張 磊，李曉松，李振京

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456； 2.天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司，天津 300452 )

大沽沙航道是繼天津港復(fù)式航道開通后的第二條船舶進(jìn)出天津港的主航道，航道總長為36.35 km，等級為10萬t級，主要服務(wù)于進(jìn)出大沽口港區(qū)和南疆港區(qū)南側(cè)岸線碼頭的船舶通航。目前，大沽口港區(qū)主要服務(wù)于臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的開發(fā)建設(shè)，重點發(fā)展修造船、裝備制造、糧油加工等臨港工業(yè)，以鋼鐵、建材、重大件、液體化工品運輸為主，是港口與工業(yè)一體化發(fā)展的大型臨港工業(yè)港區(qū)；南疆港區(qū)是以煤炭、鐵礦石、石油及其制品等為主的大宗散貨中轉(zhuǎn)運輸港區(qū)，其中北側(cè)碼頭岸線12.85 km，自西向東為支持系統(tǒng)區(qū)、石化作業(yè)區(qū)、干散貨作業(yè)區(qū)、原油碼頭區(qū)，南側(cè)碼頭岸線12.0 km，規(guī)劃為石化作業(yè)區(qū)、支持系統(tǒng)區(qū)和預(yù)留發(fā)展區(qū)。

圖1 大沽沙航道平面布置圖Fig.1 Layout plan of Dagusha channel

港口航道通過能力是體現(xiàn)航道適航程度的客觀指標(biāo)，是港口服務(wù)水平以及核心競爭力的重要體現(xiàn)[1]。當(dāng)前，航道通過能力已經(jīng)成為制約大型港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素之一，航道通過能力的研究可以為港口規(guī)劃、建設(shè)和運營管理決策提供重要理論和技術(shù)支持。隨著大沽口港區(qū)和南疆南側(cè)岸線碼頭的快速建設(shè)，進(jìn)出港船舶數(shù)量不斷增加，尤其5萬t級及以上大型船舶數(shù)量有所增加，大沽沙航道船舶通航密度明顯上升，其通過能力將在一定程度上限制港區(qū)吞吐量的增長。因此，為了對大沽沙航道的通過能力有最精確的把握，提高大沽沙航道交通效率，保障船舶通航安全和港口作業(yè)的正常運營，提高港口服務(wù)水平，對大沽沙航道通過能力進(jìn)行評價研究是非常必要的。

表1 大沽沙航道南北岸線碼頭參數(shù)表Tab.1 Parameter dagusha channel north and south shore dock

1 大沽沙航道概況

天津港是中國北方最大的綜合性港口，也是中國沿海港口功能最齊全的港口之一?，F(xiàn)有海河港區(qū)、北疆港區(qū)、南疆港區(qū)、東疆港區(qū)、大沽口港區(qū)、南港港區(qū)、高沙嶺港區(qū)和北塘港區(qū)8個港區(qū)。

大沽沙航道是船舶進(jìn)出天津港大沽口港區(qū)和南疆港區(qū)南側(cè)岸線碼頭的主航道。大沽沙航道總長為36.35 km，等級為10萬t級，設(shè)計底標(biāo)高為-14.5 m，通航底標(biāo)高為-13.9 m，底寬375 m；口門內(nèi)航道方位為289°～109°，出口門2 km航道軸線順時針偏轉(zhuǎn)17°，航道方位306°～126°。航道邊坡坡度：1：5。航道平面布置見圖1所示。

目前，大沽口港區(qū)主要有臨港1A、1B、1C、2#～4#散貨泊位；5#～9#液化品泊位；10#～14#通用泊位；博邁科1#、2#泊位；18#泊位、中船重工船廠、中糧佳悅糧油1#～3#泊位以及太重碼頭；南疆南港區(qū)主要有圣瀚石化碼頭、中航油碼頭、中化石化碼頭和中海油LNG碼頭等。大沽沙航道南北岸線碼頭參數(shù)見表1。

2 天津港大沽沙航道仿真模型的建立

2.1 Rockwell Arena 仿真技術(shù)簡介

圖2 大沽沙航道通過能力Arena仿真邏輯模型流程圖Fig.2 Flow chart of Dagusha channel pass capacity Arena simulation logical model

計算機(jī)仿真是通過計算機(jī)仿真軟件建立現(xiàn)實系統(tǒng)的計算機(jī)模型，并利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計算能力來運行模型，以獲取和分析模型運行記錄的仿真研究過程。Rockwell Arena 軟件是美國System Modeling公司于1993年開始研制開發(fā)的新一代可視化通用仿真軟件，具有功能強(qiáng)大、使用方便、界面直觀、動畫顯示等優(yōu)點?？梢院苋菀椎慕⑸a(chǎn)系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)等仿真模型，如交通運輸中的高速公路的交通控制、集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真與優(yōu)化研究、港口船舶航行調(diào)度等。

利用Rockwell Arena 仿真技術(shù)，通過建立反映港口內(nèi)部實際操作和管理規(guī)則的邏輯和數(shù)量關(guān)系模型，應(yīng)用模型進(jìn)行有關(guān)模擬實驗，從而客觀地反映港口的實際營運狀況，對航道的通過能力進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確地描述港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)的動態(tài)變化對航道通過能力的影響[2]。通過比較各種備選方案，得出最優(yōu)的航道船舶通航模式和最佳的管理方式，確定該航道的通過能力及確定提高航道通過能力的措施，從而使設(shè)計更合理，更經(jīng)濟(jì)，為港口建設(shè)和發(fā)展提供更為可靠的決策依據(jù)，以便以最少的投資獲得最大的效益。

2.2 Arena 仿真邏輯模型的建立

港口船舶航行作業(yè)系統(tǒng)是一個離散事件服務(wù)系統(tǒng)，提供服務(wù)的是系統(tǒng)內(nèi)部的永久元素，即錨地、航道、泊位及裝卸系統(tǒng)，服務(wù)對象是船舶；錨地為船舶提供待航、待泊的等待場所；航道為船舶提供進(jìn)出港口的通道；泊位為船舶提供裝卸作業(yè)的地點[3]。因此，把船舶到達(dá)和離開港口看作船舶航行作業(yè)系統(tǒng)的起始點。大沽沙航道通過能力Arena仿真邏輯模型流程順序按圖2進(jìn)行。

2.3 仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置

(1)模型構(gòu)建假定和原則。

①港口有充足的錨地，為船舶提供等待航道和泊位的服務(wù)[4]；②碼頭后方有足夠的堆場，可以存放貨物，設(shè)定船舶載貨而來，卸貨而去[4]；③船舶按照船型比例隨機(jī)到達(dá)，次序遵從排隊論中先到先服務(wù)、LNG船和100 000 t油船優(yōu)先服務(wù)的原則，出港亦同；④不考慮社會船舶、工作船舶等其他非運輸船舶在航道中的影響；⑤不考慮航道整治、疏浚施工等船舶不能通過的情況。

(2)船舶實體屬性確定。根據(jù)天津港大沽沙航道南北岸線各個碼頭2016年到港實際船舶類型、數(shù)量及吞吐量資料，并參照《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS165-2013)(附錄A設(shè)計船型尺度及其他參數(shù))內(nèi)容，得出大沽沙航道進(jìn)出港船舶類型及噸級、船型比例、通航水深、型寬、靠泊泊位數(shù)量等數(shù)據(jù)。其中通航水深和型寬取值為平均值。

表2 到港船舶船型參數(shù)表Tab.2 Parameter of type of ship arriving at port

(3)航道通航時間。通過對大沽沙航道近幾年的通航情況分析，航道通航時間主要受強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)冰、大霧、大浪等氣象環(huán)境影響，每年正常通航天數(shù)為330 d，則航道每年不能通航天數(shù)為35 d[5]。根據(jù)《天津港10萬噸級大沽沙航道通航標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(2014年1月1日施行)，日沒至日出時大沽沙航道禁止船舶通航，因此當(dāng)前大沽沙航道僅限于船舶在日間航行，夏季為06：30～18：30，即每天通航時間12 h；冬季為07：00～17：00，即每天通航時間10 h，因此本航道每天有效通航時間為11 h。將不能通航天數(shù)平均分配到一年中，則模型每運行110 h，停止運行11 h。由于大沽沙航道設(shè)計底標(biāo)高為-14.5 m，滿足進(jìn)出港船舶所需水深要求，故不計船舶候潮時間。

(4)船舶航行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)《天津港10萬t級大沽沙航道通航標(biāo)準(zhǔn)》，10萬t級船舶和5萬t級以上載運本標(biāo)準(zhǔn)第一條第(五)款所述物質(zhì)的船舶在航道中最高限速10節(jié)，其他船舶最高限速13節(jié)。本模型船舶進(jìn)出港航速設(shè)定為8 kn，船舶進(jìn)港或出港航行距離如表3所示，船舶安全航行時距為15 min。

(5)船舶調(diào)度方式。到港船舶實行單向通航，每次進(jìn)港通航間隔為3 h，出港通航間隔為2.5 h。

表3 到港船舶進(jìn)、出港航行距離Tab.3 Sail distance of ship entering and leaving port

(6)船舶靠、離泊時間和裝卸作業(yè)時間。到港船舶靠、離泊時間與泊位港池清爽程度、船員操作技術(shù)及自然天氣等條件有關(guān)[6]，本模型靠、離泊時間服從三角形分布TRIA(0.5,0.8,1.2)，其中低限為0.5 h、眾數(shù)為0.8、上限為1.2 h。到港船舶裝卸作業(yè)時間與船舶載貨量、泊位裝卸工藝有關(guān)，本模型裝卸作業(yè)時間見表4。

(7)泊位分配原則。本模型定義大沽沙航道南北側(cè)岸線擁有的泊位總數(shù)為28個，同一類型同一噸級的到港船舶須停靠在指定的泊位，若泊位空閑，即可靠泊，若被占用，需要等待船舶離港。

表4 到港船舶裝卸作業(yè)時間Tab.4 Time of loading and unloading of ships arriving

(8)仿真模型的驗證。依照圖2所示的Arena仿真邏輯模型流程圖和設(shè)置的模型相關(guān)參數(shù)建立總體模型。運行仿真模型模擬大沽沙航道1 a的運行過程，運行總時間為4 000 h，重復(fù)運行30次。模型結(jié)果顯示，航道年到港船舶數(shù)量為2 729艘次，與2015年、2016年實際到港船舶2 670艘和2 772艘基本一致，表明模型運行規(guī)則與實際船舶進(jìn)出港狀態(tài)相符；年實際吞吐量(即卸載貨物總量)為2 702萬t，與2015年、2016年實際吞吐量2 776萬t和2 611萬t基本相符。若本模型假定每個泊位靠泊船舶均為滿載，港區(qū)年吞吐量可達(dá)到13 828萬t，由此可見大沽沙航道南北岸線泊位實際進(jìn)港船舶大部分為低于泊位等級船舶或者同等級減載船舶，沒有發(fā)揮出港口潛在存儲貨物的能力，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與現(xiàn)有航運行業(yè)狀況和港口經(jīng)營模式有一定關(guān)系。

3 仿真結(jié)果分析

本模型仿真結(jié)果主要參數(shù)見表5。

表5 模型仿真結(jié)果主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of model simulation results

結(jié)果分析：

(1)本模型中設(shè)定船舶類型、船舶噸級及泊位數(shù)量與大沽沙航道南北岸線碼頭泊位現(xiàn)狀基本一致。70 000 t級散貨船、100 000 t級油船和10 000 t級化學(xué)品船，平均等候泊位時間分別為24.4 h、24.9 h和35.2 h，且平均等候泊位船舶隊列為12艘、6艘和8艘，表明這三種現(xiàn)有泊位數(shù)量(分別為2個、1個和2個)應(yīng)有所增加，泊位裝卸作業(yè)效率需提高，從而減少船舶等候時間和船舶等候隊列，提高港口服務(wù)水平。

(2)泊位利用率為船舶年占用泊位時間與年日歷時間的百分比。目前，我國對最佳泊位利用率沒有具體的計算方法，一般按照《港口工程技術(shù)規(guī)范》確定取值范圍，或者取0.58這個折中值。本模型泊位中船舶年占用泊位時間為出港船舶艘數(shù)×相對應(yīng)的占用泊位時間的總和(即33 533 h)，年日歷時間為每天小時數(shù)×每年天數(shù)×總泊位數(shù)的總和(即24×365×28=245 280 h)，因此模型泊位利用率約為13.6%。該利用率值較小，浪費泊位資源，可通過增加大沽沙航道有效通航時間(如可夜航、可雙向通航等方法)來提高泊位利用率。

(3)國際上通常用指標(biāo) AWT/AST 來衡量一個港口的服務(wù)水平。其中AWT表示船舶的平均等待時間，AST 表示船舶平均在泊作業(yè)時間。本模型中船舶平均等候時間AWT值為20.89 h，其值由控制天氣條件、泊位是否空閑、等待航道的Hold模塊得出，船舶平均在泊作業(yè)時間AST值為12.08 h，其值由排隊占用泊位的Process模塊得出。因此AWT/AST值等于1.73。聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議(UNCTAD)在《發(fā)展中國家港口規(guī)劃手冊》中提出：對于發(fā)展中國家AWT/AST適合的值為0.5，發(fā)達(dá)國家為0.3。所以，本模型中港口服務(wù)水平較低，船舶等待時間較長，以犧牲船方利益為代價，大沽沙航道成為港口發(fā)展的瓶頸，應(yīng)對該航道進(jìn)行擴(kuò)建或者優(yōu)化其航道通航標(biāo)準(zhǔn)。

(4)由于航道通過能力相關(guān)指標(biāo)的多元化且之間不相互獨立，在分析時，需結(jié)合實際應(yīng)用背景，尋找出最關(guān)鍵、最本質(zhì)的特征指標(biāo)。為保障天津港大沽沙航道通航安全暢通，有效提升港口服務(wù)水平，應(yīng)利用計算機(jī)仿真模型，通過測試重要的指標(biāo)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，對航道進(jìn)出船舶數(shù)量、港口吞吐量、航道及泊位利用率、港口服務(wù)水平等的影響變化，得出港口綜合服務(wù)水平較高時重要指標(biāo)參數(shù)的運行區(qū)間。根據(jù)模擬結(jié)果，將會為港口通過能力突破極限、繼續(xù)提升服務(wù)水平而所需采取的相應(yīng)措施提供重要依據(jù)。