沈 忱 ，趙曉藝 ，齊 越 ，房 卓 ，梅 蕾 ，李 蕊 ，董 敏 ，黃 力

（1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100070；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

引 言

現(xiàn)有港口船舶進(jìn)出港研究方法眾多，主要包括經(jīng)驗(yàn)分析、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)仿真、多方法融合等。而港口航道系統(tǒng)是一個隨機(jī)因素多、動態(tài)聯(lián)系復(fù)雜、多級排隊(duì)的離散隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)[1]。相比數(shù)學(xué)建模的計(jì)算方法，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以真實(shí)地反映港口航行作業(yè)系統(tǒng)中各要素的隨機(jī)動態(tài)變化及相互關(guān)系，非常適用于隨機(jī)性、復(fù)雜性比較強(qiáng)的系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于船舶進(jìn)出港研究。

目前船舶進(jìn)出港仿真建模研究旨在解決碼頭選址規(guī)劃、港口建成運(yùn)營中的若干問題。在碼頭選址規(guī)劃方面，可科學(xué)評估船舶通航影響，尤其是對特殊碼頭（如 LNG碼頭、大型油船碼頭等）的選址方案進(jìn)行定量評估，如Valentin Moran等[2]考慮環(huán)境條件以及港口設(shè)施，通過系統(tǒng)仿真技術(shù)評估了港口的性能，并應(yīng)用到了布蘭卡港的總體規(guī)劃評估中；劉春澤[3]基于智能體理論，構(gòu)建了沿海港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，研究 LNG船舶到港對散貨泊位利用率及通過能力的影響。在港口建成運(yùn)營方面，可探尋船舶進(jìn)出港作業(yè)瓶頸，指導(dǎo)船舶通航管理及交通組織，并為碼頭生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃提供參考，如Rahimikelarijani等[4]對休斯敦航道船舶交通與運(yùn)營進(jìn)行了仿真與分析，研究新建水上橋梁對航道封閉的影響；Xiao Z等[5]通過集成學(xué)習(xí)、預(yù)測和規(guī)劃技術(shù)，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的多智能體系統(tǒng)，可對海上交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模擬，并進(jìn)行海上通航安全評估和管理。

本文在對比了國內(nèi)外在船舶通航仿真建模研究方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多智能體信息交互港口交通仿真建模方法，并對未來應(yīng)用和拓展方向做出展望。

1 國內(nèi)外仿真建模方法研究進(jìn)展

國內(nèi)外仿真建模研究的各類模型對比見表1。

表1 國內(nèi)外仿真建模研究方法對比

通過對各種建模方法的對比可見，各種研究方法有各自的優(yōu)勢，但總體來講，數(shù)學(xué)模型在航道航行仿真系統(tǒng)的模擬過程中存在精確度不高的問題，且求解數(shù)學(xué)模型的解析值也存在一定的困難。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)是模擬具有多變量隨機(jī)復(fù)雜特征的航道航行作業(yè)系統(tǒng)的有效方法。目前，離散事件建模方法、多智能體建模方法是比較常見的航道系統(tǒng)仿真建模方法。相比離散事件建模對事件的線性描述和對細(xì)節(jié)仿真的缺失問題，基于智能體的仿真建模方法可以實(shí)現(xiàn)港口資源、船舶、航行規(guī)則及自然條件等多因素多實(shí)體的交互，較好地反映和描述整體復(fù)雜系統(tǒng)，且在航道航行作業(yè)系統(tǒng)的各種問題的研究中具有普遍適用性。

2 多智能體信息交互港口運(yùn)營系統(tǒng)仿真

本文提出的一種多智能體信息交互的港口運(yùn)營系統(tǒng)仿真建模方法，針對復(fù)雜水域的多點(diǎn)到港、多港協(xié)調(diào)等研究難點(diǎn)進(jìn)行了初步探究，提出了系統(tǒng)的仿真技術(shù)框架。技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 基于多智能體信息交互的港口運(yùn)營系統(tǒng)仿真技術(shù)框架

結(jié)合多智能體系統(tǒng)仿真理論、離散事件仿真理論與多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，利用 AnyLogic智能體仿真建模平臺和Java程序設(shè)計(jì)語言，通過邏輯流程與判斷規(guī)則，建立了船舶、錨地、航道、泊位等多智能體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建了過程可視化的數(shù)值仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜水域船舶進(jìn)出港全年的全過程進(jìn)行精細(xì)化仿真模擬，通過對仿真模擬結(jié)果的多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，可針對諸如逐月逐日的船舶進(jìn)出港行為規(guī)律進(jìn)行不確定性分析。

模型主體由主系統(tǒng)及船舶航行系統(tǒng)組成。主系統(tǒng)是與船舶進(jìn)出港航行密切相關(guān)的各環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)定部分，同時承擔(dān)仿真模擬的可視化功能和仿真數(shù)據(jù)的輸入、輸出及存儲功能。船舶航行系統(tǒng)由船舶智能體、錨地智能體、航道智能體及泊位智能體構(gòu)成，負(fù)責(zé)判斷船舶進(jìn)出港行為的邏輯流程。兩大系統(tǒng)的參數(shù)、變量及邏輯函數(shù)等數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞，互相調(diào)用。

本仿真模型融合了對船舶航行客觀環(huán)境條件的模擬與船舶進(jìn)出港航行行為的模擬。一方面，對研究地區(qū)的日夜時長、風(fēng)、霧、冰、流、波浪、潮汐等自然條件以及泊位、航線、水道、錨地等港口條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，盡可能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)生活中的船舶通航環(huán)境；另一方面，自定義船舶屬性、到港流量、到港規(guī)律、到港時間間隔等船舶自身規(guī)律，并對安全間距、夜航規(guī)則、優(yōu)先級規(guī)則、航行速度和乘潮規(guī)則等航道通航規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。

該系統(tǒng)仿真方法可為船舶進(jìn)出港全過程模擬、通航控制要素定量識別、航道適應(yīng)性和錨地承載力定量分析、航道泊位錨地多要素協(xié)調(diào)關(guān)系分析、船舶航行風(fēng)險敏感要素確定、服務(wù)水平評估等研究提供技術(shù)支持。為了支撐遠(yuǎn)期開發(fā)，仿真模型留有功能擴(kuò)展接口，可通過多模塊對接，實(shí)現(xiàn)仿真模型在多元數(shù)據(jù)融合、港口水陸協(xié)同智能調(diào)度、港口綜合規(guī)劃及聯(lián)合運(yùn)營等方面的功能延伸。

本仿真技術(shù)可涵蓋船舶預(yù)約進(jìn)港、船舶航行過程、碼頭生產(chǎn)經(jīng)營、港口航道組織實(shí)施等各階段過程，為復(fù)雜水域船舶航行管理，港口碼頭、航道、錨地等港口資源的統(tǒng)籌配置，港口生產(chǎn)作業(yè)的精細(xì)化組織，港口生產(chǎn)效率及服務(wù)質(zhì)量的提高提供支持。目前，本研究方法及模型已在碼頭選址及港口規(guī)劃、航道通航標(biāo)準(zhǔn)制定、船舶進(jìn)出港通航影響評估和航道適應(yīng)性研究等方面提供技術(shù)支撐[23-27]，并在全國范圍內(nèi)多個港區(qū)的規(guī)劃專項(xiàng)論證研究中實(shí)際應(yīng)用，對促進(jìn)港口科學(xué)規(guī)劃和健康有序發(fā)展具有重要作用。

3 可解決的關(guān)鍵問題

面向未來在港口平面規(guī)劃、水域船舶調(diào)度、通航標(biāo)準(zhǔn)制定等方面更加具體和系統(tǒng)的需求，本文從六個方面歸納指出可通過復(fù)雜水域仿真建模解決的關(guān)鍵問題，可為港口規(guī)劃及港口運(yùn)營各領(lǐng)域工作提供研究手段。

3.1 復(fù)雜水域船舶進(jìn)出港全過程的擬實(shí)反映

船舶航行作業(yè)系統(tǒng)的隨機(jī)性、復(fù)雜性、模糊性決定了船舶通航全過程的模擬及港口航道問題的研究難以完全依靠數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬及解析求解。依托本模擬仿真方法，可擬實(shí)反映復(fù)雜水域船舶進(jìn)出港作業(yè)全過程，系統(tǒng)解決多點(diǎn)船舶上線、多港運(yùn)營協(xié)調(diào)等難點(diǎn)問題，準(zhǔn)確反映包括船舶到港、錨地待泊、航道航行、船舶靠泊、裝卸作業(yè)、船舶離港等事件的時空維度，可精確到秒，為研究各個事件在船舶到港集中期影響、船舶錯峰到港效果等提供技術(shù)手段。

1）船舶到港。不同類型船舶（包括班輪和非班輪船舶）以不同到達(dá)規(guī)律到達(dá)港口。不定期到港船舶的到港時間體現(xiàn)一定隨機(jī)性?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)雜水域船舶多點(diǎn)到港功能。

2）錨地等待。船舶到達(dá)港口后將在錨地等待分配泊位。在被分配到泊位以后，船舶判斷是否滿足航道的各個通行條件。在所有通航要素均滿足以后才可駛?cè)牒降馈?/p>

3）航道航行及靠泊。船舶在相應(yīng)的航道規(guī)則約束下進(jìn)行航行，在航行過程中需隨時對航道外界環(huán)境變化做出相應(yīng)反應(yīng)。

4）裝卸作業(yè)。船舶泊位停時因船舶類型、船舶尺寸、裝卸設(shè)備和裝卸量不同而有差異。

5）船舶離港。船舶在泊位等待滿足航道航行條件后離港。

3.2 影響區(qū)域船舶通航的控制性要素的定量識別

在模擬船舶通航作業(yè)過程的基礎(chǔ)上，可定量識別影響區(qū)域船舶進(jìn)出港的各個控制性要素，如水文氣象條件、航道錨地條件、監(jiān)護(hù)管理?xiàng)l件等。

1）水文氣象條件。從年度通航限航天數(shù)來看，風(fēng)、雨、霧等惡劣天氣情況以及海流、波浪等不適宜通航的水文條件對船舶通航限航天數(shù)的影響通常具有月度不平衡性，會對船舶通航行為產(chǎn)生影響。從日通航時間段來看，港口根據(jù)各自的潮汐特點(diǎn)設(shè)置保障船舶安全通行的時間段，不同類型、噸級船舶根據(jù)不同港區(qū)的潮汐和水流狀況具有不同的通航時間段。

2）航道、錨地條件。復(fù)雜水域船舶通常具有多條可通行航路和多個可利用錨地，港區(qū)對船舶不同航路及待泊錨地的分配將影響船舶的通航效率和航道、錨地資源利用率。

3）監(jiān)護(hù)管理?xiàng)l件。不同的海事監(jiān)管規(guī)則以及船舶通航規(guī)則對區(qū)域船舶通航效率影響較大，如船舶安全間距、進(jìn)出港優(yōu)先級、航速限制、限航時段、特殊船舶通航規(guī)則（如LNG船舶移動安全區(qū)規(guī)則、清空航道規(guī)則）等。

3.3 航道適應(yīng)性及錨地承載力的專項(xiàng)評估

作為影響航道水域船舶交通安全的一個重要方面，航道適應(yīng)性的主要影響因素包括航道水深、航道寬度（或有效寬度）、轉(zhuǎn)彎半徑、航道彎曲段寬度、航道邊坡比、礙航物分布情況等航道基本條件以及交通規(guī)則、助航標(biāo)志、VTS輔助管理等導(dǎo)助航設(shè)施等多方面[28]。通過航道條件的概化及仿真模擬分析，可探索研究航道適應(yīng)性問題，進(jìn)一步保障船舶進(jìn)出港安全、確保水域通航環(huán)境安全。

合理配布錨位數(shù)量是港口規(guī)劃和建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[6]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，錨地規(guī)模和數(shù)量應(yīng)根據(jù)到港船型及其密度、港口生產(chǎn)組織和水域自然環(huán)境等因素綜合確定[29]。目前計(jì)算錨地規(guī)模的方法主要是基于反映船舶到港規(guī)律的排隊(duì)論，建立推算錨地規(guī)模的排隊(duì)模型。但該方法忽略了航道條件對錨地容量的影響，忽略了港口內(nèi)外錨地、航道、泊位之間的動態(tài)關(guān)系[13]。為了更加符合港口錨地實(shí)際特征，并考慮港口多重不確定因素，可在模擬船舶實(shí)際通航作業(yè)全過程的基礎(chǔ)上，對錨地承載力進(jìn)行探索研究。

3.4 航道通過能力及服務(wù)水平的定量評估

港口航道通過能力是度量航道疏導(dǎo)水路交通能力的尺度，航道服務(wù)水平則是衡量航道中船舶運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)[7]。沿海港口航道通過能力和服務(wù)水平研究，是我國港口規(guī)劃和建設(shè)的重要內(nèi)容之一，也是支持港口建設(shè)決策和運(yùn)營管理的重要因素之一。過去我國港口通過能力與服務(wù)水平主要受制于泊位數(shù)量和港口裝卸水平，以往的研究也多是圍繞確定合理的泊位數(shù)量和提高港口裝卸效率方面，對航道的定量研究相對欠缺。目前通過引入系統(tǒng)仿真等方法，對沿海港口航道通過能力和服務(wù)水平進(jìn)行研究，對提高航道利用率及保障港口服務(wù)水平具有重要意義；通過深入研究沿海港口航道通過能力的計(jì)算方法，也可為相關(guān)規(guī)范的條文修訂提供理論支撐。

3.5 區(qū)域航道、泊位、錨地多要素的匹配協(xié)調(diào)分析

海上航道資源、錨地資源、泊位資源是港口交通資源的三大要素。從船舶進(jìn)出港過程來看，港口的錨地、航道和泊位資源的占用過程存在一定的時間、空間聯(lián)系。為了提高港口資源利用效率，可探索在對港口航道通航全過程進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，構(gòu)建航道、泊位、錨地之間的非線性關(guān)系，研究港口航道、錨地、泊位的資源配置及作業(yè)管理的協(xié)調(diào)問題，在保證港口達(dá)到預(yù)定的通過能力的基礎(chǔ)上，提高航道、錨地、泊位的利用率，為促進(jìn)港口資源科學(xué)規(guī)劃和合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

3.6 船舶通航敏感因素的確定

航道航行風(fēng)險預(yù)測和識別可以為船舶航行風(fēng)險預(yù)防措施的制定提供理論參考，有效避免船舶航行風(fēng)險。船舶航行風(fēng)險受船舶、船員、通航環(huán)境和通航規(guī)則等多種因素的影響。目前從宏觀角度上研究船舶通航風(fēng)險主要集中于通航環(huán)境和規(guī)則方面。其中，航道船舶密度、航道存量、航道實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)、航向區(qū)間、航向秩序、航向數(shù)量、交叉節(jié)點(diǎn)等是評估船舶航行風(fēng)險的關(guān)鍵因素[30]，可探索基于對船舶通航過程的模擬仿真技術(shù)，對導(dǎo)致風(fēng)險的敏感要素進(jìn)行識別，以從宏觀角度評價和預(yù)測航道碰撞風(fēng)險，為保障措施的制定提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

為了深化港口通航研究，滿足港口規(guī)劃精細(xì)化發(fā)展需求，支持港口重大項(xiàng)目的決策，根據(jù)研究現(xiàn)狀及實(shí)際需求，本多智能體信息交互運(yùn)營系統(tǒng)仿真建模技術(shù)未來可以在仿真技術(shù)的多元數(shù)據(jù)融合、港口水陸協(xié)同集疏運(yùn)智能調(diào)度、港口群的綜合規(guī)劃及聯(lián)合運(yùn)營等方面進(jìn)行拓展和升級，主要包括：

1）仿真技術(shù)的多元數(shù)據(jù)融合。實(shí)現(xiàn)仿真模型輸入輸出端口與大數(shù)據(jù)模塊的銜接，以港口AIS數(shù)據(jù)、LRIT數(shù)據(jù)等作為輸入數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，輸出仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫支撐港口大數(shù)據(jù)分析；仿真模型與船舶到離港預(yù)測模型相銜接，為港口精準(zhǔn)調(diào)度、貿(mào)易行為模式預(yù)測等方面提供技術(shù)支持。

2）港口水陸協(xié)同集疏運(yùn)智能調(diào)度。將水域交通流仿真與陸域集疏運(yùn)仿真模型相結(jié)合，構(gòu)建港口集疏運(yùn)生產(chǎn)作業(yè)流程的綜合模擬多層次嵌套模型，實(shí)現(xiàn)港口水陸協(xié)同集疏運(yùn)智能調(diào)度，支撐智慧港口建設(shè)。

3）港口群的綜合規(guī)劃及聯(lián)合運(yùn)營。從單點(diǎn)港口水域仿真逐步擴(kuò)展到多點(diǎn)港口船舶通航仿真，模擬港口集群的聯(lián)合運(yùn)營調(diào)度，為港口集群的綜合規(guī)劃、區(qū)域貨類結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)布局提供參考。