基于排隊模型的洋山港主航道通過能力分析案例目錄TOC\o"1-2"\h\u24071基于排隊模型的洋山港主航道通過能力分析案例 1190031.1洋山港主航道概況 1152101.1.1航道 242631.1.2泊位 2307241.2洋山港船舶到港統計分析 3103371.3洋山港通過能力計算 5206951.3.1參數取值 592171.3.2非突發事件下的航道通過能力計算結果 764841.3.2突發事件下的航道通過能力分析 7121831.3.3洋山港主航道通過能力的結果分析 121.1洋山港主航道概況海洋山深水港位于\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"杭州灣口外的崎嶇列島，由小洋山島域、東海大橋、\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"洋山保稅港區組成，于2005年12月10日開港，在業務上屬于\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"上海港港區，行政區劃屬于浙江省舟山市的嵊泗縣。洋山港港區規劃總面積超過25平方公里，包括東、西、南、北四個港區，洋山深水港位于杭州灣口、長江口外的浙江省嵊泗崎嶇列島，由大、小洋山等數十個島嶼組成，是中國首個在海島建設的港口，也是距上海最近的深水港。主港區西北距上海市南匯區蘆潮港30km（16.2nmile），其最西北端的小烏龜島（2.16nmile）距蘆潮港僅27.5km（11.85nmile）。大洋山地理概位30°34′58″N、122°04′19″E，距小洋山4km（2.16nmile）。小洋山與蘆潮港間建有雙向6車道大橋（東海大橋），大橋全長32.5公里，是連接上海國際航運中心洋山深水港的交通大動脈，也是全港水、點和通訊管線的唯一載體。臨港沿線北起大治河口31°00′N，西至杭州灣北岸121°40′E沿岸，岸線總長56.6公里，共有碼頭6個，水閘4個，沿岸包含南匯嘴觀海公園等公共設施，范圍廣、種類多，監管難度相對較大。洋山港區及附近水域還處在建設發展期，海上工程多，如水上風電場建設、碼頭水工作業等。洋山港客運航線分布于小洋山與嵊泗、舟山各島嶼間，共有航線12條，各類運營船舶42艘；目前，洋山港共有碼頭單位13家，泊位67個。REF_Ref32751\r\h[18]1.1.1航道洋山港主航道從黃澤洋燈船延伸至深水港區上海盛東國際集裝箱碼頭NO.9泊位前沿水域，是大型船舶進出洋山港的專用航道。航道長51.1km（27.6n.m.），設計水深16.5m，航道寬度550~1000m。以中心點30°33′.57N/122°11′.48E為圓心，3.704km（2.0n.m.）為半徑的水域為洋山港主航道警戒區，進出洋山港的東西向大型船舶交通流與經過金山航道的南北向船舶交通流在警戒區內交匯。洋山港主航道附近島嶼眾多，航道邊界緊鄰島礁區，與多股船舶交通流縱向交匯。洋山港區主航道及附近水域可分為5段，如下圖1.1圖1.1洋山港主航道1.1.2泊位目前，洋山港已建的集裝箱碼頭為一、二、三期工程，其中一期工程布置5個5~10萬噸級泊位，二期工程布置4個7~10萬噸級泊位，三期布置7個7~15萬噸級泊位。詳見表1.1表1.1洋山港集裝箱泊位情況統計碼頭名稱靠泊能力長度實際前沿水深洋山一期集裝箱泊位（5個）7-10萬噸320米-16米洋山二期集裝箱泊位（4個）7-10萬噸350米-16米洋山三期集裝箱1、2泊位7-15萬噸400米-16米洋山三期集裝箱3泊位7-15萬噸450米-16米洋山三期集裝箱4-6泊位7-15萬噸350米-16米洋山三期集裝箱7泊位7-15萬噸300米-16米1.2洋山港船舶到港統計分析根據洋山港海事局VTS系統統計，選取2013年洋山港進出港船舶類型的數據如表1.2所示表1.22013年洋山港進出港船舶類型數據船舶噸位99噸以下100~499總噸500~999總噸1000~2999總噸3000~9999總噸10000~49999總噸50000總噸及以上進出港艘次2810905087155553120787297所占比例（%）0.181.602.1430.2122.358.7730.81表1.3中國船舶換算系數船舶總噸位（噸）船長（m）換算系數100以下30以下0.25100~50030~500.5500~300050~9013000~600090~1151.186000~10000115~1351.4110000~15000135~1551.715000~20000155~170220000~30000170~1952.2530000~40000195~2152.540000~60000215~2463600000以上246以上4洋山港主航道日平均流量達61.90艘次，進出洋山港的主要船型為國際干線集裝箱船和內支線集裝箱船，日平均流量分別為23.98和31.13艘次；其他船舶多數為占用主航道行駛的中小型貨船和漁船，占總流量70%以上。2013年主航道全年交通流量統計數量見表1.4表1.4洋山港主航道交通流量統計船舶類型國際航行集裝箱船舶內支線集裝箱船舶油船LNG船舶其他船舶合計上行船舶/艘次6203431722123834913119下行船舶/艘次4314409118593327110568總計10517840840717162023687日平均/艘次28.8122.04061.90結合表1.2和表1.3的數據可確定洋山港主航道標準船的船長：L=0.18%×15+1.60%×40+32.35%×70+22.35%×112.5+8.77%×182.5+30.81%×315=162.6425≈163根據表1.4中2013年全年的進出港船舶到港數據統計，其中主要為集裝箱船舶和內支線集裝箱船舶，依據集裝箱船設計船型尺度的規定，將進出洋山港的標準船型定為船長約為163米的15000噸級船舶。1.3洋山港通過能力計算1.3.1參數取值（1）船舶到達率船船到達率是指一年內船舶的平均到港情況。根據表1.4統計2013年洋山港到港船舶數量為23687艘次，平均每天到港船舶為61.90艘/天，則船舶到達率為65艘/天。港口服務率洋山港主航道從黃澤洋燈船延伸至深水港區上海盛東國際集裝箱碼頭NO.9泊位前沿水域，是大型船舶進出洋山港的專用航道。航道長51.1km（27.6n.m.），設計水深16.5m，航道寬度550~1000m。本文按12節航行速度，船舶在航道中的航行時間=2.3h=0.096d。根據集裝箱船設計船型尺度標準，可確定15000噸級的集裝箱船的載箱量約為1900TEU。已知洋山港現有集裝箱專用泊位16個，具體見表1.1，集裝箱裝卸橋吊共62臺，裝卸橋平均每小時裝卸50TEU。根據靠港集裝箱船的大小以及在港口裝卸箱的多少，安排2-6臺裝卸橋同時對其進行裝卸作業，本文選擇6臺裝卸橋同時作業取單個裝卸橋作用效率的90%。則洋山港泊位作業時間（裝卸時間），則洋山港主航道船舶進港排隊系統的港口服務率，同理洋山港主航道船舶出港排隊系統的港口服務率為。服務臺數量C在1.2節已確定洋山港主航道的標準船型為15000噸級的集裝箱船，按照表1.5船舶換算系數表對15000噸級的集裝箱船進行換算，得到洋山港一、二、三期泊位噸級換算表1.5。表1.5洋山港一、二、三期泊位噸級換算表碼頭名稱靠泊能力換算系數洋山一期集裝箱泊位（5個）7-10萬噸2.35洋山二期集裝箱泊位（4個）7-10萬噸2.35洋山三期集裝箱1、2泊位7-15萬噸2.35洋山三期集裝箱3泊位7-15萬噸2.35洋山三期集裝箱4-6泊位7-15萬噸2.35洋山三期集裝箱7泊位7-15萬噸2.35合計42.3根據上表的計算確定泊位的標準船型的船舶容量為=42，即為泊位所能提供的服務臺的個數。根據航道的面積S=L×W，參照1.1.1節洋山港主航道長51.1km（27.6海里），航道寬度550~1000m（取為775m=0.418海里），得到主航道的面積S=11.54平方海里。本文選取洋山港主航道的標準船型為162米15000噸級的集裝箱船，該船舶長軸長，短軸長。利用藤井模型計算出航道容量=67.74 （4-1）式中：—航道容量L—航道的長度W—航道的寬度—最大船舶密度航道容量充足時，服務臺數量受限于泊位數量，由上述計算結果得出洋山港主航道航道容量充足，故服務臺數量受泊位數量限制，最終可得洋山港排隊系統服務臺數量為C=42。1.3.2非突發事件下的航道通過能力計算結果利用排隊論模型，將上述船舶到達率，港口服務率以及服務臺數量代入排隊論模型進行計算，通過運行軟件MATLAB，得到港口的航道通過能力以及船舶在港口航道航行的重要參數。如下表1.4表1.4洋山港主航道排隊論計算表參數進港排隊系統出港排隊系統船舶到達率6541.9895港口服務率1.46610.417服務臺數量c4242一天內系統船舶數量48.173148.1731等待船舶數量3.83480.0000接受服務船舶數量41.33831.6245船舶待航時間0.05900.0000船舶在港作業時間0.68210.0000由此表可知，在洋山港主航道進港排隊系統中，一天內接受服務的船舶數量為=48.17艘/天，在船舶進港過程中航道通過能力受到泊位數量的限制、航道尺度、船舶噸位和航速的影響，因此計算出航道內正在接受服務船舶的數量是有必要的。在進港過程中，正在接受服務的船舶包括了正在航道內航行的船舶和泊位中正在進行裝卸作業的船舶。結合兩者服務時間的不同，可以求得進港排隊系統中接收服務的船舶數量在泊位中的分布為=41.34艘/天，出港排隊系統中正在接受服務的船舶數量為=1.62艘/天，則瞬時交通流量為Q=48.96艘/天。洋山港主航道的通過能力為48.17艘/天。1.3.2突發事件下的航道通過能力分析若水域突發事件發生在相鄰航道，對其航道、港口及通航設施造成影響，導致其不同程度的作業停滯，原本計劃靠泊鄰近泊位的部分船只可能為了規避船舶等待成本增加的風險而分流至本航道泊位，分流的船只數量視突發事件的破壞程度而有所不同。本文將突發事件分成四個等級，各對應的分流程度為使本航道日到港船舶數量分別增加25％、50％、75%、100%，而其他條件不變，對比分析不同情況下航道排隊情況，從而研究港口水域發生突發事件對航道通過能力。不同突發事件等級下航道排隊情況如下表1.5表1.5到港船舶數量增加25%參數進港排隊系統出港排隊系統船舶到達率8155.8926港口服務率1.46610.417服務臺數量c4242一天內系統船舶數量59.05215.6688等待船舶數量3.79970.0000接受服務船舶數量55.25245.6688船舶待航時間0.04690.0000船舶在港作業時間0.68210.0000表1.6到港船舶數量增加50%參數進港排隊系統出港排隊系統船舶到達率9766.8070港口服務率1.46610.417服務臺數量c4242一天內系統船舶數量69.94286.7143等待船舶數量3.77640.0000接受服務船舶數量66.16646.7143船舶待航時間0.03890.0000船舶在港作業時間0.68210.0000表1.7到港船舶數量增加75%參數進港排隊系統出港排隊系統船舶到達率11478.4港口服務率1.46610.417服務臺數量c4242一天內系統船舶數量81.52157.8258等待船舶數量3.75890.0000接受服務船舶數量77.76267.8258船舶待航時間0.03300.0000船舶在港作業時間0.68210.0000表1.8到港船舶數量增加100%參數進港排隊系統出港排隊系統船舶到達率13089.3329港口服務率1.46610.417服務臺數量c4242一天內系統船舶數量92.42358.8724等待船舶數量3.74680.0000接受服務船舶數量88.67678.8724船舶待航時間0.02880.0000船舶在港作業時間0.68210.0000根據表1.4-1.8，可得到不同程度的突發事件下，到港船舶數量不同程度地變化時，船舶瞬時交通流量Q的變化具體值，通過前文2.2.3節的敘述可知，單位時間內通過航道的特定航段或者是某一個截面的最大船舶艘次數叫做船舶瞬時交通流量Q。計算其到港船舶數量的增長率和洋山港主瞬時交通量的增長率，如下表1.9表1.9洋山港航道通過能力變化指標船舶到達率65.00000081.00000097.000000111.000000130.000000Q48.96280960.92120672.88073785.58843597.549041?16.00000016.00000017.00000016.000000?Q11.95839811.95953112.70769811.960606?Q/?（‰）747.400747.471747.512747.53848.173159.052169.942881.512592.4235Q/(飽和度）1.01641.03171.04201.04991.0555根據此表繪制關于瞬時交通量Q隨著船舶到達率的變化量曲線與變化率曲線，由于瞬時交通量Q變化率不明顯，故在繪圖時選用小數點后的數據，以便更為明顯地體現出規律和趨勢，如圖1.2和圖1.3。根據此表繪制關于航道通過能力飽和度隨著船舶到達率的變化量曲線與變化率曲線，如圖1.4和圖1.5。圖1.2瞬時交通量變化趨勢圖1.3瞬時交通變化率趨勢由圖1.2可得，隨著分流程度的增大，船舶到港數量的增加從而導致船舶到達率的增加，同時瞬時交通量顯著增加并與船舶到達率成線性的正相關，在95%的置信區間內可以擬合為：Q=0.7475*+0.3756。由圖1.3可得，隨著分流程度的增大，船舶到港數量的增加從而導致船舶到達率的增加，同時瞬時交通量Q的變化速率也增加，擬合后瞬時交通量Q的增加速率隨著船舶到達率的增大逐漸放緩，擬合后呈現平滑參數為0.0020037819的平滑樣條曲線。圖1.4航道飽和度變化趨勢由圖1.4可得，隨著分流程度的增大，船舶到港數量的增加從而導致船舶到達率上升，同時航道飽和度S顯著增加并與船舶到達率成線性的正相關，在95%的置信區間內可以擬合為：S=0.0005907*+0.9816。由圖1.3可得，隨著分流程度的增大，船舶到港數量的增加從而導致船舶到達率上升，航道飽和度的變化率逐漸減小且呈線性的負相關，在9