（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中國交建海岸工程水動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

基于SIMIO的航道通過能力仿真研究

李紹武1，2，李文1*，黃泰坤3

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中國交建海岸工程水動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

以某沿海港口為例，采用新一代面向?qū)ο蟮慕＼浖IMIO構(gòu)建了航行作業(yè)系統(tǒng)模型，計(jì)算了其航道通過能力，分析了港口運(yùn)營狀態(tài)，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性，并分析了兩種裝卸效率下，不同船流密度對通過航道貨運(yùn)量、AWT/AST和AWT的影響。研究結(jié)果表明，航道貨運(yùn)量隨船流密度的增加而增大，且存在一個極限值，高效率的裝卸設(shè)備只有在船流密度較大時才能發(fā)揮作用。為真實(shí)、客觀地分析和預(yù)報港口航道通過能力提供一種新工具。

仿真；SIMIO；航道通過能力

0 引言

港口航行作業(yè)系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng)，用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)分析方法很難真實(shí)地反映港口運(yùn)營過程中各要素的隨機(jī)動態(tài)變化。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是研究這類隨機(jī)、動態(tài)、復(fù)雜系統(tǒng)問題的有效方法。仿真過程通過修改和調(diào)整模型參數(shù)可以重復(fù)試驗(yàn)，并可實(shí)時觀察修改帶來的影響。

采用SIMIO仿真軟件進(jìn)行建模，以“面向?qū)ο蟆钡慕Ｋ季S取代“面向過程”和“面向事件”的傳統(tǒng)建模方式，在一定程度上簡化了建模過程[1]，并且在標(biāo)準(zhǔn)對象庫和標(biāo)準(zhǔn)過程的基礎(chǔ)上，通過修改對象屬性、為對象增減過程，得到具有特定行為的對象。在對港口航行作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于SIMIO仿真平臺建立可視化的港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。用某沿海港口的實(shí)際資料驗(yàn)證模型的可靠性；在此基礎(chǔ)上，通過修改仿真參數(shù)，討論兩種不同裝卸效率下船流密度對通過航道貨運(yùn)量、港口服務(wù)水平AWT/AST和船舶平均等待時間AWT的影響。為港口航道通過能力計(jì)算提供新方法。

1 港口航行作業(yè)系統(tǒng)分析

港內(nèi)船舶的服務(wù)過程以船舶到達(dá)錨地為起點(diǎn)，以船舶離開港口為終點(diǎn)，包括船舶到達(dá)港口、錨地排隊(duì)待泊、駛?cè)牒降?、靠泊作業(yè)、解纜離泊、駛?cè)牒降?、離開港口等作業(yè)環(huán)節(jié)。港內(nèi)船舶作業(yè)可以抽象為以下建模邏輯流程（圖1）。

1）船舶抵港后，對船舶屬性賦值，進(jìn)入錨地待泊；

2）根據(jù)船舶屬性，檢查是否存在滿足其靠泊要求的空閑泊位，若有則進(jìn)入3），否則，在錨地繼續(xù)等待；

3）判斷風(fēng)、浪、霧、潮位等自然條件是否滿足船舶通航條件，若是則進(jìn)入4），否則繼續(xù)在錨地待泊；

4）限定雙向航道，無需判斷船舶航行方向，只需滿足相鄰船舶安全時距的要求，滿足則進(jìn)入5），否則錨地待泊；

5）船舶進(jìn)行解系纜、靠泊并完成裝卸作業(yè)后，再次判斷航道中的船舶是否滿足安全時距，滿足則進(jìn)入航道，離港；否則繼續(xù)等待。

圖1 港口航行作業(yè)系統(tǒng)邏輯模型Fig.1 Logic model of ship navigation-operation system of port

2 港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型

在分析航道作業(yè)過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可視化的港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。首先，從標(biāo)準(zhǔn)對象庫中選取相關(guān)對象置于工作區(qū)，按照邏輯關(guān)系建立各對象的相互連接關(guān)系，初步建立可視化的靜態(tài)系統(tǒng)模型。然后，在對象的屬性面板中有選擇地對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，修改對象屬性，使引入的對象成為港航作業(yè)系統(tǒng)中的組成元素，并采用過程編輯器來修改和擴(kuò)展對象的行為，使之符合港航作業(yè)系統(tǒng)的邏輯規(guī)則。利用3D繪圖軟件GoogleSketchUp繪制地形圖，結(jié)合SIMIO預(yù)制的3D圖形，創(chuàng)建具有動畫效果的系統(tǒng)模型（圖2）。

圖2 可視化3D動畫系統(tǒng)模型Fig.2 Model of 3D visualization animation system

2.1 模型中主要組成對象

1）實(shí)體（ModelEntity）：船舶；

2）源對象（Source）：創(chuàng)建船舶；

3）服務(wù)器（Server）：泊位；

4）隊(duì)列（Storage）：錨地；

5）時間路徑（TimePath）：船舶作業(yè)過程；

6）資源（Resource）：航道；

7）退出系統(tǒng)（Sink）：船舶離港。

2.2 仿真建模過程

2.2.1 船舶到港

用 SIMIO標(biāo)準(zhǔn)對象庫中提供的源對象（Source）產(chǎn)生船舶實(shí)體，在Source的屬性面板定義船舶實(shí)體類型（Entity Type）以及船舶實(shí)體到達(dá)的時間間隔分布類型（Interarrival Time），引用部件表（Table），設(shè)置各類船舶實(shí)體混合比例（Type）、船舶噸級（Tonnage）、船舶通航水深（Level）、路徑鏈表（NodeList）。隨后將船舶實(shí)體送入港外錨地，通過在過程編輯器中添加Insert步驟，插入隊(duì)列（Storage）來表示錨地排隊(duì)待泊，至此，船舶完成到港過程。

2.2.2 選擇泊位及檢查潮汐條件

船舶到港后，根據(jù)船舶實(shí)體的類型和屬性，通過過程編輯器中Route步驟指定滿足其靠泊條件的空閑泊位 （NodeList）；在函數(shù)定義區(qū)（Functions） 輸入隨時間變化的潮位公式（FunctionTide），在過程編輯器中采用Decide步驟實(shí)時判斷潮位條件是否滿足船舶實(shí)體的通航水深（Level），當(dāng)泊位和潮汐條件均滿足，進(jìn)入航道，否則繼續(xù)等待。

2.2.3 船舶的安全時距

根據(jù)航道內(nèi)同向航行船舶需要遵循安全時距的原則，在過程編輯器中添加Seize步驟，抓取航道資源（Resource_In），并添加Execute步驟來觸發(fā)Execute_Distance_In過程，在該過程中船舶實(shí)體抓取航道資源并延遲（Delay）一定時間后釋放（Release）航道資源。

2.2.4 船舶裝卸作業(yè)

船舶到達(dá)相應(yīng)的泊位（Server）后，在Server屬性面板中設(shè)置實(shí)體進(jìn)行輔助作業(yè)（Transfer-In Time），根據(jù)船舶屬性和泊位裝卸效率，設(shè)置Server的裝卸作業(yè)時間（Processing Time），由于泊位處不存在排隊(duì)等待，因此泊位的等待隊(duì)列（Buffer Capacity）設(shè)置為0。

2.2.5 船舶離港

在泊位（Server）處裝卸完畢的船舶實(shí)體按照與進(jìn)港時相同的規(guī)則進(jìn)入航道，即先完成裝卸作業(yè)的船舶抓取航道資源（Resource_out），然后執(zhí)行Execute_Distance_Out過程，即抓住航道資源一定時間后釋放資源，繼續(xù)航行，直到離港進(jìn)入（Sink）。

2.2.6 天氣因素（風(fēng)、浪、霧等）

由于天氣因素導(dǎo)致港口存在不可作業(yè)的時間，通過時鐘元素（Timer1）設(shè)置事件發(fā)生的時間，并與過程編輯器相結(jié)合，添加失效（Fail）步驟，控制航道資源失效，禁止船舶實(shí)體進(jìn)入航道，用Timer2設(shè)置恢復(fù)港口作業(yè)的時間，在過程編輯器中采用恢復(fù)（Repair）步驟，恢復(fù)利用航道資源，使船舶能夠進(jìn)入航道。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料

以某港口為例，對該港口2004年到港船舶數(shù)據(jù)及航道資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照J(rèn)TJ 211—99《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》得出設(shè)計(jì)船型、船型比例，以及航道的通航水深，如表1所示。

該港口主航道為10萬噸級雙向航道，底高程-15 m，10萬噸級貨船需乘潮進(jìn)港，外航道長19 km，內(nèi)航道長約10 km。按照航速限制規(guī)定設(shè)置外航道和內(nèi)航道航速分別為10 kn和6 kn，通航歷時為1.92 h，同向航行船舶的安全時距為20 min[2]。

主航道兩側(cè)有各類生產(chǎn)性泊位48個，船舶隨機(jī)?？颗c之種類和靠泊能力相符的泊位進(jìn)行裝卸作業(yè)，裝卸作業(yè)效率按照各泊位平均效率設(shè)定，船舶的輔助作業(yè)（回轉(zhuǎn)水域調(diào)頭、靠離泊及解系纜作業(yè)）時間取1.5 h。

表1 到港船舶船型統(tǒng)計(jì)Table 1 Ship type statistics for the vessels arrived at the port

該港口海域潮汐為不規(guī)則半日潮，模型中采用4個分潮進(jìn)行合成，潮位合成公式為：

式中：η為潮位；η0為平均水位，取2.81 m；ai為分潮振幅；ωi為分潮頻率；t為時間；εi為分潮遲角。各參數(shù)取值見表2。

表2 各分潮參數(shù)Table 2 Various tide constituent parameters

根據(jù)工程資料，因天氣因素（風(fēng)、浪、霧等）導(dǎo)致港口1 a中平均不可作業(yè)天數(shù)為25 d。

3.2 模型系統(tǒng)評價指標(biāo)

選取能夠反映港口系統(tǒng)運(yùn)營狀況的評價指標(biāo)：

1） 港口吞吐量

港口吞吐量是指1 a內(nèi)，經(jīng)水運(yùn)輸出、輸入港區(qū)并經(jīng)過裝卸作業(yè)的貨物總量，是衡量港口規(guī)模大小的最重要的指標(biāo)。

2） 船舶平均在港時間

船舶平均在港時間反應(yīng)了港口的綜合服務(wù)水平，在港時間越長，表明相對服務(wù)水平越低；在港時間越短，表明相對服務(wù)水平越高。

3） 港口服務(wù)水平指標(biāo)AWT/AST

國際上通常用指標(biāo)AWT/AST來衡量一個港口的服務(wù)水平[3]。其中AWT表示船舶的平均等待時間，AST表示船舶平均在泊時間。AWT/AST越高，說明船舶相對等待時間越長，是以犧牲船方利益為代價來提升港口的吞吐量；AWT/AST越低，表明港口的服務(wù)水平越高，但浪費(fèi)部分港區(qū)裝卸能力和泊位資源。

4） 泊位利用率

泊位利用率為船舶年占用泊位時間與年日歷時間的百分比。數(shù)值越大船舶等待的可能性越大，數(shù)值越小則浪費(fèi)泊位資源。

3.3 仿真模型結(jié)果及分析

1）根據(jù)該港口2004年統(tǒng)計(jì)資料，參照該港口以往船舶到港規(guī)律及到港船舶資料，設(shè)置船舶平均到港時間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，船舶到港時間間隔λ平均為31.8 min，仿真周期1 a，模型重復(fù)運(yùn)行10次，得到表3驗(yàn)證結(jié)果。

2）在原模型實(shí)際裝卸效率的基礎(chǔ)上，將泊位裝卸效率提高到額定值，運(yùn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到?試驗(yàn)結(jié)果。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Simulation experiment results

3）在原模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，分別設(shè)置不同的船舶到港時間間隔，以此來模擬不同的船流密度，得到兩種裝卸效率下，船流密度與航道貨運(yùn)量、AWT/AST和AWT的關(guān)系曲線，分別如圖3、圖4、圖5所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，驗(yàn)證模型中通過航道的貨運(yùn)量為21 047.3萬t，與該港口2004年實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果22 887萬t基本一致。泊位利用率為50%左右，與實(shí)際數(shù)據(jù)基本相符，模型總體能反映出該港口當(dāng)時的實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)。泊位裝卸效率提高后，航道貨運(yùn)量為21 155.3萬t，與低效率狀態(tài)下的數(shù)據(jù)基本相同，可見航道通過能力受泊位裝卸效率的影響不大，但船舶平均在港時間為由原來的31.8 h變?yōu)?4.24 h，比低效率狀態(tài)下減少了一半；AWT/AST也由0.65降低到0.56，服務(wù)水平有所提高，各類泊位利用率顯著降低。

圖3 兩種裝卸效率下船流密度與通過航道貨運(yùn)量關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of ship traffic density and cargo throughput in two different conditions of handling efficiency

圖4 兩種裝卸效率下船流密度與AWT/AST關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of ship traffic density and AWT/AST in two different conditions

圖5 兩種裝卸效率下船流密度與AWT關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of ship traffic density and AWT in two different conditions

該港口兩種裝卸效率下，航道貨運(yùn)量、AWT/ AST、AWT與船流密度關(guān)系曲線顯示，船流密度較低時，隨著船流密度加大，航道貨運(yùn)量持續(xù)增加，但AWT/AST、AWT變化不大；當(dāng)達(dá)到一定船流密度時，通過航道貨運(yùn)量達(dá)到極限值不再變化，而AWT/AST、AWT急劇增長，表明航道極其擁堵，到港船舶因航道受限而需要持續(xù)等待。

圖3中顯示，在同一船流密度下，兩種裝卸效率航道貨運(yùn)量幾乎相同，當(dāng)船舶到港時間間隔小于30 min左右時，較高裝卸效率的航道貨運(yùn)量大于較低裝卸效率的航道貨運(yùn)量；當(dāng)船舶到達(dá)時間間隔小于20 min左右時，兩種裝卸效率的航道貨運(yùn)量均達(dá)到極限值。這表明高效率的裝卸設(shè)備在相對較大船流密度條件下才能充分發(fā)揮作用。

圖4和圖5中曲線的水平段顯示，船流密度較小時，到港船舶的多少對AWT和AWT/AST影響不大，且由于較高裝卸效率的船舶平均在泊作業(yè)時間AST相對減小，因此出現(xiàn)高效率的AWT/ AST反而大于低效率的結(jié)果，即出現(xiàn)低效率的港口服務(wù)水平優(yōu)于高效率的表面現(xiàn)象。由此可見，不能以AWT/AST作為評價港口服務(wù)水平的單一指標(biāo)，而應(yīng)同時考慮船舶總在港時間。船舶到港時間間隔較小時，曲線出現(xiàn)突變，表明隨著船流密度加大，低效率的港口提前出現(xiàn)擁堵，AWT與AWT/AST快速增長，港口服務(wù)水平急劇降低。

4 結(jié)語

根據(jù)港口航行作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)流程，基于SIMIO仿真平臺，建立了某港口航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果基本能夠反映該港口實(shí)際運(yùn)營狀況，分析探討了兩種裝卸效率下，船流密度對通過航道貨運(yùn)量、AWT/AST和AWT的影響，結(jié)論如下：

1）通過航道貨運(yùn)量隨著船流密度的增加而增大，但是存在一個極限值。

2）高效率的裝卸設(shè)備只有在船流密度較大時才能發(fā)揮其作用；船流密度較小時，裝卸效率對提高通過航道貨運(yùn)量和港口服務(wù)水平影響甚微。

3）以AWT/AST作為評價港口服務(wù)水平的單一指標(biāo)欠妥，應(yīng)同時考慮船舶總在港時間為宜。

志謝：

美國SIMIO LLC有限責(zé)任公司提供SIMIO軟件使用權(quán)。

[1]劉寶宏.面向?qū)ο蠼Ｅc仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011. LIU Bao-hong.Object-oriented modeling and simulating[M].Beijing：Tsinghua University Press，2011.

[2]商劍平.黃驊港航道通過能力的仿真模型研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2005. SHANG Jian-ping.Simulation model study on the throughput of channel of Huanghua harbor[D].Dalian：Dalian University of Technology，2005.

[3]陳琦，郭子堅(jiān)，宋向群，等.船舶安全時距對散貨港口服務(wù)水平的影響[J].港工技術(shù)，2011（6）：19-22. CHEN Qi，GUO Zi-jian，SONG Xiang-qun，et al.Service of bulk cargo terminal being affected by safe time-interval of ships enterleaving port[J].Port Engineering Technology，2011（6）：19-22.

[4] 楊興晏，魏恒洲.沿海港口集裝箱碼頭合理的泊位利用率分析[J].港工技術(shù)，2004（3）：5-7. YANG Xing-yan，WEI Heng-zhou.The analysis of reasonable berth utilization for coastal port container terminal[J].Port Engineering Technology，2004（3）：5-7.

Simulation study of channel throughput based on SIMIO

LI Shao-wu1，2，LI Wen1，HUANG Tai-kun3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.CCCC-Key Hydrodynamic Laboratory for Coastal Engineering，Tianjin 300222，China；3.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

The object-oriented new-generation simulation software SIMIO is applied to constitute a model of ship navigation-operation system of a coastal port.The throughput of the channel is calculated based on the simulation results.Analysis of the port operation status by using the model is performed to verify the reliability of the simulation model.In two different conditions of handling efficiency，the effects of ship traffic density on cargo throughput，AWT/AST and AWT are analyzed.The results indicate that the volume of cargo throughput of the channel increases as the ship traffic density increases but with an upper limit and that the loading/unloading equipments of higher efficiency can play significant role only in the situation of higher ship traffic density.The method provides a new tool for real，objective analysis and forecast of the throughput of channel.

simulation；SIMIO；throughput of channel

U612.32

：A

：1003-3688（2014）03-0009-04

10.7640/zggwjs201403002

2013-11-18

2014-02-12

李紹武（1962— ），男，天津市人，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事港航工程及河流、海岸動力學(xué)研究。

*通訊作者：李文，E-mail∶liwentju@126.com