廖詩管，翁金賢*,b，胡甚平

(上海海事大學(xué)，a.海洋科學(xué)與工程學(xué)院；b.交通運(yùn)輸學(xué)院；c.商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

LNG 貨物具有易燃、易爆且單次運(yùn)量大的特點(diǎn)，根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡稱規(guī)范)規(guī)定：LNG 船在進(jìn)出港航道航行時(shí)，需設(shè)置移動(dòng)安全區(qū)；當(dāng)大型LNG船通航時(shí)，需實(shí)行交通管制(例如單向通航)等措施，并配備護(hù)航船[1]。該規(guī)定在一定程度上保障了LNG 船通航安全，然而對(duì)航道內(nèi)的其他船舶通航造成一定限制[2]。為進(jìn)一步提升LNG船通航安全及航道利用率，亟需構(gòu)建一種LNG 船通航模式下的航道通過能力模型，以評(píng)價(jià)排他性碼頭(LNG碼頭)影響下的航道通過能力。

以船舶領(lǐng)域模型為基礎(chǔ)，學(xué)者們開展了大量航道通過能力評(píng)價(jià)方法的研究。翁金賢等[3]考慮內(nèi)河船舶領(lǐng)域，構(gòu)建游覽船運(yùn)營特征的航道通過能力模型，以評(píng)價(jià)客貨船交替通行的航道通過能力。Xin等[4]考慮船舶加速和減速特征，提出一種經(jīng)驗(yàn)船舶領(lǐng)域模型，并采用交通微觀仿真技術(shù)預(yù)測蝦峙門航道通過能力。Liu 等[5]采用最小二乘法計(jì)算船舶領(lǐng)域，并利用K-means 聚類算法識(shí)別交通流結(jié)構(gòu)特征，提出一種基于AIS數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法以評(píng)價(jià)繁忙航道通航能力。也有一些學(xué)者基于船舶跟馳理論，構(gòu)建不同船舶間距模型以評(píng)價(jià)航道通過能力。朱俊等[6]建立船頭間距與船速之間的函數(shù)關(guān)系，從微觀角度構(gòu)建航道通過能力的計(jì)算模型。Wang 等[7]以船舶間安全距離為評(píng)價(jià)航道安全指標(biāo)，構(gòu)建不同航行安全水平下的航道通過能力模型?？紤]LNG船通航的水域，Liu等[8]基于經(jīng)驗(yàn)值構(gòu)建一種縱向和橫向分別保持8 倍和1 倍船長的矩形移動(dòng)安全區(qū)，以評(píng)價(jià)LNG船通航影響的航道通過能力。雖然該方法考慮了LNG 船移動(dòng)安全區(qū)的影響，但其尺度的界定局限于經(jīng)驗(yàn)值且對(duì)LNG船特殊通航模式造成的影響考慮不足。

本文基于船舶交通流數(shù)據(jù)(AIS 數(shù)據(jù))，提出一種定量界定LNG 船移動(dòng)安全區(qū)尺度的方法，并構(gòu)建LNG 船通航模式下的航道通過能力模型，以評(píng)價(jià)LNG船通航影響的航道通過能力。所提出的方法可對(duì)任意水域LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度進(jìn)行精確計(jì)算，進(jìn)而為港口管理提供LNG 船通航安全指標(biāo)。同時(shí)，所構(gòu)建模型也能推廣至其他地區(qū)，反映LNG 船不同通航模式下港口航道的通航效率與安全之間的復(fù)雜關(guān)系，從而有助于管理者制定高效和安全的船舶運(yùn)行組織方式。最后，以五號(hào)溝LNG碼頭所在航道船舶通航情況為例，進(jìn)行實(shí)證分析。

1 航道通過能力評(píng)價(jià)

1.1 設(shè)計(jì)通過能力評(píng)價(jià)方法

航道通過能力通常分為基本通過能力和設(shè)計(jì)通過能力。基本通過能力指理想情況下單位時(shí)間內(nèi)通過航道橫斷面的最大過船量或過貨量；設(shè)計(jì)通過能力則是考慮某些限制因素影響下的船舶或貨物通過能力。因此，設(shè)計(jì)通過能力通常低于基本通過能力，是評(píng)價(jià)已建設(shè)航道通過能力的有效方法。由文獻(xiàn)[9]可知，設(shè)計(jì)通過能力Cd為

式中：W為航道寬度；N為航道允許并排航行的船舶數(shù)量；Di為船舶i的領(lǐng)域縱向長度；Li為船舶i的長度；n為形成交通流時(shí)的船舶數(shù)量；Vship為交通流平均航速。

1.2 LNG船非獨(dú)占式單次通航模式下的通過能力評(píng)價(jià)方法

如圖1所示，在t至t+T時(shí)刻(即船舶平均到達(dá)時(shí)間間隔為T)，LNG 船通航對(duì)航道通過能力的影響與交通流平均航速、LNG 船的平均航速(VLNG)、交通流船舶的平均長度(Lship)、LNG 船的平均長度(LLNG)以及移動(dòng)安全區(qū)的尺度等有關(guān)?？紤]到LNG 船通航時(shí)不允許其他船舶發(fā)生追越行為，故評(píng)價(jià)通過能力時(shí)，移動(dòng)安全區(qū)尺度主要考慮船首距離(Zf)和船尾距離(Zb)。

圖1 LNG船通航示意圖Fig.1 Diagram of LNG carriers passing through waterway

當(dāng)雙向通航的航路施行交通管制時(shí)，其他船舶需在錨地或泊位等候進(jìn)出港。在航道清空時(shí)，需考慮已駛離錨地或泊位但尚未進(jìn)入航道的船舶，其對(duì)航道清空時(shí)間的影響。此外，從通航安全的角度，LNG 船需與航道入口保持一段安全距離，以備清空航道后進(jìn)出港航行。本文對(duì)以上情況作如下假設(shè)和定義：

(1)假設(shè)某一段航道長度為Sc；

(2)其他船舶的等待地點(diǎn)與進(jìn)出港航道起始點(diǎn)的平均距離為Sw；

(3)其他船舶對(duì)航道清空時(shí)間影響的富裕距離為Sr；

(4)LNG船與航道入口保持的安全距離為SLNG。

LNG 船非獨(dú)占式通航模式指在通航方式為單向通航的航道中，LNG 船與其他船舶同向航行；在通航方式為雙向通航的航道中，LNG 船僅占用一側(cè)航道資源。LNG 船非獨(dú)占式單次通航對(duì)通過能力的影響量Nnon為

當(dāng)船舶平均到達(dá)時(shí)間間隔以小時(shí)為單位，則LNG 船非獨(dú)占式單次通航對(duì)通過能力單位小時(shí)的影響率ηnon為

綜上，LNG 船非獨(dú)占式單次通航模式下的通過能力Cnon為

1.3 LNG船獨(dú)占式單次通航模式下的通過能力評(píng)價(jià)方法

LNG船獨(dú)占式通航模式指LNG船需在清空航道后通航。在單向通航的航道中，LNG 船獨(dú)占式單次通航對(duì)通過能力的影響量為航道清空時(shí)間的影響量與非獨(dú)占式單次通航的影響量之和，即

無特殊情況下，航道通常采取24 h 通航，LNG船獨(dú)占式單次通航對(duì)航道日通過能力的影響率為

綜上，在單向通航的航道中，LNG 船獨(dú)占式單次通航模式下的通過能力為

在雙向通航的航道中，與LNG 船同向航行的通過能力的影響量、影響率及通過能力分別等于、及。與LNG 船逆向航行的通過能力的影響量為航道清空時(shí)間的影響量、非獨(dú)占式單次通航的影響量與LNG船通過航道長度為Sc的影響量之和，即

LNG 船獨(dú)占式單次通航對(duì)逆向航道日通過能力的影響率為

綜上，考慮LNG 船獨(dú)占式單次通航模式下的逆向通過能力為

1.4 LNG船移動(dòng)安全區(qū)

區(qū)別于文獻(xiàn)[4-5,10]提出的船舶領(lǐng)域?qū)嵶C方法，本文對(duì)LNG 船及其周圍船舶的尺度進(jìn)行精細(xì)化建模后再統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)的頻率(而不是以點(diǎn)或固定網(wǎng)格大小統(tǒng)計(jì)船舶出現(xiàn)的頻率)，以界定LNG 船移動(dòng)安全區(qū)尺度?；贏IS數(shù)據(jù)，對(duì)LNG船與其周圍船舶的位置進(jìn)行識(shí)別，并以強(qiáng)度圖的方式對(duì)船舶位置進(jìn)行可視化，最后描繪移動(dòng)安全區(qū)尺度，算法步驟如表1所示。

表1中，距離閾值δ可依據(jù)特定水域LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度確定。根據(jù)規(guī)范，國內(nèi)外部分LNG碼頭的移動(dòng)安全區(qū)尺度有一些強(qiáng)制性的規(guī)定。例如，上海洋山水域規(guī)定移動(dòng)安全區(qū)船首和船尾保持4 倍LNG 船長，左右保持6 倍LNG 船寬，由此可設(shè)置δ=4LLNG。此外，該方法計(jì)算得到LNG船移動(dòng)安 全區(qū)尺度的誤差為φVship。

表1 確定LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度的算法步驟Table 1 Algorithm steps for determining scale of moving safety zone of LNG carriers

2 數(shù)據(jù)收集與分析

2.1 長江口水域航道條件

如圖2所示，根據(jù)電子海圖信息，該區(qū)域可分為A～K 共11 個(gè)航道，每個(gè)航道均采取雙向通航的航行規(guī)則。五號(hào)溝LNG 碼頭位于G 段盡頭，其前沿水域也處于F、G與H這3段的交匯處，船舶交通行為較為復(fù)雜，是事故風(fēng)險(xiǎn)的高發(fā)區(qū)域。因此，本文以G段為研究對(duì)象，其全長約28 km，航道寬度約1.341 km。

圖2 五號(hào)溝LNG碼頭附近航道圖Fig.2 Waterway map near Wuhaogou LNG terminal

因LNG 船訪問港口頻率不高，本文根據(jù)該碼頭3 次LNG 船的訪問記錄，收集了G 段LNG 船通航的AIS數(shù)據(jù)分別是2018年5月18～20日、6月16～18日及6月29～30日，記為數(shù)據(jù)集U1，用于確定LNG 船移動(dòng)安全區(qū)尺度。根據(jù)U1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，LNG船的平均長度和寬度分別為239 m、40 m?？紤]到G段進(jìn)出港船舶交通流量存在一定的差異，需分別對(duì)進(jìn)出港交通流進(jìn)行分析，以研究LNG 船進(jìn)出港對(duì)航道通過能力的影響。本文收集了良好天氣狀況下2018年4月14～20日共7 d的AIS數(shù)據(jù)，記為數(shù)據(jù)集U2。根據(jù)U2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)出港交通流船舶平均長度分別為144 m、135 m。

2.2 進(jìn)出港交通流分析

(1)船舶平均航速分析

如圖3所示，根據(jù)U2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，G 段24 h 進(jìn)出港船舶平均航速存在明顯變化。結(jié)合圖4的中浚潮汐觀測點(diǎn)7 d 潮高變化均值可知，G 段每半日漲落潮1 次，船舶乘潮而入。研究結(jié)果表明，進(jìn)港船舶平均航速隨著漲潮而逐漸增加，出港船舶平均航速隨著退潮而逐漸增加。進(jìn)出港船舶平均航速分別為8.1 kn、9.5 kn。出港船舶平均航速相對(duì)偏高，可能是為了盡快對(duì)已完成裝卸貨的船舶進(jìn)行疏離，以便提高泊位利用率。

圖3 進(jìn)出港船舶平均航速Fig.3 Average speed for ships entering and leaving terminal

圖4 中浚潮汐觀測點(diǎn)日均潮高變化Fig.4 Daily tide height of Zhongjun observation site

(2)LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度

基于1.4節(jié)所提出的算法，用數(shù)據(jù)集U1分別建立LNG船進(jìn)出港交通流強(qiáng)度圖。如圖5所示，進(jìn)出港其他船舶長度分別為144 m、135 m；LNG船長度為239 m。根據(jù)規(guī)范，確定δ=956 m，共識(shí)別出護(hù)航船及拖輪7 艘并刪除。強(qiáng)度指數(shù)較大的區(qū)域表示該位置出現(xiàn)的船舶頻率較高。此外，時(shí)間間隔φ=5 s，船舶平均航速為6～11 kn。因此，所構(gòu)建的LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度誤差為15～28 m。

如圖5(a)所示，本文用矩形方式標(biāo)定LNG船移動(dòng)安全區(qū)尺度，測量得到進(jìn)港移動(dòng)安全區(qū)尺度Zb=4.2LLNG、Zf=6.6LLNG，右側(cè)寬度為7倍船寬。如圖5(b)所示，出港移動(dòng)安全區(qū)尺度Zb=3.8LLNG、Zf=3.9LLNG，右側(cè)寬度為6.3倍船寬。

圖5 LNG船進(jìn)出港移動(dòng)安全區(qū)尺度Fig.5 Scale of moving safety zone around LNG carriers entering and leaving terminal

研究結(jié)果表明：

(1)LNG 船進(jìn)港時(shí)，其移動(dòng)安全區(qū)尺度大于規(guī)范規(guī)定的值，其中船首保持的安全空間多出2.6 倍船長。因此，在現(xiàn)有船舶通航情況下，可適當(dāng)減少LNG船進(jìn)港時(shí)的船首安全距離，以提高通航效率。

(2)LNG 船出港時(shí)，在誤差范圍內(nèi)其移動(dòng)安全區(qū)尺度與規(guī)范規(guī)定的值基本一致。當(dāng)出港船舶平均航速達(dá)到9.5 kn以上時(shí)，建議海事等相關(guān)管理部門加強(qiáng)對(duì)G 段的交通監(jiān)管，密切關(guān)注LNG 船移動(dòng)安全區(qū)尺度，防止船舶交通流過于緊密而增大LNG船航行風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 相關(guān)計(jì)算參數(shù)設(shè)定

有關(guān)通過能力計(jì)算的其他相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。其中，本文結(jié)合G段的實(shí)際情況對(duì)Sw、Sr及SLNG的取值作合理假設(shè)。

表2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值Table 2 Values of relevant calculation parameters

根據(jù)長江口水域允許并排航行的船舶數(shù)量、船舶領(lǐng)域尺度、船舶長度分類及換算系數(shù)[11]，取Di=4.9Li。當(dāng)船舶長度大于160 m，N=1；否則，N=2。根據(jù)U2統(tǒng)計(jì)的實(shí)際交通流情況，不同船長分類結(jié)果如表3所示。

表3 船舶分類及換算系數(shù)Table 3 Ship classification and conversion factor

3 模型應(yīng)用分析

由式(6)和式(9)可知，在雙向通航的航道中，LNG 船獨(dú)占式通航模式下，進(jìn)出港對(duì)同向和逆向通過能力的影響存在差異，且影響程度與船舶平均航速及LNG 船平均航速變化有關(guān)。因此，本文分別探討不同航速變化下，LNG 船獨(dú)占式通航模式下，進(jìn)出港對(duì)同向和逆向航道通過能力的影響。

3.1 LNG船進(jìn)港影響下航道通過能力

LNG 船進(jìn)港時(shí)，獨(dú)占式單次通航模式下的同向和逆向通過能力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

研究結(jié)果表明：

(1)如圖6(a)所示，LNG 船進(jìn)港影響下同向通過能力為110～250 艘·h-1。當(dāng)進(jìn)港時(shí)間段為11:00和0:00 時(shí)，同向航道通過能力將達(dá)到最大值。此外，當(dāng)LNG 船進(jìn)港平均航速超過11 kn 時(shí)，同向通過能力有略微提高。

(2)如圖6(b)所示，LNG船進(jìn)港影響下逆向通過能力為120～230 艘·h-1。當(dāng)進(jìn)港時(shí)間段在12:00 和0:00 時(shí)，對(duì)逆向通過能力的影響最大。另外，當(dāng)LNG 船進(jìn)港平均航速從7 kn 提高至13 kn 時(shí)，對(duì)逆向通過能力的影響逐漸變小。

圖6 LNG船進(jìn)港獨(dú)占式通航的航道通過能力Fig.6 Waterway traffic capacity for LNG carriers exclusively entering terminal

結(jié)合LNG 船進(jìn)港移動(dòng)安全區(qū)尺度，以通航效率的角度分析，建議LNG 船在中浚潮汐觀測點(diǎn)滿潮前1 h的白天時(shí)段進(jìn)港通航，航速可保持11 kn以上，但不應(yīng)超過規(guī)定的最大航速。

3.2 LNG船出港對(duì)航道通過能力的影響

LNG 船出港時(shí)，獨(dú)占式單次通航模式下的同向和逆向通過能力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

研究結(jié)果表明：

(1)如圖7(a)所示，LNG 船出港影響下同向通過能力為140～240 艘·h-1。當(dāng)出港時(shí)間段在18:00和5:00 時(shí)，同向通過能力將達(dá)到最大值。提高LNG 船出港的平均航速，并不能有效地增加同向通過能力。

(2)如圖7(b)所示，LNG 船出港影響下逆通過能力為90～230 艘·h-1。當(dāng)出港時(shí)間段在11:00 和0:00 時(shí)，逆向通過能力將達(dá)到最大值。提高LNG船出港的平均航速，有助于增加逆向通過能力。

圖7 LNG船出港獨(dú)占式通航的航道通過能力Fig.7 Waterway traffic capacity for LNG carriers exclusively leaving terminal

結(jié)合LNG 船出港移動(dòng)安全區(qū)尺度，從通航安全的角度分析，建議LNG 船在中浚潮汐觀測點(diǎn)滿潮后1 h 的白天時(shí)段出港通航；此外，根據(jù)2.2 節(jié)分析結(jié)果，建議LNG 船出港航速保持9.5 kn 以下，以保障LNG船航行安全。

根據(jù)船舶跟馳理論，LNG 船進(jìn)港時(shí)船舶交通流跟馳距離大于出港的距離及規(guī)范規(guī)定的值。因此，LNG船進(jìn)港時(shí)對(duì)G段航道通過能力的影響程度更大。假設(shè)進(jìn)港船舶交通流跟馳距離等于規(guī)范規(guī)定的值且LNG 船航速為9 kn 時(shí)，同向和逆向航道 通過能力將在原有基礎(chǔ)上分別提高0.07%、0.2%。

4 結(jié)論

本文基于實(shí)際交通流數(shù)據(jù)，提出一種界定LNG 船移動(dòng)安全區(qū)尺度的方法，并構(gòu)建LNG 船兩種通航模式下的通過能力計(jì)算模型，以評(píng)價(jià)LNG船通航影響的航道通過能力。研究結(jié)論如下：

(1)所在航道LNG 船進(jìn)港的移動(dòng)安全區(qū)尺度為船首6.6倍船長、船尾4.2倍船長、右側(cè)7倍船寬，均大于規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；出港移動(dòng)安全區(qū)尺度為船首3.9 倍船長、船尾3.8 倍船長、右側(cè)6.3 倍船寬，與規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

(2)LNG船進(jìn)港影響下的同向和逆向航道通過能力分別為110～250艘·h-1、120～230艘·h-1；LNG船出港影響下的同向和逆向航道通過能力分別為140～240艘·h-1、90～230艘·h-1。

(3)從通航效率的角度，建議LNG 船在中浚潮汐觀測點(diǎn)滿潮前1 h 的白天時(shí)段進(jìn)港通航，航速可保持11 kn以上，但不應(yīng)超過規(guī)定的最大航速；從通航安全的角度，建議LNG 船在中浚潮汐觀測點(diǎn)滿潮后1 h的白天時(shí)段出港且航速保持9.5 kn以下。