甘浪雄 龚楚钜 张 羽 张 磊 束亚清 姜宇昂

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063)

0 引 言

随着科技、贸易的快速发展，日益增大的船舶数量和水上运输货物量，导致了航道通过能力不足、锚地及泊位资源的短缺.由于受到港区岸线资源、可利用水域面积等因素的限制，港区交通资源在一定的时间和空间内将达到承载极限，伴随而来的是愈加复杂的交通态势，将严重制约港口区域经济的发展.因此,针对港区水上交通资源承载能力进行量化和分析，能够有效评判港口交通资源的合理性,对未来合理的规划建设具有重要的现实意义.

目前国内外关于港口交通资源承载力方面的研究多围绕水土、景区及环境[1-4]等方面开展.于美娜等[5-6]对港区可持续发展性进行评价，分析影响港区环境承载力的主要因素.在港口资源承载力方面.桂劲松等[7]基于工程模糊集理论，结合港区能源消耗、环境污染所造成的代价以及经济发展等诸多因素进行综合评估，建立了基于港口货物吞吐量的预测模型.陈楷根[8]定义了区域承载力的概念，认为承载力需要适度而非最大承载极限.韩鹏等[9]汇总了环境承载力的常见的评价方法，并根据实例探讨了各个评价方法的优点和不足.

这些方法多为定性评价，缺乏以真实数据支撑的定量评价手段.文中构建航道、锚地及泊位的单因素量化模型，分析单因素之间的影响及制约关系，基于排队理论构建港区交通资源承载力的计算模型来对港口整体的承载力量化计算，引入ALARP原则设定承载力分级标准，根据分级评价结果得知港区现阶段交通资源承载能力，从而发现制约港口发展的因素，进而采取相应措施，更有效地服务于港口建设.

1 港区交通资源承载力建模

1.1 港区交通资源及其承载力的概念

港区交通资源指船舶运动所处的空间和条件，主要包括航道资源、锚地资源和码头泊位资源.承载力的实际含义就是反映出来某种物质的基础与受体的耦合关系，表现在物质作为基础条件能够维持受载体的数量极限.港区交通资源承载力表示在一定范围、时间和空间内，现阶段港区的交通资源能够支撑港口发展的经济要求，同时又能维系系统安全、便捷、可持续发展的承受能力，其中包括航道的通过能力、锚地利用率以及泊位的服务效率.

1.2 ALARP分级标准

“最低合理可行”原则(as low as reasonably practicable，ALARP)[10]，是当前国外风险可接受水平普遍采用的一种风险判断原则.风险标准构成见图1.

图1 承载力分级图

1.3 量化模型

1.3.1锚地承载力的量化

锚地利用率是指在不考虑船舶随机到达规律特征的情况下，通过计算锚泊船占用水域面积的总值与锚地实际总面积的比值.单船锚泊面积计算根据抛锚系泊中单锚泊方式计算[11]:

S=πR2=π(ε+L+d)2

(1)

式中：S为船舶锚泊面积；R为锚泊船的安全半径；ε为VTS定位产生的误差；L为锚泊船舶的船长；d为锚泊船投放锚链的长度.

在计算出单个船舶锚泊所需的水域面积之后，通过AIS(automatic identification system)数据统计锚地内一段时间锚泊船舶数量及平均锚泊时间，最终求得该水域运输船舶对锚地面积的需求.

锚地利用率的计算方式为

(2)

式中：Mi为锚地的利用率，即锚地的承载力指数；Ar为锚地的面积需求值；k为锚地有效利用系数；At为锚地的建设水域面积.

参照本领域内[12-14]的研究成果设定分级标准.表1～3分别为锚地、航道及泊位承载能力分级标准，表4为综合多种因素后的综合承载能力分级标准.

表1 锚地单因素承载能力分级标准

表2 航道单因素承载能力分级标准

表3 泊位单因素承载能力分级标准

表4 多因素制约的综合承载能力分级标准

1.3.2航道承载力的量化

航道通过能力是指航道在一定时期内能够通过的最大运输量，其能力直接表现在港口的货物吞吐量大小上.航道通航的饱和程度可以用来衡量航道的通航能力及服务能力，由实际的船舶流量与航道理论上的通航船舶容量比值表示，计算的结果可以用来反映航道某一时间段或区域段的拥挤程度.

为方便计算需进行交通流量的换算，根据不同船长的船舶在某区域交通流量中的占比，以该区域航行的占比最大的船舶类型作为标准船型，设定其换算系数为1，其它吨位的船舶参照中国船舶换算系数换算，得到最终的交通流.

航道年货物承载能力为

Tf=Cad×DWT

(3)

式中：Cad为航道的年基本交通容量；DWT为船舶平均载重.

航道的饱和度研究可以体现出港口中航道现阶段使用情况，具体可以表示为航道实际货物吞吐量与理论货物承载量的比值.航道的实际交通流量需要考虑生产生活中的影响因素，如航道环境、交通态势等[15].

航道饱和度为

Hi=Tr/Tf

(4)

式中：Hi为航道饱和度；Tr为货物吞吐量,亿t；Tf为货物承载能力,亿t.

1.3.3泊位承载力的量化

当系统中有k艘船舶时，系统的状态为k，此时的概率为Pk，k随着船舶到达和离开港口而不断发生变化，Pk随着时间t而发生变化.当k从状态1转移到0说明系统中有一艘船舶并且船舶被服务完毕离开港口的转移率为μP1；从状态2到状态1时，那么说明2个泊位上被服务的船舶中有一艘船舶服务完毕离开港口，转移概率为2μP2；同样的道理，从状态C转移到c-1时，如果k

状态转移的过程中，系统处于稳态或平衡状态的充要条件是

ρ=λ/Cμ

(5)

式中：ρ为排队系统服务强度，反映泊位的利用率；λ为每天到港船舶的平均数量；C为泊位数；μ为每天服务完毕的船舶数量.

排队系统中船舶平均在港时间以及船舶平均等待时间可以反映出港区交通资源锚地的承载水平，等待时间及等待的船舶数量能够反映出锚地的承载能力.

码头泊位全部空闲事件发生的概率

(6)

在港待泊的平均船舶数：

(7)

船舶在港内的平均等待时间td为

td=Lq/λ

(8)

1.4 综合承载力计算

将航道饱和程度与泊位的利用率进行比较，货物吞吐量越大则泊位越繁忙也就意味着泊位利用效率越高，航道也就越拥挤.假定港口货物吞吐量为某一定值的情况下，如果码头泊位利用率达到高载或高负荷状态，相对于航道交通资源来说，泊位资源就是承载力的“短板”；如果航道的通过能力不足或者严重拥挤，导致船舶靠离泊作业以及驶离港口的效率过低，那么航道资源就是承载力的“短板”.将锚地利用率与码头泊位的利用率作比较，货物吞吐量越大也就说明泊位利用率越高，而在锚地资源上可以从锚地船舶数量以及锚地船舶平均等待时间等指标上体现.当货物吞吐量一定时，如果锚地利用没有达到高载或超载状态，还可以容纳船舶到达排队，而泊位的利用率已经超负荷，导致锚地船舶等待时间较长，则泊位是瓶颈因素；如果泊位的利用率尚处于正常且健康的运作状态，而锚地却已经达到高载或满载状态，导致港口整体的服务水平较低，可认为锚地资源为制约发展的瓶颈因素.

排队服务强度反映码头泊位的繁忙程度，服务强度大于1会造成船舶无限排队，当服务强度小于1时说明港口服务强度满足要求，航道承载力可参照航道承载力预警指标.

排队等待船舶的锚地需求面积为

Ay=Lq·Td·S

(9)

锚地排队等待船舶的承载力指数为

Mj=Ay/Af

(10)

港区综合承载力

M=min(Mi,Mj)

(11)

2 计算结果分析

2.1 数据来源

选取深圳西部港区水域范围并获取2018年全年AIS数据进行实例计算.西部港内共建泊位107个，深水泊位25个；共有90个生产性泊位，集装箱泊位28个，危险品泊位6个，杂散货泊位24个，客运泊位20个及其他功能泊位；锚地7处，锚地总面积约30.45 km2，主要通航航道5条，货物吞吐量为2.51亿t.通过船舶AIS数据得知，2018年进出港船舶总数量约为37.43万艘·次，其中集装箱船进出港数量为12.81万艘·次，约占总体数量的34.2%.

2.2 计算结果

1) 锚地相关参数 根据筛选的结果计算出锚地的平均锚泊船数、锚泊船的平均船长，以及平均锚泊时间等相关系数，见表5.

表5 锚地AIS信息筛选统计结果

2) 航道相关参数 根据2018年深圳西部港区的航道参数，将航道划定为多边形的水域范围，并找到每个节点的坐标，导入MATLAB中进行船位点的船舶AIS信息筛选，依照筛选导出的结果计算航道的通航船舶数量、平均航行时间等参数，见表6.

表6 航道AIS信息筛选统计结果

3) 运输船舶在港数据 本文通过对深圳西港2018年挂靠港61 366艘·次船舶数据，利用MATLAB对船舶类型、平均船长、船宽、平均在港时间，以及平均作业时间进行统计，统计结果见表7.

表7 船舶在港数据

将各类参数代入承载力计算模型后，依据ALARP原则对其进行分级显示.以集装箱船为例，每天到港船舶的平均数λ为57艘；泊位数C为28，平均服务船舶数μ为2.65艘/d，利用式(5)计算得到服务强度ρ为0.769 3，利用式(7)计算得到平均排队船舶数为0.806 8艘，利用式(8)得到平均排队时间为0.089 5 d.再依次得到杂、散货类，油、危险品船及综合计算结果，见表8.

其中，锚地、航道及泊位三个影响港区交通资源承载力的单因素计算结果见表9.

表8 港区交通资源承载力计算结果

表9 影响港区承载力单因素计算结果

根据计算结果可知，目前整体来看，深圳西部港区承载力为0.826 7，虽然仍然处在可接受范围也就是“ALARP”区域中，但数值已经十分接近“不可接受区域”.另外通过对不同类型进行分类计算可以发现，集装箱类泊位服务能力仍未饱和，还有较为可观的承载空间，而杂散货类型却已经处于“不可接受”区域，承载能力较弱，泊位高度繁忙，到港船舶需要排队时间接近7.98 h，这也与船舶AIS信息中统计的平均等待时间较为接近.分析承载力的单因素指标可以发现，货船锚地、液货船锚地以及黄田3号锚地已经处于超载的“不可接受区域”，铜鼓航道、妈湾航道也十分繁忙和拥挤，这些交通资源的承载力低下无法满足当前港口运输船舶的需求，需要及时采取措施.

2.3 优化建议

根据计算结果，深圳西部港区的锚地资源已经呈现“高载”的态势，建议深圳西部港区采取以下措施：①扩建锚地，为锚泊船舶提供高质量服务；②优化锚地布局，部分锚地的利用率并不高.航道资源中，铜鼓航道及妈湾航道的饱和度指标分别为0.913和0.862，已经在“不可接受”的风险范围内，可以通过扩建现有航道、设置船舶定线制等来提升航道通航能力.泊位资源中，仅有杂散货类的泊位处于“不可接受”风险区域，货船锚地、液货船锚地已经处于严重超载的状态，可通过增设泊位，合理分配资源，增加散货船泊位以满足此类船舶的运输装卸需求；同时可以优化产业结构，合理规划其港区分布，增设锚地，避免集中在某一空间导致严重超载的情况发生.

3 结 束 语

本文从锚地、航道和泊位三个单因素出发，分别构建了量化模型，并进一步构建了多因素影响下的综合量化模型，对承载力进行等级界定.最后以真实港区数据进行实例研究，通过对得到的结果进行分析，提出了有针对性的交通资源优化建议.本文研究内容有助于提高海事局对于辖区内交通环境状况的认知和把控，并且提供量化指标供港口管理者做出科学决策.