航道通过能力的计算方法

航道通过能力的计算方法赵智帮;李鑫【摘要】By now, many researches are carried out for the best way to calculate the channel navigable capacity, but no one can be ascertained as the standard calculation method. Based on the analysis of the relevant research deliveraies, it is simple and convenient to adopt the utilization ratio way for calculating the channel navigable capacity. In that case, different navigable capacity calculation methods are educed respectively for oneway, two-way and compound channels. The above will provide the reference for the design of similar channel projects in the future.%目前国内关于航道通过能力方面的研究成果较多,但未能形成被业界广泛认可的计算方法.基于对相关研究成果的分析认为,采用“利用率法”计算航道通过能力较为简便可行,并分别推导出适用于单向、双向和复式航道的通过能力计算公式,可供今后同类航道工程的设计参考.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2011(048)006【总页数】4页(P15-18)【关键词】航道工程;通过能力;单向航道;双向航道;复式航道;利用率【作者】赵智帮;李鑫【作者单位】中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津300222;中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津300222【正文语种】中文【中图分类】U612.32近年来我国几大港口的年吞吐量陆续达到或超过亿t，年到港船舶数量也增至数万艘次，其中某些港口的航道已经达到饱和或超饱和状态。

航道通过能力是否存在极限，航道是否能够满足不断增长的港口吞吐量和船舶通行量的要求，往往是港口决策者和管理者最为关心的问题。

以前港口吞吐量较小时，航道还暂时不会对港口吞吐量的增长形成瓶颈效应，所以，国内对航道通过能力的研究并未形成统一的、具有权威性的计算方法。

近年来，国、内外有多家科研院所和大专院校对航道通过能力的计算进行过相关研究，归纳起来主要的计算方法包括排队论法、数值模拟法和利用率法等。

1 港口航道通过能力的计算方法1.1 排队论法运用排队论法研究港口航道的通过能力，大致可分为2种模式。

其一是假设船舶到达规律符合泊松分布（M），船舶利用航道的服务时间符合负指数分布（M）或二阶爱尔兰分布（E2），窗口数（S）量为 1个，可归结为经典的排队论模型M/M/1或M/E2/1，在计算航道通过能力时可采用该模型的相关计算公式。

但在假设船舶利用航道的服务时间符合负指数分布或二阶爱尔兰分布的依据方面缺乏相关统计，实际情况是缺乏每条船进、出航道时间的准确记录，数据也很难进行统计。

在排队论理论中每个服务时间都是独立事件，具有随机性和无后效性，而航道中的船舶是人为调度的，船舶的航行时间相互影响，是具有后效性的，所以，单纯利用经典的排队论模型计算航道通过能力是不正确的。

排队论方法的另一种模式是假设船舶到达规律符合泊松分布（M），服务时间分布不以船舶利用航道的服务时间，而是以船舶在码头泊位卸货的服务时间为标准，服从负指数分布（M）或二阶爱尔兰分布（E2），窗口数为港口的泊位数（S），归结为经典的排队论模型M/M/S或M/E2/S，在计算航道通过能力时可采用该模型的相关计算公式。

研究者认为，航道的通过能力应取为船舶在港外锚地排队时间与船舶在港总时间之比达到0.5时的航道通过量，据此认为当上述比值＞0.5时由于船舶排队时间过长，航道可视为通过能力不足。

经典排队论的典型模型主要是模拟人们在银行、售票厅等处排队的情况，认为人群到达的规律符合泊松分布（M），服务时间是指在窗口的服务时间，窗口数即可供使用的窗口数量（S），据此形成经典的排队论模型M/M/S或M/E2/S。

在上述模型中，人群的到达不受限制，且不考虑银行、售票厅的大门通道因狭窄不能通过的情况，而港口航道就被视为大门或进入大门前的通道，显然上述模型的经典算法中并未考虑航道流量受限的情况，实际上按模型经典公式计算出的结论只是在讨论港口泊位数是否足够的问题。

1.2 数值模拟法目前，国、内外也有利用数值模拟方法计算航道通过能力的实践，由专门的计算机软件模拟航道的随机服务系统，此方法主要是根据港口船舶航行作业系统的特点，将系统中的独立事件抽象为船舶到港、锚泊、进港航行、靠泊、装卸货作业、离泊、出港航行、离港等事件，根据系统状态和独立事件的触发条件建立整个系统的仿真逻辑模型。

在系统仿真逻辑模型的框架下，结合航道的实际使用情况，分别构建船舶到港模型、交通流模型、航路模型、船舶运动模型、船舶行为特征模型和天气潮汐模型等，针对整个系统多年营运的情况进行数值模拟，通过数值模拟可得出船舶在港的平均停时Ti、船舶在锚地的平均等待时间Wi、锚地平均停泊船数和最大停泊船数等数据，从而得出航道的通过能力。

该方法已在天津港、黄骅港和长江口航道等工程中得到成功运用，但由于当地自然条件的规律、船舶进出港人为调度情况、船舶在码头上卸货时间的规律等很难准确模拟，有些数据只能假定，所以，数值模拟的结果很难准确反映港口航道的实际情况。

该方法的最大缺点是专业性较强，只适合部分拥有专业知识和技能的人员使用，难以在普通港口航道专业设计人员中大面积推广。

1.3 利用率（或饱和度）法利用率法是基于经验公式的估算方法，认为船舶进出港时排队鱼贯而行，船舶间距可按照藤井公式计算，当船舶密度，即利用率（或饱和度）大于一定值（如0.6）时，认为航道通过能力已经饱和，行船密度已不能继续增加。

利用率（或饱和度）法需根据许多航道的运营实践，经过长时间考验后，才能形成较成熟的计算方法，目前还不能非常准确，但已是非常重要的参考依据。

在港口工程设计中有采用利用率方法估算某个复杂问题的先例，例如港口泊位年通过能力的影响因素很复杂，以件杂货泊位为例，其货种复杂、船时效率不一，很难进行准确计算，在《海港总平面设计规范》（JTJ211—99）中泊位通过能力就是用经验公式计算的，其中包含2个非常重要的经验系数:港口生产不平衡系数和泊位利用率。

该计算方法最早从前苏联传入我国，并已使用多年，现在依然在应用，其中的经验系数经过不断修正，已逐渐接近实际情况，现在已没有人再怀疑用该方法计算出的泊位年通过能力的适用性了。

综上所述，按照经典的排队论理论计算所得的港口航道通过能力存在诸多问题，数值模拟方法虽可进行近似计算，但计算过程较为复杂，不够直观易懂，普及起来有很大难度。

因此，建议按利用率法估算港口航道的通过能力，这种计算方法具有简单易懂，利于普及的优点。

2 基于利用率的航道通过能力计算方法2.1 单向航道对于某一足够宽的单向航道，将每d的通航时间平均分为间隔相等的n个时间段，每个时间段平均组织m艘船舶进港或出港，则单向航道的通过能力可表示为其中M1为单向航道的年通过能力；n为每d平均安排船队进、出港次数的总和，为减少船舶等待时间，一般情况下港口调度每d会统一安排多次的船舶进、出港作业，如每d安排船队进、出港各3次，则n=6；V为船舶在航道中航行的平均速度，一般为6～12 kn，较长的航道应取大值，较短的航道宜取小值；LCH为船舶在航道中航行的平均里程，由于航道中航行的船舶大小不一，小船可以在适当的水深处驶出航道，其航行里程较短，大船在航道中航行的里程则较长，LCH是航行里程的平均值；Ty为航道的年工作天数；ρ为航道利用率，也称为饱和度；D为平均每艘船舶航行中占用航道的长度，可根据国、内外相关研究成果确定。

2.1.1 船舶领域的尺度日本航海界的权威学者藤井博士在日本沿海水域进行了多次海上交通调查，并对船舶相对位置的二维频率分布进行分析研究，提出船舶领域是以船舶（被避让船舶）为中心、沿船舶艏艉线方向为长半轴、沿船舶正横方向为短半轴的椭圆，船舶领域的具体尺度与船速、密度和潮流等因素有关。

藤井船舶领域模型，见图1。

图1 藤井船舶领域模型除了藤井博士外，英国学者Goodwin根据北海南部水域的海上交通观测数据进行统计分析，建立开阔水域的船舶领域模型；日本学者衫崎昭生进一步完善了藤井的椭圆型船舶领域模型；我国学者在1986年—1989年进行的“海上交通微宏观网络模拟研究”中，以减速航行条件的藤井船舶领域模型为基础，提出了“微—宏观”模型。

一般认为船舶领域与本船驾驶员的心理素质，本船的船长、速度、性能等条件和外界交通密度、会遇形势、水文地理和天气情况等方面的影响因素有关。

在内海和进出港口的航道，一般可认为船舶领域是椭圆型，其大小与船舶尺度、航速和环境状况等有关。

通常对于桥梁区或限制水域，当船舶以正常速度航行时，其领域尺寸的平均值在船舶的艏艉方向上一般取7倍船长。

这与目前我国航运界普遍认同的航道中两船尾随距离≥6倍船长的说法基本一致。

因此，在航道通过能力计算中平均每艘船舶航行时占用航道的长度D的建议取值为7倍的平均船长。

2.1.2 航道利用率（饱和度）由于单向航道属于单通道的服务系统，其利用率达到0.5～0.6说明航道已达饱和状态，航道利用率＞0.6的航道处于超饱和状态，航道利用率≥0.7时，船舶进、出港等候航道的时间过长，应视为不可能通过。

日本专家对航道利用率进行过专门研究，在理论交通流量为116艘/h的海域内，实际的交通流量为60艘/h，航道利用率ρ=0.52，上述研究成果与本文提出的航道利用率适用标准基本吻合。

在计算航道通过能力时可利用公式（1）计算航道的利用率，当航道利用率ρ达到饱和状态时，对应的航道船舶通过量即为单向航道的通过能力，该方法计算简单，并能得出较为准确的结论。

一般情况下当ρ＞0.6时，说明航道已处于超饱和状态，单向航道已不能适应港口吞吐量增长的要求，为保证船舶进、出港的安全和便捷，应该考虑建设双向航道。

2.1.3 清空航道的时间单向航道的突出缺点在于每次更换船队进、出港作业的方向就必须清空航道，每d 清空航道的时间Tq=n·LCH/V。

在实际港口运营作业中，每d清空航道所用时间很多，例如某航道长20 km，每d安排船队进、出港作业各3次，则n=6次，若船舶在航道中的平均航速为8 kn，清空航道所需时间Tq就达到8.1 h，约占全天作业时间的1/3，航道越长所需的清空时间就越长。