不同通航模式下LNG 泊位组船舶通航效率研究

沈 忱，张民辉，苏孟超，房卓，姚海元

（交通运输部规划研究院，北京 100028）

引言

近几年，海运进口液化天然气（即LNG），作为我国天然气进口的主要方式之一[1]，极大促进了我国天然气产供储销运体系建设。根据现行相关规范及管理实际[2]，LNG 船舶在海港进出港航道内航行时应设置移动安全区并实行一定交通管制[3]。前期《单航道多泊位下的LNG 码头建设规模仿真研究》[4]针对单一港址不同LNG 泊位数量下的LNG船舶相互影响进行了定量评估，研究表明，在专用航道条件下单个LNG码头港址泊位规模不宜超过4个，过度集中建设LNG 泊位可能导致船舶接卸效率和通航效率的显著降低。

鉴于LNG 船舶安全监管的特殊要求，保障LNG 船舶进出港口航行安全与控制通航影响一直是各方关注的焦点[5-6]。本文在前期研究基础上，从不同LNG 船舶监管航行距离、改变船舶通航组织等角度，进一步探究4 个LNG 泊位联合运营时，LNG 船舶进出港效率以及LNG 泊位之间的制约程度。可为LNG 码头选址布局、水域布置辅助设计以及LNG 船舶通航组织方案设计、LNG 船舶通航安全措施等提供参考依据。

1 研究方法

在前期研究发现的“现阶段通航规则条件，单个LNG 港址布局不宜超过4 个LNG 泊位”的基础上，进一步探讨不同通航组织条件LNG 运输船舶通航效率问题，控制LNG 船舶的航行监管距离、出港通航组织规则等变量进行评估。

本文采用多智能体仿真手段[7-8]，运用LNG 泊位组联合运营仿真建模方法[9]，将船舶作为主动仿真对象，结合被赋予的属性和规则，智能体通过个体间的信息交互，实现信息流在LNG 泊位、专用航道、待舶锚地等资源要素间的动态交互，全面反应LNG 船舶进出港及作业的全过程。

1.1 仿真模型构建

基于AnyLogic 仿真平台，构建了LNG 船舶专用航道、不可夜航、4 个泊位联合运行、码头高负荷运作状态下的LNG 船舶交通流仿真基础模型，围绕LNG 泊位组、专用航道、待泊锚地、水域通航条件建立多要素智能化动态联系。仿真模拟LNG船舶进出港、在港作业、泊位组同时运营的全过程。详细逻辑判断流程如图1 所示。

图1 LNG船舶交通流仿真基础模型逻辑判断流程

主要参数设定如下：

1）LNG 船舶移动安全区。以当前国内外普遍移动安全区尺度为依据，前后设定1 海里、左右设定500 米。

2）LNG 船型及月到港艘次。到港LNG 船舶船型按照一定比例设定，其中以17 万方级别船舶为主力船型，约占60 %。结合船舶实际运行状态，高峰月码头高负荷运作状态下4 个泊位LNG 船舶到港设定为48 艘/月，理论上高峰月码头高负荷运作状态下单个LNG 泊位独立运行时可满足12 艘到港船舶的接卸作业需求。

3）仿真周期。考虑模型随机性，以月为尺度进行仿真模拟，重复12 月进行统计分析。

4）限航条件。各月因恶劣天气导致的限航天数3～7 天随机产生。

5）航速设定。泊位前沿水域船舶航速与航道行驶船舶航速按实际情况差别设定，其中航道行驶船舶航速为10 kn。

1.2 分析评估指标

为全面评估不同通航组织条件下LNG 船舶的接卸及通航效率，本文主要从总体概况及适宜性评估两方面进行系统分析，具体指标详见表1。

表1 影响评价指标

2 不同LNG 船舶监管航行距离的影响评估

2.1 试验设计

随着未来监管水平提升和经验累积，不排除在实际调度中将LNG 船舶的进港监管起始点（一般为引航员登轮点）向港池内移的情况。本文设置了不同情景，定量评估4 个泊位同时运行条件下，LNG船舶的接卸及通航效率随LNG 船舶监管航行距离的变化情况。不同LNG 船舶监管航行距离，分别设定5 海里、10 海里、20 海里、30 海里、40 海里的船舶监管航行距离。LNG 船舶进出港管制规则按照当前普遍实施规则进行控制：即LNG 船舶单向通航、提前清空航、船舶停靠入泊位后另一艘LNG船舶方可进入航道。

2.2 LNG 船舶完成进港作业艘次评估

4个泊位独立运行时高峰月理论上可完成48艘船舶接卸作业。运输高峰月时LNG 船舶码头高负荷状态下，模拟可完成到港作业艘次占理论接卸船舶艘次的比例，随不同LNG 船舶监管航行距离的变化情况如图2 所示。

图2 不同航行距离下完成接卸作业的艘次

研究表明，LNG 船舶监管航行距离在20 海里以下时，高峰月LNG 船舶码头高负荷状态下，4 个泊位完成进港作业的LNG 船舶总艘次45.5～47.9艘，并且高峰月完成接卸的船舶艘次随LNG 船舶监管航行距离的增长呈现加速下降趋势，当LNG船舶监管航行距离达40 海里时，4 个泊位完成进港作业LNG 船舶总艘次仅14.6 艘，仅占理论上可完成进港作业LNG 船舶艘次的30.4 %。可见30～40海里LNG 船舶监管航行距离时，若通航组织按照清空航道、船舶停靠入泊位后另一艘LNG 船舶方可进入航道，系统效率相对较低。

2.3 LNG 船舶影响艘次评估

LNG 船舶日均进港受影响艘次随船舶航行监管距离的变化情况如图3 所示。在船舶航行监管距离在5～40 海里时，LNG 船舶日均进港受影响艘次在0.5～1.6 艘/日，并且随着船舶航行监管距离的增长，呈现先增多后减少的趋势。船舶航行监管距离超过20 海里后，由于清空航道等管控措施，能够完成进港作业的LNG 船舶数量骤减，在这些完成进港作业的LNG 船舶中受影响的也有所减少。LNG船舶受影响出港船舶艘次较进港略小，不同船舶航行监管距离的LNG 船舶日均出港受影响艘次不超过0.8 艘/日。此外，当船舶监管航行距离在10 海里以下时，LNG 船舶日均进港受影响艘次在1 艘以下，平均每天仅约有1 艘LNG 船舶需要候时进港，相对而言，监管风险基本可控。

图3 不同航行距离下日均进港受影响艘次

2.4 LNG 船舶影响时间评估

LNG 船舶运输高峰期进港平均每艘船舶影响时间随船舶监管航行距离的变化情况如图4 所示。高峰期LNG 船舶进港平均每艘船舶延误时间随船舶监管航行距离的增长呈现指数式增长趋势。当船舶监管航行距离在10 海里之内时，单船进港平均延误时间仅1～2 h，通过科学调度以及航速控制基本可以将影响控制在可接受范围内；但当船舶监管航行距离超过20 海里时，单船进港平均船舶等待时间超过10 h，并且随着船舶监管航行距离的增长，船舶等待时间急剧上升，船舶通航效率明显下降，不利于LNG 运输的时效性与保障度。

图4 不同LNG航行距离下受影响的进港等待时间

2.5 LNG 船舶影响时间评估

LNG 船舶运输高峰月码头高负荷状态下码头总接卸量随船舶监管航行距离的变化情况如图5 所示。当船舶监管航行距离在20 海里之内时，4 个泊位以极限靠泊艘次联合运行时LNG 接卸量可到360～380 万t/月。随着船舶监管航行距离的进一步增长，码头总接卸量急剧下降，LNG 运输效率受显著影响。

图5 不同航行距离下的码头总接卸量

2.6 泊位平均利用率及航道昼日平均占用率评估

不同LNG 船舶监管航行距离下泊位平均利用率及航道昼日平均占用率随船舶监管航行距离的变化情况如图6 所示。当船舶监管航行距离在20海里之内时，随里程增加，4 个泊位高峰月单个LNG泊位利用率在70 %～75 %范围内，航道昼日平均占用率呈现快速增长趋势；当船舶监管航行距离超过20 海里后，随里程增加，单个LNG 泊位利用率呈现急速下降趋势，航道昼日平均占用率增速逐步减缓直至饱和。可见，4 个泊位联合运行时，LNG 船舶监管航行距离在20 海里以内时、泊位资源整体利用效率较好，超过20 海里后，需进一步优化LNG船舶通航组织方式，缩短必要交通管制所占用航道时间。

图6 不同航行距离下泊位利用率及航道占用率

3 优化通航组织措施的影响评估

3.1 试验设计

上述基础上，本文仅从研究角度提出2 种缩短必要交通管制所占用航道时间的优化通航组织方式，评估20 海里、30 海里船舶监管航行距离条件下的LNG 船舶通航效率。

措施1：LNG 船舶组队进出港。

措施2：独立双向航路通航。

3.2 讨论与分析

仿真结果分析表明：

1）LNG 船舶完成进港作业艘次。措施1、措施2 条件下，20 海里、30 海里船舶监管航行距离，4 个泊位高峰月码头高负荷状态下联合运行时，基本上可以完成48 艘/月的船舶接卸作业。其中，措施2 条件下30 海里船舶监管航行距离的平均完成进港作业LNG 船舶总艘次略小，为47.4 艘。

2）LNG 船舶影响艘次。两种优化通航组织措施可有效缩短必要交通管制所占用航道时间，对LNG 船舶进港影响改善效果明显。措施1、措施2条件下，20 海里、30 海里船舶监管航行距离，4 个泊位高峰月码头高负荷状态下联合运行时，日均进出港平均延误艘次在0.3～0.8 艘/日。其中，LNG 船舶出港受影响相对进港略大，日均出港受影响艘次约0.3～0.6 艘/日。

3）LNG 船舶影响时间评估。两种优化通航组织措施主要针对的是缩短船舶影响时间。措施1 条件下基本没有进港受影响LNG 船舶，而措施2 条件下，20 海里、30 海里船舶监管航行距离时单船进港平均延误时间缩短明显，约2～3 h。

4）LNG 船舶接卸量。措施1、措施2 条件下，20 海里、30 海里船舶监管航行距离，4 个泊位高峰月码头高负荷状态下联合运行时，LNG 接卸量约370～380 万t/月。

5）泊位平均利用率及航道昼日平均占用率。在措施1 或措施2 优化条件下，20 海里或30 海里船舶监管航行距离时，泊位平均利用率均达70 %以上，航道昼日平均占用率均超过90 %。

4 结语

LNG 船舶通航监管特殊，前期研究表明单个港址4 个泊位不宜超过4 个。本文从不同监管航行距离、监管条件角度出发，研究了4 个泊位组联合运行下的船舶通航效率。

1）单个港址LNG 泊位数量4 个时，适宜LNG船舶监管航行距离的系统效率较大。

基于近期一般通航规则，单个港址LNG 泊位数量不宜超过4 个。专用单向航道条件下，4 个LNG泊位联合运行时，不同LNG 船舶监管航行距离对船舶通航效率影响较大，且LNG 船舶监管航行距离在20 海里左右时LNG 泊位组运营效率相对更高。当LNG 船舶监管航行距离小于20 海里，航道通过能力还有进一步挖掘空间；当LNG 船舶监管航行距离大于20 海里，由于LNG 船舶必要交通管制占用航道时间较长，LNG 泊位组接卸能力显著下降。

2）采取一定优化通航组织措施对提高LNG 船舶通航效率具有明显效果。

随着近期规划化布局的LNG 泊位逐步投运建成，国内多LNG 泊位共同运营的通航管理及泊位组运营经验不断丰富。进一步采取LNG 船舶组队进出港或设置独立双向LNG 航道通航等缩短必要交通管制所占用航道时间的优化通航组织，对提高LNG 船舶通航效率均具有明显效果；其中，当船舶监管航行距离达20 海里及以上时，LNG 船舶组队进出港措施相对略优。

本文基于典型情景进行参数设置和系统研究，可为某一特定LNG 码头选址研究、LNG 船舶通航组织规则与通航安全措施的制定等提供科学依据和基本参照。