沿海港區(qū)復式航道等級組合優(yōu)化研究

宋向群，胡學文，唐國磊，王文淵

（大連理工大學，大連 116024）

全球經濟的一體化發(fā)展帶動了航運業(yè)的快速增長，從而促進了船舶數量的增加。隨著到港船舶的增多，沿海大型港口的單線航道已經很難滿足船舶及時進出港的需求，航道通過能力的不足影響了港口通過能力。如果直接將單線航道擴建為雙線航道，雖然能迅速提升航道的通過能力，但擴建投資巨大，同時也可能造成通過能力的浪費，而復式航道是介于單線與雙線航道之間的一種過渡航道，在盡可能提升航道通過能力的同時，減少了工程投資。

目前國外對復式航道的研究不多，國內對復式航道的研究也僅局限于天津港，且主要是復式航道的淤積計算［1］和通航方案［2-3］方面的研究，趙智幫［4］在天津港復式航道的探討中涉及了復式航道的通過能力，但是對于如何確定擴建的副航道等級尚無研究。

由于港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)隨機因素多，常規(guī)的數學方法很難解決主、副航道的等級組合優(yōu)化問題。本研究利用系統(tǒng)仿真方法［5-6］，以沿海某集裝箱港區(qū)為例，給出了如何分析和確定該港區(qū)主、副航道等級組合優(yōu)化方案的具體步驟，從而為副航道的等級規(guī)劃提供了理論支持。

1 復式航道

復式航道由主、副航道組成，主航道等級大于副航道等級，按照進出港船舶噸級和吃水的不同，實行大小船舶分流行駛，當通航船舶噸級大于副航道噸級時，船舶通過主航道，反之進入副航道（圖1）。

專業(yè)性很強的港口，進出港船舶的重載與輕載常常是固定的，如大型煤炭出口港，常輕載進重載出；礦石、石油進口港則重載進輕載出。通過設置復式航道，使輕載船舶走副航道，重載船舶走主航道，安全且經濟合理。

2 復式航道等級組合優(yōu)化方法

2.1 前提條件

復式航道的建設前提是，在既有的設備、合理的操作過程、先進的裝卸工藝和生產組織條件下，單線航道的通過能力成為港區(qū)通過能力發(fā)揮的瓶頸，即此時港區(qū)泊位通過能力尚有富余，沒有達到碼頭設計通過能力；若擴建為雙線航道，航道投資過大且航道通過能力過剩，此時可采用復式航道作為單線航道向雙線航道的過渡形式。

對于主航道等級、通航條件以及港區(qū)規(guī)模等條件確定的港區(qū)，影響該港區(qū)復式航道等級組合優(yōu)化方案的關鍵因素在于未來到港船型、到港船型日平均到船率以及到港船舶數量的變化。

2.2 優(yōu)化目標

在現(xiàn)有港區(qū)主航道、通航條件和港區(qū)規(guī)模不變的條件下，通過擴建某種等級的副航道后，使復式航道通過能力滿足規(guī)劃期內港區(qū)吞吐量和船舶通過量的預測需求，同時主、副航道與港區(qū)都能提供較好水平的服務，使船方和港方的綜合經濟效益達到最優(yōu)。目標細分后應依次滿足以下4點要求：

（1）復式航道通過能力和船舶通過量滿足規(guī)劃期內港區(qū)吞吐量及船舶通過量的需求。

（2）滿足主、副航道各自對服務水平的要求。

航道服務水平是用來衡量航道在某些條件下所提供服務的質量水平，可以用航道利用率ρ來表示

式中：λ為船舶進出港航行密度，艘次/d；u為航道理論最大航行密度，艘次/d。

由于進出港船舶在各自航道內不能超越，所以還是單通道問題，根據統(tǒng)計結果和技術經濟論證以及對單向航道服務水平的研究［7］，當ρ達到0.5～0.6時航道已飽和，超過0.6時，航道再次成為限制港區(qū)吞吐量增加的瓶頸［4］。所以ρ＜0.6時，認為船舶流基本穩(wěn)定，航道能夠較好地發(fā)揮其經濟效益。

（3）滿足港區(qū)服務水平要求。

根據《發(fā)展中國家設計者手冊》的建議：“當某計劃是基于經濟投資最優(yōu)時，用等待時間與服務時間的比率（AWT/AST）作為指標必然是可以接受的，通常小于0.3”［8］。AWT指平均等待泊位與航道的時間，AST指到港船舶接受港區(qū)服務的平均時間。

（4）經濟原則。

由于擴建航道的經濟效益分析十分復雜，涉及到財務分析、國民經濟分析以及社會效益分析等，在不影響判斷結果的前提下，本研究做了簡化。擴建副航道后產生的費用變化主要來自港方和船方，港方因擴建副航道而產生疏浚費用，船方會因為減少平均等待時間而降低平均在港等待費用，最優(yōu)的組合應該是使船方和港方支出費用和達到最小。

2.3 具體步驟

沿海港區(qū)復式航道等級組合優(yōu)化過程可以通過以下步驟實現(xiàn)。

（1）預測規(guī)劃期內港區(qū)吞吐量和到港船舶數量。

（2）預測規(guī)劃期內到港船型及其平均到船率。

（3）根據主航道等級和步驟（2）確定可能的主、副航道等級組合形式；假如某集裝箱港區(qū)主航道等級為10萬t級，到港船舶以1萬t級以上的集裝箱船為主，根據集裝箱設計船型，則擴建的副航道等級可能為7、5、3、2、1萬t級，即主副航道存在5種可能的組合形式。

（4）在現(xiàn)有港區(qū)主航道條件不變的情況下，計算不同主、副航道等級組合后的復式航道通過能力和船舶通過量以及主、副航道各自船舶通過量，判斷是否能夠滿足規(guī)劃期內港區(qū)吞吐量和船舶通過量的要求，確定可能的主、副航道組合類型。

（5）計算主、副航道的服務水平，優(yōu)化主、副航道組合類型。

（6）計算港區(qū)服務水平AWT/AST，進一步優(yōu)化主、副航道組合類型。

（7）通過經濟評價，確定最優(yōu)的主、副航道等級組合方案。

3 某集裝箱港區(qū)的仿真算例分析

以沿海某集裝箱港區(qū)為例，應用系統(tǒng)仿真方法分析復式航道等級組合優(yōu)化過程。系統(tǒng)仿真是一門融系統(tǒng)科學、運籌學、概率統(tǒng)計及計算機應用于一體的綜合性理論和方法，借助計算機和仿真軟件，對現(xiàn)實世界中的各種情景以及仍然處在概念階段的各種設想加以模擬，以此達到對系統(tǒng)進行分析、設計和評價的目的。

3.1 港區(qū)現(xiàn)狀

主航道10萬t級，通航歷時0.5 h，船舶航速6 kn，船舶安全航行時間間隔24 min，年營運天數325 d，該港區(qū)共計25個泊位，包括1萬t級泊位2個，3萬t級泊位6個，5萬t級泊位5個，7萬t級泊位2個，10萬t級泊位10個。

經預測，設計規(guī)劃期港區(qū)吞吐量將達到1 900萬TEU，屆時到港船舶將達到12 600艘次，到港船型與現(xiàn)有泊位噸級相對應，按照該港區(qū)的泊位組成比例產生到港船舶流，10萬t級以上的船舶靠泊10萬t級泊位。

3.2 仿真結果分析

根據主航道等級和未來到港船型的情況，首先確定了4種可能的復式航道等級組合類型（表1）；按照前述的優(yōu)化步驟，將逐步確定最優(yōu)的主、副航道等級組合方案。

表1 復式航道仿真計算結果表Tab.1 Compound channel simulation computation results

由表1可知，4種復式航道的通過能力和船舶通過量都能滿足設計規(guī)劃期相應的預測值；然而僅10萬t級主航道與7萬、5萬、3萬t級副航道組合時能夠同時滿足主、副航道對服務水平的要求，1萬t級副航道對應的主航道服務水平接近超飽和狀態(tài)；此3類組合同時也能滿足港區(qū)服務水平的要求；但3萬t級副航道對應的港方疏浚費用和船方平均等待費用均小于7萬、5萬t級的副航道，能帶來更好的經濟效益。

所以此集裝箱港區(qū)在現(xiàn)有主航道條件下，最優(yōu)副航道等級為3萬t級，由航道服務水平可知該復式航道主、副航道船舶流穩(wěn)定，均有部分余量，航道仍有發(fā)展空間。

4 結論

（1）本文提出基于系統(tǒng)仿真的復式航道規(guī)劃方法，以期定量地分析復式航道與主、副航道。要求在對整體進行優(yōu)化的同時也要對主、副航道進行優(yōu)化，兩者兼顧。

（2）沿海集裝箱港區(qū)的系統(tǒng)仿真驗證表明本文建立的優(yōu)化方法可靠，可用于沿海港區(qū)復式航道的規(guī)劃。

（3）復式航道大大提升了航道通過能力，能使各條航道充分發(fā)揮作用，仿真實例中航道通過能力提升了1.9倍。

［1］曹祖德，侯志強，張書莊.復式航道的淤積計算［J］.水運工程，2006（4）：54-57，72.

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［2］李波.天津港復式航道通航安全的灰色模糊預評價［D］.大連：大連海事大學，2010.

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［4］趙智幫.天津港復式航道的探討［J］.港工技術，2008（10）：4-7.

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［5］Kelton W D，Sadowski R P，Sturrock D T.Simulation with Arena：Third Edition［M］.Beijing：China Machine Press，2007.

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［7］宋向群，付超，郭子堅，等.沿海集裝箱港區(qū)單向航道服務水平研究［J］.水運工程，2010（7）：107-111.

SONG X Q，F(xiàn)U C，GUO Z J，et al.Research of the one-way channel service level in coastal container port［J］.Port&Waterway Engineering，2010（7）：107-111.

［8］Secretariat of UNCTAD.Port development:a handbook for planners in developing countries［M］.New York：United Nations，1985.