第１４卷 第６期 ２０１４住 中 国水运 Ｖ０Ｉ．１４ Ｎｏ．６ ２０１４ ６月 Ｃｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｊｕｎｅ 沿海港口航道通过能力研究分析 代健 （杭州健巽交通设计咨询有限公司，浙江杭州３１００００） 摘要：港１３航道通过能力可以从侧面反映一个港１３的发展，以及港１３航道的疏导能力。文中总结了影响港１３航道 通航能力的几点因素，基于排队论理论，对港口航道通过能力进行了计算，并介绍了建立仿真模型的思路与方法。 关键词：港１３航道；通过能力；排队论；仿真分析 中图分类号：Ｕ６５１．３ 引言 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１４）０６—００３２—０２ 道宽度、船舶载重、船舶航行速度、港口泊位的数量、港口 的水文地质、地貌、气象、水质等等【５】。 １．自然条件 航道是港口的重要组成部分，伴随着港口规模和吞吐量 的日益增加，导致到港船舶的数量不断增多，影响了港口功 能的发挥，为适应我国水运事业的蓬勃发展，综合考虑自然 港口航行条件的自然因素有很多冰冻、雾日和能见度、 泥沙回淤，港口附近的海域形势、潮汐通道的发育背景和冲 淤变化特征，以及海域自然水深条件等。诸如此类的自然条 件需要经过有关专家的深入调查取证，综合分析判断，为港 口的发展建设提供最基础的理论依据。 ２．港口的平面布置 条件、服务设施、生产条件等多种因素，通过计算分析方法 研究港口与航道的通过能力，掌握港口航道的基本情况，为 港口航道的下一步发展建设提供依据＿１ Ｊ。 一、当前研究成果 当前对港口航道的研究方向，多是内河航道，内河航道 通过能力是在一定的时间内，通过内河某区段的所有船舶的 数量或者是传播的最大载重。ＩＩ前，在我国习惯把一年内某 一港口的平面布置是港口建设与发展的基础性工作，包括 港口水域的布置、港口水深及码头前沿高程的确定、码头岸 区段的航道通过的最大货运量，定义为内河航道的通过能 线布置、港口的陆域布置等等。只有这些基础性的平面布置 工作做到布局合理、相互协调配合，才能提高港口航道的建 设质量，提高通过能力，降低港口建设的成本。 ３．港口的水工建筑物 力。在此基础之上，许多水运工程学者对内河航道通过能力 提出了自己的计算方法，比如最著名的西德公式，以及由西 德公式推导而得出的长江公式、川江航道公式、苏南运河公 式和王宏达公式等等。 一港口水工建筑物的设计和施工，除与一般水工建筑物有 许多共同之处外，也有其特点。波浪、潮汐、水流、泥沙、 冰凌等动力因素对港口水工建筑物的作用及海水、海生物对 建筑物的腐蚀作用，在确定建筑物荷载、平面布置和结构设 直以来，我国港口航道的通过能力受到港口码头吞吐 量的制约，因此航道的通过能力相关矸究并不是很多。直到 最近这些年，伴随我国经济的迅速发展，港口的规模逐渐发 展壮大，吞吐量逐年增大，进港船舶数量明显上升，相关的 研究工作也随之不断深入。大连理工大学商剑平ｌ２ 建立了仿 真模型，将潮汐、波浪、流速等港口水域的外部因素逐一考 虑，运用计算机进行模拟分析，根据模拟结果分析港口与航 计方案时应予充分考虑，并采取相应的防冲、防淤、防冻、 防腐蚀等措施。 ４．港口的作业条件 港口水工建筑物经常在水深、浪大、流急的海上或洪枯水 道通过能力的影响因素，以及两者之间的关系；大连理工大 学吴丹＿３ 根据黄骅港的多年统计数据，在港口多年通航能力 数据的基础上应用仿真模型进行计算，研究具有不同特征的 船舶在通过港口航道时的通过能力，从而由计算结果得出影 响船舶通过能力的因素，以及对港１３航道服务进行评价；大 位变幅大的河流上施工，水上工作量大，质量要求高，施工周 期短，因此要求采用装配化程度高、施工速摩陕的工程设计、 施工方案，以尽量缩短水上作业时间，并采取切实可行的措施， 保证建筑物在施工期间的稳定性。港口作业的技术人员要按照 技术人员的水平、体力、积极性等实行轮班制及工作调度。 三、港口航道通过能力的计算方法与仿真分析 １．排队论法 连理工大学宁双林＿４】针对不同港区的实际情况，收集不同港 区的统计数据，建立仿真模型，通过离散事件系统进行了综 合模拟研究，分析了船舶通过不同港区的影响因素。Ｉ１前， 关于港１３航道通过能力的计算方法尚不成熟，又由于港务系 统具有复杂性、随机性，因此学者们普遍认为应该采用仿真 系统模拟港口航道的通过能力。 二、影响港口航道通过能力的因素分析 是研究系统随机聚散现象和随机服务系统工作过程的数 学理论和方法，又叫随机服务系统理论，为运筹学的一个分 支，是排队系统模型的基本组成部分。在我们的正常生活之 中，排队现象无处不在，比如火车站排队购票、电话占线、 新产品销售等等。排队系统又称服务系统。服务系统由服务 机构和服务对象构成。服务对象到来的时刻和对他服务的时 港口航道通过能力的影响因素很多，比如港ＶＩ水深、航 收稿Ｅｔ期：２０１４—０３—２１ 作者简介：代健（１９７９一），女，天津宝：岷人，杭州健巽交通设计咨询有限公司工程师，从事港航工程设计。 第６期 代健：沿海港口航道通过能力研究分析 ３３ 间都是随机的。排队系统包括三个组成部分：输入过程、排 队规则和服务机构。 （１）输入过程考察的是服务对象到达服务系统的规律。 它可以用一定时间内服务对象到达数或前后两个服务对象相 继到达的间隔时间来描述，一般分为确定型和随机型两种。 （２）排队系统内服务对象的排队规则通常有等待制、损 失制和混合制三种。当服务对象到达时，若所有服务台均被 占用，他们并不离去而是排队等待，直到接受服务为止。１）等 待制；２）损失制；３）混合制。 （３）服务机构可以是一个或多个服务台。多个服务台可 以是平行排列的，也可以是串连排列的。服务时间一般也分 成确定型和随机型两种。 研究港口航道的通过能力，结合上述理论，需建立模型， 针对船舶进出港这一现象可以建立两种模式：其一是进港船舶 规律符合泊松分布（Ｍ），船舶在港区内利用航道的时间符合 负指数分布（Ｍ）或二阶爱尔兰分布（Ｅ２），窗口数（Ｓ）量 为１个，这可以用一种典型模型来表示为Ｍ／Ｍ／１或Ｍ／Ｅ２ ／１，该模型的计算公式可以用来计算港口航道通过能力。 除上述模型外，另一种经典模型就是假设进港船舶规律符 合泊松分布（Ｍ），计算时间不以利用航道时间为标准，而是以 在港船只停留在码头卸货的时间为标准，该模型服从负指数分 布（Ｍ）或二阶爱尔兰分布（Ｅ２），港口的泊位数即为窗口的 数量（Ｓ），该模型可以定义为另一排队模型Ｍ／Ｍ／Ｓ或Ｍ／Ｅ２ ／ｓ，该模型的计算公式可以用来计算港口航道通过能力。 ２．基于排队论的数学分析方法 排队模型决定于输入过程、服务机构和排队规则三方面。 我们一般可以用Ｍ／Ｅ ／ｓ（ｏ。）模型来分析港口的随即服务 系统，这其中ＥＫ表示服从ｋ阶爱尔兰分布的船舶占用泊位时 间，Ｍ表示服从泊松分布的到港船舶，Ｓ表示港口的泊位数， （ｃｏ）表示船舶排队长度无限制。当ｋ—ｏ。时，上述爱尔兰分 布就变成稳定分布，即定长分布，也就是之前所述的Ｍ／Ｄ／Ｓ （。。）模型。在这种情况下，我们可以认为在船舶基本参数一 致，船舶的载重相近，船型相同、码头装卸效率差不多的情况 下，单艘船舶的所耗时间暂定为一定值。比如常见的煤炭运输 码头、石油矿石运输码头等等，都可以应用上述模式【７】。 当ｋ＝Ｉ时，爱尔兰分布就是负指数分布，即Ｍ／Ｍ／Ｓ（ｏ。） 排队模型。有关这种模型的研究较多，现在已经有了比较系 统规范的研究方法与公式计算，多数港口的分析计算都采用 此种方法。假设有ｎ艘船停泊在港口，具体分析如下： ０ Ｓ ．ｓ＝ （１） ”≥Ｓ ， 式中：ａ为船流密度，具体数值为在港口每天装卸的船 舶的平均数，Ｐｏ．。为港１３有Ｓ个泊位时无船在港的概率。船 流密度ａ可由船舶平均到港率 和泊位平均装卸船率 求出， ａ＝Ｘ／￣。 在港１３泊位利用率ｐ＝ａ／Ｓ＜１的稳态情况下（这一条件一 般是自然成立的），利用 ， １求得无船在港的概率为 ＝Ｊ 鲁＋ Ｊ，平均在港船数 等于船舶平均排 队长度／７ 和平均每天被装卸船数ｎ ＝ａ的和。挡在港船数 ｎ≤Ｓ时，在港船只均可以正常作业，不需要等待；当ｎ＞Ｓ 时，就有（ｎ—Ｓ）艘船舶需要在港等待。所以 一三 ， （ — ） 。将式（１）代入，注意到ａ／ｓ ｃ１可得 到船舶的平均排队长度为 ： Ｐ （２） ‘ （ ＋１）！（ 一２） ３仿真分析的方法 Ｊ 港口船舶航行作业系统是一个随机因素多、动态联系复 杂、多级排队的离散随机服务系统。建立的模型一定要与港 口的实际情况相符合，这样才能得到正确的结果，系统的服 务模式、船舶的排队模式及各随机变量的概率分布模型等尽 量与实际情况一致。对港口航道的通过能力运用计算机进行 仿真分析，主要针对港口不同的自然地理条件，以及不同的 船舶进出港情况，通过仿真分析结果为港口航道的下一步发 展规划提供直接数据。 四、加快港口航道通过能力 提高港口航道通过能力的措施有很多，包括整治码头的 生产组织、提高港口管理水平、引进新型设备、增加码头泊 位、扩大港口规模、提高港口基础设施建设等等。以下几点 是结合港口实际，总结的几点建议： （１）规范港口制度，提高操作水平 要规范港口码头的操作流程与施工工艺，对施工技术人 员组织培训，提高船舶组织装卸的能力，从而缩短船舶在港 口码头的停泊时间，进而提高港口航道船舶的通过能力； （２）提高设备的技术管理水平 采用先进的施工装卸设备，对设备操作人员定期培训， 对设备定期养护，提高设备的使用效率，从而保障港口船舶 的顺利进出，缩短船舶停泊时间。 （３）加强港口各部门之间的协作 各部门通力合作，要组织均衡运输和均衡生产，均衡港 口各部门之间的不平衡性，提高港口航道的通过能力。 （４）港口布局要合理 提高港口建设水平，在港口原有规模基础上，要做到港 口扩建的合理性与科学性，大、中、小泊位的数量分布要合 理，满足不同吨位船舶的停泊以及装卸需求，从而缩短船舶 在港时间，提高通过能力。 参考文献 ［１】长江航道局．航道工程手册【ＭＪ．北京：人民交通出版社， ２００５． ［２】商剑平．黄骅港航道通过能力的仿真模型研究『Ｄ１．大连： 大连理工大学，２００５．