长江口深水航道船舶超宽交会通航效率分析

周伟 肖英杰 郑剑

摘要：为提高长江口深水航道通过能力，减少由船舶交会宽度限制产生的延误，通过分析船舶超宽交会现状，建立仿真逻辑模型，运用Arena进行离散仿真试验。采集长江口深水航道交通流数据，设置不同的船舶交会宽度限制，对大型船舶进出港过程进行仿真，分析不同交会宽度限制对船舶通航的影响，获得被延误船舶比例、被延误船舶数量和延误时间，进而提出提升通过能力的建议。试验表明，采用Arena进行离散仿真能够量化分析超宽交会对通航效率的影响，可为航道拓宽和交通管理提供科学依据。

关键词：船舶超宽交会; 离散仿真; 船舶延误; Arena; 长江口; 深水航道

中图分类号：U691.3; TP391.9

文献标志码：A

Abstract：To improve the capacity of Yangtze Estuary deepwater channel and reduce the delay caused by the width limit of ship encountering， the status of the super-wide ship encountering is analyzed， the simulation logic model is built， and the discrete simulation experiment is done using Arena. The ship traffic flow data are collected and the limit of ship encountering width is set to simulate the process of large ship entering and leaving ports. The influence of different encountering width limits on ship navigation is analyzed; the proportion and number of delayed ships and the delay time are obtained; the suggestions on improving the capacity are put forward. The experiment shows that the influence of super-wide ship encountering on navigation efficiency can be analyzed quantitatively by discrete simulation with Arena and it can provide scientific reference for channel broadening and traffic management.

Key words：super-wide ship encountering; discrete simulation; ship delay; Arena; Yangtze Estuary; deepwater channel

收稿日期：2018-07-16

修回日期：2018-12-04

基金項目：国家自然科学基金（51509151）;上海海事大学研究生创新基金（2015ycx074）

作者简介：

周伟（1986—），男，江西樟树人，工程师，博士研究生，研究方向为载运工具运用工程，（E-mail）zhouweismu@163.com;

肖英杰（1959—），男，广东潮阳人，教授，博导，船长，研究方向为载运工具应用工程、通航安全保障，（E-mail）xiaoyj@shmtu.edu.cn

0 引 言

长江口12.5 m深水航道三期工程的建设，使得第五、六代大型集装箱船和20万吨级以下减载散货船乘潮航行成为可能，这极大地刺激了兼顾船型的通航需求的增长，从而引起船舶超宽交会与航道资源有限之间的矛盾加剧。航道宽度的制约使大型船舶双向交会的需求得不到满足，直接导致以下情况的发生：（1）空载船压港占用码头泊位，浪费码头资源，不利于港口生产。（2）因长江口内大型锚地资源紧张，空载船滞航占用主航道，影响航道安全，降低航道通航效率。（3）重载船无法按计划进江，导致物流周转时间延长，不利于腹地企业生产经营。（4）邮轮进出港受阻，引发游客不满，进而导致社会事件发生。（5）2014年以前，主要矛盾是集装箱船与散货船之间的矛盾，集装箱船优先，问题并不突出;2015年6月以后，确定“邮轮优先”原则，集装箱船的班期受到较大影响，矛盾冲突严重。

对长江口深水航道双向通航船舶交会宽度问题的研究如下：陈爱平等[1] 通过船舶模拟试验和实船交会试验，对双向通航船舶宽度进行了研究;熊华[2]采用了船舶会遇宽度的理论计算方法进行分析;闫化然等[3]利用MATLAB对10万吨级的散货船和集装箱船交会进行了仿真，并研究了风、流和两船间距对船舶交会的影响。针对船舶会遇，国内学者[4-5]基于AIS对船舶会遇规律进行了挖掘。综上，关于大型船舶交会宽度限制对通航效率的影响尚缺乏研究。对通航效率问题，有文献采用排队论[6]、交通波[7-8]和元胞自动机（cellular automata， CA）模型[9]进行分析。排队论和交通波理论为数学模型方法，难以考虑众多随机性因素。CA模型为计算机仿真方法，不便引入复杂交通规则。考虑到航道系统的复杂性和特殊交通规则，以及船舶到达等众多随机因素，本文采用离散事件仿真方法，通过Arena对船舶超宽交会进行仿真，获得船舶延误数据，量化超宽交会对通航效率的影响，为航道拓宽和交通管理提供参考。

1 超宽交会概况

1.1 超宽交会定义

当交会船舶宽度之和在一定范围内时，需要对船舶进行交会控制，此时的船舶交会即被称作“超宽交会”。根据《长江口深水航道通航安全管理办法（试行）》，在长江口深水航道内交会的两艘船的总宽度在（80 m，90 m]范围内时即构成“超宽交会”。

1.2 超宽交会实施现状及通航需要

水文资料表明，长江口北槽上段、下段涨潮垂线平均流速分别约为1.65 kn和1.94 kn。超宽交会要求的流速不大于2 kn的条件只有在高、低平潮时段才会出现，时长约2～3 h。事实上，由于水文气象条件的严格限制，超宽船舶交会难以组织与实施。因此，长江口深水航道内船舶交会宽度以往通常按80 m控制，当一个方向的船舶宽度超过40 m时，将对另一个方向的通航船舶的宽度进行控制。

目前，进出上海港的船舶种类主要有邮轮、集装箱船和散货船。通过表1可以看出，40 m及以上船宽的船舶流量总体呈增长趋势。因此，随着船舶大型化，船舶超宽交会需求客观存在，有必要对船舶超宽交会进行研究，分析超宽交会对大型船舶通航的影响。

2 船舶超宽交会仿真逻辑模型

经过长江口深水航道的进港船舶，应提前向上海海事局吴淞VTS进行申请，获得进港安排后，在规定的时间乘潮进港;对于宽度超过规定的船舶，需要等待VTS通知。为仿真分析超宽交会实施效果，适当简化仿真流程，假定船舶在可能与之交会的超宽船舶驶出航道后才能进入航道。构建的船舶超宽交会仿真逻辑模型见图1。

船舶超宽交会仿真逻辑模型是仿真系统设计的基础。根据该模型，仿真系统需要同时产生进港和出港船舶交通流，并对船舶属性（包括船长、船宽、吃水、船速、船型等）赋值，然后根据对向航道的船舶情况判断是否会产生交会，与交会船舶的宽度之和是否会超过限制，如果超过规定值就要对后驶入的超宽船舶进行控制。除进行船宽控制外，深吃水船舶不仅需要乘潮进港，还应按照规定在交通管制时段进入航道，当潮汐条件不满足时，船舶应在锚地或泊位等待。当船舶需要乘潮进港时，潮汐条件是否满足需根据乘潮水位H判定，其计算公式[10]为

式中：T为船舶吃水，m;D为航道设计水深，m;ΔD1为富余水深，m;ΔD2为航道水深基准面与潮位基准面高度之差，m。

3 Arena应用

Arena属于离散系统仿真平台[11]。应用Arena设计的仿真系统包含船舶到达和属性赋值模块、交通管制时段产生模块、超宽判断和交会控制模块、交会判断和航道航行模块、乘潮交通管制模块、船舶离开模块和数据采集模块等。部分主要模块设计如下。

3.1 船舶到达和属性赋值模块

该模块主要功能是产生参数符合要求的船舶流量。因为需要进行双向交会仿真，所以采用Approach Channel Ship Arrival （进港航道船舶到达）和Departure Channel Ship Arrival （出港航道船舶到达）两个Create模块同时按照港口船舶到达规律产生进港和出港船舶交通流量，并分别用两个Assign模块对船长、船宽、吃水、航速属性进行设置，该模块的Arena截图见图2。

3.2 交通管制时段产生模块

该模块主要功能是根据潮汐变化产生周期性的交通管制开始时间。船舶根据自身吃水情况，判断是否需要在交通管制时段进港，再通过自身到达时间与交通管制开始时间之差的计算，判断是否在交通管制时段到达，如满足条件则可以进港，否则在锚地或码头等待。通过Traffic Control Create   （交通管制产生）模块按照潮汐变化产生实体，到达Control Parameter Assign （控制参数赋值）模块，通过TNOW函数赋值产生新的交通管制开始时间，结合船舶吃水判断和时间差计算等模块控制船舶按照交通管制规律进港。该模块的Arena截图见图3。

3.3 超宽判断和交会控制模块

该模块主要功能是根据交会宽度限制（用W0表示），判断交会船舶宽度之和是否会超过W0，如果超过就对后进入航道的船舶进行交会控制。通过Width Restrict Assign （宽度限制赋值）模块设置交会宽度限制值，如W0=80，85，90 m，利用Width Decide （宽度判断）模块判断两船交会宽度是否超过W0，如果超过则需对后进入航道的船舶进行交会控制。交会控制通过Hold模塊的Scan For Condition （条件检索）功能实现，当检测到在航船舶与本船交会宽度之和小于W0时，交会控制结束。超宽交会判断公式为

当船舶要驶入进港航道时，根据式（2）进行判断：若进港船舶宽度W1与对向航道（即出港航道）在航船舶宽度W2的最大值之和超过W0，则认为是超宽交会。当船舶要驶入出港航道时，根据式（3）判断是否是超宽交会。该模块的Arena截图见图4。

3.4 交会判断和航道航行模块

当船舶驶入航道时，通过Width Occupy Assign （宽度占用状态）模块将State属性值改为1，表示在航道内航行;当船舶驶出航道时，通过Width Occupy Change Assign （宽度占用状态改变）模块将State属性值改为0，表示不在航道内航行。采用Navigation Process模块模拟航行过程。在船舶进入航道前，通过检测对向航道船舶的State属性，即可判断会与哪些船舶交会。该模块的Arena截图见图5。

4 离散仿真试验

4.1 仿真试验数据

仿真试验采用长江口深水航道运营实例进行仿真建模，并对模型有效性进行验证。仿真试验数据包括：航道情况、潮汐情况、交通管制情况、交通流情况等。（1）航道情况。长江口深水航道位于南港和北槽水域，分为内航道、圆圆沙航道、上航道、下航道和外航道，全长约92.2 km，航道有效宽度350 m（口外段为400 m），通航水深12.5 m（理论最低潮面下）。（2）潮汐情况。长江口是中等强度的潮汐河口，一日内两涨两落，一涨一落平均历时约12.4 h。本文采用长兴高潮时间模拟潮汐变化从而产生船舶

乘潮交通管制时段。（3）交通管制情况。由于水深限制，大型船舶需要乘潮通过北槽航道。根据长江口深水航道交通管理要求，交通管制时间为长兴高潮前4 h至长兴高潮前1 h。受限于吃水的大型船舶需要在交通管制时间进港。（4）交通流情况。对2017年1月到3月的上海港船舶引航数据进行统计，分别得出进出长江口深水航道的大型船舶的船宽分布、满载吃水分布，以及进口船舶实际吃水与满载吃水的比值（简称吃水比例）分布拟合，见图6。

考虑船舶乘潮编队进港会避开大型船舶超宽交会情况，本文船舶到达服从泊松分布，但按照吴淞VTS发布的交通管制时间要求进入航道。其中，分布参数依据进出船舶流量数据换算成对应指数分布参数。根据流量统计数据，船长分布按平均船长190 m，在142～367 m范围内产生，船速分布按平均船速12 kn，在10～15 kn范围内产生。船宽分布和满载吃水分布不符合分布拟合条件，直接采用实测数据对应的经验分布，而吃水比例符合正态分布。仿真船舶流量特征分布数据见表2。

将仿真系统产生的船舶流量数据与实测数据进行比较（见表3），同时观测仿真过程动画，得出仿真逻辑和仿真误差满足仿真试验要求。

4.2 仿真试验及结果

为分析交会宽度限制W0对通航效率的影响，设置不同的W0值，通过对比试验获得通航效率相关参数变化规律。本文设置W0=80，81，…，90 m，针对每个限制值，做10组连续30 d的仿真试验，取平均值，获得仿真时间内的船舶延误数据，见图7。

由图7可知，当W0从80 m逐步增加到90 m，即船舶交会宽度限制逐步放松时，被延误船舶比例、被

延误船舶数量和延误时间这3个通航效率参数总体呈显著下降趋势。当W0=80 m时，需要引航的船舶中有7.84%的船舶被延误，被延误船舶数量为151艘次，延误时间为117.4 h;当W0=90 m时，被延误船舶比例下降至2.03%，被延误船舶数量减少到38艘次，延误时间降至32.6 h。这说明当W0=90 m时，通航效率显著提高，大约98%的船舶不受交会宽度限制的影响。因此，把交会宽度限制放宽到90 m，能够满足目前绝大多数船舶通航需求，当然仍有部分超大型船舶受到限制。

考虑到水流、天气、锚地和泊位等限制因素，不同交会宽度限制对通航效率的实际影响还会更大。随着港口生产规模的扩大和船舶大型化，未来受影响的船舶也将进一步增加。因此，考虑将交会宽度限制适当放松来提高通航效率，减少被延误船舶数量和延误时间。在考虑放松交会宽度限制时，应先评估安全风险。目前，长江口深水航道正在开展超宽交会试验。

5 提升通过能力的建议

（1）北槽拓宽。长江口深水航道有限的通航能力与不断增长的刚性通航需求之间的矛盾日益凸显。在双向通航宽度成为主要制约因素、通航资源潜力有限和通航风险增大的前提下，拓宽北槽航道是提升长江口深水航道通航功能最根本、最有效的措施。北槽航道拓宽后，船舶交会宽度限制可以相应放松，这将显著改善船舶延误情况，同时可以避免交会宽度扩大而航道宽度不足带来的风险[12]。

（2）南槽开通。长江口北槽航道是大型重载船舶进出上海港和长江下游众多港口的唯一航道，长时间高负荷运行，已经面临较高的安全风险。南槽航道水深稳定，通航宽度资源富余。经过科学论证和规范设计，在采取工程措施后该航道可以成为进出“长三角”地区港口群的“第二通道”，从根本上缓解北槽航道的通航压力。南槽开通[13]可以实现进出分离，直接避免大型船舶超宽交会，有效避免由交会宽度限制产生的矛盾。

（3）边坡利用[14]。长江口深水航道设计通航水深（12.5 m）的确定，以满足5万吨级满载船舶通航为目标;船舶双向通航宽度限制管理规定的制定，以设计航道宽度为基本依据。事实上，通航船舶的吃水随装载状态而变化，对于实际吃水小于通航标准的船舶，借用航道边坡是挖掘双向通航潜力的一个有效途径。通过修改相关通航管理规定，允许利用边坡，可以充分利用现有航道宽度，增加交会宽度限制值至90 m，可以满足大部分船舶通航需求。目前，相关管理规定的修订工作正在进行中。

6 結 论

（1）由于航道宽度等自然条件的限制，对大型船舶交会宽度进行限制，这虽然保障了安全，但对通航效率产生了影响。如果采取航道拓宽或边坡利用等措施，再修改相应的管理规定来适当放松交会宽度限制，则可以显著提高通航效率。

（2）利用离散事件仿真方法，模拟了长江口深水航道船舶超宽交会过程，并充分考虑了随机性因素，反映了真实系统的运行情况。未来进一步完善数据采集，将有助于提高仿真准确性。

（3）以长江口深水航道船舶进出港数据为基础，通过仿真试验，获得了被延误船舶比例、被延误船舶数量和延误时间等参数，量化了超宽交会对通过效率的影响，用来评估放松交会宽度限制的效果，为航道拓宽和交通管理提供参考。

参考文献：

[1]陈爱平， 智广路， 杨晓东. 长江口深水航道双向通航船舶宽度开发与研究[J]. 中国航海， 2008， 31（2）：186-192.

[2]熊华. 长江口深水航道船舶会遇宽度的探讨[J]. 航海技术， 2008（S2）：9-10.

[3]闫化然， 曾祥堃， 肖英杰. 长江口深水航道超大型船舶交会仿真[J]. 上海海事大学学报， 2017， 38（3）：1-6. DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.001.

[4]潘家财， 姜青山， 邵哲平. 船舶会遇的时空数据挖掘算法及应用[J]. 中国航海， 2010， 33（4）：57-60.

[5]肖潇， 赵强， 邵哲平， 等. 基于AIS的特定船舶会遇实况分布[J]. 中国航海， 2014， 37（3）：50-53.

[6]李毓敏， 肖英杰， 周伟， 等. 基于排队论模型的宝山引航作业区接送效率分析[J]. 上海海事大学学报， 2012， 33（3）：14-17.

[7]白响恩， 肖英杰， 孙玉萍， 等. 基于交通波理论的北槽深水航道通航效率[J]. 中国航海， 2014， 37（1）：61-65.

[8]朱坤， 肖英杰， 李松. 宝山引航作业区在航引航交接对船舶交通流的影响[J]. 上海海事大学学报， 2012， 33（3）：18-21.

[9]冯宏祥， 肖英杰， 孔凡邨， 等. 基于船舶自动识别系统的局部缩减航道元胞自动机模型[J]. 上海海事大学学报， 2013， 34（3）：22-26.

[10]周伟， 吴善刚， 肖英杰， 等. 基于Arena软件的LNG船舶通航组织仿真[J]. 上海海事大学学报， 2014， 35（2）：6-10.

[11]杨星， 李键， 陈巍博， 等. 内河船舶交通流建模与仿真研究[J]. 中国航海， 2013， 36（3）：80-85.

[12]上海海事大学港航课题组. 长江口深水航道通航功能提升研究报告[R].上海：上海海事大学， 2017.

[13]唐兆其. 提升上海港北槽航道通航能力探讨[J]. 航海技术， 2017（2）：7-9.

[14]曹慧江， 居尧， 车军. 长江口12.5 m深水航道利用边坡通航的方案[J]. 水运工程， 2017（11）：58-63.

（编辑 赵勉）