基于WS的內河水上服務區平面布置的研究

肖銘坤　郭國平

(武漢理工大學航運學院　武漢　430063)

基于WS的內河水上服務區平面布置的研究

肖銘坤郭國平

(武漢理工大學航運學院武漢430063)

摘要：在對內河水上服務區的概念進行闡述的基礎上，分析內河水上服務區的功能需求，運用模糊數學理論對各功能版塊相互之間的特征關系進行權重賦值，結合小世界模型(WS Model)，研究內河水上服務區的平面布置.

關鍵詞：小世界模型；內河水上服務區；功能需求；平面布置

肖銘坤(1990- )：男，碩士生，主要研究領域為水域環境污染防治技術

0引言

隨著社會經濟的不斷發展，對內河水路運輸提出高效益、高質量的要求，目前內河干線航道網規劃建設已初具規模，干線航道上也出現水上加油站、水上服務區等之類的水上服務設施.但是相對于陸上高速公路上的服務區[1]，水上服務區在一定程度上無法滿足日益增加的水路運輸服務的需求，具體體現在：缺乏統一規范的建設標準、統一完善的管理體制等，這使得內河水上服務區對過往船舶進行服務時，往往出現服務內容單一、匱乏；服務區安全隱患等一系列問題，這些都制約了內河水上服務區的發展和內河水路運輸的進步.針對這種情況，本文從內河水上服務區功能需求的角度出發，通過模糊數學理論的相關思想，采用小世界模型的方法，提出一種內河水上服務區平面布置的方案.

1內河水上服務區的概念

1.1內河水上服務區的定義

水上服務區是指保障水上運輸高速化、高效性，為水上運輸提供高質量服務的配套設施，其主要功能是滿足航道上過往船民和船只的各種服務需求，包括提供船民必備的生活購物，等待過閘休息，必要的餐飲娛樂，以及提供船舶?？?、加油、交費、維修，以及廢油回收等需求.而內河水上服務區是指那些建設在內河航道的水上服務區.

1.2內河水上服務區的功能分析

1) 現有的內河水上服務區功能分析根據現有的一些水上服務設施，可以發現內河水上服務區的功能主要有：(1)船舶服務方面，主要包括船舶停泊、修理、補給和排污處理等；(2)船員服務方面，主要包括醫療、住宿、購物及其他消費等；(3)物流運輸方面，主要包括貨物的裝卸、倉儲、中轉和運輸交易等.

2) 內河水上服務區功能的發展趨勢預測分析內河運輸過程的相關環節，可以對內河水上服務區的功能發展趨勢主要做以下幾方面的預測.

(1)水上行政管理方面據統計資料顯示，每年長江沿線航行的船舶中，70%的存在超載行為，雖然沿線海事主管部門采取了一系列的管制、處罰方面的手段，但是超載行為屢禁不止，究其根本在于一條“罰單不重開”的政策上面，很多時候一張小小的罰單成為超載船舶一路暢通的通行證，這將給長江沿線的內河交通帶來嚴重的隱患.內河水上服務區的出現，給解決這個難題提供了一個契機.結合現有水上服務區的物流儲備方面的功能和海事行政方面的管理職能，執行過載貨物的強制卸載，這對于長江沿線內河運輸的安全有著重大的意義.

可以預見，隨著海事行政管理功能的融入，內河水上服務區水上行政管理方面的功能也將進一步完善，其中包括船舶簽證、水運報港、超載處理、船舶交易，管理信息和規費征收等一系列功能也將逐步融入.

(2)安全救助及防污應急方面據統計，在長江內河沿線上，基本上每個分支局轄區均設有救助打撈機構.在實現內河水上服務區水上行政方面的功能之后，內河水上服務區實現安全救助已不再是幻想，同樣類似于防污應急設備庫的防污應急方面的功能也必將在內河水上服務區看到其“身影”.

3) 內河水上服務區的基本布置綜合上述，有關內河水上服務區的功能分析，大致可以將內河水上服務區的基本格局分為以下幾個方面[2-4]：(1)船舶服務方面,具體包括停泊區、加油區、維修區、排污處理區；(2)船員服務方面,主要包括醫療救助區和消費區等；(3)物流運輸方面,主要包括裝卸區和儲藏區；(4)行業管理方面,主要包括行政區、打撈救助區和防污應急區.

具體地，內河水上服務區可分為如表1所列的幾個功能版塊.

表1　內河水上服務區功能表

2WS模型在內河水上服務區平面布置上的運用

2.1小世界理論的相關內容

小世界理論的基本思想是：任意2個陌生人之間所間隔的人不會超過5個，也就是說，最多通過5個中間人你就能夠認識任何1個陌生人.1998年，Watts和Strogatz基于此提出了小世界網絡這一概念，并建立了WS模型，這個模型介于傳統的規則最近鄰耦合網絡和ER隨機網絡之間，同時具有小世界特性和聚類特性,可以很好的來表示真實網絡.

WS小世界模型的構造方法是[5]：

1) 從規則圖開始構造一個含有N個點的最近鄰耦合網絡，使他們圍成一個環.其中，每個節點都與它左右相鄰的各K/2節點相連，K是偶數.

2) 隨機化重連以概率p隨機地從新連接網絡中的每個邊，即將邊的一個端點保持不變，而另一個端點取為網絡中隨機選擇的一個節點.其中規定，任意兩個不同的節點之間至多只能有一條邊，并且每一個節點都不能有邊與自身相連.

在上述模型中，p=0對應于完全規則網絡，p=1則對應于完全隨機網絡，通過調節p的值就可以控制從完全規則網絡到完全隨機網絡的過渡，見圖1.

圖1　小世界網絡

2.2WS模型在內河水上服務區平面布置上的運用

在WS小世界網絡中，平均路徑長度也稱為特征路徑長度或平均最短路徑長度，指的是一個網絡中2點之間最短路徑長度(或稱距離)的平均值.從1個節點Si出發，經過與它相連的節點，逐步“走”到另1個節點Sj所經過的路途，稱為兩點間的路徑.其中最短的路徑也稱為兩點間的距離，記作d(i,j).

而平均路徑長度定義為

式中：N為節點數目，并定義節點到自身的最短路徑長度為0.

在內河水上服務區平面布置研究中，將內河水上服務區的7個功能版塊視為WS模型中的節點，即有N=7；而d(i,j)指的是相鄰版塊間的相互特征關系，根據模糊數學理論的相關思想，對這種關系進行量化.最后，根據WS理論中節點，N，d(i,j)在內河水上服務區平面布置研究中的具體意義，建立相應的內河水上服務區平面布置中的WS模型.

3內河水上服務區平面布置研究中WS模型的建立

3.1相關要素的確定

根據2.2關于內河水上服務區平面布置中的WS模型建立的相關內容，可以確定節點及d(i,j).

1) 節點節點指的是內河水上服務區的7個功能版塊，分別為停泊區(O)、船舶服務區(A)、生活區(B)、碼頭裝卸區(C)、貨物儲藏區(D)、行政辦公區(E)及應急救助區(F)，即有N=7.

2) d(i,j)d(i,j)即為相鄰版塊間的相互特征關系，計算方法為

式中：C(i,j)即相容性(compatibility)，表示相鄰兩個版塊之間的兼容程度，相容性體現在相互之間的促進作用，例如，A區和F區，應急救助區的應急設備庫有助于應對船舶加油過程出現的一些緊急情況，這種關系表現為相容性，數值上用負數表示；E(i,j)，即排斥性(exclusiveness)，表示相鄰兩個版塊之間的排斥程度，排斥性體現在相互之間的負面作用，例如：A區和B區，船舶服務區中的一些活動會對生活區的正常活動產生負面影響，這種關系表現為排斥性，數值上用正數表示.

借鑒模糊數學方面的理論，針對不同板塊間的相互關系，可以得出賦值對應表，見表2.

表2　賦值對應表

3.2WS模型的建立

分析內河水上服務區各版塊間的相互關系，綜合考慮人員生命、財產安全，可能發生事故/險情的概率，以及發生事故/險情之后的應急反應能力，得出如圖2、表3所示的關系.

表3　特征關系表

圖2　特征關系圖

根據圖2、表3表現出的內河水上服務區各版塊間的特征關系，對照表2的相關內容得到如表4所列的不同功能版塊間的特征關系對比情況.

表4　不同功能版塊間的特征關系對比表

根據表4中得出的特征關系值，可以進行初步的平面布置設計,再通過小世界理論平均路徑長度 dc的計算，來進行布置方案的優化.

4實例應用

選取無錫市宜興地區的某水上服務區為背景，采用作圖逼近法進行選址[6-7].在確定停泊區位置之后，根據所建立的WS模型得出的不同功能版塊間的特征關系對比表，將內河水上服務區的功能版塊分為3個序列.

第一序列：包括與停泊區相容性高的A區和C區.

第二序列：包括與停泊區相容性稍弱的F區。

第三序列：包括剩下的不大適合布置在水域附近的B區、D區和E區.

考慮當地自然條件，同時計算各序列功能版塊間的平均路徑長度來進行布置方案的優化：(1)考慮風流條件，A區涉及船舶加油，維修，存在溢油污染的風險，故A區盡量位于C區下游下風向；(2)F區為應急救助區，有助于與其他版塊的應急救助服務，在整個內河水上服務區平面布局中應居于中間策應位置；(3)B區、D區、E區的布置，首先考慮到這些板塊都是背離O區的；其次，F區的相對位置關系較確定；最后，其與A區、C區的關系，需計算平均路徑長度.

根據對特征關系值的定義，值越小，表示兩者間的關系越融洽，適合布置在一起，比較上述12個值，可以確定B，D，E區的相對位置關系.

綜合布置方案的優化結果，得出如圖3所示的內河水上服務區平面布置示意圖.

圖3　內河水上服務區平面布置示意圖

5結束語

通過對內河水上服務區的概念進行闡述，分析內河水上服務區的功能需求從而得到內河水上服務區功能分布，結合模糊數學理論來進行內河水上服務區平面布局研究中WS模型的建立.通過WS模型分析得出的不同功能版塊間的特征關系對比表，結合江蘇省無錫市宜興地區的某內河水上服務區的實際情況，進行內河水上服務區平面布置的研究.但是由于某些方面的缺陷，平面布置示意圖中沒有相對精細的規劃布置，在將來的日子中仍需進一步優化.

參 考 文 獻

[1]張松．淺議高速公路服務區的規劃與設計[J]．運輸縱橫，2003(2)：55-58.

[2]溫旭麗，樊鈞，過秀成，等.高等級航道水上服務區規劃建設思考[R].南京：東南大學交通學院，2004.

[3]溫旭麗，李輝，過秀成.高等級航道水上服務區的探索與實踐[J].中國水運，2011(9)：45-48.

[4]王國新.無錫市高等級航道水上服務區布局規劃研究[D].南京：東南大學，2006.

[5]WS小世界網絡模型構造[EB/OL].[2014-10-15].http:∥wenku.baidu.com/.

[6]宿遷市交通局航道處．京杭運河宿遷閘水上服務區詳細規劃[R]．上海：大德，2004.

[7]過秀成，溫旭麗．京杭運河宿遷閘水上服務區工程可行性研究[R]．南京：東南大學交通學院，2004.

中圖法分類號：U113

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.036

收稿日期：2014-11-18

Research on the Plane Layout About Inland
Waterway Service Area Based on WS Model

XIAOMingkun GUO Guoping

(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)

Abstract：Based on the concept of the inland waterway service area, the article analyzes the functional requirements first. Then, it associates the functional sections with the different weight on the mutual interests between each other by using the fuzzy mathematical theory. Finally, it carries out the research on the planer layout of the inland waterway service area, combining with the WS (Watts and Strogatz) model.

Key words：WS model；inland waterway service area；functional requirements；plane layout