【文章內(nèi)容簡介】 Wilson, Hoyt G.[3]研究了美國內(nèi)河航道特別是船閘所在航道的擁擠后，并用 M/M/1與 M/G/1 排隊模型模擬航道通航情況，并將結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn) M/G/1 模型更加適合模擬船閘航道的通航特性。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著我國的水路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，航道、港口大量投入使用，各港口、航區(qū)的船舶流量日益增加，船舶通航問題日益突出。為解決船舶通航問題，專家提出了基于排隊論的通過能力計算模型、基于航海操縱模擬器的通過能力計算模型和基于交通流模型的船舶交通效率量化模型等方式，來對船舶通過能力和通航效率問題進(jìn)行建模分析，從而找到解決實(shí)際問題的方法。應(yīng)靜華，肖英杰 [14]（2022）基于航海操縱模擬器,模擬船舶緊急制動距離,運(yùn)用排隊論的相關(guān)理論,分析大橋通航孔船舶通行能力,為建立橋區(qū)通航管理規(guī)則,合理規(guī)劃過橋等待錨地提供參考,以利于保障橋區(qū)水域船舶航行安全。劉明俊，艾萬政，程志友 [16]（2022）結(jié)合實(shí)測得到的蘇通大橋的橋區(qū)水域的船舶流量數(shù)據(jù)，運(yùn)用船舶領(lǐng)域理論,對蘇通大橋施工期主通航孔上、下行全天主通航孔大型船舶航路和小型船舶航路的通航能力進(jìn)行分析論證。李勇，張哲 [20]（2022）在長江中上游狹水道中的船舶交通流現(xiàn)狀要求對交通流理論研究的更進(jìn)一步深入,文中試圖把一維流體場的理論應(yīng)用到船舶流的研究中去,找出船舶流的基本函數(shù),得出了連續(xù)和間斷狀態(tài)上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析3下的船舶流方程,提出相應(yīng)的算法和解法. 邵長豐, 方祥麟 [21]（2022）提出了船舶交通流的流體模型,并進(jìn)行了實(shí)例研究。對船舶交通在確保安全的前提下如何提高交通效率進(jìn)行了探討,得出了船舶交通流的流體模型,從一個側(cè)面明確了船舶交通效率的量化問題。劉敬賢, 韓曉寶, 易湘平 [31]（2022）將排隊論理論用于港口水域受限航道通過能力計算,綜合考慮了航道、船舶、水文、氣象、規(guī)則等要素對航道通過能力的影響和制約,構(gòu)建了實(shí)用化的評價飽和度的動態(tài)模型。他們建立的模型在天津港主航道規(guī)劃設(shè)計和擴(kuò)建工程中的應(yīng)用結(jié)果表明,該方法能較好的對受限航道的飽和程度進(jìn)行動態(tài)評價,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。李志鵬，方泉根 [32]（2022）以船舶定?；剞D(zhuǎn)時其對地速度、回轉(zhuǎn)半徑和回轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系為基礎(chǔ),文章探討了船舶 K、T 操縱指數(shù)、雷達(dá)轉(zhuǎn)向線與檢測線和回轉(zhuǎn)角速度指示器在受限水域中船舶大幅度轉(zhuǎn)向和回轉(zhuǎn)操縱的運(yùn)用方法,并就船舶如何在受限水域正確使用以上方法進(jìn)行轉(zhuǎn)向和回轉(zhuǎn)提出了一些注意事項和建議。 國內(nèi)外研究中存在的問題從以上的文獻(xiàn)綜述可以看出，目前學(xué)術(shù)界有關(guān)船舶通航效率問題的研究工作還不夠系統(tǒng)、不夠深入，而且現(xiàn)有研究存在以下問題：1）在對內(nèi)河航道的通航問題的研究中，主要針對船閘對船舶通航的影響，但對橋梁對船舶通航效率的影響研究還不夠深入；2）著重分析航道的通航特性，研究成果較多，但對有航行管制措施的航道的通航效率研究還不夠深入；3）對主航道與碼頭回旋水域重合時碼頭的離泊延誤問題還缺乏研究。因此，本文將對受限航道、港口的通航效率和內(nèi)河上橋梁對通航的影響進(jìn)行建模分析。 研究內(nèi)容與技術(shù)路線 研究內(nèi)容本文從對船舶通航現(xiàn)狀的實(shí)地調(diào)查入手，首先通過對長江定線制航道蘇通大橋和擬建滬通大橋航段的船舶流量觀測，發(fā)現(xiàn)此航段船舶流量較大，在漲潮和落潮時上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析4易引起交通擁擠，在滬通大橋建成后發(fā)生交通擁擠的可能性將加大；其次通過對深圳大鏟灣港區(qū)船舶通航現(xiàn)狀的調(diào)查和船舶流量的觀測，發(fā)現(xiàn)兩個易引起通航延誤和通過能力下降的問題：（1）大鏟灣港區(qū)集裝箱碼頭的回旋水域與港區(qū)主航道重合，引起離港船舶不能及時使用回旋水域進(jìn)行離泊作業(yè)而滯留碼頭， （2）在擬建LNG（液化天然氣船）接受站建成后，LNG 船進(jìn)出港區(qū)時需實(shí)行航行管制措施以保安全，這會對大鏟灣港區(qū)的通過能力有較大影響；最后，對以上問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的數(shù)值計算，分析計算結(jié)果并給出改善現(xiàn)狀的建議。本文的研究內(nèi)容共分為三個主要部分：1） 以復(fù)線布置橋梁的橋區(qū)水域作為研究對象，將復(fù)線布置橋梁的橋區(qū)水域考慮為一個串聯(lián)排隊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對兩橋通航系統(tǒng)的通航效率進(jìn)行研究。在對蘇通大橋 AIS 數(shù)據(jù)與流量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行兩橋的主副通航孔通航系統(tǒng)雙向高峰與日常時段的情況計算，分析計算結(jié)果進(jìn)而找到系統(tǒng)的兩種瓶頸與瓶頸生成的原因，并將計算結(jié)果與單橋通航系統(tǒng)的通航效率進(jìn)行比較，討論兩種通航系統(tǒng)的通航效率的差異，提出減小瓶頸影響的對策。2） 以有 LNG 接受站的港區(qū)水域作為研究對象，將航道與泊位視為一個整體進(jìn)行分析，將其考慮為一個 M/M/K 排隊系統(tǒng)。通過對港區(qū)在規(guī)劃年的船舶流量的預(yù)測、船舶進(jìn)出港和靠離泊時間的統(tǒng)計，對建成 LNG 接受站和未建成 LNG 接受站兩種情況下的港區(qū)通過能力進(jìn)行計算與對比，并計算出 LNG 接受站建成后港區(qū)內(nèi)其他泊位的經(jīng)濟(jì)損失。3） 針對回旋水域與主航道重合時的通航延誤問題進(jìn)行建模分析，用移位負(fù)指數(shù)分布擬合單向通航主航道交通流,并將回旋水域視為一個 M/G/1 排隊系統(tǒng)，將主航道與回旋水域作為整體計算船舶離泊時間延誤，建立船舶在離泊作業(yè)時切入主航道的經(jīng)濟(jì)角度模型。 技術(shù)路線上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析5題目：船舶通航效率問題建模與分析 船舶通航問題國外資料收集 船舶通航問題國內(nèi)資料收集交通調(diào)查、交通數(shù)據(jù)采集與處理確定研究具體對象，分析對象復(fù)線布置橋梁船舶通航效率研究 狹窄水域船舶離泊延誤研究通過分析,得出橋梁通航孔通航效率的瓶頸、航行管制措施對港口通航效率的影響程度、船舶離泊的經(jīng)濟(jì)角度。航行管制措施對港口通航效率的影響：本文結(jié)構(gòu)圖 本文的創(chuàng)新點(diǎn)在實(shí)地調(diào)查與觀測的基礎(chǔ)上，本文針對一些突出的情況進(jìn)行研究，主要研究創(chuàng)新點(diǎn)如下：1） 研究復(fù)線布置橋梁橋區(qū)水域的通航效率問題，把復(fù)線布置橋梁橋區(qū)水域視為一個串聯(lián)排隊系統(tǒng)，并將其通航效率與單橋情況下相比較，找出通航效率的瓶頸所在，并提出減小瓶頸影響的對策。2） 研究有 LNG 接受站的港區(qū)的通過能力，將航道與泊位考慮為服務(wù)臺，計上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析6算港區(qū)的通過能力，將計算結(jié)果與無航行管制情況下的通過能力相比較，并分析在 LNG 接受站建成后港區(qū)內(nèi)其他泊位的經(jīng)濟(jì)損失。3） 研究主航道與回旋水域重合時船舶離泊延誤，將主航道與回旋水域考慮為整體，建立船舶離泊延誤模型與離泊經(jīng)濟(jì)角度模型，并舉例說明離泊經(jīng)濟(jì)角度模型的實(shí)際應(yīng)用方式。第二章 復(fù)線布置橋梁船舶通航效率研究上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析7船舶通過橋梁通航孔時，由于駕駛員需控制船位以保證操縱安全等原因會降低航行速度，致使在橋區(qū)水域易形成的船舶流的集結(jié)現(xiàn)象且不能短距離內(nèi)消散，一旦形成相對擁擠和延誤，其船舶流消散過程會很長。當(dāng)兩座橋梁采用復(fù)線布置方式時，船舶需在短距離上連續(xù)通過兩個通航孔，這導(dǎo)致駕駛員的心理壓力和操縱難度將大幅增加，致使船舶通過橋區(qū)水域時的航速降低，形成船舶流集結(jié)現(xiàn)象。船舶流的集結(jié)現(xiàn)象會對橋區(qū)水域通航效率有一定的影響，會增加通航管理的難度，因此，在橋梁規(guī)劃布置時應(yīng)考慮橋梁布置方式對船舶通航的影響，進(jìn)行橋梁通航效率系統(tǒng)的定量計算。本章將運(yùn)用 M/M/1 型排隊系統(tǒng)和串聯(lián)排隊系統(tǒng)來計算橋梁通航系統(tǒng)的效率。 橋梁通航效率系統(tǒng)模型當(dāng)船舶通過橋梁通航孔時航速會低于正常航行速度，那么可將橋梁通航孔視為服務(wù)臺，船舶依次到達(dá)且相互獨(dú)立的，因此我們將橋梁通航系統(tǒng)視為一個排隊系統(tǒng)，復(fù)線布置橋梁視為一個串聯(lián)排隊系統(tǒng)。 單橋通航效率系統(tǒng)模型當(dāng)航路上只有一座大橋時，將其視為一個到達(dá)服從 POSSION 分布，到達(dá)率均值為 ，過橋時間（服務(wù)臺服務(wù)時間）服從負(fù)指數(shù)分布的 M/M/1 型排隊系統(tǒng)且其均值0?為 。其各項指標(biāo)可由 M/M/1 型排隊系統(tǒng)中經(jīng)典公式得出：1平均排隊數(shù)(艘) ： ??102???sL系統(tǒng)中總時間： 10qW 復(fù)線布置橋梁通航效率系統(tǒng)模型將復(fù)線布置橋梁的兩個通航孔看成兩個串聯(lián)的服務(wù)臺，船舶到達(dá)服從隨機(jī)分布，船舶可在橋前進(jìn)行排隊但排隊容量有限制，因此運(yùn)用串聯(lián)開排隊網(wǎng)絡(luò)來模擬大橋通航系統(tǒng)的通航情況。并做如下假設(shè)：1）船舶在航行方向上共要經(jīng)過兩個通航孔（服務(wù)臺） ，設(shè)滬通大橋的通航容量上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析8和蘇通大橋通航容量為 ( 的取值由航行方向決定,航路上第一座橋 取 1,第二座iKi橋 取 2)。由于兩橋之間可航水域有限，如兩橋之間水域的船舶密度過高會使這片i水域存在安全隱患，所以將兩橋間通航容量的設(shè)置為：通航容量=兩橋間距/船舶領(lǐng)域縱長；船舶領(lǐng)域的介紹：交通工具在運(yùn)動時，前后之間總要保持一段安全距離。船舶在航行時，在每艘船舶周圍，需要有一個安全緩沖區(qū)域，他船進(jìn)入本船的安全緩沖區(qū)域內(nèi)，一般就認(rèn)為有碰撞的危險。當(dāng)航道達(dá)到最大交通密度時，船舶之間保持一定的安全距離航行以避免發(fā)生碰撞，其中安全距離就是船舶安全行駛的最小距離，也就是船舶避碰領(lǐng)域（簡稱船舶領(lǐng)域） 。船舶領(lǐng)域 (Ship Safety Domain)，是海上交通工程學(xué)中的一個重要概念。船舶領(lǐng)域是以本船的大小、運(yùn)動性能、水域、與他船的相互位置關(guān)系等為參數(shù)的一個復(fù)雜函數(shù)。為了避繁就簡，通過統(tǒng)計分析船舶之間相對位置分布從而來獲得避碰領(lǐng)域的大小及形狀。目前，應(yīng)用較多的模型有：（1）藤井模型：通過在日本沿海水域海上交通調(diào)查并對船舶相對位置的二維頻率分布分析研究，藤井提出了船舶領(lǐng)域的模型，即以船舶(被避讓船舶)為中心，長半軸沿船舶首尾方向。短半軸沿船舶正橫方向的一個橢圓。他認(rèn)為:船舶領(lǐng)域的具體尺寸與船速、密度和潮流等因素有關(guān)。另外，他又通過長期以來多次觀察日本沿海水道的交通實(shí)況，獲得了船舶領(lǐng)域尺寸的數(shù)值為 7 倍船長(長軸)/3 倍船長(短軸)。通常航行條件下被追越船舶的領(lǐng)域尺寸為 8L( L 即船長 )/()。當(dāng)航行在需要減速的港口內(nèi)部和狹窄的海峽時，船舶領(lǐng)域尺寸減小到 6L/()。半海峽時，船舶領(lǐng)域尺寸減小到 6L/()。(如圖 )上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析9 8 L3 . 2 L6 L1 . 6 L 日本海水道中船舶領(lǐng)域模型（2）Goodwin 船舶領(lǐng)域模型（開闊水域） 船首向0 . 7 n m i l e0 . 4 5 n m i l e0 . 8 5 n m i l e3 L3 L0 . 8 L0 . 8 L 圖 開闊水域船舶領(lǐng)域模型 圖 藤井船舶領(lǐng)域簡化模型船舶領(lǐng)域的幾何圖形是不對稱的，按船舶的號燈范圍劃分為三個扇形區(qū)考慮，建立開闊水域船舶領(lǐng)域模型（如圖 、） 。2）船舶按 POSSION 流到達(dá)，均值為 （艘/小時） 。0?3）船舶在系統(tǒng)中依次通過各通航孔（禁止追越） ；4）船舶通過通航孔的時間服從負(fù)指數(shù)分布，服務(wù)時間的均值為 ＞0, 的取值j?j方式與 相同。i ， VDj??1852?UAL??式中：D 為橋區(qū)水域?qū)挾龋╩） ；上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析10L 為橋面寬（m） ；AU為船舶領(lǐng)域縱長(m)。為平均船速(kn 海里/小時)。V5）當(dāng)航路上第二座橋的隊長小于 （最大通航容量）時,前座橋可以通航,一2K旦駛過第一座橋的船舶進(jìn)入兩橋中間水域使第二座橋的隊長到達(dá) 時,第一座橋便2K停止通航,直到第二座橋通過一艘船舶后使船舶隊長小于 時,第一座橋才恢復(fù)通航。26）所有船舶來到的時間間隔和通航時間都互相獨(dú)立。 復(fù)線布置的蘇通大橋與擬建滬通大橋的情況介紹根據(jù)鐵道部第四勘察設(shè)計院編制的《上海至南通鐵路預(yù)可行性研究報告》 ，滬通鐵路工程在長江蘇通段跨越長江修建特大橋梁。橋址位于蘇通大橋下游 3km 處，橋梁總長約 ，橋面寬度為 34m。 （如圖 所示）滬通大橋蘇通大橋圖 蘇通大橋和滬通大橋位置及航道示意圖上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文 船舶通航效率問題建模與分析11 蘇通大橋和滬通大橋附近水域船舶流量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 船舶領(lǐng)域縱長的確定本文根據(jù)《上海至南通鐵路滬通大橋評估報告》中橋區(qū)水域船舶通航能力預(yù)測參數(shù)（如表 ） ，統(tǒng)計計算通過主、副通航孔船舶的船舶領(lǐng)域縱長（如表 ） 。表 橋區(qū)水域船舶通航能力預(yù)測參數(shù)平均航速（km/h）船舶領(lǐng)域縱向長 比例(%)船舶載總重噸船舶長度（m）計算船長（m） 逆流 順流 逆流 順流 上行 下行1000t 以下 60 60 8 12 3 L 4L