面向復雜環境的LNG碼頭合理布局規模仿真案例分析

沈 忱,曹樂樂,董 敏,查雅平,齊 越,李宜軍,薛天寒

(1.交通運輸部規劃研究院，北京 100028；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024)

作為我國陸上管道氣的重要補充，近幾年水運進口液化天然氣(簡稱LNG)的需求急劇增長。LNG水上運輸需要專門的運輸船舶，根據JTS 165-5—2016《液化天然氣碼頭設計規范》[1]，LNG船舶在海港進出港航道航行時應設置移動安全區。此外，根據國內已建LNG接收站的船舶通航及作業經驗，還會對LNG船舶進出港經過水域進行交通管制[2]。針對LNG船舶進出港的特殊監管會對相關港區運營產生一定的影響。考慮LNG船舶航行時具有顯著的排他性，其選址宜相對獨立，盡量減少對其他船舶通航的影響，統籌港口協調發展。目前，關于LNG船舶通航影響已有一些研究，主要采用建立量化分析模型、排隊論模型和智能體仿真等研究方法[4-6]，評估一定LNG碼頭運輸規模下船舶通航對港區的影響，但缺少對LNG碼頭合理布局規模的系統研究。

為進一步滿足長三角地區日益增長的天然氣需求，擬在寧波舟山港優選布局LNG碼頭。目前，寧波舟山港六橫港區南側岸線資源充足，暫未開發利用，依托外青山形成圍墾堤，其陸域和水域均相對獨立，具備較好的LNG碼頭建設條件，但受現階段航道水深條件等限制，須審慎研究LNG碼頭合理布局規模。本文以寧波舟山港六橫港區南側岸線布局LNG碼頭研究為例，從岸線、航道等資源協同、高效利用的角度，采用多智能體仿真建模方法，對該選址的LNG碼頭合理布局規模進行綜合評估，進而指導LNG碼頭布局選址，可為其規劃調整提供理論依據。

1 研究思路及建模

1.1 對象描述與研究思路

基于寧波舟山港六橫港區南側岸線資源充分利用的角度，可布置若干LNG接卸泊位、LNG水水中轉泊位及其他運輸貨類泊位。其中LNG接卸泊位用于接卸大型LNG接卸船舶，LNG中轉泊位可考慮作為小型LNG罐式集裝箱、小型LNG液體散貨船的中轉使用。按照相關規劃，擬選址的LNG船舶與象山港區相關船舶進出港在南部會共用一段航道，目前上述航道船舶流量較小。相關通航環境見圖1。

圖1 六橫港區南側規劃相關通航環境

基于上述區域環境分析，針對六橫南側岸線LNG碼頭布局規模的研究思路如下：首先，結合港口實際條件劃分研究區域，基于多智能體復雜系統的仿真方法，建立不同的仿真情境模型；再對不同情境下LNG船舶進出港作業全過程進行仿真模擬，定量分析船舶等待艘次及占比、等待時間等評價指標，綜合評估LNG船舶進出港影響；最終確定合理的LNG碼頭布局規模(圖2)。

圖2 研究思路

建立的仿真情境：

1)情境1：設置只考慮六橫南側岸線充分利用的情境。仿真模擬六橫港區南側岸線充分利用時(簡稱六橫南側作業區)的船舶進出港全過程，研究區域LNG運輸船舶進出港效率，分析六橫南側作業區LNG船舶進出港影響，研判航道對LNG運輸的承載能力，進而確定LNG碼頭合理的運輸規模閾值。本文LNG碼頭運輸量為500萬～2 500萬t/a，共設置9種工況，旨在充分反映通航效率隨LNG碼頭運輸量變化的規律(表1)。

表1 情境1：僅考慮六橫南側岸線充分利用時工況設置

2)情境2：設置遠期區域資源完全開發的情境。仿真模擬遠期區域資源完全開發情境是指綜合考慮六橫南側作業區和象山港區相關區域，通過LNG船舶通航影響分析確定LNG碼頭合理布局規模。在情境1合理的LNG碼頭運輸量閾值基礎上，再進行情境2的工況設置，進一步確定LNG碼頭合理布局規模。

3)優化分析：為減少LNG船舶進出港對港區的整體影響并保障LNG運輸，在情境2的基礎上進行優化分析，并評估優化工況下LNG船舶的通航影響。

1.2 仿真建模

傳統數學模型無法擬實地反映出港口營運系統的動態變化，而仿真技術，作為研究多元隨機要素之間動態關系的一種有效技術手段，類似基于智能體的系統仿真方法已得到廣泛應用[7-8]。本文利用多智能體復雜系統仿真方法，模擬船舶進出港、靠離泊和作業的全過程。模型主要包括港口主系統和船舶航行系統兩大系統：前者用于設定與船舶進出港航行密切相關的各環節參數、變量及函數；后者將船舶定義為智能體，設定船舶參數和判斷船舶進出港行為的邏輯流程。模型主要參數如下。

1)LNG水水中轉船舶：現階段對小型LNG中轉船舶的監管尚無特定標準，考慮近期LNG罐式集裝箱試運行時按照大型LNG接卸船舶監護規則，模型中設定LNG中轉船舶進出港與大型LNG接卸船舶進出港時一樣，提前清空航道并進行單向通航管制。

2)船舶航速：分別考慮船舶正常航行航速與港區泊位前沿水域內航速。

3)LNG船舶船型組合：設定大型LNG接卸船考慮多種船舶尺寸組合，其中以17.0萬～18.2萬m3為主力船型；小型LNG中轉船以1萬和2萬噸級為主。

4)水域航道：按照相關港口總體規劃，六橫南部進港航道可滿足5萬噸級船舶雙向通航；象山港進港主航道與六橫港區部分共用，也可滿足5萬噸級船舶雙向通航。

5)船舶流量：結合岸線資源條件與區域運輸需求對相關受LNG船舶通航影響的港區船舶流量進行預測。

6)模擬時長：為反映港口運營系統真實的運營情況和LNG船舶對港區運營的持續影響，設置仿真模擬時長為1年。

2 仿真試驗數據分析

2.1 情境1六橫南側岸線充分利用情境研究

2.1.1船舶等待艘次評估

船舶等待艘次評估主要有全年船舶等待艘次及占比指標(為全年受LNG船舶通航影響的等待船舶的艘次及占總通航船舶艘次的百分比)及單船影響艘次指標(LNG船舶單次通航影響的船舶艘次的平均值)。各工況到港船舶總艘次在1 100～1 500艘之間。

全年船舶等待艘次及占比均隨LNG碼頭運輸量增多呈現先快速增大、后減速增大的類“S”形趨勢，全年船舶等待艘次占比隨LNG碼頭運輸量的變化曲線見圖3。從圖3可知，LNG碼頭運輸量在1 200萬～1 700萬t/a閾值區間時，船舶等待艘次及占比增幅相對較大，說明該閾值區間內LNG船舶通航對港區船舶的影響較為敏感。尤其是，當LNG碼頭運輸量達到1 500萬t/a時，全年船舶等待艘次達236艘，全年船舶等待艘次占比達10%，此時船舶等待艘次和占比的增長速率均達到最大。而在LNG碼頭運輸量達 2 000萬t/a后，受航道通過能力限制，由于不能進港的船舶艘次增加，在進港船舶中LNG船舶導致等待的總船舶艘次增長緩慢，泊位占用情況逐漸趨于飽和。此外，單船影響艘次隨運量呈現從1.5～2.4艘逐漸增加的趨勢。

圖3 情境1下船舶等待艘次占比曲線

2.1.2船舶等待時間評估

主要評估單船平均等待時間(受LNG船舶通航影響的所有船舶的平均等待時間)及船舶等待時間概率分布(受LNG船舶通航影響下的船舶等待時間范圍發生概率百分比)。情境1等待船舶的單船平均等待時間隨LNG碼頭運輸量的變化曲線見圖4，船舶等待時間概率分布見圖5。可知約60%的船舶等待時間主要集中在0～4 h范圍內；隨著LNG碼頭運輸量的增大，單船等待時間大于10 h的船舶數量越來越多，LNG船舶進出港對港區船舶的影響程度逐漸加重。當LNG碼頭運輸量達到約2 000萬t/a時，單船平均等待時間增長速率最小；而當LNG碼頭運輸量達2 000萬t/a以后，受航道通過能力限制，導致船舶平均等待時間迅速增加，極大地制約船舶通航效率。

圖4 情境1下單船平均等待時間曲線

圖5 情境1下船舶等待時間概率分布

2.1.3不同船舶類型影響評估

船舶類型影響主要評估各類船舶等待艘次(受LNG船舶通航影響的各類型船舶等待艘次)及各類船舶平均等待時間(受LNG船舶通航影響的各類型船舶平均等待時間)。情境1中各類型船舶的等待艘次隨LNG碼頭運輸量變化見圖6，平均等待時間見圖7。各類船舶的等待艘次均隨著LNG碼頭運輸量的增加呈增加趨勢，尤其是LNG接卸船和LNG中轉船的等待艘次快速增長，說明LNG船舶進出港對自身影響逐漸加劇。散雜貨船的影響艘次較多，但等待時間基本在4～7 h。而LNG接卸船舶雖然影響艘次較少，但等待時間較長。

圖6 情境1下各類船舶等待艘次曲線

圖7 情境1下各類船舶平均等待時間

2.2 情境2遠期區域資源完全開發情境研究

遠期區域資源完全開發情境主要綜合考慮遠期六橫南側作業區和象山港區2個區域通過南部航道進出港的相關船舶通航情況。根據情境1的分析，當LNG碼頭運輸量在1 200萬～1 700萬t/a范圍時，區域船舶通航對LNG碼頭運輸量更加敏感，即更易受到LNG船舶通航的影響。當LNG碼頭運輸量達到1 500萬t/a時，全年船舶等待艘次占比已超過10%，其增速也較大，且LNG接卸船的等待時間達10 h，由于LNG船舶不能夜航，過長等待時間會導致LNG船舶須在錨地或外海過夜，極大地增加監管風險。故現階段LNG碼頭運輸量不宜超過1 500萬t/a。考慮到岸線資源充分利用，集中集約布局LNG碼頭，情境2設定2種工況：工況F1的LNG碼頭運輸量為1 250萬t/a，其中水水中轉量250萬t/a；工況F2的LNG碼頭運輸量為1 500萬t/a，其中水水中轉量300萬t/a。評價指標如情境1。情境2等待船舶的單船平均等待時間概率分布見圖8，各類船舶的等待艘次及時間分布見圖9。

圖8 情境2下船舶等待時間概率分布

圖9 情境2下各類船舶等待艘次和平均等待時間

研究表明：LNG碼頭運輸量為1 200萬t/a左右時，LNG船舶通航對相關港區的影響基本可接受——年船舶等待艘次約210艘、單船影響艘次2.1艘、平均等待時間約4.6 h，LNG接卸船的平均等待時間4.6 h。但當LNG碼頭運輸量達到1 500萬t/a時，相關區域其他船舶流量有限，其影響基本可控，但由于航道較長，在一定的通航管控措施條件下，LNG船舶自己的進出港制約現象明顯，LNG接卸船舶的平均等待時間超過10 h，LNG船舶進出港對LNG船舶自身進出港的影響不可忽視。從分區域影響看，2種工況均對六橫南側岸線船舶影響較大，六橫南側岸線船舶進出港等待艘次占比高達85%，平均等待時間均超過5 h；而對象山港區相關區域的影響較小，象山港區的船舶與六橫南側LNG船舶進出港同用航段不長，船舶進出港等待艘次約在32艘，平均等待時間在2 h左右。

2.3 優化情境分析

由情境2結果可知，LNG船舶通航對六橫南側作業區其他船舶影響艘次較多，而LNG碼頭運輸量達到1 500萬t/a時對自身的影響也相對較大。鑒于六橫港區南側岸線主要圍繞LNG碼頭布局，重點保障LNG運輸，可適量減少六橫南側其他類型船舶運輸量，從而降低航道通行壓力。此外，現階段根據海港行駛的小型LNG中轉船舶的試運行情況可知，其監管規則主要參考大型LNG運輸船舶，隨著相關管理和航行經驗的積累、航道運輸壓力日益增大，對小型LNG船舶監管規則有進一步優化的可能。本文從優化區域貨類運輸布局以及小型中轉LNG船舶監管規則兩方面提出優化措施(表2)。

表2 優化工況設置

2種優化措施均有一定的效果，優化后單船影響艘次在1.8～2.1艘，LNG船舶進出港影響的船舶等待艘次減少9～32艘、占比減少0.3%～1.0%。相比較而言，優化措施1減少六橫港區南側作業區散雜貨船流量對六橫港區南側作業區船舶的改善效果更優，六橫港區南側作業區船舶的平均等待時間可減少0.6～0.7 h，2個區域船舶等待艘次及時間見圖10；優化措施2改變小型中轉船監管規則對LNG運輸船舶等待時間的改善效果更優，尤其是在LNG運輸量1 500萬t/a時LNG大型接卸船舶等待時間可減少5 h，不同類別船舶等待艘次及時間見圖11。故適量控制散雜貨船舶艘次可以在一定程度上減小航道壓力，但當LNG運輸量較大時，須考慮優化LNG運輸船舶監管規則、針對性控制等待船舶時間，進而減緩LNG船舶通航的干擾和影響。

圖10 優化情境下兩區域船舶的等待時間艘次和等待時間與原工況對比

圖11 優化情境下各類船舶的等待艘次和等待時間與原工況對比

3 結論

1)在LNG運輸船舶進出港單向通航且提前清空航道通航管控措施的條件下，當六橫LNG碼頭運輸量達到1 500萬t/a時，LNG船舶進出港對自身影響凸顯，協同考慮象山港區相關區域資源完全開發，相關航道承載能力已基本趨于飽和。為保障區域船舶運輸效率,六橫港區南側岸線合理的LNG碼頭運輸規模以1 200萬t/a為宜。

2)適當控制水水中轉外輸量，搭配LNG接卸與LNG轉運泊位，高效利用岸線資源，確保LNG的運輸。此外，減少六橫港區南側其他船舶運量的優化措施對降低船舶等待時間有較好的效果。為滿足LNG泊位、航道、回旋水域的空間需要，且為LNG碼頭規模化發展留有余地，建議在進行岸線規劃時適當控制其他貨類泊位數量及貨運量。

3)目前，小型LNG中轉船舶監管無特定標準，針對LNG運輸船舶通航相互之間存在一定制約和干擾的問題，如果小型LNG中轉船舶僅控制單向通航但不提前清空航道，可有效降低LNG運輸船舶通航影響。此外，在保障安全的前提下，可進一步研究船舶組隊進出港、錯峰錯時通航等優化措施，從而減少LNG運輸船舶對相關作業區船舶通航的干擾。