陳沿伊，黃　璨

（武漢理工大學(xué)　交通學(xué)院，湖北　武漢　430063）

?

基于延誤敏感性的內(nèi)河船舶交通擁堵?tīng)顟B(tài)識(shí)別方法研究

陳沿伊，黃璨

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063）

內(nèi)河水運(yùn)在綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的作用越來(lái)越突出，但隨著船舶流量的增大，船閘通過(guò)能力的飽和，惡劣氣候的頻發(fā)，內(nèi)河發(fā)生大面積船舶滯留的情況越來(lái)越頻繁。借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于道路交通擁堵識(shí)別方法的研究，結(jié)合內(nèi)河船舶交通流特點(diǎn)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，提出了基于不同類型船舶延誤敏感性的內(nèi)河船舶交通擁堵識(shí)別模型；在對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)的航運(yùn)參與者進(jìn)行相關(guān)調(diào)研的基礎(chǔ)上，以荊江河段為例運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)擁堵識(shí)別模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析不同條件下的船舶擁堵?tīng)顟B(tài)變化情況，結(jié)論顯示船舶擁堵?tīng)顟B(tài)與禁航時(shí)間和船型比例均相關(guān)。

延誤敏感性；內(nèi)河船舶；擁堵?tīng)顟B(tài)識(shí)別；船舶交通流仿真

1　引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)內(nèi)河水運(yùn)特別是長(zhǎng)江在綜合交通運(yùn)輸體系中的地位越來(lái)越重視。但隨著內(nèi)河船舶流量的增大、三峽等船閘通過(guò)能力的飽和，以及沿江沿河氣候的惡化，長(zhǎng)江等內(nèi)河發(fā)生大面積擁堵的情況越來(lái)越頻繁。2011年11月18日凌晨，受大霧影響，京杭運(yùn)河揚(yáng)州段全線停航，造成1 200多艘船舶停泊待航；2013年3月，由于三峽北線船閘檢修，三峽河段上、下游錨地共有600余艘船舶待閘，另有大量船舶滯留在重慶巫山以上無(wú)法出港；2014年7月，江蘇省三河船閘發(fā)生大規(guī)模的船舶擁堵，約500艘運(yùn)沙船堵塞在三河船閘，船舶無(wú)法通行；2016年春節(jié)前夕，由于枯水期航道水位低、船閘通過(guò)能力不足等原因，淮河最大支流沙潁河潁上段滯留了近千艘船舶，均造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

以往對(duì)于交通擁堵的研究主要集中在道路交通領(lǐng)域，如路段擁堵識(shí)別［1］、交叉口擁堵識(shí)別［2］、擁堵對(duì)策［3］等，對(duì)內(nèi)河船舶交通擁堵的關(guān)注較少，且基本沿用道路交通擁堵的思路和方法，不利于準(zhǔn)確的判斷船舶交通擁堵的實(shí)際情況，并采取有針對(duì)性的對(duì)策來(lái)疏導(dǎo)滯留船舶。參照國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于道路交通擁堵識(shí)別方法的研究，結(jié)合內(nèi)河船舶交通特點(diǎn)，本文提出了基于不同類型船舶時(shí)間敏感性的內(nèi)河船舶交通擁堵識(shí)別方法，并運(yùn)用仿真試驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。

2　基于延誤敏感性的內(nèi)河船型分類

船舶交通擁堵對(duì)每個(gè)貨種及船型的影響是不一樣的，故不同貨類對(duì)于延誤的要求是不同。但如果按照貨類來(lái)劃分種類較多，且實(shí)際中很難確切得到有關(guān)貨物的信息，故在此主要根據(jù)延誤敏感性對(duì)不同貨類對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸船型進(jìn)行分類。

2.1分類標(biāo)準(zhǔn)

（1）延誤敏感性影響因素。影響船舶延誤敏感性的因素主要有運(yùn)輸對(duì)象的價(jià)值、運(yùn)輸對(duì)象的時(shí)效性、運(yùn)輸對(duì)象的危險(xiǎn)程度等三個(gè)因素，具體如下：

運(yùn)輸對(duì)象價(jià)值：可用運(yùn)輸對(duì)象單位重量或體積的貨幣價(jià)值來(lái)衡量。運(yùn)輸對(duì)象價(jià)值越高，延誤時(shí)間越長(zhǎng)，則資金的時(shí)間價(jià)值損失越大。

運(yùn)輸對(duì)象時(shí)效性：主要指時(shí)間的增加對(duì)運(yùn)輸對(duì)象的影響程度。時(shí)效性高的貨物隨著延誤時(shí)間的延長(zhǎng)，其價(jià)值損失越來(lái)越大。

運(yùn)輸對(duì)象危險(xiǎn)程度：主要是指運(yùn)輸對(duì)象在運(yùn)輸過(guò)程中可能對(duì)人或環(huán)境造成不良影響的可能性和危害大小。故運(yùn)輸對(duì)象的危險(xiǎn)程度越大，延誤的時(shí)間越長(zhǎng)，其運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)越大。

（2）分類變量分析。根據(jù)上述影響因素，選取貨幣價(jià)值、運(yùn)輸時(shí)效性、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)等3個(gè)變量來(lái)度量不同船舶對(duì)延誤時(shí)間的敏感性，具體見(jiàn)表1。

表1　分類變量及賦值

2.2內(nèi)河主要船型及分類

（1）內(nèi)河主要船型及對(duì)應(yīng)貨類。目前，長(zhǎng)江等內(nèi)河上主要的船型及對(duì)應(yīng)的貨類如下［4］：

①集裝箱船：主要裝載服裝、汽車零件、機(jī)電產(chǎn)品、醫(yī)藥、書籍等適箱貨物。

②干散貨船：主要裝載煤炭、金屬礦石、非金屬礦石、礦建材料等大宗貨物。

③液體散貨船：主要裝載石油、天然氣及其制品。

④件雜貨船：主要裝載木材、日用百貨等袋裝、箱裝和桶裝的普通貨物。

⑤滾裝船：主要裝載商品車、農(nóng)用機(jī)械等貨物。

⑥客運(yùn)船舶：運(yùn)輸對(duì)象主要是人員。

（2）船舶分類變量賦值。根據(jù)以上內(nèi)河船舶的運(yùn)輸對(duì)象的特點(diǎn)，對(duì)分類變量進(jìn)行賦值，具體見(jiàn)表2。

表2　船舶分類變量賦值

（3）基于延誤敏感性的內(nèi)河船型聚類分析。為了確定船舶分類閾值和分類種類，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)系統(tǒng)聚類，如圖1所示。

圖1　6種主要船型聚類分布圖

由圖1可知，可根據(jù)閾值來(lái)調(diào)節(jié)船舶分類的數(shù)目，本文選擇閾值λ=20的船舶分類結(jié)果，將內(nèi)河船型分為兩類，具體見(jiàn)表3。

表3　基于延誤敏感性的內(nèi)河船舶類型劃分結(jié)果

3　內(nèi)河船舶交通擁堵?tīng)顟B(tài)識(shí)別模型構(gòu)建

3.1評(píng)語(yǔ)集的建立

根據(jù)船舶延誤程度，將內(nèi)河船舶交通擁堵的運(yùn)行狀態(tài)主要分為三類：暢通、擁堵和嚴(yán)重?fù)矶拢?］，即T=｛T1，T2，T3｝，T1代表暢通狀態(tài)，T2代表?yè)矶聽(tīng)顟B(tài)，T3代表著嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)。而且是根據(jù)等待時(shí)間以及綜合判斷來(lái)劃分的。所以可以對(duì)內(nèi)河船舶交通擁堵?tīng)顟B(tài)評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行描述具體見(jiàn)表4。

表4　內(nèi)河船舶交通擁堵評(píng)語(yǔ)集描述

3.2評(píng)判因素的確定

根據(jù)以上分析，將船舶平均延誤時(shí)間作為評(píng)判因素。為研究平均延誤時(shí)間對(duì)內(nèi)河船舶擁堵的影響程度，以長(zhǎng)江為例，對(duì)長(zhǎng)江上船長(zhǎng)或船東及海事管理人員進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)船長(zhǎng)或船東調(diào)查共涉及6種船型，每種船舶發(fā)出10份調(diào)查問(wèn)卷，共計(jì)60份，回收55份；海事管理人員調(diào)查發(fā)出問(wèn)卷10份，回收10份。

（1）船長(zhǎng)或船東調(diào)查問(wèn)卷分析。經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)和分析，船東或船長(zhǎng)認(rèn)為船舶處于暢通狀態(tài)下、一般擁堵?tīng)顟B(tài)下、嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)下的平均延誤標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5-表7。

當(dāng)經(jīng)過(guò)的點(diǎn)數(shù)為5時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)過(guò)點(diǎn)數(shù)為4的每一種情況進(jìn)行延伸，每種情況均可以延伸出若干種經(jīng)過(guò)點(diǎn)數(shù)為5的情況。當(dāng)點(diǎn)數(shù)大于5的時(shí)候亦然，一一列出可能的情況并做出代表密碼情況的樹(shù)狀圖，最后統(tǒng)一討論。

表5　暢通狀態(tài)下的延誤時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

表6　一般擁堵?tīng)顟B(tài)下的延誤時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

表7　嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)下的等待時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

（2）海事管理人員調(diào)查問(wèn)卷分析。海事管理人員對(duì)船舶處于暢通狀態(tài)下、一般擁堵?tīng)顟B(tài)下、嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)下的平均延誤時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表8。

表8　海事管理人員標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

從表5-表7可以看出，集裝箱船和客運(yùn)船舶對(duì)等待時(shí)間的要求較高，而干散貨、液體散貨、件雜貨、滾裝船對(duì)等待時(shí)間要求相對(duì)較低，調(diào)查結(jié)果與船型分類結(jié)果一致。故將內(nèi)河船舶分為延誤敏感性船舶（A類）和延誤遲鈍型船舶（B類）兩類。

（3）擁堵判斷標(biāo)準(zhǔn)分析。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對(duì)A、B兩類船舶的擁堵標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表9-表11。

表9　兩類船舶在暢通狀態(tài)下的延誤時(shí)間

表10　兩類船舶在一般擁堵?tīng)顟B(tài)下的延誤時(shí)間

表11　兩類船舶在嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)下的延誤時(shí)間

由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析，可得出不同類型船舶不同擁堵程度下的延誤時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表12。

表12　不同類型船舶擁堵程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表（單位：h）

3.3建立評(píng)判因素的隸屬函數(shù)

（1）A類船舶的隸屬函數(shù)。根據(jù)不同類型船舶擁堵程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以平均延誤時(shí)間構(gòu)造A類船舶隸屬函數(shù)，具體見(jiàn)式（1）-式（3），隸屬函數(shù)圖像如圖2所示。

暢通狀態(tài)：

一般擁堵?tīng)顟B(tài)：

圖2　A類船舶的隸屬函數(shù)

因此關(guān)于A類船舶的延誤時(shí)間T的模糊關(guān)系矩陣RA=［U11（t）U12（t）U13（t）］，代表著船舶延誤時(shí)間在暢通、擁堵、嚴(yán)重?fù)矶碌炔煌瑺顟B(tài)下的隸屬度。

（2）B類船舶的隸屬函數(shù)。根據(jù)不同類型船舶擁堵程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以平均延誤時(shí)間構(gòu)造A類船舶隸屬函數(shù)，具體見(jiàn)式（4）-式（6），隸屬函數(shù)圖像如圖3所示。

暢通狀態(tài)：

一般擁堵?tīng)顟B(tài)：

嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)：

圖3　B類船舶的隸屬函數(shù)

因此關(guān)于B類船舶的等待時(shí)間T的模糊關(guān)系矩陣RB=［U21（t）U22（t）U23（t）］，代表著船舶延誤時(shí)間在暢通、擁堵、嚴(yán)重?fù)矶碌炔煌瑺顟B(tài)下的隸屬度。

3.4模糊推斷結(jié)果

由A和B在各種交通狀態(tài)下的隸屬函數(shù)，可以建立模糊關(guān)系矩陣R：

式（7）中，ri1代表延誤時(shí)間對(duì)交通暢通狀態(tài)的隸屬度，ri2代表的是延誤時(shí)間對(duì)交通一般擁堵?tīng)顟B(tài)的隸屬度，ri3代表延誤時(shí)間對(duì)交通嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)的隸屬度。而r1j代表對(duì)延誤敏感性船舶（A類）的隸屬度，r2j代表延誤遲鈍性船舶（B類）的隸屬度。

可根據(jù)兩類船舶數(shù)量確定權(quán)重向量A，計(jì)算得到綜合隸屬度向量，見(jiàn)式（8）。

采用最大隸屬度法確定模糊綜合評(píng)判的結(jié)果，即選取b1，b2，b3中最大的一個(gè)值（max（bi），i=1，2，3）所對(duì)應(yīng)的交通狀態(tài)作為該航段擁堵程度評(píng)判結(jié)果。

4　模型應(yīng)用

4.1算例描述

以長(zhǎng)江荊江航道為例，建立雙向航道船舶交通流仿真模型［6］，具體如圖4所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江荊江航道船舶到達(dá)規(guī)律符合泊松分布，取λ=7.82［7］。假設(shè)A、B類船舶比例分別為20%和80%，某航段某天因?yàn)閻毫犹鞖鈴牧泓c(diǎn)開(kāi)始實(shí)施全面禁航，禁航時(shí)間為3h，運(yùn)行仿真模型并調(diào)整模型參數(shù)分析得到擁堵識(shí)別結(jié)果。

圖4　雙向航道船舶交通流仿真模型

4.2算例分析

（1）原始狀態(tài)下?lián)矶聽(tīng)顟B(tài)識(shí)別

①平均等待時(shí)間。禁航3h，根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果，上行A類船舶平均延誤時(shí)間為2.03h，B類1.85h，下行A類船舶平均延誤時(shí)間為2.17h，B類1.96h。

②隸屬度計(jì)算。由兩類船舶的隸屬函數(shù)可以得到：

將結(jié)果帶入式（8），得：

③識(shí)別結(jié)果。根據(jù)最大隸屬度法，可以得到上行和下行船舶此時(shí)處于暢通狀態(tài)。

（2）不同禁航時(shí)間下?lián)矶聽(tīng)顟B(tài)識(shí)別。以上行船舶為例，假設(shè)禁航時(shí)間分別為3h、6h、9h、12h，A類和B類船舶平均延誤時(shí)間變化如圖5所示。

圖5　不同禁航時(shí)間下上行船舶平均延誤時(shí)間變化

不同禁航時(shí)間下上行船舶分別對(duì)應(yīng)的擁堵?tīng)顟B(tài)見(jiàn)表13。

表13　不同禁航時(shí)間下分別對(duì)應(yīng)的擁堵?tīng)顟B(tài)

（3）不同船型比例下?lián)矶聽(tīng)顟B(tài)識(shí)別。假設(shè)禁航6h，不同A、B類船型比例下分別對(duì)應(yīng)的擁堵?tīng)顟B(tài)見(jiàn)表14。

表14　不同A、B類船型比例下分別對(duì)應(yīng)的擁堵?tīng)顟B(tài)

5　結(jié)論

本文結(jié)合內(nèi)河船舶交通特點(diǎn)，采用平均延誤時(shí)間作為擁堵識(shí)別指標(biāo)，并根據(jù)對(duì)該指標(biāo)的敏感性將內(nèi)河船舶劃分為延誤敏感性型和延誤遲鈍型兩類，運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)理論對(duì)內(nèi)河船舶交通擁堵?tīng)顟B(tài)進(jìn)行識(shí)別，較好的反映了船長(zhǎng)和船東的心理感受，可為海事部門根據(jù)不同的擁堵程度采取相應(yīng)合理措施提供參考。但目前對(duì)于內(nèi)河船舶的平均延誤標(biāo)準(zhǔn)尚處于探索階段，且本次調(diào)查的對(duì)象和范圍有限，未來(lái)可結(jié)合心理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步論證。

［1］朱丹丹.基于模糊綜合評(píng)判的城際道路擁堵?tīng)顟B(tài)識(shí)別方法研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.［2］楊旭.過(guò)飽和狀態(tài)下交叉口動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制延誤模型研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［3］Hamilton A，Waterson B，Cherrett T，et al.The evolution of urban traffic control：changing policy and technology［J］.Transportation Planning and Technology，2013，36（1）：24-43.

［4］楊俊瑛.城市道路交通擁擠狀態(tài)判別及預(yù)測(cè)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［5］張笛.枯水期長(zhǎng)江通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方法研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［6］楊星，李建，陳巍博，等.內(nèi)河船舶交通流建模與仿真研究［J］.中國(guó)航海，2013，36（3）：80-85.

［7］譚志榮，嚴(yán)新平，劉亮，等.長(zhǎng)江干線橋區(qū)船舶到達(dá)規(guī)律數(shù)學(xué)模型及檢驗(yàn)［J］.交通信息與安全，2010，28（2）：70-73.

Study on Method for Inland River Vessel Traffic Congestion State Identification Based on Delay Sensitivity

Chen Yanyi，Huang Can
（School of Transportation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Despite the continual development of the inland river transportation and its increasing significance in the comprehensivetraffic and transport system， large scale vessel retentions due to ship lock through constraint and bad weather conditions are more and morecommon. In this paper， by referring to the studies on roadway traffic congestion identification both at home and abroad， and in view of thecharacteristics of the inland river vessel traffic flow， we proposed an inland river vessel traffic congestion identification model based on thedifferent delay sensitivity of different vessel types； and then， through an investigation of the participants of the shipping industry surroundingthe middle reach of the Yangtze River， we applied the model established in an experiment on the Jiangjiang reach and studied the differenttypes of traffic congestion under different conditions.

delay sensitivity； inland river vessel； congestion state identification； vessel traffic flow simulation

U697

A

1005-152X（2016）08-0084-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.022

2016-07-05

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“長(zhǎng)江中游船舶交通擁堵演化規(guī)律和控制策略研究”（2014CFB846）

陳沿伊（1984-），博士，武漢理工大學(xué)交通學(xué)院講師，研究方向：交通運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃、交通運(yùn)輸安全工程。