宋向群，胡學(xué)文，唐國(guó)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(guò)能力的不足影響了港口通過(guò)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(guò)能力，但擴(kuò)建投資巨大，同時(shí)也可能造成通過(guò)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(guò)渡航道，在盡可能提升航道通過(guò)能力的同時(shí)，減少了工程投資。

目前國(guó)外對(duì)復(fù)式航道的研究不多，國(guó)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(guò)能力，但是對(duì)于如何確定擴(kuò)建的副航道等級(jí)尚無(wú)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(wèn)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。

1 復(fù)式航道

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(guò)主航道，反之進(jìn)入副航道（圖1）。

專(zhuān)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(guò)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。

2 復(fù)式航道等級(jí)組合優(yōu)化方法

2.1 前提條件

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(guò)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(guò)能力成為港區(qū)通過(guò)能力發(fā)揮的瓶頸，即此時(shí)港區(qū)泊位通過(guò)能力尚有富余，沒(méi)有達(dá)到碼頭設(shè)計(jì)通過(guò)能力；若擴(kuò)建為雙線航道，航道投資過(guò)大且航道通過(guò)能力過(guò)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(guò)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(lái)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。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

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(guò)擴(kuò)建某種等級(jí)的副航道后，使復(fù)式航道通過(guò)能力滿足規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量和船舶通過(guò)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(guò)能力和船舶通過(guò)量滿足規(guī)劃期內(nèi)港區(qū)吞吐量及船舶通過(guò)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(lái)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(lái)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(wèn)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(guò)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(guó)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(guó)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(lái)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。

2.3 具體步驟

沿海港區(qū)復(fù)式航道等級(jí)組合優(yōu)化過(guò)程可以通過(guò)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(wàn)t級(jí)，到港船舶以1萬(wàn)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(wàn)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(guò)能力和船舶通過(guò)量以及主、副航道各自船舶通過(guò)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(guò)量的要求，確定可能的主、副航道組合類(lèi)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(lèi)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(lèi)型。

（7）通過(guò)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。

3 某集裝箱港區(qū)的仿真算例分析

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(guò)程。系統(tǒng)仿真是一門(mén)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。

3.1 港區(qū)現(xiàn)狀

主航道10萬(wàn)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(wàn)t級(jí)泊位2個(gè)，3萬(wàn)t級(jí)泊位6個(gè)，5萬(wàn)t級(jí)泊位5個(gè)，7萬(wàn)t級(jí)泊位2個(gè)，10萬(wàn)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(wàn)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(wàn)t級(jí)以上的船舶靠泊10萬(wàn)t級(jí)泊位。

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)主航道等級(jí)和未來(lái)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(lèi)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(guò)能力和船舶通過(guò)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(wàn)t級(jí)主航道與7萬(wàn)、5萬(wàn)、3萬(wàn)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(wàn)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(lèi)組合同時(shí)也能滿足港區(qū)服務(wù)水平的要求；但3萬(wàn)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(wàn)、5萬(wàn)t級(jí)的副航道，能帶來(lái)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(wàn)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。

4 結(jié)論

（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(guò)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(guò)能力提升了1.9倍。

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