肖銘坤　郭國平

(武漢理工大學(xué)航運學(xué)院　武漢　430063)

基于WS的內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置的研究

肖銘坤郭國平

(武漢理工大學(xué)航運學(xué)院武漢430063)

摘要：在對內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的概念進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，分析內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能需求，運用模糊數(shù)學(xué)理論對各功能版塊相互之間的特征關(guān)系進(jìn)行權(quán)重賦值，結(jié)合小世界模型(WS Model)，研究內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的平面布置.

關(guān)鍵詞：小世界模型；內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)；功能需求；平面布置

肖銘坤(1990- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為水域環(huán)境污染防治技術(shù)

0引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對內(nèi)河水路運輸提出高效益、高質(zhì)量的要求，目前內(nèi)河干線航道網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)已初具規(guī)模，干線航道上也出現(xiàn)水上加油站、水上服務(wù)區(qū)等之類的水上服務(wù)設(shè)施.但是相對于陸上高速公路上的服務(wù)區(qū)[1]，水上服務(wù)區(qū)在一定程度上無法滿足日益增加的水路運輸服務(wù)的需求，具體體現(xiàn)在：缺乏統(tǒng)一規(guī)范的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一完善的管理體制等，這使得內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)對過往船舶進(jìn)行服務(wù)時，往往出現(xiàn)服務(wù)內(nèi)容單一、匱乏；服務(wù)區(qū)安全隱患等一系列問題，這些都制約了內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的發(fā)展和內(nèi)河水路運輸?shù)倪M(jìn)步.針對這種情況，本文從內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)功能需求的角度出發(fā)，通過模糊數(shù)學(xué)理論的相關(guān)思想，采用小世界模型的方法，提出一種內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置的方案.

1內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的概念

1.1內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的定義

水上服務(wù)區(qū)是指保障水上運輸高速化、高效性，為水上運輸提供高質(zhì)量服務(wù)的配套設(shè)施，其主要功能是滿足航道上過往船民和船只的各種服務(wù)需求，包括提供船民必備的生活購物，等待過閘休息，必要的餐飲娛樂，以及提供船舶?？?、加油、交費、維修，以及廢油回收等需求.而內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)是指那些建設(shè)在內(nèi)河航道的水上服務(wù)區(qū).

1.2內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能分析

1) 現(xiàn)有的內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)功能分析根據(jù)現(xiàn)有的一些水上服務(wù)設(shè)施，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能主要有：(1)船舶服務(wù)方面，主要包括船舶停泊、修理、補給和排污處理等；(2)船員服務(wù)方面，主要包括醫(yī)療、住宿、購物及其他消費等；(3)物流運輸方面，主要包括貨物的裝卸、倉儲、中轉(zhuǎn)和運輸交易等.

2) 內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)功能的發(fā)展趨勢預(yù)測分析內(nèi)河運輸過程的相關(guān)環(huán)節(jié)，可以對內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能發(fā)展趨勢主要做以下幾方面的預(yù)測.

(1)水上行政管理方面據(jù)統(tǒng)計資料顯示，每年長江沿線航行的船舶中，70%的存在超載行為，雖然沿線海事主管部門采取了一系列的管制、處罰方面的手段，但是超載行為屢禁不止，究其根本在于一條“罰單不重開”的政策上面，很多時候一張小小的罰單成為超載船舶一路暢通的通行證，這將給長江沿線的內(nèi)河交通帶來嚴(yán)重的隱患.內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的出現(xiàn)，給解決這個難題提供了一個契機(jī).結(jié)合現(xiàn)有水上服務(wù)區(qū)的物流儲備方面的功能和海事行政方面的管理職能，執(zhí)行過載貨物的強制卸載，這對于長江沿線內(nèi)河運輸?shù)陌踩兄卮蟮囊饬x.

可以預(yù)見，隨著海事行政管理功能的融入，內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)水上行政管理方面的功能也將進(jìn)一步完善，其中包括船舶簽證、水運報港、超載處理、船舶交易，管理信息和規(guī)費征收等一系列功能也將逐步融入.

(2)安全救助及防污應(yīng)急方面據(jù)統(tǒng)計，在長江內(nèi)河沿線上，基本上每個分支局轄區(qū)均設(shè)有救助打撈機(jī)構(gòu).在實現(xiàn)內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)水上行政方面的功能之后，內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)實現(xiàn)安全救助已不再是幻想，同樣類似于防污應(yīng)急設(shè)備庫的防污應(yīng)急方面的功能也必將在內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)看到其“身影”.

3) 內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的基本布置綜合上述，有關(guān)內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能分析，大致可以將內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的基本格局分為以下幾個方面[2-4]：(1)船舶服務(wù)方面,具體包括停泊區(qū)、加油區(qū)、維修區(qū)、排污處理區(qū)；(2)船員服務(wù)方面,主要包括醫(yī)療救助區(qū)和消費區(qū)等；(3)物流運輸方面,主要包括裝卸區(qū)和儲藏區(qū)；(4)行業(yè)管理方面,主要包括行政區(qū)、打撈救助區(qū)和防污應(yīng)急區(qū).

具體地，內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)可分為如表1所列的幾個功能版塊.

表1　內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)功能表

2WS模型在內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置上的運用

2.1小世界理論的相關(guān)內(nèi)容

小世界理論的基本思想是：任意2個陌生人之間所間隔的人不會超過5個，也就是說，最多通過5個中間人你就能夠認(rèn)識任何1個陌生人.1998年，Watts和Strogatz基于此提出了小世界網(wǎng)絡(luò)這一概念，并建立了WS模型，這個模型介于傳統(tǒng)的規(guī)則最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)和ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間，同時具有小世界特性和聚類特性,可以很好的來表示真實網(wǎng)絡(luò).

WS小世界模型的構(gòu)造方法是[5]：

1) 從規(guī)則圖開始構(gòu)造一個含有N個點的最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)，使他們圍成一個環(huán).其中，每個節(jié)點都與它左右相鄰的各K/2節(jié)點相連，K是偶數(shù).

2) 隨機(jī)化重連以概率p隨機(jī)地從新連接網(wǎng)絡(luò)中的每個邊，即將邊的一個端點保持不變，而另一個端點取為網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇的一個節(jié)點.其中規(guī)定，任意兩個不同的節(jié)點之間至多只能有一條邊，并且每一個節(jié)點都不能有邊與自身相連.

在上述模型中，p=0對應(yīng)于完全規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，p=1則對應(yīng)于完全隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)p的值就可以控制從完全規(guī)則網(wǎng)絡(luò)到完全隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的過渡，見圖1.

圖1　小世界網(wǎng)絡(luò)

2.2WS模型在內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置上的運用

在WS小世界網(wǎng)絡(luò)中，平均路徑長度也稱為特征路徑長度或平均最短路徑長度，指的是一個網(wǎng)絡(luò)中2點之間最短路徑長度(或稱距離)的平均值.從1個節(jié)點Si出發(fā)，經(jīng)過與它相連的節(jié)點，逐步“走”到另1個節(jié)點Sj所經(jīng)過的路途，稱為兩點間的路徑.其中最短的路徑也稱為兩點間的距離，記作d(i,j).

而平均路徑長度定義為

式中：N為節(jié)點數(shù)目，并定義節(jié)點到自身的最短路徑長度為0.

在內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置研究中，將內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的7個功能版塊視為WS模型中的節(jié)點，即有N=7；而d(i,j)指的是相鄰版塊間的相互特征關(guān)系，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論的相關(guān)思想，對這種關(guān)系進(jìn)行量化.最后，根據(jù)WS理論中節(jié)點，N，d(i,j)在內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置研究中的具體意義，建立相應(yīng)的內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置中的WS模型.

3內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置研究中WS模型的建立

3.1相關(guān)要素的確定

根據(jù)2.2關(guān)于內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置中的WS模型建立的相關(guān)內(nèi)容，可以確定節(jié)點及d(i,j).

1) 節(jié)點節(jié)點指的是內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的7個功能版塊，分別為停泊區(qū)(O)、船舶服務(wù)區(qū)(A)、生活區(qū)(B)、碼頭裝卸區(qū)(C)、貨物儲藏區(qū)(D)、行政辦公區(qū)(E)及應(yīng)急救助區(qū)(F)，即有N=7.

2) d(i,j)d(i,j)即為相鄰版塊間的相互特征關(guān)系，計算方法為

式中：C(i,j)即相容性(compatibility)，表示相鄰兩個版塊之間的兼容程度，相容性體現(xiàn)在相互之間的促進(jìn)作用，例如，A區(qū)和F區(qū)，應(yīng)急救助區(qū)的應(yīng)急設(shè)備庫有助于應(yīng)對船舶加油過程出現(xiàn)的一些緊急情況，這種關(guān)系表現(xiàn)為相容性，數(shù)值上用負(fù)數(shù)表示；E(i,j)，即排斥性(exclusiveness)，表示相鄰兩個版塊之間的排斥程度，排斥性體現(xiàn)在相互之間的負(fù)面作用，例如：A區(qū)和B區(qū)，船舶服務(wù)區(qū)中的一些活動會對生活區(qū)的正?；顒赢a(chǎn)生負(fù)面影響，這種關(guān)系表現(xiàn)為排斥性，數(shù)值上用正數(shù)表示.

借鑒模糊數(shù)學(xué)方面的理論，針對不同板塊間的相互關(guān)系，可以得出賦值對應(yīng)表，見表2.

表2　賦值對應(yīng)表

3.2WS模型的建立

分析內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)各版塊間的相互關(guān)系，綜合考慮人員生命、財產(chǎn)安全，可能發(fā)生事故/險情的概率，以及發(fā)生事故/險情之后的應(yīng)急反應(yīng)能力，得出如圖2、表3所示的關(guān)系.

表3　特征關(guān)系表

圖2　特征關(guān)系圖

根據(jù)圖2、表3表現(xiàn)出的內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)各版塊間的特征關(guān)系，對照表2的相關(guān)內(nèi)容得到如表4所列的不同功能版塊間的特征關(guān)系對比情況.

表4　不同功能版塊間的特征關(guān)系對比表

根據(jù)表4中得出的特征關(guān)系值，可以進(jìn)行初步的平面布置設(shè)計,再通過小世界理論平均路徑長度 dc的計算，來進(jìn)行布置方案的優(yōu)化.

4實例應(yīng)用

選取無錫市宜興地區(qū)的某水上服務(wù)區(qū)為背景，采用作圖逼近法進(jìn)行選址[6-7].在確定停泊區(qū)位置之后，根據(jù)所建立的WS模型得出的不同功能版塊間的特征關(guān)系對比表，將內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能版塊分為3個序列.

第一序列：包括與停泊區(qū)相容性高的A區(qū)和C區(qū).

第二序列：包括與停泊區(qū)相容性稍弱的F區(qū)。

第三序列：包括剩下的不大適合布置在水域附近的B區(qū)、D區(qū)和E區(qū).

考慮當(dāng)?shù)刈匀粭l件，同時計算各序列功能版塊間的平均路徑長度來進(jìn)行布置方案的優(yōu)化：(1)考慮風(fēng)流條件，A區(qū)涉及船舶加油，維修，存在溢油污染的風(fēng)險，故A區(qū)盡量位于C區(qū)下游下風(fēng)向；(2)F區(qū)為應(yīng)急救助區(qū)，有助于與其他版塊的應(yīng)急救助服務(wù)，在整個內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布局中應(yīng)居于中間策應(yīng)位置；(3)B區(qū)、D區(qū)、E區(qū)的布置，首先考慮到這些板塊都是背離O區(qū)的；其次，F(xiàn)區(qū)的相對位置關(guān)系較確定；最后，其與A區(qū)、C區(qū)的關(guān)系，需計算平均路徑長度.

根據(jù)對特征關(guān)系值的定義，值越小，表示兩者間的關(guān)系越融洽，適合布置在一起，比較上述12個值，可以確定B，D，E區(qū)的相對位置關(guān)系.

綜合布置方案的優(yōu)化結(jié)果，得出如圖3所示的內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置示意圖.

圖3　內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置示意圖

5結(jié)束語

通過對內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的概念進(jìn)行闡述，分析內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的功能需求從而得到內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)功能分布，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論來進(jìn)行內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布局研究中WS模型的建立.通過WS模型分析得出的不同功能版塊間的特征關(guān)系對比表，結(jié)合江蘇省無錫市宜興地區(qū)的某內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)的實際情況，進(jìn)行內(nèi)河水上服務(wù)區(qū)平面布置的研究.但是由于某些方面的缺陷，平面布置示意圖中沒有相對精細(xì)的規(guī)劃布置，在將來的日子中仍需進(jìn)一步優(yōu)化.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張松．淺議高速公路服務(wù)區(qū)的規(guī)劃與設(shè)計[J]．運輸縱橫，2003(2)：55-58.

[2]溫旭麗，樊鈞，過秀成，等.高等級航道水上服務(wù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)思考[R].南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2004.

[3]溫旭麗，李輝，過秀成.高等級航道水上服務(wù)區(qū)的探索與實踐[J].中國水運，2011(9)：45-48.

[4]王國新.無錫市高等級航道水上服務(wù)區(qū)布局規(guī)劃研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[5]WS小世界網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造[EB/OL].[2014-10-15].http:∥wenku.baidu.com/.

[6]宿遷市交通局航道處．京杭運河宿遷閘水上服務(wù)區(qū)詳細(xì)規(guī)劃[R]．上海：大德，2004.

[7]過秀成，溫旭麗．京杭運河宿遷閘水上服務(wù)區(qū)工程可行性研究[R]．南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2004.

中圖法分類號：U113

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.036

收稿日期：2014-11-18

Research on the Plane Layout About Inland
Waterway Service Area Based on WS Model

XIAOMingkun GUO Guoping

(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)

Abstract：Based on the concept of the inland waterway service area, the article analyzes the functional requirements first. Then, it associates the functional sections with the different weight on the mutual interests between each other by using the fuzzy mathematical theory. Finally, it carries out the research on the planer layout of the inland waterway service area, combining with the WS (Watts and Strogatz) model.

Key words：WS model；inland waterway service area；functional requirements；plane layout