液化天然气船通航模式下的航道通过能力评价方法

廖诗管，翁金贤*,b，胡甚平

(上海海事大学，a.海洋科学与工程学院；b.交通运输学院；c.商船学院，上海 201306)

0 引言

LNG 货物具有易燃、易爆且单次运量大的特点，根据《液化天然气码头设计规范》(简称规范)规定：LNG 船在进出港航道航行时，需设置移动安全区；当大型LNG船通航时，需实行交通管制(例如单向通航)等措施，并配备护航船[1]。该规定在一定程度上保障了LNG 船通航安全，然而对航道内的其他船舶通航造成一定限制[2]。为进一步提升LNG船通航安全及航道利用率，亟需构建一种LNG 船通航模式下的航道通过能力模型，以评价排他性码头(LNG码头)影响下的航道通过能力。

以船舶领域模型为基础，学者们开展了大量航道通过能力评价方法的研究。翁金贤等[3]考虑内河船舶领域，构建游览船运营特征的航道通过能力模型，以评价客货船交替通行的航道通过能力。Xin等[4]考虑船舶加速和减速特征，提出一种经验船舶领域模型，并采用交通微观仿真技术预测虾峙门航道通过能力。Liu 等[5]采用最小二乘法计算船舶领域，并利用K-means 聚类算法识别交通流结构特征，提出一种基于AIS数据驱动的方法以评价繁忙航道通航能力。也有一些学者基于船舶跟驰理论，构建不同船舶间距模型以评价航道通过能力。朱俊等[6]建立船头间距与船速之间的函数关系，从微观角度构建航道通过能力的计算模型。Wang 等[7]以船舶间安全距离为评价航道安全指标，构建不同航行安全水平下的航道通过能力模型。考虑LNG船通航的水域，Liu等[8]基于经验值构建一种纵向和横向分别保持8 倍和1 倍船长的矩形移动安全区，以评价LNG船通航影响的航道通过能力。虽然该方法考虑了LNG 船移动安全区的影响，但其尺度的界定局限于经验值且对LNG船特殊通航模式造成的影响考虑不足。

本文基于船舶交通流数据(AIS 数据)，提出一种定量界定LNG 船移动安全区尺度的方法，并构建LNG 船通航模式下的航道通过能力模型，以评价LNG船通航影响的航道通过能力。所提出的方法可对任意水域LNG船移动安全区尺度进行精确计算，进而为港口管理提供LNG 船通航安全指标。同时，所构建模型也能推广至其他地区，反映LNG 船不同通航模式下港口航道的通航效率与安全之间的复杂关系，从而有助于管理者制定高效和安全的船舶运行组织方式。最后，以五号沟LNG码头所在航道船舶通航情况为例，进行实证分析。

1 航道通过能力评价

1.1 设计通过能力评价方法

航道通过能力通常分为基本通过能力和设计通过能力。基本通过能力指理想情况下单位时间内通过航道横断面的最大过船量或过货量；设计通过能力则是考虑某些限制因素影响下的船舶或货物通过能力。因此，设计通过能力通常低于基本通过能力，是评价已建设航道通过能力的有效方法。由文献[9]可知，设计通过能力Cd为

式中：W为航道宽度；N为航道允许并排航行的船舶数量；Di为船舶i的领域纵向长度；Li为船舶i的长度；n为形成交通流时的船舶数量；Vship为交通流平均航速。

1.2 LNG船非独占式单次通航模式下的通过能力评价方法

如图1所示，在t至t+T时刻(即船舶平均到达时间间隔为T)，LNG 船通航对航道通过能力的影响与交通流平均航速、LNG 船的平均航速(VLNG)、交通流船舶的平均长度(Lship)、LNG 船的平均长度(LLNG)以及移动安全区的尺度等有关。考虑到LNG 船通航时不允许其他船舶发生追越行为，故评价通过能力时，移动安全区尺度主要考虑船首距离(Zf)和船尾距离(Zb)。

图1 LNG船通航示意图Fig.1 Diagram of LNG carriers passing through waterway

当双向通航的航路施行交通管制时，其他船舶需在锚地或泊位等候进出港。在航道清空时，需考虑已驶离锚地或泊位但尚未进入航道的船舶，其对航道清空时间的影响。此外，从通航安全的角度，LNG 船需与航道入口保持一段安全距离，以备清空航道后进出港航行。本文对以上情况作如下假设和定义：

(1)假设某一段航道长度为Sc；

(2)其他船舶的等待地点与进出港航道起始点的平均距离为Sw；

(3)其他船舶对航道清空时间影响的富裕距离为Sr；

(4)LNG船与航道入口保持的安全距离为SLNG。

LNG 船非独占式通航模式指在通航方式为单向通航的航道中，LNG 船与其他船舶同向航行；在通航方式为双向通航的航道中，LNG 船仅占用一侧航道资源。LNG 船非独占式单次通航对通过能力的影响量Nnon为

当船舶平均到达时间间隔以小时为单位，则LNG 船非独占式单次通航对通过能力单位小时的影响率ηnon为

综上，LNG 船非独占式单次通航模式下的通过能力Cnon为

1.3 LNG船独占式单次通航模式下的通过能力评价方法

LNG船独占式通航模式指LNG船需在清空航道后通航。在单向通航的航道中，LNG 船独占式单次通航对通过能力的影响量为航道清空时间的影响量与非独占式单次通航的影响量之和，即

无特殊情况下，航道通常采取24 h 通航，LNG船独占式单次通航对航道日通过能力的影响率为

综上，在单向通航的航道中，LNG 船独占式单次通航模式下的通过能力为

在双向通航的航道中，与LNG 船同向航行的通过能力的影响量、影响率及通过能力分别等于、及。与LNG 船逆向航行的通过能力的影响量为航道清空时间的影响量、非独占式单次通航的影响量与LNG船通过航道长度为Sc的影响量之和，即

LNG 船独占式单次通航对逆向航道日通过能力的影响率为

综上，考虑LNG 船独占式单次通航模式下的逆向通过能力为

1.4 LNG船移动安全区

区别于文献[4-5,10]提出的船舶领域实证方法，本文对LNG 船及其周围船舶的尺度进行精细化建模后再统计其出现的频率(而不是以点或固定网格大小统计船舶出现的频率)，以界定LNG 船移动安全区尺度。基于AIS数据，对LNG船与其周围船舶的位置进行识别，并以强度图的方式对船舶位置进行可视化，最后描绘移动安全区尺度，算法步骤如表1所示。

表1中，距离阈值δ可依据特定水域LNG船移动安全区尺度确定。根据规范，国内外部分LNG码头的移动安全区尺度有一些强制性的规定。例如，上海洋山水域规定移动安全区船首和船尾保持4 倍LNG 船长，左右保持6 倍LNG 船宽，由此可设置δ=4LLNG。此外，该方法计算得到LNG船移动安 全区尺度的误差为φVship。

表1 确定LNG船移动安全区尺度的算法步骤Table 1 Algorithm steps for determining scale of moving safety zone of LNG carriers

2 数据收集与分析

2.1 长江口水域航道条件

如图2所示，根据电子海图信息，该区域可分为A～K 共11 个航道，每个航道均采取双向通航的航行规则。五号沟LNG 码头位于G 段尽头，其前沿水域也处于F、G与H这3段的交汇处，船舶交通行为较为复杂，是事故风险的高发区域。因此，本文以G段为研究对象，其全长约28 km，航道宽度约1.341 km。

图2 五号沟LNG码头附近航道图Fig.2 Waterway map near Wuhaogou LNG terminal

因LNG 船访问港口频率不高，本文根据该码头3 次LNG 船的访问记录，收集了G 段LNG 船通航的AIS数据分别是2018年5月18～20日、6月16～18日及6月29～30日，记为数据集U1，用于确定LNG 船移动安全区尺度。根据U1统计结果，LNG船的平均长度和宽度分别为239 m、40 m。考虑到G段进出港船舶交通流量存在一定的差异，需分别对进出港交通流进行分析，以研究LNG 船进出港对航道通过能力的影响。本文收集了良好天气状况下2018年4月14～20日共7 d的AIS数据，记为数据集U2。根据U2统计结果，进出港交通流船舶平均长度分别为144 m、135 m。

2.2 进出港交通流分析

(1)船舶平均航速分析

如图3所示，根据U2统计结果，G 段24 h 进出港船舶平均航速存在明显变化。结合图4的中浚潮汐观测点7 d 潮高变化均值可知，G 段每半日涨落潮1 次，船舶乘潮而入。研究结果表明，进港船舶平均航速随着涨潮而逐渐增加，出港船舶平均航速随着退潮而逐渐增加。进出港船舶平均航速分别为8.1 kn、9.5 kn。出港船舶平均航速相对偏高，可能是为了尽快对已完成装卸货的船舶进行疏离，以便提高泊位利用率。

图3 进出港船舶平均航速Fig.3 Average speed for ships entering and leaving terminal

图4 中浚潮汐观测点日均潮高变化Fig.4 Daily tide height of Zhongjun observation site

(2)LNG船移动安全区尺度

基于1.4节所提出的算法，用数据集U1分别建立LNG船进出港交通流强度图。如图5所示，进出港其他船舶长度分别为144 m、135 m；LNG船长度为239 m。根据规范，确定δ=956 m，共识别出护航船及拖轮7 艘并删除。强度指数较大的区域表示该位置出现的船舶频率较高。此外，时间间隔φ=5 s，船舶平均航速为6～11 kn。因此，所构建的LNG船移动安全区尺度误差为15～28 m。

如图5(a)所示，本文用矩形方式标定LNG船移动安全区尺度，测量得到进港移动安全区尺度Zb=4.2LLNG、Zf=6.6LLNG，右侧宽度为7倍船宽。如图5(b)所示，出港移动安全区尺度Zb=3.8LLNG、Zf=3.9LLNG，右侧宽度为6.3倍船宽。

图5 LNG船进出港移动安全区尺度Fig.5 Scale of moving safety zone around LNG carriers entering and leaving terminal

研究结果表明：

(1)LNG 船进港时，其移动安全区尺度大于规范规定的值，其中船首保持的安全空间多出2.6 倍船长。因此，在现有船舶通航情况下，可适当减少LNG船进港时的船首安全距离，以提高通航效率。

(2)LNG 船出港时，在误差范围内其移动安全区尺度与规范规定的值基本一致。当出港船舶平均航速达到9.5 kn以上时，建议海事等相关管理部门加强对G 段的交通监管，密切关注LNG 船移动安全区尺度，防止船舶交通流过于紧密而增大LNG船航行风险。

2.3 相关计算参数设定

有关通过能力计算的其他相关参数取值如表2所示。其中，本文结合G段的实际情况对Sw、Sr及SLNG的取值作合理假设。

表2 相关计算参数取值Table 2 Values of relevant calculation parameters

根据长江口水域允许并排航行的船舶数量、船舶领域尺度、船舶长度分类及换算系数[11]，取Di=4.9Li。当船舶长度大于160 m，N=1；否则，N=2。根据U2统计的实际交通流情况，不同船长分类结果如表3所示。

表3 船舶分类及换算系数Table 3 Ship classification and conversion factor

3 模型应用分析

由式(6)和式(9)可知，在双向通航的航道中，LNG 船独占式通航模式下，进出港对同向和逆向通过能力的影响存在差异，且影响程度与船舶平均航速及LNG 船平均航速变化有关。因此，本文分别探讨不同航速变化下，LNG 船独占式通航模式下，进出港对同向和逆向航道通过能力的影响。

3.1 LNG船进港影响下航道通过能力

LNG 船进港时，独占式单次通航模式下的同向和逆向通过能力计算结果如图6所示。

研究结果表明：

(1)如图6(a)所示，LNG 船进港影响下同向通过能力为110～250 艘·h-1。当进港时间段为11:00和0:00 时，同向航道通过能力将达到最大值。此外，当LNG 船进港平均航速超过11 kn 时，同向通过能力有略微提高。

(2)如图6(b)所示，LNG船进港影响下逆向通过能力为120～230 艘·h-1。当进港时间段在12:00 和0:00 时，对逆向通过能力的影响最大。另外，当LNG 船进港平均航速从7 kn 提高至13 kn 时，对逆向通过能力的影响逐渐变小。

图6 LNG船进港独占式通航的航道通过能力Fig.6 Waterway traffic capacity for LNG carriers exclusively entering terminal

结合LNG 船进港移动安全区尺度，以通航效率的角度分析，建议LNG 船在中浚潮汐观测点满潮前1 h的白天时段进港通航，航速可保持11 kn以上，但不应超过规定的最大航速。

3.2 LNG船出港对航道通过能力的影响

LNG 船出港时，独占式单次通航模式下的同向和逆向通过能力计算结果如图7所示。

研究结果表明：

(1)如图7(a)所示，LNG 船出港影响下同向通过能力为140～240 艘·h-1。当出港时间段在18:00和5:00 时，同向通过能力将达到最大值。提高LNG 船出港的平均航速，并不能有效地增加同向通过能力。

(2)如图7(b)所示，LNG 船出港影响下逆通过能力为90～230 艘·h-1。当出港时间段在11:00 和0:00 时，逆向通过能力将达到最大值。提高LNG船出港的平均航速，有助于增加逆向通过能力。

图7 LNG船出港独占式通航的航道通过能力Fig.7 Waterway traffic capacity for LNG carriers exclusively leaving terminal

结合LNG 船出港移动安全区尺度，从通航安全的角度分析，建议LNG 船在中浚潮汐观测点满潮后1 h 的白天时段出港通航；此外，根据2.2 节分析结果，建议LNG 船出港航速保持9.5 kn 以下，以保障LNG船航行安全。

根据船舶跟驰理论，LNG 船进港时船舶交通流跟驰距离大于出港的距离及规范规定的值。因此，LNG船进港时对G段航道通过能力的影响程度更大。假设进港船舶交通流跟驰距离等于规范规定的值且LNG 船航速为9 kn 时，同向和逆向航道 通过能力将在原有基础上分别提高0.07%、0.2%。

4 结论

本文基于实际交通流数据，提出一种界定LNG 船移动安全区尺度的方法，并构建LNG 船两种通航模式下的通过能力计算模型，以评价LNG船通航影响的航道通过能力。研究结论如下：

(1)所在航道LNG 船进港的移动安全区尺度为船首6.6倍船长、船尾4.2倍船长、右侧7倍船宽，均大于规范规定的标准；出港移动安全区尺度为船首3.9 倍船长、船尾3.8 倍船长、右侧6.3 倍船宽，与规范规定的标准基本一致。

(2)LNG船进港影响下的同向和逆向航道通过能力分别为110～250艘·h-1、120～230艘·h-1；LNG船出港影响下的同向和逆向航道通过能力分别为140～240艘·h-1、90～230艘·h-1。

(3)从通航效率的角度，建议LNG 船在中浚潮汐观测点满潮前1 h 的白天时段进港通航，航速可保持11 kn以上，但不应超过规定的最大航速；从通航安全的角度，建议LNG 船在中浚潮汐观测点满潮后1 h的白天时段出港且航速保持9.5 kn以下。