天津港北航道航道通过能力仿真模拟试验研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目();中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(,)作者简介:焦广军(),男,山东青岛人,高级工程师,主要从事港口经营管理研究。:(),通讯作者:孔宪卫(),男,正高级工程师,主要从事港航工程、通航安全方向研究。: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(天津港(集团)有限公司,天津 ;交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 )摘要:随着天津港集装箱码头工程建设,船舶进出港将频繁通过新港航道,为了精准把握航道通过能力,提高港区交通效率,基于天津港 船舶统计数据,
2、利用 系统建模和仿真工具,采用 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。根据天津港通航条件,分别针对天津港现状、近期(年)和远期(年)预测运营状况进行工况设计,开展仿真模拟并进行评价。结果显示近期工况下,天津港航道条件能够满足大多数船舶通航需求;远期工况下,现有航道优化方案已不能完全满足船舶通航需求,需进一步开展相关研究,释放航道潜力。关键词:系统建模与仿真;智能体建模;航道通过能力;港口服务水平中图分类号:文献标识码:文章编号:()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
3、航道),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 。船舶领域最早由日本学者藤井弥平提出。张保华 构建基于修正船舶领域的非限制性航道通过能力计算
4、模型。文元桥等 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。等 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 。在排队论的基础上,刘敬贤 建立了限制性航道通过能力动态模型;等 通过引入 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 。等 考虑到船舶的操纵性、速度、交通流密度、类型
5、、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。等 构建了基于 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,水道港口第 卷第 期根据船舶的航行行为特性,建立船舶 结构模型;研究了船舶 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 及航路生成方法。姚舜 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 提出一种 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
6、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 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 。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 航道通过能力研究水域 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 ,为 万 级深水航道,设计底标高 ,万 级船舶可以随时进港,万 级船舶可以乘潮进港。天津港北航道
7、航行水域全长约 ,设计底高程 ,其中与主航道连接段通航宽度为 ,以北至欧亚国际集装箱码头港池北边线通航宽度为 ,以北至汇盛码头港池通航宽度为 ,可满足 万 级集装箱船舶进出港要求。根据 年 年的统计数据,天津港新港航道封航共 ,交通管制总时约 ,其中 月至 月封航天数为 ,交通管制时间为 ;月至 月封航天数为 ,交通管制时间为 ;其余月份封航天数为 ,交通管制时间为 。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:()船舶在天津港主航道 、号灯浮标至西警戒线航行时,主航道 号灯浮标(航道里程 )以西船舶航速最高不得超过 ,以东不得超过 ;满载进
8、港的 万 级以上船舶航速最高不得超过 ,未经允许,主航道内船舶最低航速不得低于 。遇到下列情况,实施单向通航:风力小于 级,船舶单船船宽大于等于 (载运特殊危险品货物的船舶单船船宽大于等于 );风力小于 级,拟相对航行的船舶两船船宽之和大于等于 (拟相对航行两船,其中一艘为油船时,两船船宽之和大于 ;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 )。()船舶在天津港主航道西警戒线至 号灯浮标航行时,主航道内船舶航速最高不得超过 ,船舶富裕水深不得小于 ,未经允许,主航道内船舶最低航速不得低于 ;遇到下列情况,实施单向通航:风力小于 级,船舶单船船宽大于等于 (载运特殊危险货物
9、的船舶单船船宽大于等于 );风力小于级,拟相对航行的船舶两船船宽之和大于等于 (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 )。另外进港靠泊北港池码头的其他船舶,过 号灯浮(航道里程 )后,尽早择机进入主航道北侧水域,通过该水域驶入北港池。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 年 年船舶进出港数据进行分析,以 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 和图 所示。年 月焦广军,等天津港北航道航道通过能力仿真模拟试验研究表 不同时间间隔到港船舶统计 时间间隔 年 艘 年 艘 年 艘 图 到港船舶数量 时间拟
10、合图 通过对近 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: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 年 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 所示。表 各码头到港船舶分类数据统计表 码头序号到港船舶平均数量 艘船舶比例 船舶类型船舶等级及比例船长 船宽 吃水 平均每艘船舶载货量 万 集装箱 (万 )()集装箱 (万 )()集装箱 (万 )()汽车滚装 (万 )()散(件)杂货 (万 )()集装箱 (万 )()
11、散(件)杂货 (万 )()煤炭散货 (万 )()煤炭散货 (万 )()煤炭散货 (万 )()油品 (万 )()油品 (万 )()散(件)杂货 (万 )()邮轮(万 )()铁矿石散货 (万 )()水道港口第 卷第 期 目标水域通过能力仿真 仿真系统逻辑流程图 船舶进出港仿真逻辑流程图 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 所示,主要包括以下 个阶段:()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 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
12、成指泊过程。()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:自然条件(风、潮、能见度等)是否满足船舶进港要求;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。()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。()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。
13、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。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:()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;()码头后方堆场资源充裕,能够满足货物存放需要;()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;()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;()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;()忽略航道整治、疏浚施工等船舶航行受限的情
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