11]建立了限制性航道通过能力动态模型;JAGERMAN等[12]通过引入SHIP/G/1排队系统模型,对港口船舶到达过程进行研究。

第三类是系统仿真研究。通过构建船舶在港航行作业的仿真模型,更加直观地分析船舶进出港的整个动态过程[13-17]。BLOKUS等[18]考虑到船舶的操纵性、速度、交通流密度、类型、船舶的行为、船长和航道状态建立了可用来模拟简单的交叉和环形交通流的元胞自动机模型,在优化港口交通组织建议的验证方面取得应用。XU等[19-20]构建了基于Multi-Agent的船舶交通流仿真系统的框架;将每一艘船舶看作一个智能体,根据船舶的航行行为特性,建立船舶Agent结构模型;研究了船舶Agent之间的协作与通信机制;研究了船舶自由航行、跟随和追越等决策模型,提出了船舶Agent及航路生成方法。姚舜[21]使用多智能体方法并结合船舶交通数据库、船舶调度优化和船舶自动识别系统轨迹分析,建立了应用在船舶模拟器内的船舶交通仿真系统。王艳红等[22]提出一种Multi-Agent的船舶避碰决策方法,通过对多目标船舶避碰试验的仿真,能够得到与人工分析一致的结果。

对比上述研究方法,船舶领域研究方法侧重船舶通航安全,偏向研究航道的理论通过能力,对解决实际的工程问题略显不足;理论建模研究方法侧重航道服务水平,考虑问题更为全面,能够体现出船舶通航活动的一般特点;系统仿真研究方法在理论建模的基础上增强了个体在通航活动中的交互作用,通过算法对每个Agent进行逻辑控制,能够达到与真实航道情况最为贴近的运行效果[23-24]。综上,本文选择以系统仿真方法开展天津港东疆港区航道通过能力研究。

图1 航道通过能力研究水域Fig.1 Study water area of channel through capacity

1 通航环境概述

本文研究水域为天津港新港航道(包含主航道和北航道),天津港主航道长47.5 km,为30万t级深水航道,设计底标高-22.0 m,25万t级船舶可以随时进港,30万t级船舶可以乘潮进港。天津港北航道航行水域全长约10 km,设计底高程-15.5 m,其中与主航道连接段通航宽度为320 m,以北至欧亚国际集装箱码头港池北边线通航宽度为390 m,以北至汇盛码头港池通航宽度为185 m,可满足10万t级集装箱船舶进出港要求。

根据2019年—2021年的统计数据,天津港新港航道封航共78 d,交通管制总时约580 h,其中1月至2月封航天数为15 d,交通管制时间为78 h;11月至12月封航天数为28 d,交通管制时间为255 h;其余月份封航天数为35 d,交通管制时间为247 h。

根据《天津海事局船舶交通管理系统安全监督管理规则》中“天津港主航道及附近水域船舶航行规则”要求：

(1)船舶在天津港主航道1、2号灯浮标至西警戒线航行时,主航道35号灯浮标(航道里程18+000)以西船舶航速最高不得超过13 kn,以东不得超过15 kn;满载进港的15万t级以上船舶航速最高不得超过10 kn,未经允许,主航道内船舶最低航速不得低于5 kn。遇到下列情况,实施单向通航：风力小于7级,船舶单船船宽大于等于52 m(载运特殊危险品货物的船舶单船船宽大于等于30 m);风力小于7级,拟相对航行的船舶两船船宽之和大于等于80.6 m(拟相对航行两船,其中一艘为油船时,两船船宽之和大于76.3 m;其中一艘船为载运特殊危险品货物的船舶时,其两船船宽之和大于等于60 m)。

(2)船舶在天津港主航道西警戒线至48号灯浮标航行时,主航道内船舶航速最高不得超过13 kn,船舶富裕水深不得小于1.7 m,未经允许,主航道内船舶最低航速不得低于5 kn;遇到下列情况,实施单向通航：风力小于7级,船舶单船船宽大于等于40 m(载运特殊危险货物的船舶单船船宽大于等于30 m);风力小于7级,拟相对航行的船舶两船船宽之和大于等于65 m(拟相对航行两船,其中一艘为载运特殊危险货物的船舶时,其两船船宽之和大于等于52 m)。

另外进港靠泊北港池码头的其他船舶,过39号灯浮(航道里程13+910)后,尽早择机进入主航道北侧水域,通过该水域驶入北港池。

2 船舶交通流特征分析

为建立仿真系统中船舶到港数量和时间间隔模型,对天津港2019年—2021年船舶进出港数据进行分析,以1 h为时间步长,对不同时间间隔到港船舶数量进行分类统计,统计结果如表1和图2所示。

表1 不同时间间隔到港船舶统计Tab.1 Statistics of ships arriving at different time intervals

通过对近3 a不同时间间隔到港船舶数量进行拟合修正,船舶到港时间服从负指数函数分布模型,概率密度函数为

式中：λ为拟合系数,表示船舶平均到港时间间隔。

为准确模拟不同类型船舶、不同吨位到港情况,对天津港2019年—2021年船舶进出港数据进行分析,分别统计每个码头到港船舶数量、占港区到港船舶数量比例、到港船舶吨级及其占比,统计结果如表2所示。

表2 各码头到港船舶分类数据统计表Tab.2 Classification data of ships arriving at each terminal

3 目标水域通过能力仿真

3.1 仿真系统逻辑流程

本文设计航道通过能力仿真模型遵循船舶进出港实际作业流程,逻辑流程图如图3所示,主要包括以下4个阶段：

图3 船舶进出港仿真逻辑流程图Fig.3 Logic chart of simulation on ship entry and exit

(1)锚地待泊阶段。

锚地待泊过程从船舶到达港口开始,到船舶分配可停靠的泊位并驶离锚地结束,该过程主要在锚地中完成。系统按照统计数据模型的时间间隔生成船舶Agent并到达港口。根据可停靠泊位的空闲状况,将空闲的泊位分配给船舶,完成指泊过程。

(2)船舶进港阶段。

船舶进港过程从船舶驶离锚地进入航道开始,到船舶驶离航道进行靠泊结束。船舶进入航道前,需对航道通航条件进行判断,包括：①自然条件(风、潮、能见度等)是否满足船舶进港要求;②航道条件(单双向等)是否满足船舶进港要求。船舶进入航道后应遵守航行规则,保持规定航速行驶。

(3)船舶装卸作业阶段。

装卸作业过程从船舶靠泊后开始,到船舶装卸作业完成后结束,到港船舶装卸作业时间与船舶载货量、泊位装卸工艺有关。装卸作业时间采用各码头实际船舶装卸作业时间统计数据,拟建及在建泊位仿真过程中取同等规模码头装卸作业时间数据。

(4)船舶出港阶段。

船舶出港过程从船舶完成装卸作业后开始,到船舶航道下线结束。船舶出港驶入航道前仍需判断自然条件和航道条件,与进港过程相同,如上述条件均满足,船舶驶入航道,否则在泊位继续等待。

3.2 仿真系统假设条件

综合考虑研究水域自然条件、船舶到港规律、相关规范以及通航管理规则等客观要求,对真实系统进行合理简化,条件如下：

(1)港口锚地资源充足,能够为船舶提供等待航道和泊位的服务;

(2)码头后方堆场资源充裕,能够满足货物存放需要;

(3)港口装卸作业设备工作始终正常,并按照正常装船效率工作;

(4)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的原则,出港亦同;

(5)运行的船舶符合航道等级标准,技术状态好,保持平均航行速度、运行中互无干扰;

(6)忽略航道整治、疏浚施工等船舶航行受限的情况。

3.3 仿真工况设计

根据天津港主体港区发展规划,本文仿真模拟依据现状(2019年—2021年)、近期(2025年)和远期(2035年)运营状态及规划,共设计5种仿真工况,如表3所示。

表3 仿真工况表Tab.3 Simulation condition

(1)工况一：工况一为现状工况(2019年—2021年),该工况包括太平洋码头6个集装箱泊位,北港池其他码头15个泊位,以及主航道两侧码头53个泊位,共74个泊位运营。航行规则遵守《天津海事局船舶交通管理系统安全监督管理规则》要求,北港池水域船舶实行10万t级集装箱船单向通航规则。

(2)工况二：工况二为近期预测2025年港区运营情况,该阶段增加北港池水域C段集装箱智能泊位3个,增加拟选址于东疆港区的天津港集装箱码头4个泊位,增加北港池水域海嘉码头2个泊位,共有83个泊位运营,其中,集装箱码头参照太平洋码头同等规模泊位运营。航行规则同现状工况相同。

(3)工况三：工况三为近期预测2025年港区运营情况,与工况二相同,不同之处在于北港池水域实行20万t级集装箱船单向兼顾10万t级集装箱船双向的通航规则。

(4)工况四：工况四为远期预测2035年港区运营情况,根据天津港总体规划和天津港主体港区实际运行情况,在工况二的基础上增加东疆港区集装箱泊位8个和邮轮泊位2个,增加北疆港区集装箱泊位8个,增加南疆港区北侧30万t油船泊位2个。共有103个泊位运营,其中,集装箱码头参照太平洋码头同等规模泊位运营,邮轮泊位参照原邮轮码头同等规模泊位运营,油船泊位参照南疆30#泊位运营。航行规则遵守《天津海事局船舶交通管理系统安全监督管理规则》要求,北港池水域船舶实行10万t级集装箱船单向通航规则。

(5)工况五：工况五为远期预测2035年港区运营情况,与工况四相同,不同之处在于主航道35+000至47+500段水域拓宽后,实行全线双向通航规则(设定船宽要求限制),北港池水域实行20万t级集装箱船单向兼顾10万t级集装箱船双向的通航规则。

4 航道通过能力分析

4.1 评价指标的确定

对港区运营现状进行调研,综合考虑未来发展趋势,本文选取以下指标对航道通过能力进行评价,建立评价标准如表4和表5所示。

表4 邮轮、集装箱码头航道通过能力评价指标Tab.4 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

(1)船舶进港平均等待时间。

船舶进港的平均等待时间为船舶到锚地时间与开始进港航行时间之差,包括平均等待泊位时间和平均等待航道时间。船舶等待泊位时间是指由于没有可以靠泊的泊位而产生的等待时间,该时间反映了在指定时段下,泊位与到港船舶之间的匹配关系,船舶等待泊位时间越长,泊位数量越紧张。船舶等待航道时间主要由两部分构成：①自然条件等待时间;②航道条件等待时间。船舶等待航道时间能直接反映航道交通状况,当船舶进港等待航道时间越短时,船方在港待泊的费用低,则船方的经济性越好。

(2)船舶出港平均等待时间。

船舶出港的平均等待时间为船舶在泊位装卸作业完成后等待航道时间。与船舶进港等待航道时间相似,其主要由两部分构成：①自然条件等待时间;②航道条件等待时间。船舶等待航道时间能直接反映航道交通状况。

(3)泊位(码头)利用率。

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。数值越大船舶等待的可能性越大,数值越小则浪费泊位资源。根据《海港总体设计规范》(JTS 165—2013)中7.10节相关内容,泊位利用率应根据运量、到港船型、泊位装卸效率、泊位数船舶在港费用和港口投资及营运费用等港口实际情况和各类因素综合考虑,以港航整体经济效益为目的,集装箱码头有效利用率可参考范围为50%～70%,件杂货码头可参考范围为57%～75%,煤炭码头可参考范围为56%～75%,液体散货码头可参考范围为55%～70%。

(4)港口服务水平指标AWT/AST。

根据国际航运协会发布的《进港航道设计指南》,港航系统的服务水平可借鉴港口服务水平指标(AWT/AST)。其中AWT为船舶的平均等待时间,包括平均等待泊位时间和平均等待航道时间;AST为船舶平均在泊作业时间。AWT/AST越高,说明船舶相对等待时间越长,是以牺牲船方利益为代价来提升港口的吞吐量;AWT/AST越低,表明港口的服务水平越高,但会浪费部分港区装卸能力和泊位资源。

联合国贸易和发展会议在《发展中国家港口规划手册》中指出,通常认为等待时间不宜超过装卸作业时间的10%～50%,其取值范围在0.1≤AWT/AST≤0.5。

根据《海港集装箱码头设计规范》(JTS165-4—2011),建议沿海港口集装箱码头中,3个以上泊位连续布置的大型(5万t级以上)集装箱码头服务水平指标宜为0.1≤AWT/AST≤0.3;2个以下泊位组成的小型集装箱码头服务水平指标宜取0.4≤AWT/AST≤0.5。

4.2 仿真结果分析

本文利用Anylogic系统建模和仿真工具,采用Agent建模方法对天津港东疆港区进行了航道通过能力建模仿真,图4为仿真效果图。工况一为模型验证工况,对关键参数进行比对,验证结果如表6～表8所示,分别是到港船舶数量验证、年货物吞吐量验证,在泊总时间验证,误差均在5%以内,能较好地体现港区实际运营规律。

表6 到港船舶数量验证Tab.6 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

表7 年货物吞吐量验证Tab.7 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

表8 在泊总时间验证Tab.8 Evaluation indicators for through capacity of cruise ships and container terminals

图4 仿真效果图Fig.4 Simulation rendering

其他工况下,港区年货物吞吐量、到港船舶数量、集装箱吞吐量如表9所示,各工况中不同评价参数计算结果如图5～图8所示。

表9 各工况仿真结果汇总Tab.9 Summary of simulation results

图5 船舶进港平均等待时间仿真结果Fig.5 Simulation results of average waiting time for ships entering port

图6 船舶出港平均等待时间仿真结果Fig.6 Simulation results of average waiting time for ships departure

图7 泊位(码头)利用率仿真结果Fig.7 Simulation results of berth utilization

图8 港口服务水平仿真结果Fig.8 Simulation results of port service level

工况2由于北港池增加C段集装箱、东疆港区集装箱码头和海嘉3个码头,使北港池进出船舶数量增加,造成原有码头等候时间有所增加,该工况可满足邮轮船舶和集装箱船舶正常通航要求,滚装船舶、散杂货船舶和油船的进港等候时间偏长,但仍可满足大部分船舶的通航需求。

工况三对比工况二,调整北港池兼顾10万t级集装箱船双向航行规则,使北港池水域码头的船舶平均等候时间有所减少,但对主港区码头影响不大。该工况可满足邮轮船舶和集装箱船舶正常通航要求,滚装船舶、散杂货船舶和油船的进港等候时间偏长,但仍可满足大部分船舶的通航需求。

工况四新增加泊位20个,使到港船舶数量增加2 131艘,造成港区各码头船舶进港和出港平均等候时间均有所增加,北港池水域多数码头和主航道部分码头增加幅度较大。该工况基本可以满足邮轮船舶和集装箱船舶正常通航要求,但北港池中集装箱的航道通过能力部分评价指标有待提升,需通过调整船舶调度方式等减少船舶的等待时间。

工况五对比工况四,调整北港池兼顾10万t级集装箱船双向航行规则,使北港池水域码头的船舶进港平均等候时间减少,主航道水域码头受影响较小。该工况基本可以满足邮轮船舶和集装箱船舶的正常通航要求,但北港池中集装箱的航道通过能力部分评价指标有待提升,需通过调整船舶调度方式等减少船舶的等待时间。滚装船舶、散杂货船舶和油船的进港等候时间偏长,基本满足船舶的通航需求,但会造成船方利益受损。

5 结论

通过对天津港东疆港进行航道通过能力建模仿真研究,模拟了天津港现状、近期和远期码头泊位在不同通航条件下的运营状况,并根据调研成果对模拟工况进行评价。结果表明：近期工况中滚装、散杂货和油船等候时间较长,但能够满足大部分船舶的通航需求,北港池航行规则的调整能够较好地缓解北航道交通状况,但对主航道影响较小;在远期工况中,虽然对北航道和主航道都进行了优化,但对进港优先级较高的邮轮和集装箱船舶的航道通过能力评价指标不满。因此对仿真结果进行分析：(1)船舶大型化所产生的单向通航需求对航道通过能力的影响较大,建议开展大型船舶单双向通航规则进行优化和调整研究,在保障安全的前提下进一步释放航道能力;(2)远期工况中,港区部分码头泊位利用率仍较低,建议在规划码头建设过程中结合理论研究同步进行,优化港区码头泊位布置以及与航道的适应性,深度挖掘航道潜能,全面提升天津港综合竞争力。