基于Arena軟件的LNG船舶通航組織仿真

周偉，吳善剛，肖英杰，楊小軍

(上海海事大學a.商船學院;b.航運仿真技術教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運輸方便，且具有燃燒高效、清潔的優點，越來越受到世界各國的青睞.近年來LNG在能源供應中的比例迅速增加，年增長率高達12%，成為全球增長最迅猛的能源行業之一.中國對LNG產業的發展十分重視，正在規劃和實施一系列沿海城市(如上海、珠海、寧波、深圳、大連等)LNG 項目.［1]隨著 LNG 產業的迅猛發展，其海上運輸日益繁忙，LNG船舶的數量和航次密度不斷增加，給船舶交通組織帶來較大考驗.［2]LNG船舶具有較高的危險性，一旦發生船舶觸碰或碰撞等事故，船上裝載的大量LNG發生爆炸將造成巨大的人員傷亡及財產損失.［3]

文獻［4]規定:LNG船舶在進出港航道航行時，應實行交通管制并配備護航船舶;當LNG船舶在進出港航道航行時，其前后各1 n mile范圍內除護航船舶外不得有其他船舶航行;LNG船舶在雙向航道如需與其他船舶交會，航道有效寬度應通過專項論證確定.實際上，在LNG船舶進入航道時，對向航道一般需要進行封航.因此，LNG船舶對通航影響較大.本文運用仿真技術研究LNG船舶組織問題，為LNG船舶通航組織提供參考.

1 移動安全區

為保證LNG船舶進出港的安全，海事主管機關在LNG船舶進出港時都會采取相應的交通管制措施［5]，設置LNG船舶移動安全區，在移動安全區內禁止除護航船舶以外的其他船舶駛入.LNG船舶安全區范圍的確定與航道的尺度、附近水域的通航環境、船舶交通管理水平、LNG船舶的大小、當時的自然條件等因素有關.目前，不同地區對LNG船舶移動安全區范圍的規定均不一致，具體數據見表1.［6-7]本文采用規范要求的前后1 n mile進行仿真.

表1 LNG船舶移動安全區尺度數據

2 仿真模型

根據LNG船舶通航組織特點，LNG船舶在港口航行及作業過程中的主要事件可以概括為船舶到港、錨泊等待、交通管制、進港航行、解除交通管制、靠泊作業、裝卸載作業、離泊作業、交通管制、出港航行、解除交通管制、離港等事件.船舶進入系統后，隨著仿真時間的推進，在一定條件下觸發上述事件，不斷改變系統狀態，讓系統狀態不斷推進，仿真展現LNG船舶進出港口航道時在航道、錨地、泊位的船舶運動或作業過程.根據系統狀態及事件發生條件，建立LNG船舶通航組織仿真系統邏輯模型［8]，見圖1.

圖1 LNG船舶通航組織仿真系統邏輯模型

(1)潮汐條件.文獻［4]第3.0.5條規定:“液化天然氣碼頭宜選在自然條件良好且能滿足液化天然氣船舶不乘潮通航要求的水域，不滿足上述條件時，應做專門論證.”同時第5.6.6條規定:“液化天然氣碼頭進出港航道設計水深的計算基準面宜采用當地理論最低潮面.設計水深計算中的各項富余深度應按現行行業標準《海港總平面設計規范》(JTJ 211)的有關規定確定.”因此，在仿真過程中，只對其他船舶考慮潮汐因素，對LNG船舶僅做航道設計水深復核.

(2)潮汐模型.大型深吃水船舶通常需要乘潮進港(LNG船舶除外)，因此需要模擬潮汐變化.在仿真模型中，采用正弦曲線擬合潮位變化.潮位隨時間的變化規律［9]為

式中:H為t時刻的潮高，m;Have為平均半潮面，又稱靜水面，m;R為潮差，m，是變化值，根據潮差累計頻率隨機確定;T為潮汐周期，h.

(3)乘潮水位模型.在自然水深不能夠滿足船舶(LNG船舶除外)的進港要求時，需要乘潮進港.船舶通航所需的最小安全水深對應的最低潮位稱為乘潮水位，其計算公式為

式中:L為船舶吃水，m;D為航道設計水深，m;ΔD1為富余水深，m［10];ΔD2為航道水深基準面與潮位基準面高度之差，m.

(4)天氣模型.在惡劣天氣條件下，為保障通航船舶安全，港口及海事主管機關通常會采取封航或限制通航的管理措施.根據歷史資料，統計分析港口的天氣特征，考慮船舶通航特性要求，尤其是LNG船舶作業條件，計算風、浪、流、霧對港口的影響天數并進行折減，確定惡劣天氣出現的概率.［11]在此，簡單建立天氣模型為

式中:x為經折減計算后的惡劣天氣影響天數總和;P1為惡劣天氣發生概率;P2為正常天氣發生概率.

(5)船舶安全距離模型.船舶安全距離可以采用日本著名學者藤井的船舶領域模型確定.根據藤井先生的船舶領域模型，在開闊水域航行時前后兩船的安全距離應取兩船船長之和的4倍，在狹窄水域航行時則取其3倍.［12]在仿真實驗中，可以根據仿真水域的水文氣象條件、航道條件以及船舶交通流特點等對船舶安全距離進行相應的調整.此外，LNG船舶的安全距離根據文獻［4]確定.

(6)泊位作業時間模型.船舶泊位作業時間受船舶裝載貨物量、貨物種類、裝卸設備效率、管理水平等因素影響.船舶泊位作業時間一般服從二階愛爾朗(Erlang)分布.［13]愛爾朗分布的概率密度函數為

式中:k為階數，本模型中取k=2;μ為時間參數，本模型中取平均泊位作業時間.

3 Arena仿真軟件實現

Arena是美國Rockwell Software公司在早期的SIMAN/CINEMA仿真系統基礎上開發的新一代交互集成通用仿真軟件.根據仿真系統邏輯，采用Arena設計各功能模塊.部分功能模塊如下.

(1)船舶及LNG船舶到達模塊.該模塊的主要功能是產生符合要求的船舶和LNG船舶.首先通過2個Create模塊按照一定規律產生船舶或LNG船舶到達，并通過Assign模塊對船舶或LNG船舶的船型、船長、吃水、航速等屬性進行設置.同時Assign模塊記錄下船舶到達數量、每艘船舶到達時間等信息，以便進行數據的統計輸出.船舶及LNG船舶到達模塊的Arena截圖見圖2.

圖2 船舶及LNG船舶到達模塊

(2)交通管制模塊.該模塊的主要功能是在LNG船舶駛入航道時控制其前后的移動安全區，禁止他船駛入該區域，同時封閉對向航道.首先，通過LNG船舶駛入和駛出航道判斷模塊(駛入航道判斷模塊見圖3)確定是否有LNG船舶進出航道.這2個模塊能夠區分LNG船舶和其他船舶，并通過修改變量標識出航道內有無LNG船舶，這個變量用于控制交通管制的實行和解除.然后，通過前后移動安全距離控制模塊(見圖4)控制LNG船舶與前船和后船的距離，當距離小于LNG船舶要求的前后安全距離時，Progress模塊會進行相應延時處理.此外，對向封航控制模塊(見圖5)可以封閉對向航道，當發現LNG船舶駛入航道時，Hold模塊會對船舶進行延時，直到檢索到LNG船舶駛出航道為止.

圖3 LNG船舶駛入航道判斷模塊

圖4 前后移動安全距離控制模塊

圖5 對向封航控制模塊

按照上述方法設計船舶及LNG船舶到達模塊、天氣模塊、潮汐模塊、待泊模塊等，再根據仿真邏輯順序合理組合運用，經過編譯測試，完成LNG船舶通航組織仿真系統.

4 仿真實驗

(1)LNG碼頭位置.珠海高欄LNG碼頭位于高欄島的平排山海域，碼頭位置［14]見圖6.一期工程為8萬～26.7萬m3LNG接卸泊位1個，根據不同船型組合計算，泊位年通過能力537萬～953萬t，可滿足項目一期年通過能力350萬t的要求;考慮大型LNG船舶的組合，可滿足項目二期年通過能力700萬t的要求.

圖6 珠海高欄LNG碼頭位置

(2)船舶流量直接輸入.泊松分布能夠反映船舶到達的頻率分布特征，模擬具有隨機性，可以在整體上反映船舶到達的規律，但不能反映船舶時段分布特征.當需要分析LNG船舶時段分布特征時，就可將實測進港船舶流量直接輸入仿真系統，通過Arena的Schedule功能實現，見圖7.

圖7 實測進港船舶流量直接輸入

(3)船舶目標泊位及作業時間分布.根據船舶流量測算及船舶實測規律，將同一噸級的泊位合并，考慮貨物種類及泊位作業能力，可得船舶目標泊位、船型比例及作業時間分布情況，見表2.

表2 船舶目標泊位及作業時間分布情況

使用Arena的Schedule功能將實測到港流量直接輸入系統，指定LNG船舶進港時間，分析LNG船舶在不同時段進入高欄港區產生的影響.

仿真實驗如下:考慮到LNG船舶是危險性船舶，宜在白天作業，因此進行從6:00到18:00共12 h的仿真.每個小時為1段，指定1艘LNG船舶在這12個時段進入高欄港區，進入航道后采取前后1 n mile安全距離控制，實施單向通航交通管制措施，進行12組實驗，每組重復10次，取10次的平均值.仿真獲得在不同時段受LNG船舶進入高欄港區直接影響的船舶流量和累計延誤時間，見圖8.

圖8 不同時段受影響船舶流量和累計延誤時間

5 仿真結果分析

對比分析LNG船舶不同時段進入高欄港區的實驗結果，可得出如下結論:(1)在現狀船舶流量較小時，受LNG船舶進入高欄港區直接影響的船舶數量較少，平均約7.7艘次，累計延誤也較少，平均約2.9 h，多為短時間延誤;(2)在上午時段船舶流量較小時，LNG船舶進入高欄港區產生的影響相對較小，特別是在6:00—7:00，受LNG船舶進入港區直接影響的船舶數量和累計延誤均最少，分別為5.3艘次和2.5 h;(3)受LNG船舶進入港區直接影響的船舶數量和累計延誤的變化規律基本一致，即受影響船舶數量越多，累計延誤相對也越多，但也不完全如此，如13:00—14:00受影響的船舶數量較多，累計延誤卻較少，因為累計延誤還與平均延誤有關，13:00—14:00這一時段平均延誤最少，約為0.27 h.

6 通航組織建議及措施

通航組織建議及措施如下:(1)由于高欄港區進港航道寬度僅能滿足LNG船舶單向通航，當LNG船舶駛入航道時，應實施單向交通管制，并對同向船舶交通流進行疏導，禁止護航船以外的船舶駛入LNG船舶前后1 n mile的移動安全區.(2)LNG船舶進港前應告知海事主管機關，提前通告LNG船舶進港時間、交通管制措施等信息，利用船舶交通服務系統(Vessel Traffic Services，VTS)全程監控船舶交通流動態，及時提醒附近船舶注意避讓.(3)LNG船舶進出港應當申請引航.引航站應對首次進港的LNG船舶制定引航方案，并提前報海事主管機關.同時，引領LNG船舶的引航員應當持有一級引航員適任證書和LNG船舶安全知識特殊培訓合格證明.(4)LNG船舶進出港應滿足LNG船舶作業條件標準，不宜在夜間進出港，宜選擇每天白晝的高潮或低潮緩流時段進行靠離泊作業，確保碼頭前沿流速不超過0.5 m/s.［4](5)高欄港區進港航道水深條件良好，能夠滿足LNG船舶不乘潮進港的條件.在風、浪、流允許的條件下，LNG船舶應盡量避免在船舶流量較大的時段進港，以減少對其他船舶的影響，如選擇在6:00—7:00這一時段進港，則受LNG船舶進港直接影響的船舶數量和累計延誤均最少.(6)高欄港區現狀船舶流量較小，LNG船舶進出港對其他船舶的影響較小，平均影響船舶約7.7艘次/h，可以采取相對嚴格的交通管制措施，如雙向封航、提前預封航等;未來隨著港區船舶流量增加，LNG船舶進出港影響增大，可以采取相對寬松的交通管制措施，如允許小船交會、階段性封航等，在保障LNG船舶航行安全的同時，減少對其他船舶的影響.

7 結束語

運用離散事件系統仿真方法，對LNG船舶進出港過程進行仿真，獲得LNG船舶進出港口對船舶延誤、船舶流量的影響，為LNG船舶通航組織提供量化數據支持，在此基礎上提出通航組織建議及措施.

仿真實驗的準確性受仿真數據的影響.本文采用對比實驗的方法，減少輸入數據影響，從而增加實驗結果的可靠性.當然，進一步完善數據采集將有助于更加準確地分析LNG船舶進出港過程.

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