房 卓，姚海元，王達川，李宜軍，陳 飛

(1.交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；2.綜合交通規(guī)劃數(shù)字化實驗室，北京 100028)

為保障蘇北地區(qū)供氣安全、完善儲氣調(diào)峰設(shè)施建設(shè)，初步考慮在連云港港選擇一處LNG接收站港址。目前，國內(nèi)針對LNG船舶進出港航行采取提前封航、航道單向管制等措施，以滿足LNG船舶進出港的移動安全區(qū)要求，因此LNG船舶進出對港口其他生產(chǎn)性船舶的運營會產(chǎn)生影響。為保障港口資源的充分和有效利用，LNG站選址須科學(xué)、定量論證，最大程度地降低選址對港區(qū)遠期發(fā)展的影響[1-3]。

已有文獻主要針對連云港港相關(guān)港區(qū)航道條件開展研究：顧勇、馬興華等[4-5]對連云港港30萬噸級航道工程可行性及建設(shè)主要技術(shù)問題進行研究；應(yīng)銘等[6]對連云港和徐圩港區(qū)航道回淤情況進行數(shù)模研究，并提出回淤規(guī)律和回淤機理；紀(jì)為剛等[7]對連云港港徐圩港區(qū)自然條件、港口環(huán)境等通航環(huán)境進行分析；房卓等[8-9]采用仿真方法對連云港和徐圩港區(qū)的主航道適應(yīng)性和通航標(biāo)準(zhǔn)進行研究，并對贛榆港區(qū)LNG碼頭通航影響進行定量研究。

本文采用多智能體仿真建模方法建立LNG碼頭選址涉及相關(guān)港區(qū)船舶進出港作業(yè)全過程的仿真模型，定量評估不同選址LNG船舶進出港對遠期港口通航效率的影響；并通過對港址條件、通航影響、港口功能定位等進行多要素對比，提出推薦港址。

1 港口概況

連云港港目前已初步形成以連云港區(qū)為主體，以徐圩、贛榆、灌河港區(qū)為兩翼的“一體兩翼”總體發(fā)展格局。截至2019年底，共有萬噸級及以上經(jīng)營性生產(chǎn)性泊位78個，綜合通過能力1.7億t，最大靠泊等級25萬噸級。

根據(jù)發(fā)展需要，初步考慮在港區(qū)A或港區(qū)B選擇1處LNG接收站碼頭港址(圖1)。其中，港區(qū)A選址LNG船舶進出與周邊港區(qū)C共用主航道，因此港區(qū)A選址將涉及2個港區(qū)及周邊水域的船舶進出港(圖2)；港區(qū)B選址及其對港口可能產(chǎn)生的遠期通航效率影響已有研究。

圖1 連云港港沿海港區(qū)分布

圖2 港區(qū)A LNG碼頭初步選址

在碼頭設(shè)施建設(shè)方面，港區(qū)A生產(chǎn)性泊位11個，綜合通過能力3 794萬t；港區(qū)B生產(chǎn)性泊位4個，綜合通過能力880萬t；港區(qū)C生產(chǎn)性泊位51個，綜合通過能力1.1億t。

2 仿真研究

2.1 模型

采用多智能體仿真模擬方法[10]建立港區(qū)A、C船舶進出港作業(yè)全過程的仿真模型，模擬涵蓋2個港區(qū)生產(chǎn)性船舶進出港、通航規(guī)則(船舶乘潮規(guī)則、進出港優(yōu)先級、夜航限制等)、錨地和裝卸等諸多要素。船舶進出港邏輯流程設(shè)計見圖3。

圖3 船舶進出港邏輯流程

模型包含100余個參數(shù)、變量及行為邏輯函數(shù)控件，包括2個子系統(tǒng)：1)主系統(tǒng)，用于設(shè)定整個港口作業(yè)流程各環(huán)節(jié)參數(shù)，包括初始化模型、定義參數(shù)、定義控件功能等；2)船舶航行系統(tǒng)，用于判斷船舶進出港行為的邏輯流程部分，包括船舶智能體狀態(tài)流程、船舶上下線點選擇等。主要控件及功能見表1。

表1 模型主要控件及功能

2.2 主要參數(shù)

2.2.1船舶流量預(yù)測

根據(jù)港口規(guī)劃，結(jié)合國際船型發(fā)展趨勢，設(shè)定不同貨類、不同噸級船型的裝載率，預(yù)測港區(qū)A、C港口規(guī)劃實施后遠期進出2個港區(qū)船舶約4萬艘次/a；遠期進出港區(qū)B船舶約2.85萬艘次，預(yù)測結(jié)果見表2。參考國內(nèi)已投產(chǎn)LNG接收站運營實際，結(jié)合港區(qū)A的LNG接收站遠期發(fā)展規(guī)模，預(yù)測遠期到港LNG船舶數(shù)量，預(yù)測結(jié)果見表3。

表2 生產(chǎn)性船舶進出港數(shù)量預(yù)測(規(guī)劃全部實施后) 艘次

表3 LNG船到港船舶數(shù)量預(yù)測

2.2.2遠期航道尺度及通航標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)港口規(guī)劃，港區(qū)A、C航道由30萬t推薦航線、外航道(主航道)、港區(qū)C支航道和港區(qū)A支航道組成，規(guī)劃航道尺度見表4。根據(jù)研究，連云港港主航道(30萬噸推薦航線-外航道段)通航標(biāo)準(zhǔn)為30萬噸級船舶單向通航、10萬噸級和5萬噸級船舶雙向通航比較合理。上述標(biāo)準(zhǔn)作為研究的規(guī)則參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 港區(qū)A、C水域航道規(guī)劃尺度

2.2.3船舶到港規(guī)律

對港區(qū)現(xiàn)狀到港船舶數(shù)量分布進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖4。從圖4可知，船舶到港規(guī)律服從正態(tài)分布：

圖4 船舶到港數(shù)量分布

X～N(μ，σ2)

(1)

式中：μ為日到港船舶流量均值，標(biāo)準(zhǔn)差σ=5.2。因此本研究假設(shè)遠期港區(qū)A、C的日到港船舶數(shù)量服從正態(tài)分布規(guī)律。

2.2.4LNG船舶進出港時間

根據(jù)港區(qū)實測流速及液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范要求，在正常天氣條件下，水流不影響LNG進出港航行和靠離泊作業(yè)，可在日間全潮通航。

2.2.5LNG船舶移動安全區(qū)及通航影響機制

根據(jù)沿海港口LNG船舶通航的一般規(guī)則，LNG船進出港均需設(shè)移動安全區(qū)，前后取1 n mile、左右各300～500 m。

LNG船進港：主要是對擬出港船舶造成延誤影響，港區(qū)C平均需提前1.5 h禁止船舶出港，待LNG船進入航道約1 h后解除管制，全程管制時間2～3 h；港區(qū)A管制時間4～5 h。

LNG船出港：主要是對在錨地等待擬進港船舶造成延誤影響，位于不同錨地區(qū)域船舶的提前管制和結(jié)束管制時間不同。

2.2.6船舶進出港航路

根據(jù)港區(qū)A、C船舶進出港航行軌跡，結(jié)合航道規(guī)劃，進出港航路按如下設(shè)定：5萬噸級以下船舶從3#錨地附近上下線，5萬～15萬噸級船舶從4#錨地附近上下線，15萬～25萬噸級船舶從5#、6#錨地附近上下線，25萬噸級以上的大型船舶從遠期規(guī)劃的30萬噸級航道起點上下線。LNG船屬于淺吃水船舶，對航道水深要求相對較低，可考慮經(jīng)5#、6#錨地附近上下線(圖5)。

圖5 港區(qū)A選址周邊水域船舶航路及船舶上下線點

2.3 港區(qū)A、B選址通航影響對比分析

針對港區(qū)A的LNG碼頭選址船舶進出港仿真計算共設(shè)計2組工況：在港口規(guī)劃實施后，LNG年運營規(guī)模300萬和600萬t。每組工況進行20次仿真模擬，一次計算周期為1 a，可得到不同運營規(guī)模下的船舶延誤艘次、LNG船單次進出港影響艘次、分船型延誤時間等3項指標(biāo)。并將指標(biāo)計算結(jié)果與港區(qū)B的LNG碼頭選址同工況研究結(jié)果進行對比分析。

2.3.1船舶延誤艘次影響

港區(qū)A、B 2處選址LNG船舶通航導(dǎo)致港區(qū)各類船舶延誤的全年延誤總艘次、分船型全年延誤艘次的計算結(jié)果及對比見圖6。

注：μ為均值。

在全年延誤總艘次方面，當(dāng)港口規(guī)劃實施后，港區(qū)A選址LNG船舶通航產(chǎn)生的船舶延誤艘次是港區(qū)B址的1.7～1.8倍。在分船型延誤艘次方面，港區(qū)A選址LNG船舶通航對各類船型的延誤影響均大于港區(qū)B選址。

2.3.2LNG船單次進出港影響

港區(qū)A選址LNG船單次進出港延誤船舶艘次的仿真記錄(LNG年進口規(guī)模300萬t為例，20次計算結(jié)果)見圖7。從圖7可見，LNG船每次通航影響程度具有隨機性，因此須對LNG船單次進出港影響的船舶數(shù)量分布概率進行統(tǒng)計。

圖7 LNG船通航延誤的船舶數(shù)量仿真記錄(LNG 300萬t)

2處選址LNG船舶進出港單航次影響的船舶艘次分布概率對比見圖8。以LNG進口規(guī)模300萬t為例，港區(qū)A的LNG船舶單航次延誤的船舶在10～20艘次的概率最高(38%)，其次為5～10艘次(33%)；港區(qū)B的LNG船舶單航次延誤的船舶在0～5艘次的概率最高(58%)，其次為5～10艘次(20%)。港區(qū)A選址LNG船舶單航次的通航影響更大。

圖8 LNG船每航次進出港延誤的船舶數(shù)量對比

2.3.3船舶延誤時間

2處選址的分船型船舶延誤時間的分布統(tǒng)計計算結(jié)果見圖9。2處選址的單船延誤時間影響主要分布在0～5 h內(nèi)；但港區(qū)A選址單船延誤5～10 h的發(fā)生概率較高，以集裝箱船為例，港區(qū)A選址的單船延誤5～10 h的概率達17%，港區(qū)B選址僅為2%；此外，2處港址的極端延誤情況可超過10 h，油船和液體化工品船延誤時間超過5 h的船舶比例大于集裝箱船和散雜貨船，這是由于油船及液體化工品船的夜航限制，若因LNG船的管制無法及時進出港，須推后1 d或以上時間才能進出港。

3 選址綜合對比

在通航影響對比分析的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃情況、航道條件、選址與后方城市距離、通航影響等多方面要素，對2處選址的港址條件進行對比，結(jié)果見表5。

表5 2處選址條件對比

在航道條件方面，現(xiàn)狀2處選址所在港區(qū)均為10萬噸級航道，通航寬度和底高程尚無法滿足21萬～27萬m3LNG船舶通航條件，規(guī)劃航道均可滿足。在LNG選址與后方城市協(xié)調(diào)性方面，2處選址與后方城市距離在5 km以上，滿足《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》中相關(guān)距離要求。在LNG船舶對港區(qū)船舶通航影響方面，無論是在遠期延誤船舶數(shù)量還是各類船型延誤時間方面，港區(qū)A選址影響均大于港區(qū)B。為此，在現(xiàn)行通航規(guī)則和港口規(guī)劃條件下，總體推薦港區(qū)B選址作為LNG接收站碼頭的推薦港址。

4 結(jié)論

1)采用多智能體仿真方法，建立模擬港區(qū)A的LNG碼頭選址船舶進出涉及相關(guān)港區(qū)和水域的船舶進出港全過程仿真模型，涵蓋2個港區(qū)生產(chǎn)性船舶進出港、乘潮及夜航限制等多項通航規(guī)則、錨地利用和碼頭裝卸等多要素環(huán)節(jié)。

2)當(dāng)港口規(guī)劃實施后，港區(qū)A選址LNG船舶通航產(chǎn)生的全年船舶延誤艘次是港區(qū)B選址的1.7～1.8倍，港區(qū)A選址的LNG船舶單航次延誤影響和分船型延誤時間影響也均高于港區(qū)B。

3)在現(xiàn)行通航規(guī)則和港口規(guī)劃條件下，綜合分析港區(qū)規(guī)劃功能定位符合性、航道現(xiàn)狀和遠期實施條件、LNG選址與城市安全距離及LNG船舶通航對各類船型延誤影響指標(biāo)等多要素，總體選擇港區(qū)B選址作為連云港LNG接收站碼頭的推薦港址。