基于時間區分服務模型的航道交通流仿真

劉克中， 張子昱， 呂正祥， 楊 星， 蔡學龍

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063； 2.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063；3.青島港引航站,山東 青島 266011)

基于時間區分服務模型的航道交通流仿真

劉克中1，2， 張子昱1， 呂正祥1， 楊 星1，2， 蔡學龍3

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063； 2.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063；3.青島港引航站,山東 青島 266011)

隨著船舶向大型化方向發展的趨勢日漸明顯，船舶對通航條件的要求越來越高。受航道寬度、水深等方面的影響，部分航道難以滿足大型船舶自由航行的需要，因此，需在通航時間段內針對不同船舶提供不同的通航服務，以保證船舶安全運行。文章引入區分服務理論，根據船舶對航道資源的占用情況將交通流分解為常規狀態交通流和區分服務狀態交通流，在此基礎上建立時間區分服務航道系統模型，并以舟山水域條帚門航道為例進行仿真實驗。結果表明，該模型能夠較好地反映上述非流暢交通流的運行狀況，對交通流組織、運行狀態的評估和預測具有一定參考意義。

水路運輸；交通流；區分服務；離散事件仿真

隨著經濟的快速發展，水運需求持續旺盛。同時，受船舶大型化、航道自然條件等因素影響，部分航道的建設很難滿足某些船舶自由航行的需求，這就需要在該類船舶通過時采取單向通航等措施，此時交通流在一定程度上將非流暢運行。利用科學的方法真實地反映出上述非流暢交通流的運行狀態，為交通流組織優化提供理論依據，對研究水路交通流而言具有積極的意義。

目前，國內外學者在水路運輸領域展開了眾多研究。ALMAZ等[1]綜合考慮通航規則、引航及拖船服務等因素，對伊斯坦布爾海峽的船舶交通狀況進行了仿真分析;MERRICK等[2]利用仿真的方法對舊金山灣渡輪的擴增方案進行了評估;FRANZESE等[3]建立了一個巴拿馬運河的仿真模型，對運河在不同方案下的通過能力和服務水平進行評估。國內方面，文元橋等[4]基于港口公共航道船舶交通流特征和船舶行為特征，建立港口公共航道通過能力的一般計算模型;劉敬賢等[5]通過分析港口航道系統特征及船舶交通流特征，建立基于船舶行為特征的港口航道通過能力模型。其中，大部分學者采用仿真的方法對航道的通過能力等進行研究，也有學者采用排隊論模型進行相關研究。[6-9]此外，部分學者對航道規劃及航道線數進行分析，如寧雙林[10]建立針對不同專業化港區船舶航行作業的仿真模型，對不同專業化港區單、雙線航道的擴建時機進行仿真研究；蔡學龍等[12]在構建內河航道交匯水域交通流模型基礎上對交通流進行仿真分析；楊星等[13]在建立船舶行為及其相互間的耦合模型基礎上對內河交通流進行仿真建模。然而，上述研究主要針對的是流暢運行的交通流，對分時段單向通航等措施影響的非流暢交通流的研究相對較少。

本文以非流暢交通流為研究對象，引入區分服務概念，建立時間區分服務航道系統模型，利用仿真的方法分析航道在時間區分服務狀態下的交通流運行情況及對航道通過能力的影響程度，并進行實證分析。

1 時間區分服務航道系統

1.1區分服務

區分服務(Differentiated Service，DiffServ)的概念源于多媒體信息服務領域，是為提高多媒體服務質量而提出的一種方法。相比于傳統的數據先到先服務的傳輸方式，區分服務利用邊界節點綜合考慮業務流時延類型、重要程度等方面的差異，并按照一定優先級由內部節點提供不同質量的調度轉發服務，從而避免網絡擁塞，提高整體服務質量。[11]

基于上述時間區分服務思想，航道為船舶提供通航服務，待船舶到達并觸發服務需求后，基于船舶類型判定需要的航道既定使用狀態，即判斷航道資源現狀能否滿足船舶安全通航需求、是否需要實施水上管控措施等，并對一般船舶和特殊船舶實施區分服務。因此，航道在不同時間段內呈現區分服務的特征。

其中，船舶交通服務(Vessel Traffic Services,VTS)報告線、報告點等可類比區分服務邊界節點，獲取船舶通航請求；交管中心可類比內部節點，對船舶通航需求的特殊性進行判定，進而判定該船舶的通航時間段內的服務狀態。

1.2服務窗口

區分服務過程中，船舶接受服務就意味著占用相關服務資源。該資源可視為服務窗口，其實質為一段被占用的航道，長度視通航船舶尺度而定。對于一般船舶，服務窗口可根據船舶領域長軸長度確定；對于特殊船舶，因需在其航行過程中對該航段采取單向通航等措施，所以在該段時間內該航道專門為特殊船舶服務，服務窗口為整個航段。

1.3特殊船舶的認定

特殊船舶包括3類，即輕微超出航道通航等級、通過一定管控措施可安全通航的船舶，臨近航道通航等級、在VTS實際管理過程中可根據經驗實行人為管控的船舶以及可以在實際管理過程中實行人為管控的其他船舶(如危險品類船舶)。

1.4系統運行流程

系統運行流程見圖1。船舶航至VTS報告線、報告點或抵達航道水域前的適當位置時，發出服務請求，在判定船舶特殊性之后，一般船舶與特殊船舶各自基于FIFO規則接受服務。特殊船舶可觸發一次t時間內的區分服務需求信號，而后判斷服務窗口是否空閑。如果允許，則該船舶可獲得區分服務，其他船舶在該船舶的整個航經時間內不得使用該航道，需在航道外排隊等候；如果服務窗口處于忙碌狀態，則特殊船舶需排隊等候，直至相應航道駛清。

圖1 系統運行流程

需說明的是，在基于時間區分服務的排隊系統中，特殊船舶與一般船舶需分開排隊，排隊類型均按照單服務窗等待制(M/M/1)和單服務窗口損失制(M/M/1/1)綜合考慮，即船舶到達時，如果系統服務窗口處于忙碌狀態，則船舶可選擇排隊等待，也可選擇離開尋找其他服務資源。此外，特殊船舶在窗口服務中享有優先權，即與一般船舶同時到達時，如服務窗口可用，特殊船舶優先使用。

2 模型及特征

處于區分服務狀態的交通流將占用航道全部可用資源，一般情況下伴有單向通航、封航、警戒等人為干預措施，由特殊船舶組成；除此之外的船舶組成常規狀態交通流。與之對應，整個系統可分成常規航行子系統和區分服務子系統，兩個子系統為平行系統，各自的交通流并無直接的相互作用，特殊船舶對常規航行船舶的影響通過控制常規航行子系統中航道資源的可用性來實現。為此，區分服務子系統除完成處于區分服務狀態的交通流的運行外，還負責產生區分服務的觸發/還原信號，以實現對常規航行子系統服務資源的控制。當系統的服務資源處于不可用狀態時，新到達的船舶將無法使用服務資源直至服務窗口“還原”。常規航行子系統與區分服務子系統的疊加，實現了航道系統的完整功能。

2.1航行子系統

常規航行子系統與區分服務子系統的構建方式相同，都是由若干服務窗口串聯而成的，且系統中相同位置的服務資源為同一資源，但航道服務資源的劃分有所不同，兩個系統相互獨立(交通流分布示意圖見圖2)。例如，常規航行子系統由A、B、C、D服務資源構成，區分服務子系統由X、Y、X服務資源構成，其中A與X為同一段航道，D與X為同一段航道，而B+C與Y為同一段航道，當區分服務子系統的Y服務資源處于占用狀態時，常規航行子系統的B、C同樣處于占用狀態。

圖2 交通流分類示意圖

2.1.1系統服務資源

對于處于常規狀態的交通流，在不考慮追越的情況下，雙向航道通常由兩組單隊多服務窗口串聯服務系統構成，服務窗口之間不允許排隊，窗口數量n為航道能夠容納的船舶總數，可近似等于航道長度與船舶領域長軸的比值。根據藤井船舶領域6L/1.6L的研究成果，有大型船舶航行時需采取單向通航、警戒等措施的航道通常為港內航道或海峽等狹窄水域。因此，常規交通流的服務臺數量可近似為S/6L，其中S為航道水域長度，L為船長。對于區分服務子系統，航道中需采取單向通航、警戒等措施的航段可視為一個服務窗口，在該段航道，系統服務資源數量為1，其他航段服務資源的確定與處于常規狀態的交通流的確定類似。

2.1.2航道服務模型

處于區分服務狀態的交通流在模型中被認為擁有最高優先權，可優先獲得服務窗口資源，但其通航受水位等自然條件限制。

對于常規交通流，當船舶到達警戒航段時，若該航段有空閑的服務資源且相應服務窗口空閑，同時航道條件也滿足船舶安全航行的要求，則船舶可直接進入；否則，需排隊等待。

航段空閑時

Nqt=0Nq(t-1)+Nt≤Nc-Nct

(1)

排隊等待時

Nqt=Nq(t-1)+Nt-Net

(2)

式(1)～式(2)中:Nqt(Nqt≥0)為t時刻排隊等待的船舶數量；Nt為t時刻到達該警戒航段的船舶數量；Nc為航道的服務資源數量；Nct為t時刻警戒航段中的船舶數；Net為t進入警戒航段的船舶數量。隨時間變化，警戒航段中的船舶數為

Nct=Nc(t-1)+Net-Ndt

(3)

式(3)中:Ndt為服務結束時離開警戒航道的船舶數。

2.2系統特征參數

2.2.1區分服務時間

為避免與大型船舶在警戒水域會遇，通常在特殊船舶進入警戒水域至離開的時間里不允許存在反向行駛的船舶。為此，在特殊船舶到達警戒水域之前的一段時間內航道將不再允許反向行駛的船舶進入，該段時間應能保證警戒水域中現有的船舶在特殊船舶到達警戒水域前駛離該水域。通常情況下，特殊船舶通航存在單船通航和編隊通航兩種形式。

(1) 單艘大型船舶通航情況下,對于反向交通流，區分服務時間(即航道警戒時間)T1為

(4)

(2) 在編隊通航情況下，對于反向交通流，系統區分服務時間T1為

(5)

式(4)～式(5)中：S為警戒水域長度；VG為大型船舶航速；VC為常規交通流船舶航速；n為編隊船舶數量；L為編隊船舶平均船長;l為編隊船舶平均間距。

對于同向跟馳行駛的船舶，在警戒水域封航的情況下，區分服務的時間T2為大型船舶或編隊通過警戒水域所用的時間。

2.2.2區分服務頻率

處于區分服務狀態的交通流的船舶到達率即為系統區分服務頻率。對于需要乘潮和編隊通航的水域，區分服務更多的受潮汐及人為調度組織的影響，發生時間相對固定。

大多數港口的船舶到達規律服從泊松分布

(6)

式(6)中：λ為船舶平均到港率。建模過程中，假設處于區分服務狀態的交通流到達規律服從泊松分布。

3 仿真實例

3.1環境

以舟山條帚門航道作為仿真實例，該航道按15萬噸級散貨船通航標準建設，滿足25萬噸級散貨船滿載乘潮單向通航，口內航道狹口段涼譚島上建設有武港礦石中轉碼頭，進出港一程船為15萬～30萬噸級大型礦石船，滿載進港船舶需穿越航道。有相關特殊船舶進出該航道時，需對條帚門航道部分航段實施管制，實行航道區分服務。

3.2參數確定

條帚門航道開通后將主要分擔蝦峙門航道的船舶流量，因此，其交通流特征參照蝦峙門航道的交通流。模型中大型礦石船進出港的整個航速控制策略、靠離泊作業時間等通過遠洋船舶船長操作大型船舶模擬器獲取。

3.2.1船長、航速分布

統計數據中含有船長數據的船舶共計405艘。船長最小值19 m，最大值397 m，仿真中根據經驗分布；航速基于統計數據，通過MATLAB驗證得知服從正態分布。

3.2.2到達規律

檢驗蝦峙門航道船舶交通流到達規律，其西行p、東行p分別為0.15和0.626，服從泊松分布。

3.2.3航速及靠離泊控制

通過大型船舶操縱模擬器實驗得知，進出武港礦石中轉碼頭的大型礦石船在條帚門支線航段的船速為6～8 kn；船舶在條帚口門外航段的船速為4～6 kn；船舶在條帚口門內航段的船速為3～4 kn；泊位前1 n mile處余速為3～4 kn；泊位前2倍船長時余速為2 kn左右。

3.3模型驗證

運用Arena軟件建立條帚門航道的仿真模型，分為支線航道、核心航道和碼頭作業3個模塊。武港礦石中轉碼頭的進出港船舶通航時需要交通管制，屬于區分服務狀態交通流，其他船舶則視為常規狀態交通流。

運用Arena軟件中的“運行控制器”對仿真模型進行步進式的跟蹤運行，將多次仿真結果的平均值與統計數據進行對比。統計數據顯示，武港舟山涼潭島礦石中轉碼頭年吞吐量為3 000萬t，外貿進口/內貿出口各1 500萬t/a；航道中常規船舶的航速均值為11.2 kn。仿真結果中，以大型礦石船為主力船型的外貿進口船在1 a的仿真時間內所完成運量的均值約為1 442萬t，常規船舶通過該航道段的平均航速約為11 kn。仿真數據與統計數據基本吻合，模型能夠較好地反應真實環境中船舶的運行狀態。

4 實例驗證與分析

為對條帚門航道的船舶交通流進行仿真，共定義了兩組輸入變量：條帚門航道船舶和武港大型礦石船的到達率以及船舶的航速、尺度和貨物。將模型的排隊規則分別設置為等待制、損失制，定義并運行兩組不同的仿真。

設置仿真實驗1的主要目的是得到船舶排隊隊長及排隊時間(見表1)。取不同的船舶到達率多次運行仿真模型，統計不同情況下的平均等待隊長、警戒時間以及不同排隊隊長對應的總排隊時間占總通航時間的百分比(見表2)。

表1 仿真實驗1結果

設置仿真實驗2的主要目的是對系統損失的船舶數量及載貨信息進行統計，以得到極端情況下航道運量的損失情況。在特殊船舶進出港過程中，考慮損失制的極端情況，即在該時段內其他船舶均選擇從其他水道航行，條帚門航道的總體船舶流量及貨運量會因此有一定程度的下降。以船舶到達率不超過2艘/h為例，大型礦石船進港過程中平均將約有3艘船舶放棄從條帚門航道航行。

表2 不同隊長排隊等待時間在總通航時間的百分比、受影響下船舶流量及減少的貨運量

根據觀測數據，船舶到達率不超過4艘/h的情況下，損失船舶數量lt;0.7%，減少的貨運總量≤900萬t/a，涼譚島礦石碼頭將增加3 000萬t/a的貨運量，貨運量整體呈上升態勢。

5 結 語

引入時間區分服務概念，將交通流劃分為常規狀態交通流和區分服務狀態交通流，構建時間區分服務航道系統模型，并進行仿真實驗。實驗從船舶排隊隊長、排隊時間等多個方面反映條帚門航道的運行狀況，仿真效果較好，模型有效性較高，為交通流的研究提供了一種新的方法。此模型僅針對單一航道系統，下階段將基于相同思路進一步對港區整體多航道系統非流暢交通流開展仿真研究。

[2] MERRICK J R W, DORP J R V, BLACKFORD J P B, et al. A Traffic Density Analysis of Proposed Ferry Service Expansion in San Francisco Bay Using a Maritime Simulation Model[J]. Reliability Engineering and System Safety (S0951-8320), 2003, 81(2): 119-132.

[3] FRANZESE L A G, ABDENUR L O, STORKS D, et al. Simulating the Panama Canal: Present and Future [C]. 2004 Winter Simulation Conference. USA: WSC, 2004.

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ModelingandSimulationofWaterwayTrafficFlowBasedonDiffrentiatedServiceScheme

LIUKezhong1,2,ZHANGZiyu1,LYUZhengxiang1,YANGXing1,2,CAIXuelong3
(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China; 3. Pilot Station of Qingdao Port, Qingdao 266011, China)

As the size of the vessel becomes much bigger than ever, many studies focus on the navigational condition, especially on the waterway width and depth to meet the requirements of the large vessel. Obviously, it is vital to offer navigational service for different vessel at different time in order to guarantee the vessel traffic safety. A concept of differentiated navigation service is introduced. The ship traffic flow can be divided into regular traffic flow and service-guided traffic flow according to the occupation of fairway resources. Furthermore, a time differentiated service model for constrained fairway is proposed. The Tiaozhoumen fairway of Zhoushan waters is taken as a typical example to verify the proposed methods. The result shows that the proposed model can reflect the constrained traffic status. The study brings some new idea in the organization of traffic flow, as well as the assessment and measurements of the operation status.

waterway transportation; traffic flow; differentiated service; discrete event simulation

2014-02-10

國家自然科學基金(51279151);武漢理工大學自主創新研究基金(136612007)；浙江省交通運輸科技計劃項目(2012J07)；交通運輸部信息化科技項目(2012-364-208-201)

劉克中(1975-)，男，湖北石首人，教授，博士，主要研究海事物聯網與水路交通安全保障。E-mail: kzliu@whut.edu.cn.

1000-4653(2014)02-0053-05

U676.1;U697

A