宋向群,胡學(xué)文,唐國磊,王文淵
(大連理工大學(xué),大連 116024)
全球經(jīng)濟(jì)的一體化發(fā)展帶動(dòng)了航運(yùn)業(yè)的快速增長(zhǎng),從而促進(jìn)了船舶數(shù)量的增加。隨著到港船舶的增多,沿海大型港口的單線航道已經(jīng)很難滿足船舶及時(shí)進(jìn)出港的需求,航道通過能力的不足影響了港口通過能力。如果直接將單線航道擴(kuò)建為雙線航道,雖然能迅速提升航道的通過能力,但擴(kuò)建投資巨大,同時(shí)也可能造成通過能力的浪費(fèi),而復(fù)式航道是介于單線與雙線航道之間的一種過渡航道,在盡可能提升航道通過能力的同時(shí),減少了工程投資。
目前國外對(duì)復(fù)式航道的研究不多,國內(nèi)對(duì)復(fù)式航道的研究也僅局限于天津港,且主要是復(fù)式航道的淤積計(jì)算[1]和通航方案[2-3]方面的研究,趙智幫[4]在天津港復(fù)式航道的探討中涉及了復(fù)式航道的通過能力,但是對(duì)于如何確定擴(kuò)建的副航道等級(jí)尚無研究。
由于港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)隨機(jī)因素多,常規(guī)的數(shù)學(xué)方法很難解決主、副航道的等級(jí)組合優(yōu)化問題。本研究利用系統(tǒng)仿真方法[5-6],以沿海某集裝箱港區(qū)為例,給出了如何分析和確定該港區(qū)主、副航道等級(jí)組合優(yōu)化方案的具體步驟,從而為副航道的等級(jí)規(guī)劃提供了理論支持。
復(fù)式航道由主、副航道組成,主航道等級(jí)大于副航道等級(jí),按照進(jìn)出港船舶噸級(jí)和吃水的不同,實(shí)行大小船舶分流行駛,當(dāng)通航船舶噸級(jí)大于副航道噸級(jí)時(shí),船舶通過主航道,反之進(jìn)入副航道(圖1)。
專業(yè)性很強(qiáng)的港口,進(jìn)出港船舶的重載與輕載常常是固定的,如大型煤炭出口港,常輕載進(jìn)重載出;礦石、石油進(jìn)口港則重載進(jìn)輕載出。通過設(shè)置復(fù)式航道,使輕載船舶走副航道,重載船舶走主航道,安全且經(jīng)濟(jì)合理。
復(fù)式航道的建設(shè)前提是,在既有的設(shè)備、合理的操作過程、先進(jìn)的裝卸工藝和生產(chǎn)組織條件下,單線航道的通過能力成為港區(qū)通過能力發(fā)揮的瓶頸,即此時(shí)港區(qū)泊位通過能力尚有富余,沒有達(dá)到碼頭設(shè)計(jì)通過能力;若擴(kuò)建為雙線航道,航道投資過大且航道通過能力過剩,此時(shí)可采用復(fù)式航道作為單線航道向雙線航道的過渡形式。
對(duì)于主航道等級(jí)、通航條件以及港區(qū)規(guī)模等條件確定的港區(qū),影響該港區(qū)復(fù)式航道等級(jí)組合優(yōu)化方案的關(guān)鍵因素在于未來到港船型、到港船型日平均到船率以及到港船舶數(shù)量的變化。
在現(xiàn)有港區(qū)主航道、通航條件和港區(qū)規(guī)模不變的條件下,通過擴(kuò)建某種等級(jí)的副航道后,使復(fù)式航道通過能力滿足規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量和船舶通過量的預(yù)測(cè)需求,同時(shí)主、副航道與港區(qū)都能提供較好水平的服務(wù),使船方和港方的綜合經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)。目標(biāo)細(xì)分后應(yīng)依次滿足以下4點(diǎn)要求:
(1)復(fù)式航道通過能力和船舶通過量滿足規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量及船舶通過量的需求。
(2)滿足主、副航道各自對(duì)服務(wù)水平的要求。
航道服務(wù)水平是用來衡量航道在某些條件下所提供服務(wù)的質(zhì)量水平,可以用航道利用率ρ來表示
式中:λ為船舶進(jìn)出港航行密度,艘次/d;u為航道理論最大航行密度,艘次/d。
由于進(jìn)出港船舶在各自航道內(nèi)不能超越,所以還是單通道問題,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證以及對(duì)單向航道服務(wù)水平的研究[7],當(dāng)ρ達(dá)到0.5~0.6時(shí)航道已飽和,超過0.6時(shí),航道再次成為限制港區(qū)吞吐量增加的瓶頸[4]。所以ρ<0.6時(shí),認(rèn)為船舶流基本穩(wěn)定,航道能夠較好地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。
(3)滿足港區(qū)服務(wù)水平要求。
根據(jù)《發(fā)展中國家設(shè)計(jì)者手冊(cè)》的建議:“當(dāng)某計(jì)劃是基于經(jīng)濟(jì)投資最優(yōu)時(shí),用等待時(shí)間與服務(wù)時(shí)間的比率(AWT/AST)作為指標(biāo)必然是可以接受的,通常小于0.3”[8]。AWT指平均等待泊位與航道的時(shí)間,AST指到港船舶接受港區(qū)服務(wù)的平均時(shí)間。
(4)經(jīng)濟(jì)原則。
由于擴(kuò)建航道的經(jīng)濟(jì)效益分析十分復(fù)雜,涉及到財(cái)務(wù)分析、國民經(jīng)濟(jì)分析以及社會(huì)效益分析等,在不影響判斷結(jié)果的前提下,本研究做了簡(jiǎn)化。擴(kuò)建副航道后產(chǎn)生的費(fèi)用變化主要來自港方和船方,港方因擴(kuò)建副航道而產(chǎn)生疏浚費(fèi)用,船方會(huì)因?yàn)闇p少平均等待時(shí)間而降低平均在港等待費(fèi)用,最優(yōu)的組合應(yīng)該是使船方和港方支出費(fèi)用和達(dá)到最小。
沿海港區(qū)復(fù)式航道等級(jí)組合優(yōu)化過程可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)。
(1)預(yù)測(cè)規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量和到港船舶數(shù)量。
(2)預(yù)測(cè)規(guī)劃期內(nèi)到港船型及其平均到船率。
(3)根據(jù)主航道等級(jí)和步驟(2)確定可能的主、副航道等級(jí)組合形式;假如某集裝箱港區(qū)主航道等級(jí)為10萬t級(jí),到港船舶以1萬t級(jí)以上的集裝箱船為主,根據(jù)集裝箱設(shè)計(jì)船型,則擴(kuò)建的副航道等級(jí)可能為7、5、3、2、1萬t級(jí),即主副航道存在5種可能的組合形式。
(4)在現(xiàn)有港區(qū)主航道條件不變的情況下,計(jì)算不同主、副航道等級(jí)組合后的復(fù)式航道通過能力和船舶通過量以及主、副航道各自船舶通過量,判斷是否能夠滿足規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量和船舶通過量的要求,確定可能的主、副航道組合類型。
(5)計(jì)算主、副航道的服務(wù)水平,優(yōu)化主、副航道組合類型。
(6)計(jì)算港區(qū)服務(wù)水平AWT/AST,進(jìn)一步優(yōu)化主、副航道組合類型。
(7)通過經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),確定最優(yōu)的主、副航道等級(jí)組合方案。
以沿海某集裝箱港區(qū)為例,應(yīng)用系統(tǒng)仿真方法分析復(fù)式航道等級(jí)組合優(yōu)化過程。系統(tǒng)仿真是一門融系統(tǒng)科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用于一體的綜合性理論和方法,借助計(jì)算機(jī)和仿真軟件,對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的各種情景以及仍然處在概念階段的各種設(shè)想加以模擬,以此達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的目的。
主航道10萬t級(jí),通航歷時(shí)0.5 h,船舶航速6 kn,船舶安全航行時(shí)間間隔24 min,年?duì)I運(yùn)天數(shù)325 d,該港區(qū)共計(jì)25個(gè)泊位,包括1萬t級(jí)泊位2個(gè),3萬t級(jí)泊位6個(gè),5萬t級(jí)泊位5個(gè),7萬t級(jí)泊位2個(gè),10萬t級(jí)泊位10個(gè)。
經(jīng)預(yù)測(cè),設(shè)計(jì)規(guī)劃期港區(qū)吞吐量將達(dá)到1 900萬TEU,屆時(shí)到港船舶將達(dá)到12 600艘次,到港船型與現(xiàn)有泊位噸級(jí)相對(duì)應(yīng),按照該港區(qū)的泊位組成比例產(chǎn)生到港船舶流,10萬t級(jí)以上的船舶靠泊10萬t級(jí)泊位。
根據(jù)主航道等級(jí)和未來到港船型的情況,首先確定了4種可能的復(fù)式航道等級(jí)組合類型(表1);按照前述的優(yōu)化步驟,將逐步確定最優(yōu)的主、副航道等級(jí)組合方案。
表1 復(fù)式航道仿真計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Compound channel simulation computation results
由表1可知,4種復(fù)式航道的通過能力和船舶通過量都能滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃期相應(yīng)的預(yù)測(cè)值;然而僅10萬t級(jí)主航道與7萬、5萬、3萬t級(jí)副航道組合時(shí)能夠同時(shí)滿足主、副航道對(duì)服務(wù)水平的要求,1萬t級(jí)副航道對(duì)應(yīng)的主航道服務(wù)水平接近超飽和狀態(tài);此3類組合同時(shí)也能滿足港區(qū)服務(wù)水平的要求;但3萬t級(jí)副航道對(duì)應(yīng)的港方疏浚費(fèi)用和船方平均等待費(fèi)用均小于7萬、5萬t級(jí)的副航道,能帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。
所以此集裝箱港區(qū)在現(xiàn)有主航道條件下,最優(yōu)副航道等級(jí)為3萬t級(jí),由航道服務(wù)水平可知該復(fù)式航道主、副航道船舶流穩(wěn)定,均有部分余量,航道仍有發(fā)展空間。
(1)本文提出基于系統(tǒng)仿真的復(fù)式航道規(guī)劃方法,以期定量地分析復(fù)式航道與主、副航道。要求在對(duì)整體進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)也要對(duì)主、副航道進(jìn)行優(yōu)化,兩者兼顧。
(2)沿海集裝箱港區(qū)的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證表明本文建立的優(yōu)化方法可靠,可用于沿海港區(qū)復(fù)式航道的規(guī)劃。
(3)復(fù)式航道大大提升了航道通過能力,能使各條航道充分發(fā)揮作用,仿真實(shí)例中航道通過能力提升了1.9倍。
[1]曹祖德,侯志強(qiáng),張書莊.復(fù)式航道的淤積計(jì)算[J].水運(yùn)工程,2006(4):54-57,72.
CAO Z D,HOU Z Q,ZHANG S Z.Siltation calculation for compound channel[J].Port&Waterway Engineering,2006(4):54-57,72.
[2]李波.天津港復(fù)式航道通航安全的灰色模糊預(yù)評(píng)價(jià)[D].大連:大連海事大學(xué),2010.
[3]劉金友.關(guān)于天津港復(fù)式航道通航方案的探討[J].天津航海,2010(2):10-13.
LIU J Y.Discussion on navigation scheme of compound channel in Tianjin Port[J].Tianjin Navigation,2010(2):10-13.
[4]趙智幫.天津港復(fù)式航道的探討[J].港工技術(shù),2008(10):4-7.
ZHAO Z B.Discussion on compound channel of Tianjin Port[J].Port Engineering Technology,2008(10):4-7.
[5]Kelton W D,Sadowski R P,Sturrock D T.Simulation with Arena:Third Edition[M].Beijing:China Machine Press,2007.
[6]Kia M,Shayan E,Ghotb F.Investigation of port capacity under a new approach by computer simulation[J].Computer&Industrial Engineering,2002,42:533-540.
[7]宋向群,付超,郭子堅(jiān),等.沿海集裝箱港區(qū)單向航道服務(wù)水平研究[J].水運(yùn)工程,2010(7):107-111.
SONG X Q,F(xiàn)U C,GUO Z J,et al.Research of the one-way channel service level in coastal container port[J].Port&Waterway Engineering,2010(7):107-111.
[8]Secretariat of UNCTAD.Port development:a handbook for planners in developing countries[M].New York:United Nations,1985.