考虑游览船运营特征的航道通过能力评价方法

翁金贤，廖诗管，付珊珊，王亚力

(1.上海海事大学交通运输学院，上海201306；2.中华人民共和国黄浦海事局，上海200086)

0 引 言

近年来，以货运为主的过境船和游览船的航次数量均显著增长.2019年上半年，仅黄浦海事辖区游览船、游艇、国际邮轮及客渡船开航15.3万艘次，同比上涨12%；载客1 097.6 万人次，客运量同比上升5%.随着游览核心区船舶航次的日益增长，通航环境与资源问题日益突出.为进一步提高航道利用率，需构建考虑游览船运营特征的航道通过能力模型以准确掌握游览核心区等复杂水域航道的实际通行能力，从而更好地协调航运与旅游功能.

学者关于航道通过能力评价方法开展了大量研究.Liu等[1]建立动态船舶领域模型，分析沿航道航行，穿越航道等多种情形下航道通过能力；Weng等[2]考虑船舶交通流特征，通航船舶的一般属性等因素，以概率分布的形式表示航道通过能力；徐力等[3]通过引入不同尺度船舶出现频率因子对航道通过能力模型加以改进；周伟等[4]分析不同交会宽度限制对船舶通航的影响，提出关于提升长江口深水航道通过能力的建议.综上，复杂条件的建模方法能够考虑船舶间细微的影响，却无法适用于游览船和货船交替通行等复杂水域下的航道通过能力评价.

本文从黄浦江航道兼具航运与旅游功能的特殊情况，提取游览船运营特征，构建基于游览船运营特征的航道通过能力模型，以分析影响客货运船舶交叉通行等复杂水域下的航道通行效率与风险制约因素，从而提出有效对策.最后，以黄浦江游览核心区船舶通航情况为例，进行实证分析.

1 航道通过能力评价

首先，利用航道通过能力基本计算方法构建过境船通过能力计算模型；然后，结合游览船发船高峰性和航线集中特征，构建考虑游览船运营特征的航道通过能力计算模型.具体流程如图1所示.

图1 考虑游览船运营特征的航道通过能力评价模型构建Fig.1 Calculation model for traffic capacity considering operation characteristics of cruise ships

1.1 通过能力评价方法

水路交通将通过能力分为基本通过能力和设计通过能力[5].基本通过能力指环境、船舶交通流、航道条件等影响因素均为理想条件下，航道单位时间内允许通过的最大船舶艘次；设计通过能力指考虑上诉因素对船舶航行的影响的通过能力.例如，不良天气条件下，船舶一般保持较低航速前行，因此设计通过能力一般低于基本通过能力.

基本通过能力[5]为

式中：Cb为基本通过能力；W为航道宽度；ρmax为单位航道宽度上船舶交通流密度理论最大值；vˉ为船舶交通流平均船速.

传统基本通过能力方法[5]主要是针对纵向航道通过能力的评价，并不适用于客货船交叉混行水域的航道通行能力评价.在游览核心区水域，客运游览船(游览船、游艇、国际邮轮及客渡船等，以下统称游览船)频繁与过境船舶(货船等)交叉通行.游览船的发船频次和游览船码头数量显著影响该水域的整体通行能力.过境船舶主要沿航道纵向航行，依据初秀民[5]等的航道通过能力评价方法，过境船的设计通过能力Ctra为

式中：N为航道允许并排航行的船舶数量；Di为船舶i领域纵向长度；Li为船舶i本身长度；n为过境船舶数量.

在游览核心区，游览船的最大通行能力主要受游览船发船频次和码头数量等因素影响.因此，游览船的设计通过能力Ctou为

式中：Fj为游览船码头j单位小时的发船艘次；m为游览船码头数量.

综上，考虑游览船运营特征对航道通过能力的影响，游览核心区水域的航道通过能力Cd为

本文提出的游览核心区水域的航道通过能力评价方法弥补了文献[5]等传统方法的不足，使之适用于客货船交叉混行航道的通行能力评价.

1.2 船舶领域

船舶在航行过程中为避免碰撞需保持最小船头间距，又称船舶领域.由于内河运输与海洋运输不同，船舶领域的研究结果存在明显差异.海洋运输船舶以大型、巨型船为主，航速较快，一般船舶领域较大；内河运输船型较小，航速相对较低，一般船舶领域较小.根据徐笛清[6]等研究结果，如表1所示，本文研究对象(过境船和游览船)可视为机动单船，即船舶领域纵向长度均等于3倍单船长度.

表1 船舶领域建议值Table 1 Suggested value for ship domain

2 黄浦江航道特征

2.1 黄浦江游览核心区航道条件

黄浦江作为上海市内河运输的重要水道，河宽在300～770 m.位于河流中部地段的水域汇聚了上海市著名景区(外滩、东方明珠等)，该水域附近以十六铺码头为核心，交错聚集多条旅游航线，是航道通航的瓶颈所在.

如图2 所示，黄浦江航道实行双向通航，对十六铺码头前沿水域通航环境进行实地考察发现，该区域靠近两岸约50 m 宽水域存在水深不足等现象，故该水域航道供过境船舶的最大航行宽度为300 m.

图2 十六铺码头前沿水域Fig.2 Frontal waters of Shiliupu Wharf

目前，黄浦江游览核心区运营航线主要有3条，如图3 所示.①精华游览线，自3 号掉头区→世博掉头区→3 号掉头区；②世博航线，自十六铺掉头区→世博掉头区→十六铺掉头区；③外滩航线，自3 号掉头区→十六铺掉头区→3 号掉头区.从3条航线运营情况可以看出，所有游览船都经过十六铺码头前沿水域，加大了该水域的通航风险.

图3 游览船运营航线示意图Fig.3 Schematic diagram of cruise ship operating route

2.2 过境船通航情况

由长江口进出黄浦江的过境船存在明显的潮汐特征，过境船乘潮而入很可能造成游览船与过境船“双峰”叠加的现象.航道通过能力受过境船船长和船舶组成比例因素的影响，有必要对研究期间过境船的相关信息进行初步统计分析.

为使通过能力大小具有统一标准，需要对船舶进行标准化，研究标准船的通过情况.根据初秀民[5]等给出的内河船舶换算系数标准，结合黄浦江过境船大小实际情况，将过境船的长度(L)分为5类.分别为：S1，L≤40 m；S2，40 m＜L≤50 m；S3，50 m＜L≤90 m；S4，90 m＜L≤115 m；S5，L＞115 m.

根据《黄浦江通航安全管理规定》，黄浦江水域航行船舶的最大航速不得超过8 kn.为充分发挥航道资源，忽略游览船航速影响，取平均航速为8 kn计算通过能力，即vˉ=14.816 km/h.

3 黄浦江航道通过能力分析

3.1 数据处理

客流量是游览船发船的主要因素，且黄浦江旅游业主要以两岸灯光夜景为主要吸引点.收集2019年10月2～7日这6天中所有游览船码头(9个)发船情况，共计1 019条发船信息；游览船39艘，最小船长为13 m，最大船长为60 m，平均船长为40.28 m.需要指出的是，受到台风天气的影响，10月1日当天暂停游览.秦皇岛路码头与十六铺码头是黄浦江游览核心区规模最大的两个游览船码头，统计发现，其游览船发船班次占50%以上，实际发船率达到90%以上.因此，后续分析以这两个码头为主.此外，收集到进出十六铺观测线位置处(北纬31.23°，东经121.51°)的过境船AIS数据，6天共计7 745 条信息，去除明显错误信息，保留7 653条信息.

3.2 游览船及过境船通航情况

节假日游览船发船班次远高于平时高峰期流量，且主要集中在18:00-23:00.因此，统计该时间段秦皇岛路码头和十六铺码头每小时发船班次，分别如图4 和图5 所示.需要注意的是，对于预计发船而因实际情况最终取消的游览船班次不在统计范围内.

图4 秦皇岛路码头游览船发船班次统计结果Fig.4 Statistics on number of cruise ships departures at Qinhuangdao-road wharf

2019年“十一”期间过境船统计结果如表2 所示.5 类过境船的平均船长分别为25.05，46.28，58.39，100.66，140.71 m；过境船长度主要以0～40 m、40～50 m 和50～90 m 为主，三者占比达到94.98%；船长90 m 以上的过境船舶较少，占比仅为5.02%.根据黄埔海事局管理处调查结果，建议50 m 以上船舶最多保持2艘并排航行，50 m以下船舶最多保持4艘并排航行.

3.3 航道通过能力计算

分别计算保持3 倍船舶领域与5 倍船舶领域的通过能力，即Di=3Li和Di=5Li，结果如表3 所示，需要注意的是，通过能力计算结果已经利用换算系数进行标准化.过境船保持3 倍船舶领域时，航道通过能力为69艘/h；过境船保持5倍船舶领域时，航道通过能力为49艘/h.根据图4和图5统计结果，秦皇岛路码头与十六铺码头高峰时期平均每小时发船班次约为3.3 艘(标准化).这两个码头承担所有码头发船班次的50%以上，故所有码头发船班次约为7 艘.得出，黄浦江游览核心区航道通过能力约为76艘/h(3倍船舶领域)和56艘/h(5倍船舶领域).

图5 十六铺码头游览船发船班次统计结果Fig.5 Statistics on number of cruise ships departures at Shiliupu wharf

表2 过境船分类统计及换算系数Table 2 Transit ship classification statistics and conversion coefficients

表3 不同船舶领域下航道通过能力Table 3 Traffic capacity in different ship domain

3.4 结果分析

为验证所提方法的有效性，收集2019年10月2～7日18:00-23:00过境船AIS数据，并统计其标准化后的通过能力.

统计结果如图6 所示，过境船通过能力在19:00-21:00相对较高，与船舶领域保持3倍计算结果，即69 艘/h 较为接近.计算结果偏大，可能是因为实际过境船在保持3倍船舶领域下航行，无法一直保持8 kn航速，实际过境船通过能力略低于理论计算值.值得注意的是，有两个时段超过69艘/h，这暗示着过境船可能保持小于本研究的安全距离或者以较高航速航行.

为发挥黄浦江的旅游效益与运输功能，保障黄浦江游览核心区的通航安全，根据研究结果，给出如下建议：

(1)相对安全情形，当过境船到达为69 艘/h，建议控制游览船(40 m 船舶长度)发船艘为14 艘/h及以下，确保通航安全有序.

(2)需要管控情形，如图6 中10月2～3日20:00-21:00，建议海事相关部门采取“错峰”航行等相关政策，并呼吁过境船保持安全距离，严禁超速航行.

(3)航道拥挤情形，当过境船到达超过76艘/h，建议海事相关部门告知船舶公司在该时间段停止发船.

此外，研究结果还表明，将游览船航线进行合理规划，例如适当拉长游览航线有利于降低航道游览船密集程度，保障通航安全性；同时减少过多航线交叉，尤其是航道瓶颈处，有利于降低船舶会遇风险.

图6 过境船到达艘次统计结果Fig.6 Statistics on arrival of transit ship

4 结 论

以游览船运营数据和过境船AIS数据为支撑，构建基于游览船运营特征的航道通过能力模型，用于评价游览船货船交叉通行等复杂水域的航道饱和程度，计算方法适用于相同船舶行为特征的内河水域航道通过能力计算.模型计算结果表明，在游览船运营高峰时期，黄浦江游览核心区航道已趋于饱和.游览船多条航线集中经过十六铺码头前沿水域，造成该水域过境船与游览船“双峰”交汇现象，给船舶航行带来极大的安全隐患.此外，研究结果也发现，过境船存在高风险航行情况，例如超速.因此，针对游览船运营时错开过境船高峰期、减少航线交叉等措施，有利于更好地协调航运与旅游功能，降低船舶会遇风险和提高航道利用率.本文提出的航道通过能力模型为构建客货船协同动态运行控制技术体系奠定理论基础，为海事管理部门协同提升游览核心区水域航道通行效率和安全提供决策依据.