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(guī)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(guī)范》[1]，LNG船舶在海港進出港航道航行時應設置移動安全區(qū)。此外，根據國內已建LNG接收站的船舶通航及作業(yè)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(jiān)管會對相關港區(qū)運營產生一定的影響?？紤]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(tǒng)籌港口協調發(fā)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(guī)模下船舶通航對港區(qū)的影響，但缺少對LNG碼頭合理布局規(guī)模的系統(tǒng)研究。

為進一步滿足長三角地區(qū)日益增長的天然氣需求，擬在寧波舟山港優(yōu)選布局LNG碼頭。目前，寧波舟山港六橫港區(qū)南側岸線資源充足，暫未開發(fā)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(guī)模。本文以寧波舟山港六橫港區(qū)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(guī)模進行綜合評估，進而指導LNG碼頭布局選址，可為其規(guī)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(qū)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(guī)劃，擬選址的LNG船舶與象山港區(qū)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(huán)境見圖1。

圖1 六橫港區(qū)南側規(guī)劃相關通航環(huán)境

基于上述區(qū)域環(huán)境分析，針對六橫南側岸線LNG碼頭布局規(guī)模的研究思路如下：首先，結合港口實際條件劃分研究區(qū)域，基于多智能體復雜系統(tǒng)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(yè)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(guī)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(qū)南側岸線充分利用時(簡稱六橫南側作業(yè)區(qū))的船舶進出港全過程，研究區(qū)域LNG運輸船舶進出港效率，分析六橫南側作業(yè)區(qū)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(guī)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(guī)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(qū)域資源完全開發(fā)的情境。仿真模擬遠期區(qū)域資源完全開發(fā)情境是指綜合考慮六橫南側作業(yè)區(qū)和象山港區(qū)相關區(qū)域，通過LNG船舶通航影響分析確定LNG碼頭合理布局規(guī)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(guī)模。

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

1.2 仿真建模

傳統(tǒng)數學模型無法擬實地反映出港口營運系統(tǒng)的動態(tài)變化，而仿真技術，作為研究多元隨機要素之間動態(tài)關系的一種有效技術手段，類似基于智能體的系統(tǒng)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(tǒng)仿真方法，模擬船舶進出港、靠離泊和作業(yè)的全過程。模型主要包括港口主系統(tǒng)和船舶航行系統(tǒng)兩大系統(tǒng)：前者用于設定與船舶進出港航行密切相關的各環(huán)節(jié)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(jiān)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(jiān)護規(guī)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(qū)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(guī)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(qū)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(qū)域運輸需求對相關受LNG船舶通航影響的港區(qū)船舶流量進行預測。

6)模擬時長：為反映港口運營系統(tǒng)真實的運營情況和LNG船舶對港區(qū)運營的持續(xù)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(qū)間時，船舶等待艘次及占比增幅相對較大，說明該閾值區(qū)間內LNG船舶通航對港區(qū)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(fā)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(qū)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?。欢擫NG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(qū)域資源完全開發(fā)情境研究

遠期區(qū)域資源完全開發(fā)情境主要綜合考慮遠期六橫南側作業(yè)區(qū)和象山港區(qū)2個區(qū)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(qū)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(jiān)管風險。故現階段LNG碼頭運輸量不宜超過1 500萬t/a?？紤]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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)相關區(qū)域的影響較小，象山港區(qū)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(yōu)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(yè)區(qū)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(qū)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(jiān)管規(guī)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(jiān)管規(guī)則有進一步優(yōu)化的可能。本文從優(yōu)化區(qū)域貨類運輸布局以及小型中轉LNG船舶監(jiān)管規(guī)則兩方面提出優(yōu)化措施(表2)。

表2 優(yōu)化工況設置

2種優(yōu)化措施均有一定的效果，優(yōu)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(yōu)化措施1減少六橫港區(qū)南側作業(yè)區(qū)散雜貨船流量對六橫港區(qū)南側作業(yè)區(qū)船舶的改善效果更優(yōu)，六橫港區(qū)南側作業(yè)區(qū)船舶的平均等待時間可減少0.6～0.7 h，2個區(qū)域船舶等待艘次及時間見圖10；優(yōu)化措施2改變小型中轉船監(jiān)管規(guī)則對LNG運輸船舶等待時間的改善效果更優(yōu)，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(yōu)化LNG運輸船舶監(jiān)管規(guī)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(yōu)化情境下兩區(qū)域船舶的等待時間艘次和等待時間與原工況對比

圖11 優(yōu)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(qū)相關區(qū)域資源完全開發(fā)，相關航道承載能力已基本趨于飽和。為保障區(qū)域船舶運輸效率,六橫港區(qū)南側岸線合理的LNG碼頭運輸規(guī)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(qū)南側其他船舶運量的優(yōu)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(guī)?；l(fā)展留有余地，建議在進行岸線規(guī)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(jiān)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(yōu)化措施，從而減少LNG運輸船舶對相關作業(yè)區(qū)船舶通航的干擾。