卢笙
（丰海技术咨询服务（上海）有限公司，上海，200011）
【摘 要】航道设计对保证水上运输顺畅、安全具有重要意义，其受到船舶尺寸、天气季节、地质条件等多种因素影响，因而设计工作繁琐复杂。得益于电子计算机技术的发展，目前多种模拟仿真技术被应用于现代航道设计工作中，从而大大提高了航道设计工作效率，也降低了设计人员的工作量。本文以我国某港口的主航道设计工作为实例，通过计算机模拟讨论了单、双航道模式对港口航道通航的影响，得到了一些重要参数，为最终的设计方案提供了极为重要的参考。
【关键词】计算机；模拟技术；航道设计；应用分析
引言
据相关部门统计：在2015年，我国水路完成总货运量为62.15亿吨，增速同比下降2.5%。虽然随着我国经济进入“新常态”，全国各个行业进入低谷，但是我国水运还是保持着增长态势。航道是组成港口码头的重要部分，其直接决定了通航能力和吞吐量，因而航道设计和建设对充分发挥我国水路运输潜力、保证水运事业健康发展具有重大意义。随着运输船舶向着大型化、专业化方向发展，航道设计工作也需要时刻做出调整，因而很多经验公式不再能直接应用，这使得航道设计工作更加繁琐和重要。
1．工程概况
某港口位于我国沿海地区，主要有四个港区组成。其中第一港区已建成主要大型泊位8个，其中5万t级泊位3个；10万t级泊位3个；20万t级泊位1个；30万t级泊位1个。目前该港口已经新开辟一条20万t级航道，为了满足市场发展，增大港口竞争力，管理层决定设计再新开辟一条30万t级航道。该港口进出的最大船型为20万和30万t级的散货船，其主要尺寸见下表1所示。
表1 主要大型船舶尺寸表
2．现代航道设计原则
航道系统作为水路运输的主要决定因素，关于它的工作受多方面条件的影响，因而在设计时需进行综合考虑，主要遵循以下几点原则：
（1）内、外部条件充分结合。众所周知，航道系统除了受到河道宽度、河水深度、地质条件等内部因素影响外，还受到季节、风力、温度等因素的影响，因此在设计航道时需综合考虑这些因素，实现方案最优；
（2）充分考虑远景发展。在航道设计时不仅要考虑近景规划和利益，还要充分考虑港口的远景发展。航道建设耗资巨大，而随着我国水路运输规模的不断扩大，必然要留有一定的富裕系数；
（3）兼顾局部和整体利益。航道系统虽然是港口最为重要的部分之一，但是要想充分发挥其作用还得兼顾其他设施的功能。因此，在优化航道设计系统的基础上兼顾整体利益，在必要时适当牺牲局部利益也是在所难免的；
（4）定量与定性分析相结合。定量分析重点是确定设计的各项参数指标，是设计工作的主要途径。而定性分析是指那些无法用准确数字确定的量，只能依靠统计数据及主观经验判断来确定，只有将这两者很好的融合才能使最终方案符合实际使用[1]。
3．计算机模拟技术在现代航道设计中的应用分析
随着船舶尺寸及功能向专业化发展，关于航道尺寸及通航条件等也处于不断变化之中，目前航道设计工作都是参照《海港总平面设计规范》JTJ211-1999，目前该规范在很多地方已经不能满足实际需要。本文针对单向和双向航道设计情况进行了计算机模拟，为最终方案的确定提供了必要的参考。
3.1双向通航模型的建立
根据对双向航道作业流程分析，建立如下图1所示的双向航道通航模型流程。从图中可以看出进港航道N9、出港航道N11、工作泊位N12共同组成了港口的循环服务系统。其中工作泊位是共用的服务机构。而工作泊位的数量是决定船舶等待时间的决定性因素，其根据船舶在航道中的最小间隔以及平均航速等确定的[2]。
在图1中，N1可来船舶可看作泊松流，但是为保证航道的通航能力足够大，因此模拟时按照密集船舶流进行。N2来船可模拟船舶达到的时间间隔，之后通过各节点模拟来船统计及分类排队。N5船舶进港和N9进港航道的模拟都是需要紧密结合之前的步骤进行。之后对N7停泊作业的时间模拟也是重点之一，之后船舶进入出港航道等待出港[3]。
图1 双向航道通航模型流程
3.2单向模型的建立
当航道设计为单向航道时，其通航模型流程见下图2所示。由图中可以看出单向航道N9和工作泊位N11是该系统的公共循环服务机构。其余的模拟方法和双向航道一致。但是特别注意：由于单向航道在实际运行中会出现进出口船舶干扰问题，在模拟时需设置必要的虚拟节点。例如：假设该港口设有4个工作台，如果出港船舶占用了其中的3个，那么最后一个工作台往往就无法被进港船舶使用，而在模拟时如果没有虚拟节点，就会自动让进港船舶使用剩余工作台，导致模拟结果出现较大错误[4]。
图2 单向航道通航模型流程
3.3在项目航道的模拟分析
在此对本文所叙述的某港口航道进行仿真模拟，其具体的基础数据如下：1.到港船舶符合泊松流，假设锚地等待进港的船舶足够多，等航道及泊位空闲时则安排通过航道进港；2.船舶在航道的平均航行速度符合正态分布，在此设置为9节，方差为1.5；3.船舶在停泊位的作业时间取值24h；4.船舶航行的间隔时间设计为10min，通过估算需设置服务台10个。
（1）双向航道模拟结果分析
通过结合该航道实际情况，利用模拟技术对其全年的通航量进行了模拟，其具体结果如下表2所示。
表2 双向航道最大通航数量模拟结果
通过对比表2和表4可知：单向航道的年最大通航船舶数和泊位利用率相对于双向航道来说显著减少，此外，出港“压船”现象更加严重。单向航道的显著缺点是各流程干扰较大，尤其是泊位和航道利用率更是一组互相制约的因素，如果泊位全部被占满，那么航道必然处于空闲状态；又如果在泊位处的船舶在间隔很短时间内完成作业需要出港，会由于航道条件限制而必须等待。这些都会造成泊位及航道的利用率下降[6]。
通过模拟分析可知：双向航道相对于单向航道有着显著优势，是大型化港口的发展建设方向。但是需要说明计算机模拟是在较为理想的情况下进行的，没有过多考虑现实制约因素。虽然双向航道优点明显，但是相对单向航道来说投资较大，且后续的一系列配套设施都需要完善，对于中小型港口未必是性价比较高的方案。
4．结束语
航道建设是港口规模扩大的重点项目之一，借助计算机模拟技术可以在较短时间对不同方案进行比较。但是模拟语言也存在其局限性，最终的设计方案还是需要专家技术人员的共同讨论，不可对高科技进行盲目相信。本文对某港口单、双向航道模拟后得出双向航道较之合适，在设计规划中可重点考虑。
参考文献：
[1]唐国磊，王文渊，宋向群，等.海港进港航道设计辅助分析系统设计与实现[J].水运工程，2013，（08）：32-35.
[2]杨双晏，李双来.计算机模拟技术在港口工程设计中的应用[J].港工技术，2011，（04）：75-79.
[3]张庆河，李炎保.船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用[J].中国港湾建设，2010，（01）：21-25.
[4]卓永强，万祥麟，陈沈阳.船舶交通系统模拟技术的开发与研究[J].中国航海，2008，（02）：28-32.
[5]边晓丽.船舶操纵模拟在航道设计中的应用[J].中国水运，2006，（03）：47-51.
[6]钱华忠.船舶操纵模拟器在港航设计论证上的应用研究[J].中国航海，2013，（01）：66-70.
作者简介：
卢笙，女，（1981.08—），广西南宁人，毕业于同济大学，本科，工程师，主要从事港航工程设计与研究。
论文作者:卢笙
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年6月总第211期
论文发表时间:2016/8/11
标签：航道论文; 船舶论文; 泊位论文; 港口论文; 双向论文; 工作论文; 计算机论文; 《工程建设标准化》2016年6月总第211期论文;