長江口深水航道船舶超寬交會通航效率分析

周偉 肖英杰 鄭劍

摘要：為提高長江口深水航道通過能力，減少由船舶交會寬度限制產生的延誤，通過分析船舶超寬交會現狀，建立仿真邏輯模型，運用Arena進行離散仿真試驗。采集長江口深水航道交通流數據，設置不同的船舶交會寬度限制，對大型船舶進出港過程進行仿真，分析不同交會寬度限制對船舶通航的影響，獲得被延誤船舶比例、被延誤船舶數量和延誤時間，進而提出提升通過能力的建議。試驗表明，采用Arena進行離散仿真能夠量化分析超寬交會對通航效率的影響，可為航道拓寬和交通管理提供科學依據。

關鍵詞：船舶超寬交會; 離散仿真; 船舶延誤; Arena; 長江口; 深水航道

中圖分類號：U691.3; TP391.9

文獻標志碼：A

Abstract：To improve the capacity of Yangtze Estuary deepwater channel and reduce the delay caused by the width limit of ship encountering， the status of the super-wide ship encountering is analyzed， the simulation logic model is built， and the discrete simulation experiment is done using Arena. The ship traffic flow data are collected and the limit of ship encountering width is set to simulate the process of large ship entering and leaving ports. The influence of different encountering width limits on ship navigation is analyzed; the proportion and number of delayed ships and the delay time are obtained; the suggestions on improving the capacity are put forward. The experiment shows that the influence of super-wide ship encountering on navigation efficiency can be analyzed quantitatively by discrete simulation with Arena and it can provide scientific reference for channel broadening and traffic management.

Key words：super-wide ship encountering; discrete simulation; ship delay; Arena; Yangtze Estuary; deepwater channel

收稿日期：2018-07-16

修回日期：2018-12-04

基金項目：國家自然科學基金（51509151）;上海海事大學研究生創新基金（2015ycx074）

作者簡介：

周偉（1986—），男，江西樟樹人，工程師，博士研究生，研究方向為載運工具運用工程，（E-mail）zhouweismu@163.com;

肖英杰（1959—），男，廣東潮陽人，教授，博導，船長，研究方向為載運工具應用工程、通航安全保障，（E-mail）xiaoyj@shmtu.edu.cn

0 引 言

長江口12.5 m深水航道三期工程的建設，使得第五、六代大型集裝箱船和20萬噸級以下減載散貨船乘潮航行成為可能，這極大地刺激了兼顧船型的通航需求的增長，從而引起船舶超寬交會與航道資源有限之間的矛盾加劇。航道寬度的制約使大型船舶雙向交會的需求得不到滿足，直接導致以下情況的發生：（1）空載船壓港占用碼頭泊位，浪費碼頭資源，不利于港口生產。（2）因長江口內大型錨地資源緊張，空載船滯航占用主航道，影響航道安全，降低航道通航效率。（3）重載船無法按計劃進江，導致物流周轉時間延長，不利于腹地企業生產經營。（4）郵輪進出港受阻，引發游客不滿，進而導致社會事件發生。（5）2014年以前，主要矛盾是集裝箱船與散貨船之間的矛盾，集裝箱船優先，問題并不突出;2015年6月以后，確定“郵輪優先”原則，集裝箱船的班期受到較大影響，矛盾沖突嚴重。

對長江口深水航道雙向通航船舶交會寬度問題的研究如下：陳愛平等[1] 通過船舶模擬試驗和實船交會試驗，對雙向通航船舶寬度進行了研究;熊華[2]采用了船舶會遇寬度的理論計算方法進行分析;閆化然等[3]利用MATLAB對10萬噸級的散貨船和集裝箱船交會進行了仿真，并研究了風、流和兩船間距對船舶交會的影響。針對船舶會遇，國內學者[4-5]基于AIS對船舶會遇規律進行了挖掘。綜上，關于大型船舶交會寬度限制對通航效率的影響尚缺乏研究。對通航效率問題，有文獻采用排隊論[6]、交通波[7-8]和元胞自動機（cellular automata， CA）模型[9]進行分析。排隊論和交通波理論為數學模型方法，難以考慮眾多隨機性因素。CA模型為計算機仿真方法，不便引入復雜交通規則。考慮到航道系統的復雜性和特殊交通規則，以及船舶到達等眾多隨機因素，本文采用離散事件仿真方法，通過Arena對船舶超寬交會進行仿真，獲得船舶延誤數據，量化超寬交會對通航效率的影響，為航道拓寬和交通管理提供參考。

1 超寬交會概況

1.1 超寬交會定義

當交會船舶寬度之和在一定范圍內時，需要對船舶進行交會控制，此時的船舶交會即被稱作“超寬交會”。根據《長江口深水航道通航安全管理辦法（試行）》，在長江口深水航道內交會的兩艘船的總寬度在（80 m，90 m]范圍內時即構成“超寬交會”。

1.2 超寬交會實施現狀及通航需要

水文資料表明，長江口北槽上段、下段漲潮垂線平均流速分別約為1.65 kn和1.94 kn。超寬交會要求的流速不大于2 kn的條件只有在高、低平潮時段才會出現，時長約2～3 h。事實上，由于水文氣象條件的嚴格限制，超寬船舶交會難以組織與實施。因此，長江口深水航道內船舶交會寬度以往通常按80 m控制，當一個方向的船舶寬度超過40 m時，將對另一個方向的通航船舶的寬度進行控制。

目前，進出上海港的船舶種類主要有郵輪、集裝箱船和散貨船。通過表1可以看出，40 m及以上船寬的船舶流量總體呈增長趨勢。因此，隨著船舶大型化，船舶超寬交會需求客觀存在，有必要對船舶超寬交會進行研究，分析超寬交會對大型船舶通航的影響。

2 船舶超寬交會仿真邏輯模型

經過長江口深水航道的進港船舶，應提前向上海海事局吳淞VTS進行申請，獲得進港安排后，在規定的時間乘潮進港;對于寬度超過規定的船舶，需要等待VTS通知。為仿真分析超寬交會實施效果，適當簡化仿真流程，假定船舶在可能與之交會的超寬船舶駛出航道后才能進入航道。構建的船舶超寬交會仿真邏輯模型見圖1。

船舶超寬交會仿真邏輯模型是仿真系統設計的基礎。根據該模型，仿真系統需要同時產生進港和出港船舶交通流，并對船舶屬性（包括船長、船寬、吃水、船速、船型等）賦值，然后根據對向航道的船舶情況判斷是否會產生交會，與交會船舶的寬度之和是否會超過限制，如果超過規定值就要對后駛入的超寬船舶進行控制。除進行船寬控制外，深吃水船舶不僅需要乘潮進港，還應按照規定在交通管制時段進入航道，當潮汐條件不滿足時，船舶應在錨地或泊位等待。當船舶需要乘潮進港時，潮汐條件是否滿足需根據乘潮水位H判定，其計算公式[10]為

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

3 Arena應用

Arena屬于離散系統仿真平臺[11]。應用Arena設計的仿真系統包含船舶到達和屬性賦值模塊、交通管制時段產生模塊、超寬判斷和交會控制模塊、交會判斷和航道航行模塊、乘潮交通管制模塊、船舶離開模塊和數據采集模塊等。部分主要模塊設計如下。

3.1 船舶到達和屬性賦值模塊

該模塊主要功能是產生參數符合要求的船舶流量。因為需要進行雙向交會仿真，所以采用Approach Channel Ship Arrival （進港航道船舶到達）和Departure Channel Ship Arrival （出港航道船舶到達）兩個Create模塊同時按照港口船舶到達規律產生進港和出港船舶交通流量，并分別用兩個Assign模塊對船長、船寬、吃水、航速屬性進行設置，該模塊的Arena截圖見圖2。

3.2 交通管制時段產生模塊

該模塊主要功能是根據潮汐變化產生周期性的交通管制開始時間。船舶根據自身吃水情況，判斷是否需要在交通管制時段進港，再通過自身到達時間與交通管制開始時間之差的計算，判斷是否在交通管制時段到達，如滿足條件則可以進港，否則在錨地或碼頭等待。通過Traffic Control Create?? （交通管制產生）模塊按照潮汐變化產生實體，到達Control Parameter Assign （控制參數賦值）模塊，通過TNOW函數賦值產生新的交通管制開始時間，結合船舶吃水判斷和時間差計算等模塊控制船舶按照交通管制規律進港。該模塊的Arena截圖見圖3。

3.3 超寬判斷和交會控制模塊

該模塊主要功能是根據交會寬度限制（用W0表示），判斷交會船舶寬度之和是否會超過W0，如果超過就對后進入航道的船舶進行交會控制。通過Width Restrict Assign （寬度限制賦值）模塊設置交會寬度限制值，如W0=80，85，90 m，利用Width Decide （寬度判斷）模塊判斷兩船交會寬度是否超過W0，如果超過則需對后進入航道的船舶進行交會控制。交會控制通過Hold模塊的Scan For Condition （條件檢索）功能實現，當檢測到在航船舶與本船交會寬度之和小于W0時，交會控制結束。超寬交會判斷公式為

當船舶要駛入進港航道時，根據式（2）進行判斷：若進港船舶寬度W1與對向航道（即出港航道）在航船舶寬度W2的最大值之和超過W0，則認為是超寬交會。當船舶要駛入出港航道時，根據式（3）判斷是否是超寬交會。該模塊的Arena截圖見圖4。

3.4 交會判斷和航道航行模塊

當船舶駛入航道時，通過Width Occupy Assign （寬度占用狀態）模塊將State屬性值改為1，表示在航道內航行;當船舶駛出航道時，通過Width Occupy Change Assign （寬度占用狀態改變）模塊將State屬性值改為0，表示不在航道內航行。采用Navigation Process模塊模擬航行過程。在船舶進入航道前，通過檢測對向航道船舶的State屬性，即可判斷會與哪些船舶交會。該模塊的Arena截圖見圖5。

4 離散仿真試驗

4.1 仿真試驗數據

仿真試驗采用長江口深水航道運營實例進行仿真建模，并對模型有效性進行驗證。仿真試驗數據包括：航道情況、潮汐情況、交通管制情況、交通流情況等。（1）航道情況。長江口深水航道位于南港和北槽水域，分為內航道、圓圓沙航道、上航道、下航道和外航道，全長約92.2 km，航道有效寬度350 m（口外段為400 m），通航水深12.5 m（理論最低潮面下）。（2）潮汐情況。長江口是中等強度的潮汐河口，一日內兩漲兩落，一漲一落平均歷時約12.4 h。本文采用長興高潮時間模擬潮汐變化從而產生船舶

乘潮交通管制時段。（3）交通管制情況。由于水深限制，大型船舶需要乘潮通過北槽航道。根據長江口深水航道交通管理要求，交通管制時間為長興高潮前4 h至長興高潮前1 h。受限于吃水的大型船舶需要在交通管制時間進港。（4）交通流情況。對2017年1月到3月的上海港船舶引航數據進行統計，分別得出進出長江口深水航道的大型船舶的船寬分布、滿載吃水分布，以及進口船舶實際吃水與滿載吃水的比值（簡稱吃水比例）分布擬合，見圖6。

考慮船舶乘潮編隊進港會避開大型船舶超寬交會情況，本文船舶到達服從泊松分布，但按照吳淞VTS發布的交通管制時間要求進入航道。其中，分布參數依據進出船舶流量數據換算成對應指數分布參數。根據流量統計數據，船長分布按平均船長190 m，在142～367 m范圍內產生，船速分布按平均船速12 kn，在10～15 kn范圍內產生。船寬分布和滿載吃水分布不符合分布擬合條件，直接采用實測數據對應的經驗分布，而吃水比例符合正態分布。仿真船舶流量特征分布數據見表2。

將仿真系統產生的船舶流量數據與實測數據進行比較（見表3），同時觀測仿真過程動畫，得出仿真邏輯和仿真誤差滿足仿真試驗要求。

4.2 仿真試驗及結果

為分析交會寬度限制W0對通航效率的影響，設置不同的W0值，通過對比試驗獲得通航效率相關參數變化規律。本文設置W0=80，81，…，90 m，針對每個限制值，做10組連續30 d的仿真試驗，取平均值，獲得仿真時間內的船舶延誤數據，見圖7。

由圖7可知，當W0從80 m逐步增加到90 m，即船舶交會寬度限制逐步放松時，被延誤船舶比例、被

延誤船舶數量和延誤時間這3個通航效率參數總體呈顯著下降趨勢。當W0=80 m時，需要引航的船舶中有7.84%的船舶被延誤，被延誤船舶數量為151艘次，延誤時間為117.4 h;當W0=90 m時，被延誤船舶比例下降至2.03%，被延誤船舶數量減少到38艘次，延誤時間降至32.6 h。這說明當W0=90 m時，通航效率顯著提高，大約98%的船舶不受交會寬度限制的影響。因此，把交會寬度限制放寬到90 m，能夠滿足目前絕大多數船舶通航需求，當然仍有部分超大型船舶受到限制。

考慮到水流、天氣、錨地和泊位等限制因素，不同交會寬度限制對通航效率的實際影響還會更大。隨著港口生產規模的擴大和船舶大型化，未來受影響的船舶也將進一步增加。因此，考慮將交會寬度限制適當放松來提高通航效率，減少被延誤船舶數量和延誤時間。在考慮放松交會寬度限制時，應先評估安全風險。目前，長江口深水航道正在開展超寬交會試驗。

5 提升通過能力的建議

（1）北槽拓寬。長江口深水航道有限的通航能力與不斷增長的剛性通航需求之間的矛盾日益凸顯。在雙向通航寬度成為主要制約因素、通航資源潛力有限和通航風險增大的前提下，拓寬北槽航道是提升長江口深水航道通航功能最根本、最有效的措施。北槽航道拓寬后，船舶交會寬度限制可以相應放松，這將顯著改善船舶延誤情況，同時可以避免交會寬度擴大而航道寬度不足帶來的風險[12]。

（2）南槽開通。長江口北槽航道是大型重載船舶進出上海港和長江下游眾多港口的唯一航道，長時間高負荷運行，已經面臨較高的安全風險。南槽航道水深穩定，通航寬度資源富余。經過科學論證和規范設計，在采取工程措施后該航道可以成為進出“長三角”地區港口群的“第二通道”，從根本上緩解北槽航道的通航壓力。南槽開通[13]可以實現進出分離，直接避免大型船舶超寬交會，有效避免由交會寬度限制產生的矛盾。

（3）邊坡利用[14]。長江口深水航道設計通航水深（12.5 m）的確定，以滿足5萬噸級滿載船舶通航為目標;船舶雙向通航寬度限制管理規定的制定，以設計航道寬度為基本依據。事實上，通航船舶的吃水隨裝載狀態而變化，對于實際吃水小于通航標準的船舶，借用航道邊坡是挖掘雙向通航潛力的一個有效途徑。通過修改相關通航管理規定，允許利用邊坡，可以充分利用現有航道寬度，增加交會寬度限制值至90 m，可以滿足大部分船舶通航需求。目前，相關管理規定的修訂工作正在進行中。

6 結 論

（1）由于航道寬度等自然條件的限制，對大型船舶交會寬度進行限制，這雖然保障了安全，但對通航效率產生了影響。如果采取航道拓寬或邊坡利用等措施，再修改相應的管理規定來適當放松交會寬度限制，則可以顯著提高通航效率。

（2）利用離散事件仿真方法，模擬了長江口深水航道船舶超寬交會過程，并充分考慮了隨機性因素，反映了真實系統的運行情況。未來進一步完善數據采集，將有助于提高仿真準確性。

（3）以長江口深水航道船舶進出港數據為基礎，通過仿真試驗，獲得了被延誤船舶比例、被延誤船舶數量和延誤時間等參數，量化了超寬交會對通過效率的影響，用來評估放松交會寬度限制的效果，為航道拓寬和交通管理提供參考。

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（編輯 趙勉）