Ocean Engineering 137 (2017) 382–393
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Ocean Engineering
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Key influencing factors on improving the waterway through capacity of coastal ports
Wenyuan Wang, Yun Peng⁎, Qi Tian, Xiangqun Song
State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
A R T I C L E I N F O
Keywords:
Port management Waterway
Waterway through capacity Simulation model
A B S T R A C T
This paper aims at solving the problems of how to improve the waterway through capacity and how much each influencing factor can improve the capacity quantitatively. The problems are figured out by building a simulation model of the shipsrsquo; navigation operation system. First of all, the definition of waterway through capacity and the elements of the shipsrsquo; navigation operation system are discussed comprehensively. Then, a complicated simulation model, which considers the influencing factors, such as rules of ships entering and leaving port, navigation rules and inner anchorage scales, is constructed. After that, the simulation model is verified to ensure its reliability and effectiveness. Finally, various simulation experiments are designed according to a real bulk cargo port area in China and how much each influencing factor can improve the waterway through capacity is obtained, which provides a theoretical foundation for waterway construction and port management.
- Introduction
The waterway, which is the way for shipsrsquo; entering and leaving a port, is one of the most important part of the port. With the continuous increase of ship traffic volumes, the waterway is becoming the bottle- neck of port development. For example, Yangshan Port expands the waterway to a two-way traffic waterway in 2013, since the waterway restricts the development of the port with the increment of the throughput (about 14.15 million TEUs) and the number of ships (about 100 international liner ships per week). However, due to the high cost of construction and dredging for the waterway, its mostly uneconomical or even impractical to build a new waterway or expand an existing waterway to a two-way traffic waterway. Therefore, it has generated considerable attention on how to improve the waterway through capacity in respect of management without expanding the waterway these years, which is the problem we concern in this paper. For improving seaport waterway through capacity, Ning et al. (2008) proposed the tentative construction standard of the two-way traffic channel and tried to see if it can improve the waterway capacity. Later, my group did a lot of work on how to improve the waterway capacity. For example, Guo et al. (2010) and Wang et al. (2015) gave the definition of seaport waterway through capacity and analysed the influence of port service level or safety level on waterway through capacity, respectively; Wang et al. (2012) studied the impact of three types of ship traffic rules on port service level in Y-type waterway intersection water, which
included First Come First Serve Rule, Larger Ship Priority Rule and Ship Leaving Port Priority Rule; Wang et al. (2013a) and Wang et al. (2013b) studied the influence of anchorage number or operation days on waterway capacity in coastal bulk cargo port area, respectively; Tang et al. (2014a) chose the annual average turnaround time, average waiting time, and average waiting time/average service time ratio as the performance measures of port service to explore the feasibility of building a ships-passing anchorage and its dimensions; Tang et al. (2014b) discussed the optimal channel dimensions problem with limited dredging budget constraints in an integrated way; Tang et al. (2016) explored the relationship between entrance channel dimension and berth occupancy of container terminals. Besides, Lin et al. (2014) developed a mathematical model to minimize the weight of ships waiting time for the channel and applied Genetic Algorithm to solve the model; Zhang et al. (2016) aimed at improving the efficiency of vessel transportation scheduling by coordinating channels and berths, and used the simulated annealing and multiple population genetic algorithm to solve the proposed model; Liu et al. (2016) proposed dynamic ship domain model that take into consideration navigation waterway condition, ship beha- viors, ship types and sizes and operatorsrsquo; skill, to estimate the capacity of restricted water channels.
The above literatures involve various aspects of the research on
promotion measures of waterway through capacity, which provide a strong foundation for further studies. However, the research mostly considers one aspect of the promotion measure of waterway through
⁎ Corresponding author.
E-mail address: yun_peng@dlut.edu.cn (Y. Peng).
http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.04.013
Received 18 January 2017; Received in r
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沿海港口通航能力提升的关键影响因素
Wenyuan Wang, Yun Peng⁎, Qi Tian, Xiangqun Song
大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室
要点提取：
本文旨在定量地解决如何通过容量来改善航道，以及各影响因素在多大程度上可以改善航道容量的问题。通过建立船舶航行操纵系统的仿真模型，找出了存在的问题。首先，对航道通过能力的定义和船舶航行操作系统的要素进行了综合论述。在此基础上，建立了考虑船舶进出港规则、航行规则和内锚碇尺度等影响因素的复杂仿真模型。验证了仿真模型的可靠性和有效性。最后，根据我国实际的散货港区，设计了各种仿真实验，得出各影响因素对航道通过能力的改善程度，为航道建设和港口管理提供了理论依据。
- 介绍
航道是船舶进出港口的通道，是港口重要的组成部分之一。随着船舶交通量的不断增加，航道却成为港口发展的瓶颈。以洋山港为例，2013年航道扩大为双向通航航道，航道通过增加吞吐量(约1415万teu)和船舶数量(约每周100艘国际班轮船舶)制约了港口的发展。然而，由于航道的建设和疏浚费用高昂，新建航道或将现有航道扩展为双向航道往往是不经济甚至不切实际的。因此，如何在不扩大航道的情况下，通过容量来改善航道这一问题在管理方面引起了相当大的关注，这也是我们在本文中所关注的问题。为了通过能力提升海港航道的通航能力，Ning等(2008)提出了双向交通通道的初步建设标准，并尝试通过该标准来提升航道的通航能力。后来，我的小组做了很多工作，如何提高水道的容量。例如，Guo et al.(2010)和Wang et al.(2015)给出了港口航道通过能力的定义，并分别分析了港口服务水平或安全水平通过能力对航道的影响;Wang et al.(2012)研究了y型航道交叉口水域中三类船舶交通流对港口服务水平的影响，包括先到先得规则、较大船舶优先权规则和船舶离港优先权规则;Wang et al. (2013a)和Wang et al. (2013b)分别研究了锚地数量或作业天数对沿海散货港区航道通行能力的影响;Tang等(2014a)选择年平均周转时间、平均等待时间、平均等待时间/平均服务时间比作为港口服务绩效指标，探讨船舶通过锚地建设的可行性及其规模;Tang等(2014b)综合讨论了有限疏浚预算约束下的最优航道尺寸问题;Tang等(2016)探讨了集装箱码头入口通道尺寸与泊位占用率之间的关系。Lin等(2014)建立了最小化航道船舶等待时间权重的数学模型，并应用遗传算法对模型进行求解;Zhang等(2016)以通过协调通道和泊位来提高船舶运输调度效率为目标，采用模拟退火和多种群遗传算法求解所提出的模型;Liu等(2016)提出了考虑航道航行条件、船舶行为、船型尺寸和操作人员技能的动态船舶域模型，用于估算受限航道的通行能力。上述文献涉及航道容量提升措施研究的各个方面，为后续研究奠定了坚实的基础。然而，本研究将从多从一个方面来考虑水路运输的提升措施能力。有的仅从定性分析的角度对问题进行探讨，缺乏对航道通过能力提升措施的定量研究，不适合直接用于解决本文提出的问题。
此外，由于港口作业系统的复杂性和随机性，船舶到达时间、恶劣天气条件、船舶卸货时间等诸多随机因素对系统工作产生影响，数值方法无法得到解析解(Clausen and Kaffka, 2016)。由于仿真技术在处理复杂系统方面的优势，近年来在港口设计和管理中得到了广泛的应用(Longo et al.， 2013)。
Sun et al.(2012) 介绍了一种通用的仿真平台MicroPort，旨在提供一种集成的、灵活的建模系统来评估海港集装箱码头不同设计的运行能力和效率;Longo等人(2013)开发了一个模拟模型，重现了一个中型地中海海港的复杂性，并分析了该系统的性能演变，特别参考了船舶周转时间;Kavakeb等(2015)通过仿真技术研究了与现有车辆系统相比，使用一种新的智能车辆技术对欧洲港口性能和总成本的影响;Petering(2015)通过一个完全集成的离散事件仿真模型，分析了基于rtgt的海港集装箱码头的整体生产力如何依赖于出口集装箱进入码头时实时自动选择存储位置的系统;Zhao等(2015)提出了一种基于仿真的自动化集装箱码头出站集装箱仓储分配优化方法;(Clausen and Kaffka, 2016)利用仿真方法对具有随机影响和相互作用的整体系统中的操作进行优化，从而建立实验模型，确定最佳推荐的操作过程;Ngoc等人(2016)开发了一种方法，通过离散事件模拟来优化单个卡车的时间段分配，旨在最小化进口堆场卡车和起重机的总排放;Peng et al.(2016)将分配资源的数学模型与整个交通网络的仿真模型相结合，以最小化碳排放为目的，对能量替代问题进行建模，解决堆场起重机有限资源的分配问题;Zhou等人(2016)提出了基于仿真的优化框架，为大型集装箱码头堆场的物理布局和设备部署策略提供了一种经济、可靠的设计解决方案。
上述研究表明了仿真方法在分析复杂系统设计、管理和监控方面的优越性，也为本文提出的问题提供了重要的参考。
本文在综合分析船舶导航作业系统要素的基础上，从管理的角度研究了在不拓宽航道的情况下通过运力提升航道的影响因素，为港口规划和管理提供理论依据。因此，在本文的其余部分，我们首先描述了一些术语，包括在第二部分的海港航道通过能力及其几个影响因素。在此基础上，构建了船舶航行操作系统仿真模型，并在第3节进行了验证。第四部分进行了大量的仿真实验和分析，分别研究船舶进出港规则、航行规则和内锚定尺度对航道通过能力的影响。最后在第五部分对全文进行总结。
- 术语解释
在本节中，我们首先介绍了通过能力定义海港航道，然后在2.2节中详细讨论了关键影响因素。
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- 港口航道通过能力
由于海港航道通过能力不仅受到自然条件、航道尺寸、航行规则等的影响，还受到装卸作业和港口管理等方面的影响，这是不容易界定的。因此，虽然许多学者对港口容量提出了各种不同的定义，但没有一种是标准化的。指设计规范海港的总体布局,港口航道通过能力的定义我们选择本文比较接受,它定义了海港航道能力对于一个给定的某个海港航道在正常操作状态的总年度吨位船只穿过它在指定的端口服务水平(郭et al ., 2010)。
航道通过能力是航道最终承载能力的表征，应反映航道对船舶的服务质量。根据《港口发展:发展中国家规划者手册》(联合国，1985年)，本文引入AWT/AST作为港口服务水平的评价指标。AWT是船舶的平均等待时间，包括船舶在航道和泊位的等待时间，AST是船舶在泊位的平均服务时间。AWT/AST的值越小，端口服务级别就越高。
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- 航道通过能力的关键影响因素
影响航道通过能力的因素很多，我们主要分析港口管理领域的三个关键方面，即船舶进出港规则、船舶通过航道的航行规则和内锚碇的尺度。
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- 船舶进出港口规则
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船舶进出港口规则是指到达船只应报告船舶的船舶运动状态中心(VMC) t一个特定的时间和地点根据港口的要求,所以VMC可以确定的顺序和组织船舶之前,要通过水路根据一定的规则,这样的的规则被称为船舶进出港口的规则。
一方面，当到达船舶数量较大时，船舶需要排队等待泊位或航道，这可能会造成船舶拥挤，造成巨大的经济损失。另一方面，它可以使船舶在遵守适当的进出港规则的情况下，更有效、更安全地通过航道，同时可以通过通行能力来改善航道。因此，选择合理的船舶进出港规则至关重要。
根据对主要港区船舶进出港规则的调查，本文所考虑的规则如下:
a）先到先服务(First Come, First Service, FCFS)
规定船舶根据船舶到达港区的时间顺序进入航道。FCFS规则反映了不同船舶的公平性，对所有船舶一视同仁。由于FCFS规则是最常用的规则之一，且易于实现，因此本文将其作为船舶进出港的基本规则。
b）大吨位船舶优先服务(LSFS)规则
大吨位船舶优先于小吨位船舶。当不同吨位的船舶同时到达港区时，大船比小船先进入航道。同样吨位的船舶仍然遵循FCFS规则。
c)船舶在集群(SELC)规则中进出港
在船舶等待进入航道的过程中，如果有其他船舶在此之后到达港区，这些船舶可以根据到达港区的先后顺序，组团进入航道。否则，船舶应单独进入航道。
内河航道通常采用SELC规则。SELC规则的主要优点是货运量大，每艘船的运输价格低。针对内河船舶的形成形式，将自航规则引入港口航道，旨在通过能力提升航道。
d)乘潮船优先服务(RSFS)规则
需要随波逐流的船舶(对于大船来说，水深不够)具有更高的优先权。当这些船舶与不需要随潮的船舶同时满足航行要求时，前者比后者先进入航道。同样优先级的船舶仍然遵循FCFS规则。
需要引潮的船舶对潮位和每个潮期的航行时间有严格的要求。因此，一旦这些船舶错过了最佳的取潮时机，就必须等待另一个潮汐周期来满足潮位，这将大大增加船舶的等待时间，降低港口服务水平。为了降低此类问题发生的概率，港口可以对船舶采用RSFS规则。
e)卸货船航行速度快(USNF)规则
一般情况下，空船的航行速度增加25%，所以空船通过航道的速度更快。
船舶在进港时通常是满港空港，而在出港时则相反。因此，港口可以提高卸货船的航行速度，减少船舶在进口港区的离港时间和船舶在出口港区的进港时间。在这种情况下，端口可以采用USNF规则。
2.2.2船舶通过航道的航行规则
船舶通过航道的航行规则主要是针对船舶在相反方向上的航行的规则，包括单向航行规则、双向航行规则和部分双向航行规则。
- 单向航行规则
它指的是所有相反方向的船只不能同时在航道上航行。对于单向导航规则，实现简单，安全性高，是港区最常用的导航规则。
- 双向导航规则
在双向航行规则下，由于航道足够宽，两个方向相反的最大的到达船可以同时在航道中航行，不会相互干扰。然而，双向通航规则要求航道宽度足够，港口可能需要扩大航道以满足要求，这不属于本文讨论的范围。在本文中，我们只关注港口管理领域，没有通过扩容来改善航道。
- 部分双向导航规则
部分双向导航规则是上述两种规则的综合。对于给定的航道，如果两个相反方向的船舶可以满足航行要求，则采用双向航行规则。否则，将使用单向导航规则。与单向航行规则相比，部分双向航行规则可以明显减少小型船舶的等待时间。因此，局部双向航行规则在小船舶大量到达的港区具有优越性。
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- 内锚地的尺度
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锚固提供锚固面积和装卸作业船舶到达地点。它是船舶等待作业、中转、中转以及船舶编组、拆卸的场所。锚地可分为内锚地和锚地，内锚地分别位于防波堤内和防波堤外。
内锚的作用是在没有相应的备用泊位，航道无人的情况下，对船舶进行锚泊。船舶可选择在内锚地等待泊位，提高航道和泊位的利用率，相应减少船舶在港口的等待时间。本文分析了内锚碇水深和承载力对航道通过能力的影响。
综上所述，我们通过表1归纳出水路通过能力的关键影响因素，使其更加清晰。
3.仿真模型
3.1。模型的假设
考虑的因素如船,自然条件,在泊位条件,通道尺寸和内锚固范围内,本文构造的仿真模型船的导航操作系统基于以下假设:1)港口地区是在正常操作状态和资源被充分利用;b)港区锚地泊位数量充足，能较好地为船舶等水路及泊位提供服务;c)船舶保持良好的技术条件，保持安全的航行距离，互不干扰。
3.2。模型建立
根据船舶航行的全过程，首先提出船舶航行操作系统的逻辑模型，如图1所示。
该逻辑模型与基本情况相对应，即船舶进出港口的FCFS规则，单向航行规则，不建内锚的情况。至于其他规则下的情况与基本规则之间的区别，将在下文详细说明。
一旦确定了逻辑模型，就可以构建仿真模型，仿真模型包括四个部分:锚地等待泊位子过程、进入港区子过程、处理作业子过程和离开港区子过程。
3.2.1在锚地等待泊位
这个子过程从船舶到达港口区域开始，以船舶被分配到一个空闲泊位结束。所有这些过程都是在锚地完成的。在仿真模型中，通过创建子模型，选择泊位子模型。两个子模型的接口分别如图2和图3所示。
- 创建子模块
首先，船舶实体由具有一定间隔的Create模块创建。然后，使用分配模块对船舶进行财产分配，包括船舶吨位、装卸作业时间和船舶到达时间。其次，确定模块确定天气条件是否满足船舶进港的要求。如果天气情况不理想，一些船舶将通过一个处置模块消失，这意味着这些船舶将放弃停靠和离开港口，而其他船舶将等待在一个持有模块。一旦天气条件被满足，船只进入一个VBA模块来记录到达船只的数量。最后，船舶进入选择泊位子模型以参考泊位。
b)选择泊位子模型
首先用一个判定模块来确定船舶的吨位。对于不同吨位的船舶，对泊位资源和内锚地水深的要求是不一样的。当相应的泊位空闲时，船只使用抢占模块来引用泊位。然而，如果所有相应的泊位都被占用，船舶将判断是否有可用的内锚碇资源。如果是这样，则会使用一个扣押模块来占用内部锚地资源，直到船舶完成移交泊位才会释放这些资源。另外，如果相应的泊位资源和内锚碇资源都被占用，船舶将在锚地等待，直到其中一个资源空闲。分配模块用于记录船舶等
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