面向复杂环境的LNG码头合理布局规模仿真案例分析

沈 忱,曹乐乐,董 敏,查雅平,齐 越,李宜军,薛天寒

(1.交通运输部规划研究院，北京 100028；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

作为我国陆上管道气的重要补充，近几年水运进口液化天然气(简称LNG)的需求急剧增长。LNG水上运输需要专门的运输船舶，根据JTS 165-5—2016《液化天然气码头设计规范》[1]，LNG船舶在海港进出港航道航行时应设置移动安全区。此外，根据国内已建LNG接收站的船舶通航及作业经验，还会对LNG船舶进出港经过水域进行交通管制[2]。针对LNG船舶进出港的特殊监管会对相关港区运营产生一定的影响。考虑LNG船舶航行时具有显著的排他性，其选址宜相对独立，尽量减少对其他船舶通航的影响，统筹港口协调发展。目前，关于LNG船舶通航影响已有一些研究，主要采用建立量化分析模型、排队论模型和智能体仿真等研究方法[4-6]，评估一定LNG码头运输规模下船舶通航对港区的影响，但缺少对LNG码头合理布局规模的系统研究。

为进一步满足长三角地区日益增长的天然气需求，拟在宁波舟山港优选布局LNG码头。目前，宁波舟山港六横港区南侧岸线资源充足，暂未开发利用，依托外青山形成围垦堤，其陆域和水域均相对独立，具备较好的LNG码头建设条件，但受现阶段航道水深条件等限制，须审慎研究LNG码头合理布局规模。本文以宁波舟山港六横港区南侧岸线布局LNG码头研究为例，从岸线、航道等资源协同、高效利用的角度，采用多智能体仿真建模方法，对该选址的LNG码头合理布局规模进行综合评估，进而指导LNG码头布局选址，可为其规划调整提供理论依据。

1 研究思路及建模

1.1 对象描述与研究思路

基于宁波舟山港六横港区南侧岸线资源充分利用的角度，可布置若干LNG接卸泊位、LNG水水中转泊位及其他运输货类泊位。其中LNG接卸泊位用于接卸大型LNG接卸船舶，LNG中转泊位可考虑作为小型LNG罐式集装箱、小型LNG液体散货船的中转使用。按照相关规划，拟选址的LNG船舶与象山港区相关船舶进出港在南部会共用一段航道，目前上述航道船舶流量较小。相关通航环境见图1。

图1 六横港区南侧规划相关通航环境

基于上述区域环境分析，针对六横南侧岸线LNG码头布局规模的研究思路如下：首先，结合港口实际条件划分研究区域，基于多智能体复杂系统的仿真方法，建立不同的仿真情境模型；再对不同情境下LNG船舶进出港作业全过程进行仿真模拟，定量分析船舶等待艘次及占比、等待时间等评价指标，综合评估LNG船舶进出港影响；最终确定合理的LNG码头布局规模(图2)。

图2 研究思路

建立的仿真情境：

1)情境1：设置只考虑六横南侧岸线充分利用的情境。仿真模拟六横港区南侧岸线充分利用时(简称六横南侧作业区)的船舶进出港全过程，研究区域LNG运输船舶进出港效率，分析六横南侧作业区LNG船舶进出港影响，研判航道对LNG运输的承载能力，进而确定LNG码头合理的运输规模阈值。本文LNG码头运输量为500万～2 500万t/a，共设置9种工况，旨在充分反映通航效率随LNG码头运输量变化的规律(表1)。

表1 情境1：仅考虑六横南侧岸线充分利用时工况设置

2)情境2：设置远期区域资源完全开发的情境。仿真模拟远期区域资源完全开发情境是指综合考虑六横南侧作业区和象山港区相关区域，通过LNG船舶通航影响分析确定LNG码头合理布局规模。在情境1合理的LNG码头运输量阈值基础上，再进行情境2的工况设置，进一步确定LNG码头合理布局规模。

3)优化分析：为减少LNG船舶进出港对港区的整体影响并保障LNG运输，在情境2的基础上进行优化分析，并评估优化工况下LNG船舶的通航影响。

1.2 仿真建模

传统数学模型无法拟实地反映出港口营运系统的动态变化，而仿真技术，作为研究多元随机要素之间动态关系的一种有效技术手段，类似基于智能体的系统仿真方法已得到广泛应用[7-8]。本文利用多智能体复杂系统仿真方法，模拟船舶进出港、靠离泊和作业的全过程。模型主要包括港口主系统和船舶航行系统两大系统：前者用于设定与船舶进出港航行密切相关的各环节参数、变量及函数；后者将船舶定义为智能体，设定船舶参数和判断船舶进出港行为的逻辑流程。模型主要参数如下。

1)LNG水水中转船舶：现阶段对小型LNG中转船舶的监管尚无特定标准，考虑近期LNG罐式集装箱试运行时按照大型LNG接卸船舶监护规则，模型中设定LNG中转船舶进出港与大型LNG接卸船舶进出港时一样，提前清空航道并进行单向通航管制。

2)船舶航速：分别考虑船舶正常航行航速与港区泊位前沿水域内航速。

3)LNG船舶船型组合：设定大型LNG接卸船考虑多种船舶尺寸组合，其中以17.0万～18.2万m3为主力船型；小型LNG中转船以1万和2万吨级为主。

4)水域航道：按照相关港口总体规划，六横南部进港航道可满足5万吨级船舶双向通航；象山港进港主航道与六横港区部分共用，也可满足5万吨级船舶双向通航。

5)船舶流量：结合岸线资源条件与区域运输需求对相关受LNG船舶通航影响的港区船舶流量进行预测。

6)模拟时长：为反映港口运营系统真实的运营情况和LNG船舶对港区运营的持续影响，设置仿真模拟时长为1年。

2 仿真试验数据分析

2.1 情境1六横南侧岸线充分利用情境研究

2.1.1船舶等待艘次评估

船舶等待艘次评估主要有全年船舶等待艘次及占比指标(为全年受LNG船舶通航影响的等待船舶的艘次及占总通航船舶艘次的百分比)及单船影响艘次指标(LNG船舶单次通航影响的船舶艘次的平均值)。各工况到港船舶总艘次在1 100～1 500艘之间。

全年船舶等待艘次及占比均随LNG码头运输量增多呈现先快速增大、后减速增大的类“S”形趋势，全年船舶等待艘次占比随LNG码头运输量的变化曲线见图3。从图3可知，LNG码头运输量在1 200万～1 700万t/a阈值区间时，船舶等待艘次及占比增幅相对较大，说明该阈值区间内LNG船舶通航对港区船舶的影响较为敏感。尤其是，当LNG码头运输量达到1 500万t/a时，全年船舶等待艘次达236艘，全年船舶等待艘次占比达10%，此时船舶等待艘次和占比的增长速率均达到最大。而在LNG码头运输量达 2 000万t/a后，受航道通过能力限制，由于不能进港的船舶艘次增加，在进港船舶中LNG船舶导致等待的总船舶艘次增长缓慢，泊位占用情况逐渐趋于饱和。此外，单船影响艘次随运量呈现从1.5～2.4艘逐渐增加的趋势。

图3 情境1下船舶等待艘次占比曲线

2.1.2船舶等待时间评估

主要评估单船平均等待时间(受LNG船舶通航影响的所有船舶的平均等待时间)及船舶等待时间概率分布(受LNG船舶通航影响下的船舶等待时间范围发生概率百分比)。情境1等待船舶的单船平均等待时间随LNG码头运输量的变化曲线见图4，船舶等待时间概率分布见图5。可知约60%的船舶等待时间主要集中在0～4 h范围内；随着LNG码头运输量的增大，单船等待时间大于10 h的船舶数量越来越多，LNG船舶进出港对港区船舶的影响程度逐渐加重。当LNG码头运输量达到约2 000万t/a时，单船平均等待时间增长速率最小；而当LNG码头运输量达2 000万t/a以后，受航道通过能力限制，导致船舶平均等待时间迅速增加，极大地制约船舶通航效率。

图4 情境1下单船平均等待时间曲线

图5 情境1下船舶等待时间概率分布

2.1.3不同船舶类型影响评估

船舶类型影响主要评估各类船舶等待艘次(受LNG船舶通航影响的各类型船舶等待艘次)及各类船舶平均等待时间(受LNG船舶通航影响的各类型船舶平均等待时间)。情境1中各类型船舶的等待艘次随LNG码头运输量变化见图6，平均等待时间见图7。各类船舶的等待艘次均随着LNG码头运输量的增加呈增加趋势，尤其是LNG接卸船和LNG中转船的等待艘次快速增长，说明LNG船舶进出港对自身影响逐渐加剧。散杂货船的影响艘次较多，但等待时间基本在4～7 h。而LNG接卸船舶虽然影响艘次较少，但等待时间较长。

图6 情境1下各类船舶等待艘次曲线

图7 情境1下各类船舶平均等待时间

2.2 情境2远期区域资源完全开发情境研究

远期区域资源完全开发情境主要综合考虑远期六横南侧作业区和象山港区2个区域通过南部航道进出港的相关船舶通航情况。根据情境1的分析，当LNG码头运输量在1 200万～1 700万t/a范围时，区域船舶通航对LNG码头运输量更加敏感，即更易受到LNG船舶通航的影响。当LNG码头运输量达到1 500万t/a时，全年船舶等待艘次占比已超过10%，其增速也较大，且LNG接卸船的等待时间达10 h，由于LNG船舶不能夜航，过长等待时间会导致LNG船舶须在锚地或外海过夜，极大地增加监管风险。故现阶段LNG码头运输量不宜超过1 500万t/a。考虑到岸线资源充分利用，集中集约布局LNG码头，情境2设定2种工况：工况F1的LNG码头运输量为1 250万t/a，其中水水中转量250万t/a；工况F2的LNG码头运输量为1 500万t/a，其中水水中转量300万t/a。评价指标如情境1。情境2等待船舶的单船平均等待时间概率分布见图8，各类船舶的等待艘次及时间分布见图9。

图8 情境2下船舶等待时间概率分布

图9 情境2下各类船舶等待艘次和平均等待时间

研究表明：LNG码头运输量为1 200万t/a左右时，LNG船舶通航对相关港区的影响基本可接受——年船舶等待艘次约210艘、单船影响艘次2.1艘、平均等待时间约4.6 h，LNG接卸船的平均等待时间4.6 h。但当LNG码头运输量达到1 500万t/a时，相关区域其他船舶流量有限，其影响基本可控，但由于航道较长，在一定的通航管控措施条件下，LNG船舶自己的进出港制约现象明显，LNG接卸船舶的平均等待时间超过10 h，LNG船舶进出港对LNG船舶自身进出港的影响不可忽视。从分区域影响看，2种工况均对六横南侧岸线船舶影响较大，六横南侧岸线船舶进出港等待艘次占比高达85%，平均等待时间均超过5 h；而对象山港区相关区域的影响较小，象山港区的船舶与六横南侧LNG船舶进出港同用航段不长，船舶进出港等待艘次约在32艘，平均等待时间在2 h左右。

2.3 优化情境分析

由情境2结果可知，LNG船舶通航对六横南侧作业区其他船舶影响艘次较多，而LNG码头运输量达到1 500万t/a时对自身的影响也相对较大。鉴于六横港区南侧岸线主要围绕LNG码头布局，重点保障LNG运输，可适量减少六横南侧其他类型船舶运输量，从而降低航道通行压力。此外，现阶段根据海港行驶的小型LNG中转船舶的试运行情况可知，其监管规则主要参考大型LNG运输船舶，随着相关管理和航行经验的积累、航道运输压力日益增大，对小型LNG船舶监管规则有进一步优化的可能。本文从优化区域货类运输布局以及小型中转LNG船舶监管规则两方面提出优化措施(表2)。

表2 优化工况设置

2种优化措施均有一定的效果，优化后单船影响艘次在1.8～2.1艘，LNG船舶进出港影响的船舶等待艘次减少9～32艘、占比减少0.3%～1.0%。相比较而言，优化措施1减少六横港区南侧作业区散杂货船流量对六横港区南侧作业区船舶的改善效果更优，六横港区南侧作业区船舶的平均等待时间可减少0.6～0.7 h，2个区域船舶等待艘次及时间见图10；优化措施2改变小型中转船监管规则对LNG运输船舶等待时间的改善效果更优，尤其是在LNG运输量1 500万t/a时LNG大型接卸船舶等待时间可减少5 h，不同类别船舶等待艘次及时间见图11。故适量控制散杂货船舶艘次可以在一定程度上减小航道压力，但当LNG运输量较大时，须考虑优化LNG运输船舶监管规则、针对性控制等待船舶时间，进而减缓LNG船舶通航的干扰和影响。

图10 优化情境下两区域船舶的等待时间艘次和等待时间与原工况对比

图11 优化情境下各类船舶的等待艘次和等待时间与原工况对比

3 结论

1)在LNG运输船舶进出港单向通航且提前清空航道通航管控措施的条件下，当六横LNG码头运输量达到1 500万t/a时，LNG船舶进出港对自身影响凸显，协同考虑象山港区相关区域资源完全开发，相关航道承载能力已基本趋于饱和。为保障区域船舶运输效率,六横港区南侧岸线合理的LNG码头运输规模以1 200万t/a为宜。

2)适当控制水水中转外输量，搭配LNG接卸与LNG转运泊位，高效利用岸线资源，确保LNG的运输。此外，减少六横港区南侧其他船舶运量的优化措施对降低船舶等待时间有较好的效果。为满足LNG泊位、航道、回旋水域的空间需要，且为LNG码头规模化发展留有余地，建议在进行岸线规划时适当控制其他货类泊位数量及货运量。

3)目前，小型LNG中转船舶监管无特定标准，针对LNG运输船舶通航相互之间存在一定制约和干扰的问题，如果小型LNG中转船舶仅控制单向通航但不提前清空航道，可有效降低LNG运输船舶通航影响。此外，在保障安全的前提下，可进一步研究船舶组队进出港、错峰错时通航等优化措施，从而减少LNG运输船舶对相关作业区船舶通航的干扰。