基于SIMIO的航道通過能力仿真研究

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

基于SIMIO的航道通過能力仿真研究

李紹武1，2，李文1*，黃泰坤3

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

以某沿海港口為例，采用新一代面向?qū)ο蟮慕＼浖IMIO構(gòu)建了航行作業(yè)系統(tǒng)模型，計算了其航道通過能力，分析了港口運營狀態(tài)，驗證了仿真模型的可靠性，并分析了兩種裝卸效率下，不同船流密度對通過航道貨運量、AWT/AST和AWT的影響。研究結(jié)果表明，航道貨運量隨船流密度的增加而增大，且存在一個極限值，高效率的裝卸設(shè)備只有在船流密度較大時才能發(fā)揮作用。為真實、客觀地分析和預報港口航道通過能力提供一種新工具。

仿真；SIMIO；航道通過能力

0 引言

港口航行作業(yè)系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng)，用傳統(tǒng)數(shù)學分析方法很難真實地反映港口運營過程中各要素的隨機動態(tài)變化。計算機仿真技術(shù)是研究這類隨機、動態(tài)、復雜系統(tǒng)問題的有效方法。仿真過程通過修改和調(diào)整模型參數(shù)可以重復試驗，并可實時觀察修改帶來的影響。

采用SIMIO仿真軟件進行建模，以“面向?qū)ο蟆钡慕Ｋ季S取代“面向過程”和“面向事件”的傳統(tǒng)建模方式，在一定程度上簡化了建模過程[1]，并且在標準對象庫和標準過程的基礎(chǔ)上，通過修改對象屬性、為對象增減過程，得到具有特定行為的對象。在對港口航行作業(yè)系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，基于SIMIO仿真平臺建立可視化的港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。用某沿海港口的實際資料驗證模型的可靠性；在此基礎(chǔ)上，通過修改仿真參數(shù)，討論兩種不同裝卸效率下船流密度對通過航道貨運量、港口服務(wù)水平AWT/AST和船舶平均等待時間AWT的影響。為港口航道通過能力計算提供新方法。

1 港口航行作業(yè)系統(tǒng)分析

港內(nèi)船舶的服務(wù)過程以船舶到達錨地為起點，以船舶離開港口為終點，包括船舶到達港口、錨地排隊待泊、駛?cè)牒降馈⒖坎醋鳂I(yè)、解纜離泊、駛?cè)牒降馈㈦x開港口等作業(yè)環(huán)節(jié)。港內(nèi)船舶作業(yè)可以抽象為以下建模邏輯流程（圖1）。

1）船舶抵港后，對船舶屬性賦值，進入錨地待泊；

2）根據(jù)船舶屬性，檢查是否存在滿足其靠泊要求的空閑泊位，若有則進入3），否則，在錨地繼續(xù)等待；

3）判斷風、浪、霧、潮位等自然條件是否滿足船舶通航條件，若是則進入4），否則繼續(xù)在錨地待泊；

4）限定雙向航道，無需判斷船舶航行方向，只需滿足相鄰船舶安全時距的要求，滿足則進入5），否則錨地待泊；

5）船舶進行解系纜、靠泊并完成裝卸作業(yè)后，再次判斷航道中的船舶是否滿足安全時距，滿足則進入航道，離港；否則繼續(xù)等待。

圖1 港口航行作業(yè)系統(tǒng)邏輯模型Fig.1 Logic model of ship navigation-operation system of port

2 港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型

在分析航道作業(yè)過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可視化的港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。首先，從標準對象庫中選取相關(guān)對象置于工作區(qū)，按照邏輯關(guān)系建立各對象的相互連接關(guān)系，初步建立可視化的靜態(tài)系統(tǒng)模型。然后，在對象的屬性面板中有選擇地對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，修改對象屬性，使引入的對象成為港航作業(yè)系統(tǒng)中的組成元素，并采用過程編輯器來修改和擴展對象的行為，使之符合港航作業(yè)系統(tǒng)的邏輯規(guī)則。利用3D繪圖軟件GoogleSketchUp繪制地形圖，結(jié)合SIMIO預制的3D圖形，創(chuàng)建具有動畫效果的系統(tǒng)模型（圖2）。

圖2 可視化3D動畫系統(tǒng)模型Fig.2 Model of 3D visualization animation system

2.1 模型中主要組成對象

1）實體（ModelEntity）：船舶；

2）源對象（Source）：創(chuàng)建船舶；

3）服務(wù)器（Server）：泊位；

4）隊列（Storage）：錨地；

5）時間路徑（TimePath）：船舶作業(yè)過程；

6）資源（Resource）：航道；

7）退出系統(tǒng)（Sink）：船舶離港。

2.2 仿真建模過程

2.2.1 船舶到港

用 SIMIO標準對象庫中提供的源對象（Source）產(chǎn)生船舶實體，在Source的屬性面板定義船舶實體類型（Entity Type）以及船舶實體到達的時間間隔分布類型（Interarrival Time），引用部件表（Table），設(shè)置各類船舶實體混合比例（Type）、船舶噸級（Tonnage）、船舶通航水深（Level）、路徑鏈表（NodeList）。隨后將船舶實體送入港外錨地，通過在過程編輯器中添加Insert步驟，插入隊列（Storage）來表示錨地排隊待泊，至此，船舶完成到港過程。

2.2.2 選擇泊位及檢查潮汐條件

船舶到港后，根據(jù)船舶實體的類型和屬性，通過過程編輯器中Route步驟指定滿足其靠泊條件的空閑泊位 （NodeList）；在函數(shù)定義區(qū)（Functions） 輸入隨時間變化的潮位公式（FunctionTide），在過程編輯器中采用Decide步驟實時判斷潮位條件是否滿足船舶實體的通航水深（Level），當泊位和潮汐條件均滿足，進入航道，否則繼續(xù)等待。

2.2.3 船舶的安全時距

根據(jù)航道內(nèi)同向航行船舶需要遵循安全時距的原則，在過程編輯器中添加Seize步驟，抓取航道資源（Resource_In），并添加Execute步驟來觸發(fā)Execute_Distance_In過程，在該過程中船舶實體抓取航道資源并延遲（Delay）一定時間后釋放（Release）航道資源。

2.2.4 船舶裝卸作業(yè)

船舶到達相應的泊位（Server）后，在Server屬性面板中設(shè)置實體進行輔助作業(yè)（Transfer-In Time），根據(jù)船舶屬性和泊位裝卸效率，設(shè)置Server的裝卸作業(yè)時間（Processing Time），由于泊位處不存在排隊等待，因此泊位的等待隊列（Buffer Capacity）設(shè)置為0。

2.2.5 船舶離港

在泊位（Server）處裝卸完畢的船舶實體按照與進港時相同的規(guī)則進入航道，即先完成裝卸作業(yè)的船舶抓取航道資源（Resource_out），然后執(zhí)行Execute_Distance_Out過程，即抓住航道資源一定時間后釋放資源，繼續(xù)航行，直到離港進入（Sink）。

2.2.6 天氣因素（風、浪、霧等）

由于天氣因素導致港口存在不可作業(yè)的時間，通過時鐘元素（Timer1）設(shè)置事件發(fā)生的時間，并與過程編輯器相結(jié)合，添加失效（Fail）步驟，控制航道資源失效，禁止船舶實體進入航道，用Timer2設(shè)置恢復港口作業(yè)的時間，在過程編輯器中采用恢復（Repair）步驟，恢復利用航道資源，使船舶能夠進入航道。

3 仿真實驗與實驗分析

3.1 仿真實驗數(shù)據(jù)資料

以某港口為例，對該港口2004年到港船舶數(shù)據(jù)及航道資料進行統(tǒng)計，并按照JTJ 211—99《海港總平面設(shè)計規(guī)范》得出設(shè)計船型、船型比例，以及航道的通航水深，如表1所示。

該港口主航道為10萬噸級雙向航道，底高程-15 m，10萬噸級貨船需乘潮進港，外航道長19 km，內(nèi)航道長約10 km。按照航速限制規(guī)定設(shè)置外航道和內(nèi)航道航速分別為10 kn和6 kn，通航歷時為1.92 h，同向航行船舶的安全時距為20 min[2]。

主航道兩側(cè)有各類生產(chǎn)性泊位48個，船舶隨機停靠與之種類和靠泊能力相符的泊位進行裝卸作業(yè)，裝卸作業(yè)效率按照各泊位平均效率設(shè)定，船舶的輔助作業(yè)（回轉(zhuǎn)水域調(diào)頭、靠離泊及解系纜作業(yè)）時間取1.5 h。

表1 到港船舶船型統(tǒng)計Table 1 Ship type statistics for the vessels arrived at the port

該港口海域潮汐為不規(guī)則半日潮，模型中采用4個分潮進行合成，潮位合成公式為：

式中：η為潮位；η0為平均水位，取2.81 m；ai為分潮振幅；ωi為分潮頻率；t為時間；εi為分潮遲角。各參數(shù)取值見表2。

表2 各分潮參數(shù)Table 2 Various tide constituent parameters

根據(jù)工程資料，因天氣因素（風、浪、霧等）導致港口1 a中平均不可作業(yè)天數(shù)為25 d。

3.2 模型系統(tǒng)評價指標

選取能夠反映港口系統(tǒng)運營狀況的評價指標：

1） 港口吞吐量

港口吞吐量是指1 a內(nèi)，經(jīng)水運輸出、輸入港區(qū)并經(jīng)過裝卸作業(yè)的貨物總量，是衡量港口規(guī)模大小的最重要的指標。

2） 船舶平均在港時間

船舶平均在港時間反應了港口的綜合服務(wù)水平，在港時間越長，表明相對服務(wù)水平越低；在港時間越短，表明相對服務(wù)水平越高。

3） 港口服務(wù)水平指標AWT/AST

國際上通常用指標AWT/AST來衡量一個港口的服務(wù)水平[3]。其中AWT表示船舶的平均等待時間，AST表示船舶平均在泊時間。AWT/AST越高，說明船舶相對等待時間越長，是以犧牲船方利益為代價來提升港口的吞吐量；AWT/AST越低，表明港口的服務(wù)水平越高，但浪費部分港區(qū)裝卸能力和泊位資源。

4） 泊位利用率

泊位利用率為船舶年占用泊位時間與年日歷時間的百分比。數(shù)值越大船舶等待的可能性越大，數(shù)值越小則浪費泊位資源。

3.3 仿真模型結(jié)果及分析

1）根據(jù)該港口2004年統(tǒng)計資料，參照該港口以往船舶到港規(guī)律及到港船舶資料，設(shè)置船舶平均到港時間間隔服從負指數(shù)分布，船舶到港時間間隔λ平均為31.8 min，仿真周期1 a，模型重復運行10次，得到表3驗證結(jié)果。

2）在原模型實際裝卸效率的基礎(chǔ)上，將泊位裝卸效率提高到額定值，運行試驗模型，得到表3試驗結(jié)果。

表3 仿真實驗結(jié)果Table 3 Simulation experiment results

3）在原模型與試驗模型的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置不同的船舶到港時間間隔，以此來模擬不同的船流密度，得到兩種裝卸效率下，船流密度與航道貨運量、AWT/AST和AWT的關(guān)系曲線，分別如圖3、圖4、圖5所示。

從計算結(jié)果可以看出，驗證模型中通過航道的貨運量為21 047.3萬t，與該港口2004年實際統(tǒng)計結(jié)果22 887萬t基本一致。泊位利用率為50%左右，與實際數(shù)據(jù)基本相符，模型總體能反映出該港口當時的實際運營狀態(tài)。泊位裝卸效率提高后，航道貨運量為21 155.3萬t，與低效率狀態(tài)下的數(shù)據(jù)基本相同，可見航道通過能力受泊位裝卸效率的影響不大，但船舶平均在港時間為由原來的31.8 h變?yōu)?4.24 h，比低效率狀態(tài)下減少了一半；AWT/AST也由0.65降低到0.56，服務(wù)水平有所提高，各類泊位利用率顯著降低。

圖3 兩種裝卸效率下船流密度與通過航道貨運量關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of ship traffic density and cargo throughput in two different conditions of handling efficiency

圖4 兩種裝卸效率下船流密度與AWT/AST關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of ship traffic density and AWT/AST in two different conditions

圖5 兩種裝卸效率下船流密度與AWT關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of ship traffic density and AWT in two different conditions

該港口兩種裝卸效率下，航道貨運量、AWT/ AST、AWT與船流密度關(guān)系曲線顯示，船流密度較低時，隨著船流密度加大，航道貨運量持續(xù)增加，但AWT/AST、AWT變化不大；當達到一定船流密度時，通過航道貨運量達到極限值不再變化，而AWT/AST、AWT急劇增長，表明航道極其擁堵，到港船舶因航道受限而需要持續(xù)等待。

圖3中顯示，在同一船流密度下，兩種裝卸效率航道貨運量幾乎相同，當船舶到港時間間隔小于30 min左右時，較高裝卸效率的航道貨運量大于較低裝卸效率的航道貨運量；當船舶到達時間間隔小于20 min左右時，兩種裝卸效率的航道貨運量均達到極限值。這表明高效率的裝卸設(shè)備在相對較大船流密度條件下才能充分發(fā)揮作用。

圖4和圖5中曲線的水平段顯示，船流密度較小時，到港船舶的多少對AWT和AWT/AST影響不大，且由于較高裝卸效率的船舶平均在泊作業(yè)時間AST相對減小，因此出現(xiàn)高效率的AWT/ AST反而大于低效率的結(jié)果，即出現(xiàn)低效率的港口服務(wù)水平優(yōu)于高效率的表面現(xiàn)象。由此可見，不能以AWT/AST作為評價港口服務(wù)水平的單一指標，而應同時考慮船舶總在港時間。船舶到港時間間隔較小時，曲線出現(xiàn)突變，表明隨著船流密度加大，低效率的港口提前出現(xiàn)擁堵，AWT與AWT/AST快速增長，港口服務(wù)水平急劇降低。

4 結(jié)語

根據(jù)港口航行作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)流程，基于SIMIO仿真平臺，建立了某港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果基本能夠反映該港口實際運營狀況，分析探討了兩種裝卸效率下，船流密度對通過航道貨運量、AWT/AST和AWT的影響，結(jié)論如下：

1）通過航道貨運量隨著船流密度的增加而增大，但是存在一個極限值。

2）高效率的裝卸設(shè)備只有在船流密度較大時才能發(fā)揮其作用；船流密度較小時，裝卸效率對提高通過航道貨運量和港口服務(wù)水平影響甚微。

3）以AWT/AST作為評價港口服務(wù)水平的單一指標欠妥，應同時考慮船舶總在港時間為宜。

志謝：

美國SIMIO LLC有限責任公司提供SIMIO軟件使用權(quán)。

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Simulation study of channel throughput based on SIMIO

LI Shao-wu1，2，LI Wen1，HUANG Tai-kun3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.CCCC-Key Hydrodynamic Laboratory for Coastal Engineering，Tianjin 300222，China；3.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

The object-oriented new-generation simulation software SIMIO is applied to constitute a model of ship navigation-operation system of a coastal port.The throughput of the channel is calculated based on the simulation results.Analysis of the port operation status by using the model is performed to verify the reliability of the simulation model.In two different conditions of handling efficiency，the effects of ship traffic density on cargo throughput，AWT/AST and AWT are analyzed.The results indicate that the volume of cargo throughput of the channel increases as the ship traffic density increases but with an upper limit and that the loading/unloading equipments of higher efficiency can play significant role only in the situation of higher ship traffic density.The method provides a new tool for real，objective analysis and forecast of the throughput of channel.

simulation；SIMIO；throughput of channel

U612.32

：A

：1003-3688（2014）03-0009-04

10.7640/zggwjs201403002

2013-11-18

2014-02-12

李紹武（1962— ），男，天津市人，博士生導師，教授，主要從事港航工程及河流、海岸動力學研究。

*通訊作者：李文，E-mail∶liwentju@126.com