孔 莊,項(xiàng)雨略,廖 鵬，陳 虹

(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 211189)

內(nèi)河航運(yùn)具有運(yùn)量大、能耗低、污染小等特點(diǎn)，因而可有效緩解流域土地資源緊張和大宗物資陸運(yùn)壓力，對(duì)節(jié)約能源和減少污染物排放都具有積極作用。上海國(guó)際航運(yùn)中心就明確提出要形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)代化港口集疏運(yùn)體系，打造連接蘇浙、對(duì)接洋山深水港區(qū)集裝箱運(yùn)輸?shù)纳虾?nèi)河航道網(wǎng)[1]。然而，上海地區(qū)土地資源緊張，河道沿線(xiàn)廠(chǎng)礦企業(yè)、跨河建筑物密布，不少通航河流局部航段受到邊界限制而不能滿(mǎn)足雙向通航，形成航道局部縮窄段或瓶頸段，制約著航道的通航安全和通過(guò)能力。

分析航道局部縮窄段的交通運(yùn)行狀態(tài)與通過(guò)能力，是航道規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)中的重要基礎(chǔ)性工作。目前已有的經(jīng)驗(yàn)公式有諸多假定和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)航行規(guī)則、船型及交通流等參數(shù)的差異性考慮較少[2-3]；排隊(duì)模型側(cè)重于研究宏觀的交通流規(guī)律，對(duì)于船舶個(gè)體狀態(tài)的分析有所局限[4]；采用仿真的方法模擬船舶行為[5-8]，建立類(lèi)似單線(xiàn)船閘開(kāi)通閘的交通模型，則能夠更細(xì)致地考慮諸多復(fù)雜的要素，量化各項(xiàng)交通運(yùn)行指標(biāo)，預(yù)測(cè)通過(guò)能力，以便從航運(yùn)需求、通航安全、交通組織和服務(wù)質(zhì)量等方面采取高效集約的方案改善通航條件。

本文以上海大浦線(xiàn)航道為例，針對(duì)該航道某局部縮窄段改建方案的船舶交通運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)航道單線(xiàn)交替通航特征設(shè)計(jì)仿真模型，仿真分析不同條件下縮窄航段的交通運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)縮窄段的最大通過(guò)能力，對(duì)比分析不同條件對(duì)縮窄航段運(yùn)行狀態(tài)的影響，供相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計(jì)參考。

1 仿真模型

1.1 工程背景

大浦線(xiàn)是規(guī)劃的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)“兩縱六橫”高等級(jí)航道網(wǎng)組成之一，也是上海市“一環(huán)十射”高等級(jí)航道環(huán)線(xiàn)的一部分。航道南北貫穿浦東新區(qū)，全長(zhǎng)39.3 km，2015年船舶流量27 564艘，是黃浦江以東片區(qū)重要的集疏運(yùn)通道，目前尚未達(dá)到規(guī)劃的Ⅲ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)?！笆濉逼陂g開(kāi)展了該航道整治工程的前期研究工作[9]，其中某磁懸浮鐵路跨河橋梁不滿(mǎn)足雙向通航凈寬要求，因橋梁改建存在諸多限制和困難，擬將橋下約280 m航段設(shè)計(jì)底寬由55 m局部縮窄至27 m，橋梁上下游各設(shè)150 m緩沖段和一處錨地候泊區(qū)，采用交通信號(hào)燈結(jié)合人員調(diào)度進(jìn)行單線(xiàn)通航管制(圖1)。

圖1 大浦線(xiàn)航道局部縮窄段示意

1.2 航行規(guī)則

受單線(xiàn)通航的限制，航道局部縮窄段具有周期性、方向轉(zhuǎn)換和集中通過(guò)等特征，任意時(shí)刻下縮窄段的狀態(tài)有3種情況：一是航道空閑，來(lái)船可以直接駛?cè)牒降溃欢呛降辣涣硪缓较虼罢加?，?lái)船必須排隊(duì)等待；三是航道已被本航向船舶占用，來(lái)船具備進(jìn)入航道的條件，需要結(jié)合另一航向的排隊(duì)情況Q控制船舶是否進(jìn)入的條件。

考慮該局部縮窄段通航的公平和效率，設(shè)定2種航行規(guī)則：1)基本規(guī)則——優(yōu)先保證公平，船舶先到先過(guò)、交替通航，即一旦出現(xiàn)排隊(duì)(Q> 0)則該航向入口關(guān)閉，盡快為另一航向排隊(duì)的船舶提供通行條件；2)管制規(guī)則——強(qiáng)制船舶進(jìn)行一定的等待，待數(shù)量滿(mǎn)足一定條件時(shí)(Q>Qa)才集中放行，特別是某一航向需求明顯偏大時(shí)，集中服務(wù)以提高通航效率。

1.3 模型設(shè)定

交通仿真建模就是模擬船舶到達(dá)并通過(guò)航道局部縮窄段的全過(guò)程，通過(guò)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)分析航道交通運(yùn)行狀態(tài)，可將其視為一個(gè)雙隊(duì)列單服務(wù)臺(tái)的排隊(duì)系統(tǒng)。其中，航行規(guī)則決定了一個(gè)周期內(nèi)服務(wù)的船舶數(shù)量m，船舶到達(dá)時(shí)間間隔I和通航歷時(shí)T決定航道在一個(gè)方向上的運(yùn)行周期S，周期結(jié)束則服務(wù)另一航向。在低密度交通流下，船流量A一般被認(rèn)為服從泊松分布，對(duì)應(yīng)到達(dá)時(shí)間間隔I服從負(fù)指數(shù)分布。通航歷時(shí)T為船舶通過(guò)航道的一系列操作所需的時(shí)間，由3部分組成：1)航行時(shí)間t1，與航道長(zhǎng)度L和航速v有關(guān)，參考類(lèi)似航行情況[10]，取v=1.0 ms；2)船舶離岸、啟動(dòng)和組批等耗費(fèi)的時(shí)間t2，t2值為3～5 min；3)船頭時(shí)距t3，集中通過(guò)時(shí)與船舶的數(shù)量m和船舶領(lǐng)域hi有關(guān)，借鑒停船視距船舶領(lǐng)域模型[11]，與航速v和船長(zhǎng)li相關(guān)。

(1)

航道局部縮窄段的實(shí)際交通十分復(fù)雜，為便于仿真建模，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1)航道為理想狀態(tài)，僅考慮長(zhǎng)度和線(xiàn)數(shù)的影響，忽略水文、氣象等客觀因素；2)船舶通過(guò)局部縮窄段時(shí)，航速較低且為勻速；3)候泊區(qū)可以提供足夠多的泊位供船舶排隊(duì)等待。

1.4 仿真過(guò)程

基于航行規(guī)則和模型設(shè)定，利用元胞自動(dòng)機(jī)原理，將航道交通系統(tǒng)抽象為離散元胞按規(guī)則演化[12]，在Matlab平臺(tái)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)仿真框架，包括數(shù)據(jù)輸入、航行控制和數(shù)據(jù)更新模塊(圖2)。其中，數(shù)據(jù)輸入模塊按航道長(zhǎng)度建立元胞空間，并根據(jù)到船規(guī)律和船舶屬性生成船舶列表；航行控制模塊按航行規(guī)則和系統(tǒng)狀態(tài)判別船舶進(jìn)入和離開(kāi)航道的時(shí)間，并使航道內(nèi)船舶保持足夠安全領(lǐng)域下跟馳航行；數(shù)據(jù)更新模塊計(jì)算下一仿真步長(zhǎng)時(shí)的各元胞運(yùn)行指標(biāo)并同步更新，最終映射在航道交通運(yùn)行狀態(tài)的變化中。

為節(jié)約模型運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)減小隨機(jī)性帶來(lái)的誤差，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)30 d，重復(fù)運(yùn)行10次，每隔1 min分別記錄上、下行排隊(duì)長(zhǎng)度Q和船舶延誤D，每周期結(jié)束后統(tǒng)計(jì)通過(guò)艘數(shù)m和運(yùn)行周期S。

圖2 系統(tǒng)仿真框架

2 結(jié)果分析

2.1 運(yùn)行狀態(tài)

為分析不同航運(yùn)需求下的航道縮窄段交通運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，以大浦線(xiàn)航道2015年(工況1)實(shí)際船流量和2025年(工況2)、2035年(工況3)預(yù)測(cè)船流量為例進(jìn)行仿真試驗(yàn)。其中，船舶屬性(尺寸、噸位)按設(shè)計(jì)1 000噸級(jí)船型取值，假定2個(gè)航向船流量相同，基本規(guī)則下仿真運(yùn)行30 d的結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。

表1 航道運(yùn)行30 d的狀態(tài)參數(shù)(基本規(guī)則)

圖3 不同船舶流量下的船舶排隊(duì)長(zhǎng)度分布

工況1低密度船舶流時(shí)，單位周期通過(guò)平均艘數(shù)為1.0艘，平均排隊(duì)長(zhǎng)度0.1艘，出現(xiàn)排隊(duì)(Q≥1)的頻率僅為8.8%，說(shuō)明該條件下航道局部縮窄對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)影響有限。隨著船流量的增長(zhǎng)，各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)不同程度的上升，工況3船流量最大時(shí)有76.8%的頻率需要排隊(duì)，單位周期通過(guò)艘數(shù)為2.6艘，平均運(yùn)行周期為15.6 min，表明了通航需求大時(shí)，船舶因出現(xiàn)排隊(duì)而開(kāi)始集中通過(guò)，此時(shí)船舶平均延誤15.0 min(約1個(gè)周期)，平均排隊(duì)長(zhǎng)度1.2艘，需要設(shè)置錨地供船舶候泊等待。

進(jìn)一步分析排隊(duì)長(zhǎng)度的分布可知，3個(gè)工況下的最大排隊(duì)長(zhǎng)度分別為1、4和5艘，保證率為98%時(shí)排隊(duì)長(zhǎng)度分別為0.8、2.0和2.8艘，因此候泊區(qū)設(shè)置3～5個(gè)泊位即可滿(mǎn)足需求，從而保障船舶的通航安全。

2.2 船流方向分布的影響

上文假定2個(gè)航向船流量相同，但實(shí)際中受碼頭分布、貨物流向、運(yùn)轉(zhuǎn)周期的影響而可能有所不同，以方向分布系數(shù)β(β=A單向/A雙向)[13]衡量不同航向船流量的差異，其中，β=0.5表示2個(gè)航向船流量相同，β=1.0表示為單向船流。以工況3為例，仿真計(jì)算了β在0.5～1.0之間時(shí)(雙向總流量相同)采用不同航行規(guī)則的航道運(yùn)行主要指標(biāo)。

表2以β=0.75(A上行:A下行=3:1)為例給出2種航行規(guī)則的航段運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，對(duì)比β=0.5時(shí)的情況(表1，基本規(guī)則，工況3)，船流量方向分布影響著航道的運(yùn)行狀態(tài)，船流量較大方向上的平均排隊(duì)長(zhǎng)度由1.2艘提高到1.7艘，2個(gè)方向的總體平均延誤由15.0 min降低到14.1 min。若采用管制規(guī)則，由于強(qiáng)制船舶進(jìn)行一定等待，船舶集中通過(guò)的比例得到提高，主要航向(上行)的單位周期通過(guò)艘數(shù)和平均運(yùn)行周期相應(yīng)增加，下行延誤增加6%但上行延誤減少40%，雙向平均延誤由14.1 min減少到10.3 min，雙向排隊(duì)總長(zhǎng)由2.4艘減少到1.8艘，表明在此條件航段的運(yùn)行效率得到提升。

表2 β=0.75時(shí)航道運(yùn)行30 d的狀態(tài)參數(shù)(A=236艘/d)

圖4為方向分布系數(shù)與雙向平均延誤的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖4可知，2個(gè)方向的平均延誤隨方向分布系數(shù)增加而降低，這是因?yàn)榉较蛳禂?shù)越大則航道單向運(yùn)行的連續(xù)性越強(qiáng)。對(duì)比不同航行規(guī)則的影響，β< 0.6時(shí)，兩種規(guī)則下的延誤情況基本相同；β=0.6～0.9時(shí)，采用管制規(guī)則能夠減少約9%～35%船舶延誤；β> 0.9時(shí)，此時(shí)兩個(gè)航向船流量比值已達(dá)到9:1，航道基本為單向運(yùn)行，管制規(guī)則能夠發(fā)揮的作用很小。在運(yùn)行實(shí)踐中，可根據(jù)船流量方向的分布合理組織交通，減小船舶延誤。

圖4 方向分布系數(shù)與雙向平均延誤的關(guān)系

2.3 通過(guò)能力與縮窄段長(zhǎng)度的關(guān)系

考慮排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)航段通過(guò)量不再隨排隊(duì)長(zhǎng)度的增加而提升時(shí)，對(duì)應(yīng)的通過(guò)量即為該條件下的最大通過(guò)能力[14]。假設(shè)2個(gè)航向船流量相同，船舶按基本規(guī)則，計(jì)算不同縮窄段長(zhǎng)度下的航道通過(guò)能力，繪出平均排隊(duì)長(zhǎng)度與單向通過(guò)能力的關(guān)系曲線(xiàn)(圖4)。從圖5 可知，大浦線(xiàn)航道局部縮窄段(L=280 m)單向最大通過(guò)能力約為361艘d，遠(yuǎn)大于2015年實(shí)際單向日平均船流量38艘d，表明在現(xiàn)有條件下能夠滿(mǎn)足通航需求，采取單線(xiàn)通航是較為經(jīng)濟(jì)可行的方案。另外，根據(jù)航道的設(shè)計(jì)條件(船舶平均噸位1 000 t，通航保證率98%，日工作系數(shù)0.75)[15]，得到單向最大通過(guò)能力為9 685萬(wàn)ta，約為主航道設(shè)計(jì)單向最大通過(guò)能力(10 911萬(wàn)ta)的89%。

圖5 平均排隊(duì)長(zhǎng)度與單向通過(guò)能力的關(guān)系

在圖5的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析局部縮窄段長(zhǎng)度與單向最大通過(guò)能力的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知，航道最大通過(guò)能力隨縮窄段長(zhǎng)度的增加而不斷降低。當(dāng)L=1 500 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的航道單向最大通過(guò)能力已接近某一極小值(33艘d)，隨后的通過(guò)能力并不隨局部縮窄段長(zhǎng)度的增加而顯著減小，表明當(dāng)船流密度或需求小于該極小值時(shí)，局部縮窄段的長(zhǎng)度仍可進(jìn)一步增加。這為部分通航船流密度較低且受空間條件限制的航道不得已采用單線(xiàn)通航提供了理論基礎(chǔ)。

圖6 局部縮窄段長(zhǎng)度與單向年最大通過(guò)能力的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

1)基于航道局部縮窄段的特征和航行規(guī)則，建立交通仿真模型重現(xiàn)船舶航行的動(dòng)態(tài)過(guò)程，能夠得到各項(xiàng)交通運(yùn)行指標(biāo)，定量預(yù)測(cè)航道通過(guò)能力，為航道規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

2)仿真結(jié)果表明，船流量大小和方向分布影響航道的交通運(yùn)行狀態(tài)，方向分布系數(shù)β在0.6～0.9時(shí)，船舶集中通過(guò)有助于提高縮窄航段的通航效率，但會(huì)增加部分船舶的延誤。實(shí)踐中可根據(jù)到船情況，合理安排交通組織策略，協(xié)調(diào)船舶延誤和航段通航效率的關(guān)系。

3)仿真結(jié)果表明，縮窄航段的通過(guò)能力隨縮窄段的長(zhǎng)度增加而減小，但當(dāng)縮窄段長(zhǎng)度增加到一定值后，航段的通過(guò)能力接近某一極小值。這為部分通航船流密度較低且受空間條件限制的航道采用單線(xiàn)通航提供了理論基礎(chǔ)。實(shí)踐中可根據(jù)航運(yùn)需求，經(jīng)濟(jì)、合理地安排航道整治方案。