《港口水域突发事件下航道通过能力的仿真模型构建研究16000字（论文）》

第第页港口水域突发事件下航道通过能力的仿真模型构建研究摘要复杂的通航环境会使港口水域发生不同程度的突发事件，对比船舶进出港口作业流程而言，港口航道是至关重要的通道，研究突发事件下的航道通过能力有助于对航道拥堵规律进行归纳分析。船舶进出港口是一个动态、随机的过程，体现了排队论的特征，本文利用了、排队模型，对该模型中排队系统平均到达率、港口服务率、航道等待船舶数量公式进行推导，并将上述排队论计算指标应用于洋山港主航道仿真建模中，研究了洋山港主某段主航道在不同等级的突发事件下的通过能力以及其变化趋势。关键词：航道通过能力；排队论；突发事件目录TOC\o"1-3"\h\u26491承诺书 27123摘要 3223811绪论 7192661.1研究背景与研究意义 7193651.1.1研究背景 753841.1.2研究意义 8324311.2国内外研究现状 8163771.2.1港口水域突发事件研究现状 8210691.2.2航道通过能力研究现状 9260921.3研究内容与方法 1091312相关概念及理论基础 12141502.1港口水域突发事件 12127702.1.1港口水域突发事件概念 1235732.1.2港口突发事件的类别与分级 1244672.1.3港口突发事件特征 1334592.2港口水域与航道基本理论 13237212.2.1港口水域的组成及功能 13246812.2.2航道的概念与分类 1441012.2.3港口航道通过能力概念 15259283港口通过能力仿真模型的构建 17151443.1排队论基本理论 17293733.3.1排队论概述 17127503.3.2排队过程的一般表示 17201913.3.3排队系统的数量指标 1814913.3.4M/M/C排队模型 2081093.2航道通过能力计算模型 2167643.2.1港口船舶航行作业系统 2110163.2.2船舶到港规律及占用泊位时间分布 23250643.2.3航道通过能力的排队论模型 24165244洋山港主航道通过能力分析 2788884.1洋山港主航道概况 2729744.1.1航道 27178164.1.2泊位 2843124.2洋山港船舶到港统计分析 29322604.3洋山港通过能力计算 30231464.3.1参数取值 30264714.3.2非突发事件下的航道通过能力计算结果 32286894.3.2突发事件下的航道通过能力分析 33175694.3.3洋山港主航道通过能力的结果分析 37171435结论与展望 3915573参考文献 4030155附录 4119571.排队论模型求解代码 41190932.排队论模型求解代码 41

1绪论研究背景与研究意义研究背景港口是国家综合运输体系的重要枢纽，是主要交通基础建设和资源，也是发展对外贸易的桥梁，同时还是物资交换的重要场所，在对国家的经济和社会发展方面有着举足轻重的作用。在近十年来中国港口的管理体系的不断改进，中国港口综合实力和竞争力明显提升，港口吞吐量总和已经连续多年位居全球第一，发展成就令世人瞩目，因此港口的货物吞吐量、港口的基础设施的建设强度、船舶数量与尺度、泊位数量都在迅猛增长。由于航道水域的自然条件和通航条件变得复杂，航运货物的种类变得丰富，船舶数量的增加和船舶的大型化、高速化，船舶通航密度大，锚地和泊位众多，邻近港口的水域是航运安全事故多发地段，在一些国际性的大港口的航道时常出现船舶交通拥挤现象，船舶航行风险不断提高，常常导致航道中的事故频繁发生，严重影响港口通航效率。由此可见，如何避免港口水域发生安全事故，建立与港口吞吐量水平相匹配的航道设施，通过研究港口航道通过能力来最大限度的利用锚地、泊位、航道尺度，是航运从业者需要研究的问题。研究意义港口水域常见的突发事件有恶劣天气、船舶碰撞事故、船舶爆炸事故等。难以预料的港口水域突发事件不仅对港口正常的生产活动产生巨大负面影响，也有可能会造成人员伤亡、设备和财产的损失。近年来全球许多港口开始计划对航道开展疏浚和拓宽工程，以此满足大型船舶或者在突发事件发生时的航行需求，但航道通过能力仍有待提升。所以需要对港口水域突发事件对港口航道通过能力影响规律进行归纳与分析，收集各方面数据进行合理分析，找出目前航道工程存在的问题和不足，提出有针对性的对策和措施，才能有效避免港口航道水域的船舶交通事故，提高通航的安全性和高效性，促进港口航运交通的可持续发展。国内外研究现状港口水域突发事件研究现状近年来，港口水域突发事件频繁发生，为能以最快高效组织和实施应急救援，国内外学者对港口水域突发事件的的研究逐渐深入。在港口水域突发事件应急预案存在的问题与对策分析方面，朱中华REF_Ref12358\r\h[1]等对港口水域安全面临的问题和特点，系统分析了目前的港口水域突发事件应急预案存在的不足，进一步构建了的完善的经费保障制度和应急物资保障体系，加强了应急设施的建设、改进了预防预警机制，全方位提高了港口水域突发事件应急处置能力以及相关部门的应急能力，为港口提供了安全的生产组织环境。在航道突发事件处置方法研究方面，曹玮REF_Ref12655\r\h[2]以长江下游航段为研究背景，结合航道尺度的指标和软件应用的结果，统计分析了近些年来典型的长江下游航道突发事件的各类事故产生的原因，以及事故发生所占的比例和特点，对泊位和锚地的基础设施提出了深入优化靠泊方案。同时针对长江下游航道突发事件制定了四类突发事件处置流程、信息传输的办法。在突发事件对邻近泊位的交通影响方面，杜鹏程REF_Ref14232\r\h[3]收集并分析集装箱港区有一定概率发生的突发事件的数据、港口突发事件类型、解析其事件链结构和影响因素，对集装箱港区产生的交通影响，从而影响到邻近泊位的交通。采用数值仿真的方式，分析确定突发事件下船舶分流情况对交通量指标的影响程度和对邻近港区主要道路交通量指标的变化，通过计算岸桥装卸效率得到对交通量的影响程度，为更好地规划集装箱港区道路布局和港区建设奠定了基础。航道通过能力研究现状目前针对航道通过能力的研究主要分为三类，一类是通过经验公式进行计算，诸如西德公式、长江公式、川江公式等，以上公式主要用于针对内河或运河的航道通过能力计算，且计算结果多为静态，对海港航道的交通运行状态不能准确反映。另一类是利用理论模型求解，基于船舶交通流特征的航道通航能力理论模型研究主要集中在利用排队论、交通波理论、元胞自动机模型等方法对航道交通运行状态进行建模。曹兴飞REF_Ref14291\r\h[4]采用了排队论模型，推导了排队系统中平均队长、平均等待队长、平均到达率、服务机构服务率、顾客等待时间和逗留时间公式。将离散系统仿真理论与排队论计算指标相结合，建立了港口航道通过能力仿真模型。在港航仿真模型中，结合了港口航道通过能力的概念分析出影响航道通过能力的各种因素，针对航道容量公式进行了修正。刘宗杨REF_Ref14494\r\h[5]等为研究海港进出港航道的通过能力，运用了元胞自动机理论对海港进出港主航道进行离散化建模，分析不同曲直性的航段下的船舶运动规律，在条件约束下进行仿真实验计算出航道船舶瞬时流量、航道的最大船舶通过能力，最后通过分析航道的饱和度状态从而对航道服务水平进行直观评价。马峰REF_Ref14588\r\h[6]利用交通波理论研究了在单向通航和能见度不良的情况下，超大型船舶在进港过程中的航道通过能力。结合交通波产生原理建立了拥堵时空影响模型，通过定量分析计算出航道拥堵情况下的船舶最大排队长度、最长排队时间及船舶等待数量，提供了提高航道通航效率的相关解决措施和数据支撑的理论依据。研究内容与方法当前已经有部分学者对港口航道通过能力计算方法的研究取得了一定进展，然而由于港口航道环境和港口水域交通较为复杂，影响港口生产活动效率的因素呈现多样化，导致目前的港口航道通过能力的计算方法尚统一系统性标准。本文以目前的港口航道通过能力研究现状及成果为基础，参照了道路交通通过能力的基础理论和研究方法，在港口服务作业系统中对港口航道通过能力问题进行研究和分析。近年来由于港口水域船舶通航密度不断上升，船舶交通拥挤现象愈来愈严重，航道中的事故发生率逐渐增大，严重影响港口通航效率，所以本文对突发事件下航道通过能力进行了研究。考虑到港口船舶进出港口是一个动态、随机的过程，离散的船舶进出港口的规律和过程体现了排队论的特征，因此在港口航道通过能力的分析和计算中，利用排队论构建了港口航道通过能力仿真模型，对船舶等待时间、船舶等待数量、船舶到港率、港口服务率等指数进行计算，为进一步提高港口航道通过能力提供数据支撑。本文技术路线图1.1图1.1本文技术路线2相关概念及理论基础2.1港口水域突发事件2.1.1港口水域突发事件概念港口水域突发事件是指由自然的或人为的不可预见因素造成的航道通航能力降低的非正常事件。在港口水域突然发生的事件，具有导致航道通航条件受到不良影响的可能性，同样也会造成航道通航尺度达不到通航标准、航标等助航导航设施不能正常使用、航道内出现碍航物等问题，影响航道、航行船舶、以及港口航道工程安全，需要采取一些应急措施应对的公共安全事件。常见的港口水域突发事件有恶劣天气、航道交通管制和船舶交通事故等。REF_Ref29972\r\h[7]2.1.2港口突发事件的类别与分级港口突发事件的分类按照以下表2.1.REF_Ref28467\r\h[8]表2.1港口突发事件的分类分类标准港口突发事件类型事故成因自然性突发事件社会性突发事件危害性轻度危害中度危害重度危害可预测性可预测的不可预测的防控性可防可控不可防影响范围地方性区域性国家性世界性国际性发生的机理、性质和过程自然灾害事故灾难公共卫生事件社会安全事件本文主要研究港口水域，港口水域突发事件根据影响程度和处理的程序，可分为航道维护尺度突发事件、航道碍航突发事件、航道设施突发事件、整治建筑物突发事件、船舶交通事故等。REF_Ref28735\r\h[9]《中华人民共和国突发事件应对法》和《国家突发公共事件总体应急预案》，按照突发事件的性质、严重程度、可控性和影响范围等因素由高到低可统分为特别重大（Ⅰ级）、重大（Ⅱ级）、较大Ⅲ级）、一般（Ⅳ级）四个级别（表2.2）。表2.2突发事件分级原则突发事件级别性质严重程度可控性影响范围特别重大突发事件非常复杂严重不能大范围重大突发事件复杂比较严重难控辖区较大范围较大突发事件比较复杂较严重可控辖区一定范围一般突发事件比较简单一般可控辖区较小范围2.1.3港口突发事件特征不同的分类标准可以将突发事件分为不同类别，但是它们自身仍然有存在共同的特性。可以将突发事件的共同特性归纳为如下几点突发性、危害性、不确定性、衍生扩散性和社会性。突发性：突发事件一般是在事发前毫无明显预兆的情况下瞬间发生的，或者仅有一些预兆但难以预报或难以左右它的发生。危害性，不同程度对公众生命构成威胁、对公共财产造成损失、对各种环境产生破坏、对社会秩序造成紊乱和对公众心理造成障碍。不确定性，突发事件爆发的地点、具体时间、实际规模、具体形式和影响深度等都带有一定的随机性，事态变化的不确定，在突发事件发生后，公众或政府根据形势的判断采取相应的应对措施，这些主观的决策判断会对事态的发展造成影响，许多不确定因素随时在变化。衍生性，指原生突发事件的产生而导致其他类型突发事件的发生。社会性，突发事件的社会性是指其会对整个社会系统的基本价值观和行为准则构架产生影响，此影响涉及的主体是公众，而不仅仅是社会的个体。2.2港口水域与航道基本理论2.2.1港口水域的组成及功能港口水域广义来讲是指在港界范围内所包含的全部水域面积。港口水域包括船舶进岀港航道，船舶掉头水域、制动水域，水上过驳作业和船舶停泊锚地港池及码头前沿水域等。在此范围内所有船舶航行、系泊和作业都要遵守港口管理和监督部门的规章并接受其指挥。港口水域按所处的位置又可分为港外与港内两个部分。一般说来港外水域是指港界至港口口门区域范围内的水域，但往往也包括港界外的引航和检疫锚地。港外水域通常包括进出港航道和港外锚地两个重要组成部分，有时还布设一些专用码头和水深较大的泊位（开敞式码头），在港外水域布置航道应考虑到逐渐发展的船型尺度对航道的宽度、深度要求。海港港内水域按其功能可划分为船舶制动水域船舶回旋水域、泊位前停泊和码头前船舶靠离岸的操作水域、港池与航道的连接水域以及港内装卸锚地等，如图2.1所示。1——口门；2——回旋水域；3——连接水域；4——泊位前停泊水域；5——顺岸码头前沿操作水域；6——港地：7——制动水域图2.1港内水域功能划分示意图港口水域是经中央和地方主管部门划定的法定区域，它既要保证船舶航行作业的需要，又要保障港口合理的发展，因此在港口规划、设计时，应结合该港的布局考虑今后的发展，并根据当地的自然条件和特点确定港口水域。港口水域中的进港航道和码头前沿水域为了满足相应吨级船舶吃水的要求必须具有足够的水深；进港航道走向的布置应满足船舶安全进出港口的要求；航道和港池的维护性挖泥量应尽量小。港口水域尺度应能满足船舶回旋、制动、港内航行、停泊作业等方面的要求。港口水域除应满足设计船型的航行、停泊所需的水域外，还应考虑港口辅助船舶港作、工程、海事、边防等的航行和停泊要求，在有小船运输的港口，还应考虑这部分船舶对水域的特殊要求，但在布置上应尽量减少大小船之间的干扰。REF_Ref28095\r\h[10]2.2.2航道的概念与分类以组织水上运输为目的所规定或设置的船舶安全航行的通道，称为航道。进港航道是指海上航线或内河主航道与港内水域相连接的这部分航道。船舶在河流中行驶，并不需要整个河流宽度，而仅仅要求一条连续而畅通的航槽，所以航道是具有一定深度和宽度的长条适航水体，其弯曲部分呈合理的曲线，并与直线段顺滑连接。航道尺度对船舶的吃水和长宽尺度起到直接限制的作用，并影响到航行安全，是航道条件中的关键条件。航道的航行条件，首先以航道的尺度来表示，但航道尺度较大时，可以通行吃水深、速度快的大船；反之，只能通行吃水浅、速度慢的小船。因此航道尺度的大小也直接影响客货运输及其经济效益，制约航运的发展。内河航道按照以下几种方法进行划分：表SEQ表\*ARABIC1.3航道等级的划分航道等级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ船舶吨级/吨300020001000500300100501.按级别划分为7级（见表2.3），在我国，通航标准在Ⅰ~Ⅶ级的航道称为等级航道，低于Ⅶ级的航道称为等级外航道。2.按航道的管理属性可将航道划分为国家航道、地方航道、专用航道。3.按航道的通航时间长短可将航道划分为常年通航航道和季节性通航航道。4.按航道形成因素可分为天然河流航道、渠化河流航道和限制性航道三类。5.按航道所处地域可将航道划分为海船航道、内河航道。6.按照航道的通航条件与密度可将航道分为单向航道、双向航道。2.2.3港口航道通过能力概念港口航道通过能力指在船舶能够在安全环境航行的情况下，在一定时间内通过某一航道的最大船舶艘次数。港口航道通过能力是基于道路通行能力和内河航道通过能力的基本理论，强调在特定时间下航道作为提高船舶排队到达泊位的效率。如果对航道通过能力理论的有效利用，也许在提高航道交通安全、船舶通航效率、航道船舶进港速度等方面有一定价值。REF_Ref98\r\h[12]港口航道通过能力其实就是船舶在航道内通行的服务过程，对于一般的海上航道，如果存在双向交通，可将该航道分成两个分航道考虑其通过能力。这个服务过程包括船舶到达引航区、进入锚地等待、驶进港口泊位、装卸作业、离开港口这五个过程。因此在计算港口航道通过能力的时候，要对以下指标进行建模分析：航道的静态属性，即航道长度、宽度及水深等；船舶的静态属性，即船舶尺度、吨位等；船舶动态属性，即船舶航速、船舶的会遇态势等；交通流的特征，即船舶交通流量、流速、船舶密度等。

3港口通过能力仿真模型的构建3.1排队论基本理论3.1.1排队论概述排队论，同时也称随机服务系统理论，此项理论应用范围非常广泛，在计算机系统、生产组织、交通管理、通讯系统等各项有共同服务机构的随机服务系统中都有涉及，是应用了随机过程和计算机模拟等若干数学学科的分支。他的求解原理是通过统计服务对象的到来规律和服务时间的规律，建立模型计算出等待时间、排队长度、忙期时间等数量指标。并且根据以上规律，完善了服务体系结构或者重新调整了服务对象，使得服务系统不仅能满足服务对象的需要，而且能使组织成本最小化的理论。3.1.2排队过程的一般表示尽管不同的服务系统的形式与内容不同，但排队论在排队服务系统中的过程是一致的。图2.2就是排队过程的一般模型，虚线内就简要叙述了一个排队系统，各个顾客从顾客源随机到达服务机构，按一定的排队规则等待服务，在随机的服务时间内接受服务后离开排队系统。图3.1排队系统的过程输入过程排队论的输入过程即为顾客流。顾客流的输入过程包含了三个方面：顾客源数，也就是顾客的来源，顾客的总体数量可能是有限的，也可能是无限的；顾客到达类型，指顾客到来的方式是单个到达或者是成批到达；顾客到达的时间间隔分布，也是顾客流的概率分布。顾客相继到达的时间间隔可以是确定不变的，也有可能是随机分布，常见的随机分布有泊松分布、K阶爱尔朗分布等。2.排队规则排队规则体现到来的顾客按怎样的方式和顺序接受服务。一般分为损失制，等待制和混合制三种。具体情况如表3.1表3.1排队规则排队规则具体描述损失制当顾客到达时，所有的服务台均被占用，顾客随即离去等待制当顾客到达时，所有的服务台均被占用，顾客就按照排队规律等待服务，直到接受完服务才离去。混合制介于损失制和等待制之间，即既有排队等待又有顾客损失。包含队列长度有限和排队等待时间有限这两种情况，在限度以内就排队等待，超过一定限度就离去。3.服务机构服务机构的组成包括排队系统中服务台数量、排列方式和服务形式。服务台数量又分为单服务台和多服务台；排列方式分为串联与并联形式；服务形式分为对单独的顾客进行服务和对成批顾客进行服务。3.1.3排队系统的数量指标英国数学家肯德尔根据排队系统的组成，提出用三个字母组成的符号A/B/C来表示排队系统。A指顾客相继到达间隔时间分布函数，B指服务时间分布函数，Ｃ指示服务台数目。然而随着排队理论科学性地发展，1971年肯德尔又在这三个字母后面加了字母X，Y，Z，分别表示排队系统的容量，顾客源的数量和服务规则，后来一些学者在前面两个字母A，B的右上角标符号表示每次到达几个顾客和每次能服务几个顾客。依据这种表示方法，一个完整的排队模型可表示为：该系列字母表示的排队系统中Ａ和Ｂ的分布有：M——负指数分布；D——确定型；——阶爱尔朗分布；G——一般服务时间分布；GI——一般相互统计独立的时间间隔分布；表3.2排队论字母指标顾客按个为一批到达服务机构服务机构每次能给个顾客同时提供服务Ｃ服务机构中服务台的数量Ｘ系统容量限制Y顾客源数量限制，其默认值为Z服务规则，默认为先到先服务规则解排队问题首先要求出这些数量指标的概率分布或特征数。这些数量指标如下表3.2。表3.2排队论的数量指标数量指标数量指标的意义排队系统单位时间内顾客数目期望值，也称为顾客单位时间内的平均到达率排队系统单位时间内服务机构服务顾客数的期望值，也称为单位时间内服务机构的服务效率排队系统中平均顾客数目，也称为平均队长排队系统中排队等待接受服务的顾客数目顾客在排队系统中的停留时间，也称为平均停留时间顾客在排队系统中排队等待的时间，也称为平均等待时间服务机构连续繁忙时间，也称平均忙期（顾客到达空闲服务机构起，到服务机构再次空闲止的时间）长度的数学期望服务设施用于服务顾客的时间与总服务时间的比值，也称服务强度表达系统状态的概率是计算以上指标的基础，所谓系统的状态即指系统中顾客数也就是系统的状态，系统中若有n个顾客，就代表系统的状态是n，则n可能的取值有：（1）队长没有限制时，0,1,2,…,（2）队长有限制，最大数为时，0,1,…,,（3）损失制，服务台个数是时，0,1,…,。这些状态的概率随着时刻的变化而变化，因此在时刻系统状态为的概率用表示，在稳态时系统状态为的概率用表示。3.1.4M/M/C排队模型本文主要采用的排队模型来研究沿海港口航道通过能力。排队模型是一种多服务台的、船舶到达规律呈泊松分布、港口服务时长分布呈负指数的等待制排队模型，这种排队模型记为。在此模型中，有个并列服务台，系统容量无限大，其排队规则为单独排队，先到先服务。设到达率（单位时间内顾客平均到达数）为，服务率（单位时间内平均服务顾客数）为，系统的服务强度。此模型的状态转移方程为： （3-1）解差分方程，求得系统状态概率为： （3-2）此模型的数量指标计算公式如下：航道等待船舶数量： （3-3）航道船舶数量： （3-4）船舶待航时间： （3-5）船舶在港作业时间： （3-6）3.2航道通过能力计算模型3.2.1港口船舶航行作业系统在港口航行作业系统中，航道是必不可少的组成部分，所以研究港口航道通过能力需要对港口航行作业系统进行分析。REF_Ref199\r\h[14]港口的航行作业系统包括了锚地、航道和泊位等，从船舶到达锚地开始到船舶离开结束是一个连续完整的服务。船舶航行作业系统基于船舶航行作业的过程建立的，它由船舶开始进入锚地经过锚地的待泊，船舶航道内航行，船舶泊位装卸过程和船舶离开港口泊位四个过程组成。船舶在港口航行作业系统内接受服务的全过程如图3.2。图3.SEQ图\*ARABIC1船舶在港口航行作业系统内全过程船舶在港口航行作业系统内的整个作业过程分析如下：（１）船舶随机到港后进入锚地等待，若港口内有合适的空闲泊位且满足通航条件则驶入航道；否则继续在锚地等待，直到有合适的空闲泊位并且航道满足通航条件后再驶入航道。（２）船舶驶离航道，在回旋水域掉头后进行靠泊作业。（３）判断船舶是否需要辅助作业（如装卸设备、燃油与物料供应、办理文件以及拖船队的编解作业等），完成系缆后并且开始装卸作业。（４）当船舶装卸作业完成后，若航道满足通航条件则解缆离开泊位并且掉头驶入航道；否则就继续等待直至航道满足通航条件。（５）船舶航道驶离港口，当船舶到达港口泊位时泊位已经停满，到港船舶则需要依次排队待泊。具体流程图见图3.3图3.SEQ图\*ARABIC2船舶航行作业流程图3.2.2船舶到港规律及占用泊位时间分布1.船舶到港规律船舶到港规律一般分为定期到港和不定期到港。不定期到港具有在不重合的时间内，船舶的到达数量是互相独立的且只与这段不重合时间的长短有关联。到达的船舶不会在同一时间出现，这些特征都是满足泊松流的基本条件。而且，目前大部分学者通过对船舶到港情况进行统计分析一致认可大多数港口的船舶随机到港规律可用泊松分布来描述。因此在本文的港口系统中，单位时间内到达港口的船数采用泊松分布。 （3-7）式中：—t时段到达n艘船的概率；—t时段内平均到船率，即单位时间（通常取一天）内平均到船数，单位（艘/日）。根据泊松过程的分布特性，在泊松过程中，相邻两次事件间的时间间隔是相互独立且具有同分布的负指数概率密度。当在港口航道船舶航行作业系统中随机到达港口的船舶数量服从泊松分布时，船舶到港的间隔时间服从负指数分布，其数学期望为平均到港时间间隔T，也是平均到船率的倒数，记作。船舶占用泊位时间分布船舶占用泊位的时间通常是指船舶到达港口后靠泊，再进行装卸作业到离泊的总时间，船舶占用泊位时间的影响因素具有一定的随机性，包括港口气象条件、装卸货物量、装卸效率、船舶装载情况等。大量统计资料分析表明，船舶占用泊位时间大体上符合负指数分布。当装卸一艘船占用泊位为t天的概率符合负指数分布时： （3-8）当装卸一艘船占用泊位为ｔ天的概率符合爱尔朗分布时： （3-9）—平均装卸船效率，一天内装卸的船数，单位（艘/日）；K—爱尔朗分布函数的阶数。船舶在停泊时符合二阶的爱尔朗分布分数，即3.2.3航道通过能力的排队论模型结合港口的生产管理和装卸工艺的特点，利用排队论的相关理论将港口在整个过程中航行作业系统看作一个随机服务系统。船舶就是排队系统中的顾客，泊位及航道就是排队系统中服务机构，锚地相当于排队系统中系统容量。对于进港排队系统，航道和泊位是整个航行过程中的服务机构，进港排队系统中船舶随机到港过程为输入过程，由3.1.2的分析显然得出船舶到港过程规律分布为泊松流，船舶在航道内的航行时间与在航道泊位作业时间的总和为服务时间，航道内的航行时间是一个定值，船舶占用泊位时间分布服从服务率为的负指数分布；对于出港排队系统，只有航道作为服务机构，服务时间就是船舶在航道内的航行时间。则进港、出港排队系统服务队长总和即对应海港航道通过能力。进港排队系统和出港排位系统的服务台数量根据航道容量和泊位数量确定，顾客源数量和系统容量均无限大，服务规则为先到先服务，船舶按照先后到达顺序进入航道。综上所述，选用模型作为进港排队系统的分析模型。对于出港排队系统，输入过程为同上述模型参数相同的泊松过程，而服务时间仅为船舶在航道内的航行时间，选用排队模型作为出港排队的分析模型。1.在船舶到达率港口服务率以及服务器数量全部确定后，选用排队模型作为进港排队系统的分析模型，则一天内系统中船舶数量、等待船舶数量和接受服务的船舶数量为： （3-10）其中泊位全部空闲的概率： （3-11）船舶平均在港等待时间：从船舶到达时刻到开始接受全部服务所经历的时间： （3-12）船舶平均在港时间：从船舶到达时刻到接收全部服务所经历的时间： （3-13）2.选用排队模型作为出港排队系统的分析模型，对于出港排队系统，船舶到达过程为船舶进港排队系统的输出过程，服从参照为（>0）的泊松流，且每艘船舶所需要的服务时间为船舶的航行时间，服务台数C≥1。则一天内系统中船舶数量、等待船舶数量和接受服务的船舶数量为： （3-14）其中： （3-15）船舶待航时间： （3-16）船舶在港作业时间： （3-17）以上各式中：—港口服务率（艘/天）C—服务器数量—系统船舶数量—系统等待船舶数量—系统接收服务船舶数量—服务强度，—航道内没有船舶的概率—船舶平均在港等待时间—船舶平均在港时间

4洋山港主航道通过能力分析4.1洋山港主航道概况海洋山深水港位于\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"杭州湾口外的崎岖列岛，由小洋山岛域、东海大桥、\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"洋山保税港区组成，于2005年12月10日开港，在业务上属于\t"/item/%E6%B4%8B%E5%B1%B1%E6%B7%B1%E6%B0%B4%E6%B8%AF/_blank"上海港港区，行政区划属于浙江省舟山市的嵊泗县。洋山港港区规划总面积超过25平方公里，包括东、西、南、北四个港区，洋山深水港位于杭州湾口、长江口外的浙江省嵊泗崎岖列岛，由大、小洋山等数十个岛屿组成，是中国首个在海岛建设的港口，也是距上海最近的深水港。主港区西北距上海市南汇区芦潮港30km（16.2nmile），其最西北端的小乌龟岛（2.16nmile）距芦潮港仅27.5km（14.85nmile）。大洋山地理概位30°34′58″N、122°04′19″E，距小洋山4km（2.16nmile）。小洋山与芦潮港间建有双向6车道大桥（东海大桥），大桥全长32.5公里，是连接上海国际航运中心洋山深水港的交通大动脉，也是全港水、点和通讯管线的唯一载体。临港沿线北起大治河口31°00′N，西至杭州湾北岸121°40′E沿岸，岸线总长56.6公里，共有码头6个，水闸4个，沿岸包含南汇嘴观海公园等公共设施，范围广、种类多，监管难度相对较大。洋山港区及附近水域还处在建设发展期，海上工程多，如水上风电场建设、码头水工作业等。洋山港客运航线分布于小洋山与嵊泗、舟山各岛屿间，共有航线12条，各类运营船舶42艘；目前，洋山港共有码头单位13家，泊位67个。REF_Ref32751\r\h[18]4.1.1航道洋山港主航道从黄泽洋灯船延伸至深水港区上海盛东国际集装箱码头NO.9泊位前沿水域，是大型船舶进出洋山港的专用航道。航道长51.1km（27.6n.m.），设计水深16.5m，航道宽度550~1000m。以中心点30°33′.57N/122°11′.48E为圆心，3.704km（2.0n.m.）为半径的水域为洋山港主航道警戒区，进出洋山港的东西向大型船舶交通流与经过金山航道的南北向船舶交通流在警戒区内交汇。洋山港主航道附近岛屿众多，航道边界紧邻岛礁区，与多股船舶交通流纵向交汇。洋山港区主航道及附近水域可分为5段，如下图4.1图4.1洋山港主航道4.1.2泊位目前，洋山港已建的集装箱码头为一、二、三期工程，其中一期工程布置5个5~10万吨级泊位，二期工程布置4个7~10万吨级泊位，三期布置7个7~15万吨级泊位。详见表4.1表4.1洋山港集装箱泊位情况统计码头名称靠泊能力长度实际前沿水深洋山一期集装箱泊位（5个）7-10万吨320米-16米洋山二期集装箱泊位（4个）7-10万吨350米-16米洋山三期集装箱1、2泊位7-15万吨400米-16米洋山三期集装箱3泊位7-15万吨450米-16米洋山三期集装箱4-6泊位7-15万吨350米-16米洋山三期集装箱7泊位7-15万吨300米-16米4.2洋山港船舶到港统计分析根据洋山港海事局VTS系统统计，选取2013年洋山港进出港船舶类型的数据如表4.2所示表4.22013年洋山港进出港船舶类型数据船舶吨位99吨以下100~499总吨500~999总吨1000~2999总吨3000~9999总吨10000~49999总吨50000总吨及以上进出港艘次2810905087155553120787297所占比例（%）0.184.602.1430.2122.358.7730.81表4.3中国船舶换算系数船舶总吨位（吨）船长（m）换算系数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达64.90艘次，进出洋山港的主要船型为国际干线集装箱船和内支线集装箱船，日平均流量分别为23.98和34.13艘次；其他船舶多数为占用主航道行驶的中小型货船和渔船，占总流量70%以上。2013年主航道全年交通流量统计数量见表4.4表4.4洋山港主航道交通流量统计船舶类型国际航行集装箱船舶内支线集装箱船舶油船LNG船舶其他船舶合计上行船舶/艘次6203431722123834913119下行船舶/艘次4314409118593327110568总计10517840840717162023687日平均/艘次28.8122.04064.90结合表4.2和表4.3的数据可确定洋山港主航道标准船的船长：L=0.18%×15+4.60%×40+32.35%×70+22.35%×112.5+8.77%×182.5+30.81%×315=162.6425≈163根据表4.4中2013年全年的进出港船舶到港数据统计，其中主要为集装箱船舶和内支线集装箱船舶，依据集装箱船设计船型尺度的规定，将进出洋山港的标准船型定为船长约为163米的15000吨级船舶。4.3洋山港通过能力计算4.3.1参数取值（1）船舶到达率船船到达率是指一年内船舶的平均到港情况。根据表4.4统计2013年洋山港到港船舶数量为23687艘次，平均每天到港船舶为64.90艘/天，则船舶到达率为65艘/天。港口服务率洋山港主航道从黄泽洋灯船延伸至深水港区上海盛东国际集装箱码头NO.9泊位前沿水域，是大型船舶进出洋山港的专用航道。航道长51.1km（27.6n.m.），设计水深16.5m，航道宽度550~1000m。本文按12节航行速度，船舶在航道中的航行时间=2.3h=0.096d。根据集装箱船设计船型尺度标准，可确定15000吨级的集装箱船的载箱量约为1900TEU。已知洋山港现有集装箱专用泊位16个，具体见表4.1，集装箱装卸桥吊共62台，装卸桥平均每小时装卸50TEU。根据靠港集装箱船的大小以及在港口装卸箱的多少，安排2-6台装卸桥同时对其进行装卸作业，本文选择6台装卸桥同时作业取单个装卸桥作用效率的90%。则洋山港泊位作业时间（装卸时间），则洋山港主航道船舶进港排队系统的港口服务率，同理洋山港主航道船舶出港排队系统的港口服务率为。服务台数量C在4.2节已确定洋山港主航道的标准船型为15000吨级的集装箱船，按照表4.5船舶换算系数表对15000吨级的集装箱船进行换算，得到洋山港一、二、三期泊位吨级换算表4.5。表4.5洋山港一、二、三期泊位吨级换算表码头名称靠泊能力换算系数洋山一期集装箱泊位（5个）7-10万吨2.35洋山二期集装箱泊位（4个）7-10万吨2.35洋山三期集装箱1、2泊位7-15万吨2.35洋山三期集装箱3泊位7-15万吨2.35洋山三期集装箱4-6泊位7-15万吨2.35洋山三期集装箱7泊位7-15万吨2.35合计42.3根据上表的计算确定泊位的标准船型的船舶容量为=42，即为泊位所能提供的服务台的个数。根据航道的面积S=L×W，参照4.1.1节洋山港主航道长51.1km（27.6海里），航道宽度550~1000m（取为775m=0.418海里），得到主航道的面积S=11.54平方海里。本文选取洋山港主航道的标准船型为162米15000吨级的集装箱船，该船舶长轴长，短轴长。利用藤井模型计算出航道容量=67.74 （4-1）式中：—航道容量L—航道的长度W—航道的宽度—最大船舶密度航道容量充足时，服务台数量受限于泊位数量，由上述计算结果得出洋山港主航道航道容量充足，故服务台数量受泊位数量限制，最终可得洋山港排队系统服务台数量为C=42。4.3.2非突发事件下的航道通过能力计算结果利用排队论模型，将上述船舶到达率，港口服务率以及服务台数量代入排队论模型进行计算，通过运行软件MATLAB，得到港口的航道通过能力以及船舶在港口航道航行的重要参数。如下表4.4表4.4洋山港主航道排队论计算表参数进港排队系统出港排队系统船舶到达率6544.9895港口服务率1.46610.417服务台数量c4242一天内系统船舶数量48.173148.1731等待船舶数量3.83480.0000接受服务船舶数量44.33834.6245船舶待航时间0.05900.0000船舶在港作业时间0.68210.0000由此表可知，在洋山港主航道进港排队系统中，一天内接受服务的船舶数量为=48.17艘/天，在船舶进港过程中航道通过能力受到泊位数量的限制、航道尺度、船舶吨位和航速的影响，因此计算出航道内正在接受服务船舶的数量是有必要的。在进港过程中，正在接受服务的船舶包括了正在航道内航行的船舶和泊位中正在进行装卸作业的船舶。结合两者服务时间的不同，可以求得进港排队系统中接收服务的船舶数量在泊位中的分布为=44.34艘/天，出港排队系统中正在接受服务的船舶数量为=4.62艘/天，则瞬时交通流量为Q=48.96艘/天。洋山港主航道的通过能力为48.17艘/天。4.3.2突发事件下的航道通过能力分析若水域突发事件发生在相邻航道，对其航道、港口及通航设施造成影响，导致其不同程度的作业停滞，原本计划靠泊邻近泊位的部分船只可能为了规避船舶等待成本增加的风险而分流至本航道泊位，分流的船只数量视突发事件的破坏程度而有所不同。本文将突发事件分成四个等级，各对应的分流程度为使本航道日到港船舶数量分别增加25％、50％、75%、100%，而其他条件不变，对比分析不同情况下航道排队情况，从而研究港口水域发生突发事件对航道通过能力。不同突发事件等级下航道排队情况如下表4.5表4.5到港船舶数量增加25%参数进港排队系统出港排队系统船舶到达率8155.8926港口服务率1.46610.417服务台数量c4242一天内系统船舶数量59.05215.6688等待船舶数量3.79970.0000接受服务船舶数量55.25245.6688船舶待航时间0.04690.0000船舶在港作业时间0.68210.0000表4.6到港船舶数量增加50%参数进港排队系统出港排队系统船舶到达率9766.8070港口服务率1.46610.417服务台数量c4242一天内系统船舶数量69.94286.7143等待船舶数量3.77640.0000接受服务船舶数量66.16646.7143船舶待航时间0.03890.0000船舶在港作业时间0.68210.0000表4.7到港船舶数量增加75%参数进港排队系统出港排队系统船舶到达率11478.4港口服务率1.46610.417服务台数量c4242一天内系统船舶数量81.52157.8258等待船舶数量3.75890.0000接受服务船舶数量77.76267.8258船舶待航时间0.03300.0000船舶在港作业时间0.68210.0000表4.8到港船舶数量增加100%参数进港排队系统出港排队系统船舶到达率13089.3329港口服务率1.46610.417服务台数量c4242一天内系统船舶数量92.42358.8724等待船舶数量3.74680.0000接受服务船舶数量88.67678.8724船舶待航时间0.02880.0000船舶在港作业时间0.68210.0000根据表4.4-4.8，可得到不同程度的突发事件下，到港船舶数量不同程度地变化时，船舶瞬时交通流量Q的变化具体值，通过前文2.2.3节的叙述可知，单位时间内通过航道的特定航段或者是某一个截面的最大船舶艘次数叫做船舶瞬时交通流量Q。计算其到港船舶数量的增长率和洋山港主瞬时交通量的增长率，如下表4.9表4.9洋山港航道通过能力变化指标船舶到达率65.00000081.00000097.000000114.000000130.000000Q48.96280960.92120672.88073785.58843597.549041∆16.00000016.00000017.00000016.000000∆Q11.95839811.95953112.70769811.960606∆Q/∆（‰）747.400747.471747.512747.53848.173159.052169.942881.512592.4235Q/(饱和度）1.01641.03171.04201.04991.0555根据此表绘制关于瞬时交通量Q随着船舶到达率的变化量曲线与变化率曲线，由于瞬时交通量Q变化率不明显，故在绘图时选用小数点后的数据，以便更为明显地体现出规律和趋势，如图4.2和图4.3。根据此表绘制关于航道通过能力饱和度随着船舶到达率的变化量曲线与变化率曲线，如图4.4和图4.5。图4.2瞬时交通量变化趋势图4.3瞬时交通变化率趋势由图4.2可得，随着分流程度的增大，船舶到港数量的增加从而导致船舶到达率的增加，同时瞬时交通量显著增加并与船舶到达率成线性的正相关，在95%的置信区间内可以拟合为：Q=0.7475*+0.3756。由图4.3可得，随着分流程度的增大，船舶到港数量的增加从而导致船舶到达率的增加，同时瞬时交通量Q的变化速率也增加，拟合后瞬时交通量Q的增加速率随着船舶到达率的增大逐渐放缓，拟合后呈现平滑参数为0.0020037819的平滑样条曲线。图4.4航道饱和度变化趋势由图4.4可得，随着分流程度的增大，船舶到港数量的增加从而导致船舶到达率上升，同时航道饱和度S显著增加并与船舶到达率成线性的正相关，在95%的置信区间内可以拟合为：S=0.0005907*+0.9816。由图4.3可得，随着分流程度的增大，船舶到港数量的增加从而导致船舶到达率上升，航道饱和度的变化率逐渐减小且呈线性的负相关，在95%的置信区间内可以拟合为：饱和度的变化率=-0.01219*+1.889。4.3.3洋山港主航道通过能力的结果分析从上述结果中可以分析出，若水域突发事件发生在相邻航道，对其航道、港口及通航设施造成影响，导致其不同程度的作业停滞，原本计划靠泊邻近泊位的部分船只可能为了规避船舶等待成本增加的风险而分流至本航道泊位，同的分流程度对相邻港口的航道通过能力产生不同程度影响。随着分流到洋山港的船舶数量的增加，同时船舶到达率也升高，与瞬时交通量Q呈线性的正相关。但随着船舶到达率的升高，其对瞬时交通量Q变化率的影响却越来越小。也就是说，当其他条件一定时，随着船舶到达率的升高，瞬时交通量Q会升高，但升高的速度会越来越慢。通过对洋山港航道通过能力饱和度结果的分析（表4.9），洋山港在非突发和突发状态下的航道通过能力的饱和度均在1<S<1.1的范围内，按照港口航道通过能力饱和度评价指标体系，处于过饱和的状态，表明洋山港主航道的服务水平仍有较大提升空间。结合全文分析，为了确保船舶的航行安全，保持航道的服务水平，对洋山港的航道规划和发展提出以下建议：航道内船舶等待数量与通航时间成正比，因此在保障安全航行的条件下应减少超船舶在航时间，减少航道内船舶和阻塞时间从而减缓拥堵情况。在同一航道条件下，如果运输船舶构成不同，表现出的航道通过能力也会有所不同。因此优化船舶结构来提高航道通过能力是有必要的，例如逐步统一化通航船舶。船舶在航道上运行时通常由于通航尺度等通航条件的限制，使航道潜在的通过能力不能得到充分发挥，这就需要采取工程措施来改善航道条件，例如扩宽航道深度和宽度，提高航道在各种情况下的通过能力。

5结论与展望港口航道通过能力指在船舶能够在安全环境航行的情况下，在一定时间内通过某一航道的最大船舶艘次数，能够体现出航道疏导水路交通的能力。在港口水域发生突发事件的情况下，对港口航道通过能力进行系统性和科学性的研究，有助于解决航道中船舶因素和设施条件的不足，提高通航的安全性和高效性，促进港口航运交通的可持续发展。本文以上海洋山深水港为研究对象，随着洋山港双向航道的