大型矿石船进出对条帚门航道影响的仿真分析
李键 田五六 蔡学龙 张子昱 干伟东 张恩槐
摘 要：随着宁波—舟山港条帚门航道的开通，有效缓解了虾峙门航道的通航压力。但武港矿石中转码头大型矿石船的进出，仍会对条帚门航道的正常运行产生一定不利影响。本文利用Arena软件对条帚门航道所受的影响进行仿真分析，可为相关部门的交通流组织和监管提供参考。
关键词：条帚门航道；大型矿石船；仿真；Arena
中图分类号：U695.2+ 2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0030-02
航道作为水路运输系统中重要的环节，其运行状态很大程度上决定相关水域水路交通能否正常运行。当前国内外学者对航道的研究主要是通过仿真方法分析双向航道、受限航道、交叉航道等交通流特征，降低船舶在港时间和提高航道通过能力。上述研究均是单纯的研究航道本身的运行状况，并未涉及特定工程对航道影响程度的研究。
本文基于Arena仿真软件对条帚门航道进行建模，利用离散事件仿真方法分析了武港矿石中转码头大型矿石船进出对条帚门航道的影响。
1 条帚门航道环境概况
本文将武港码头船舶进港航路分为口外航线、口内航道和支线航道三部分。
码头位于条帚门航道狭口段西南侧，进出该码头的大型矿石船从虾峙门口外深水航道进港，在深水航道末端A1 控制点左转接支线航道，航行至支线航道末端B1控制点时右转进入条帚门航道。
2 数据分析
2.1 船舶到达规律
当前国内外文献的研究表明，大多数港口的船舶到达规律均服从泊松分布，即在t时间段内，到达n艘船舶的概率为：
式中：λ- 船舶平均到港率，即单位时间内平均到达的船舶数。
本文在建模过程中假设条帚门航道船舶到达的随机过程服从于泊松分布。
2.2 船舶速度
为使仿真模型更符合实际情况，对条帚門及附近航道的船舶速度进行统计分析，检验结果表明，船速符合均值为11，方差为7.5的正态分布。即某船航速为x的概率为：
3 仿真及分析
3.1 仿真模型
包括：船舶达到模块、支线航道模块、核心航道模块、码头作业模块等。
（1）船舶到达模块。运用Arena提供的 Create实体生成器产生船舶，并对船舶的船速、载重量利用率等属性进行赋值。
（2）支线航道模块。支线航道模块包括船舶航行和大型矿石船进港条件判断两部分。判断条件包括码头是否空闲、水位及潮汐情况。当大型矿石船驶入支线航道后模型将发出一个控制信号C1，控制对象主要为西行船舶，目的是避免西行船舶在B1转向点附近与大型矿石船会遇。
（3）核心航道模块。核心航道模块设有C2、C3、C4 三个控制点，当进港的大型矿石船到达C2点时，模型将禁止东行船舶通航，当船舶达到C3点时，西行船舶可恢复正常航行。当矿石船到达C4点时，东行船舶可恢复正常通航。矿石船出港时，A2至A5段双向禁止通航，当船舶驶离狭口段时航道即可恢复正常通航。
（4）码头作业模块。该模块的主要包括两个功能，一是完成船舶靠离泊仿真，二是完成船舶在泊的卸船作业仿真。因此，泊位状态可分为：空闲、靠泊、作业和在泊等待。
仿真过程中以均匀分布的形式随机赋值。船舶到达模块以预先对船舶的装载率进行了赋值，本模块将根据船舶的装载情况、装卸设备等参数对船舶的卸货作业时间进行计算。
3.2 结果及分析
就仿真需求而言，所关注的主要为大型船舶进出时条帚门航道中船舶的排队等待情况，即排队队长和等待时间。
（1）仿真结果。本文取不同的到达率多次运行仿真模型，得到仿真结果如图2、图3。
（2）仿真结果分析。双向通航时，大型船舶进港时，船舶流量相对较小时，东西向航行船舶的排队等待船舶数量大致相同；随船舶流量增大，由西向东航行的船舶所受影响更为显著。当大型船舶离港时，两个方向船舶的排队队长相差不大，但由东向西航行船舶的等待时间稍长，且随到达率的增加，等待时间也逐渐增大。
4 结论与展望
武港矿石中转码头位于条帚门口门附近，其营运将不可避免地与条帚门航道中其他过往船舶产生相互影响。但就目前通航船舶流量而言，影响程度较小，并且通过合理的交通流管理和疏导可消除主要影响。总体而言，武港矿石中转码头大型矿石船对条帚门航道的影响处于可控范围之内。
参考文献：
[1] Zhang J， Santos T A， Soares C G， et al. Sequential ship traffic scheduling model for restricted two-way waterway transportation[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part M Journal of Engineering for the Maritime Environment， 2017.
[2] 杨星， 杨旭刚， 王展，等. 基于蒙特卡洛方法的受限航道船舶交通拥塞仿真[J]. 中国航海， 2016， 39（2）：40-44.
[3] 陈蜀喆， 桓泽， 袁志涛，等. 桥梁施工受限水域船舶拥塞风险辨识及对策[J]. 中国航海， 2016（1）：44-49.
[4] 蔡学龙， 刘克中， 杨星，等. 内河航道交汇水域交通流仿真[J]. 大连海事大学学报， 2012， 38（2）：19-21.
摘 要：随着宁波—舟山港条帚门航道的开通，有效缓解了虾峙门航道的通航压力。但武港矿石中转码头大型矿石船的进出，仍会对条帚门航道的正常运行产生一定不利影响。本文利用Arena软件对条帚门航道所受的影响进行仿真分析，可为相关部门的交通流组织和监管提供参考。
关键词：条帚门航道；大型矿石船；仿真；Arena
中图分类号：U695.2+ 2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0030-02
航道作为水路运输系统中重要的环节，其运行状态很大程度上决定相关水域水路交通能否正常运行。当前国内外学者对航道的研究主要是通过仿真方法分析双向航道、受限航道、交叉航道等交通流特征，降低船舶在港时间和提高航道通过能力。上述研究均是单纯的研究航道本身的运行状况，并未涉及特定工程对航道影响程度的研究。
本文基于Arena仿真软件对条帚门航道进行建模，利用离散事件仿真方法分析了武港矿石中转码头大型矿石船进出对条帚门航道的影响。
1 条帚门航道环境概况
本文将武港码头船舶进港航路分为口外航线、口内航道和支线航道三部分。
码头位于条帚门航道狭口段西南侧，进出该码头的大型矿石船从虾峙门口外深水航道进港，在深水航道末端A1 控制点左转接支线航道，航行至支线航道末端B1控制点时右转进入条帚门航道。
2 数据分析
2.1 船舶到达规律
当前国内外文献的研究表明，大多数港口的船舶到达规律均服从泊松分布，即在t时间段内，到达n艘船舶的概率为：
式中：λ- 船舶平均到港率，即单位时间内平均到达的船舶数。
本文在建模过程中假设条帚门航道船舶到达的随机过程服从于泊松分布。
2.2 船舶速度
为使仿真模型更符合实际情况，对条帚門及附近航道的船舶速度进行统计分析，检验结果表明，船速符合均值为11，方差为7.5的正态分布。即某船航速为x的概率为：
3 仿真及分析
3.1 仿真模型
包括：船舶达到模块、支线航道模块、核心航道模块、码头作业模块等。
（1）船舶到达模块。运用Arena提供的 Create实体生成器产生船舶，并对船舶的船速、载重量利用率等属性进行赋值。
（2）支线航道模块。支线航道模块包括船舶航行和大型矿石船进港条件判断两部分。判断条件包括码头是否空闲、水位及潮汐情况。当大型矿石船驶入支线航道后模型将发出一个控制信号C1，控制对象主要为西行船舶，目的是避免西行船舶在B1转向点附近与大型矿石船会遇。
（3）核心航道模块。核心航道模块设有C2、C3、C4 三个控制点，当进港的大型矿石船到达C2点时，模型将禁止东行船舶通航，当船舶达到C3点时，西行船舶可恢复正常航行。当矿石船到达C4点时，东行船舶可恢复正常通航。矿石船出港时，A2至A5段双向禁止通航，当船舶驶离狭口段时航道即可恢复正常通航。
（4）码头作业模块。该模块的主要包括两个功能，一是完成船舶靠离泊仿真，二是完成船舶在泊的卸船作业仿真。因此，泊位状态可分为：空闲、靠泊、作业和在泊等待。
仿真过程中以均匀分布的形式随机赋值。船舶到达模块以预先对船舶的装载率进行了赋值，本模块将根据船舶的装载情况、装卸设备等参数对船舶的卸货作业时间进行计算。
3.2 结果及分析
就仿真需求而言，所关注的主要为大型船舶进出时条帚门航道中船舶的排队等待情况，即排队队长和等待时间。
（1）仿真结果。本文取不同的到达率多次运行仿真模型，得到仿真结果如图2、图3。
（2）仿真结果分析。双向通航时，大型船舶进港时，船舶流量相对较小时，东西向航行船舶的排队等待船舶数量大致相同；随船舶流量增大，由西向东航行的船舶所受影响更为显著。当大型船舶离港时，两个方向船舶的排队队长相差不大，但由东向西航行船舶的等待时间稍长，且随到达率的增加，等待时间也逐渐增大。
4 结论与展望
武港矿石中转码头位于条帚门口门附近，其营运将不可避免地与条帚门航道中其他过往船舶产生相互影响。但就目前通航船舶流量而言，影响程度较小，并且通过合理的交通流管理和疏导可消除主要影响。总体而言，武港矿石中转码头大型矿石船对条帚门航道的影响处于可控范围之内。
参考文献：
[1] Zhang J， Santos T A， Soares C G， et al. Sequential ship traffic scheduling model for restricted two-way waterway transportation[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part M Journal of Engineering for the Maritime Environment， 2017.
[2] 杨星， 杨旭刚， 王展，等. 基于蒙特卡洛方法的受限航道船舶交通拥塞仿真[J]. 中国航海， 2016， 39（2）：40-44.
[3] 陈蜀喆， 桓泽， 袁志涛，等. 桥梁施工受限水域船舶拥塞风险辨识及对策[J]. 中国航海， 2016（1）：44-49.
[4] 蔡学龙， 刘克中， 杨星，等. 内河航道交汇水域交通流仿真[J]. 大连海事大学学报， 2012， 38（2）：19-21.
