基于港口群聯(lián)合調(diào)度的防臺(tái)錨地規(guī)模優(yōu)化研究

彭廣益，鄧夕貴 ，封學(xué)軍 ，吳曉婧,3*

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.中國港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦阿比讓 06BP6687；3.廈門大唐房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，廈門 361001)

臺(tái)風(fēng)是一種破壞力很強(qiáng)的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，它對(duì)建筑與人的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。中國是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重國家之一：“十一五”期間，每年大約有8次臺(tái)風(fēng)登陸，造成400余人死亡，逾260億元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失[1]，隨著防汛防臺(tái)風(fēng)工作水平的提高，“十二五”期間，年平均死亡人數(shù)降至近百人[2]。對(duì)于沿海港口而言，臺(tái)風(fēng)的襲擊對(duì)港口機(jī)械、港區(qū)船舶和人員安全都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了防御臺(tái)風(fēng)對(duì)港口帶來的威脅，規(guī)劃并建立防臺(tái)錨地是港口安全發(fā)展的重要保障。

然而在港口貿(mào)易不斷拓展、靠港船舶數(shù)不斷增加、到港船型趨于大型化與專業(yè)化的情況下，我國的防臺(tái)錨地卻呈現(xiàn)出規(guī)模嚴(yán)重短缺、規(guī)劃發(fā)展滯后的現(xiàn)象。究其原因，是我國海域資源緊張以及缺乏科學(xué)合理的建設(shè)、管理和維護(hù)制度。隨著交通運(yùn)輸部提出“促進(jìn)區(qū)域航道、錨地和引航等資源共享共用”成為2018年工作重點(diǎn)，合理規(guī)劃、優(yōu)化錨地資源正成為行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)問題；同時(shí)，21世紀(jì)海上絲綢之路的推進(jìn)與建設(shè)也對(duì)沿海城市的港口建設(shè)提出了更高要求。但如何共享、如何實(shí)現(xiàn)資源的高效利用還缺少科學(xué)的方法和手段?；诟劭谌郝?lián)合調(diào)度的防臺(tái)錨地優(yōu)化研究對(duì)豐富我國港口錨地研究、提升港口航運(yùn)安全以及響應(yīng)相關(guān)政策要求具有深遠(yuǎn)意義。

目前國內(nèi)對(duì)于錨地規(guī)劃研究主要集中于錨地評(píng)價(jià)、錨地的規(guī)劃、錨泊安全等方面。葉志民[3]、于仁海[4]、張鵬飛[5]、米小亮[6]等利用理論分析、模型構(gòu)建、指標(biāo)體系建立、仿真處理等不同方法手段對(duì)錨地規(guī)劃進(jìn)行研究。對(duì)于防臺(tái)錨地，國內(nèi)學(xué)者定性分析多，定量規(guī)劃少；對(duì)單個(gè)港口研究多，對(duì)港口群整體需求規(guī)劃的少。唐武[7]、吳亞軍[8]分別分析了洋山港與海南錨地基本情況，指出防臺(tái)錨地的重要性與必要性，提出了相關(guān)錨地保護(hù)政策；孫一艷[9]等進(jìn)行了單船首尾雙錨錨泊的物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了漁港港內(nèi)錨地允許波高；張亦飛等[10]引入Monte Carle方法建立了漁港避風(fēng)錨地面積計(jì)算的隨機(jī)模擬模型，采用不同的概率分布刻劃各相關(guān)參數(shù)，從而獲得避風(fēng)錨地面積的概率分布；連石水[11]、沈旭偉[12]等介紹南海臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)、我國防臺(tái)體制、防臺(tái)錨地的選址和防臺(tái)錨地的設(shè)計(jì)要點(diǎn)(包括錨泊方式、錨地主要尺度等)，為防臺(tái)錨地的設(shè)計(jì)提供參考。

鑒于此，本文從港口群聯(lián)合調(diào)度的角度出發(fā)，建立防臺(tái)錨地的需求和優(yōu)化模型，基于港口群聯(lián)合調(diào)度的防臺(tái)錨地規(guī)模優(yōu)化研究不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，更有很強(qiáng)的理論價(jià)值。

1 防臺(tái)錨地需求模型構(gòu)建

1.1 問題描述及模型構(gòu)建

錨地由于不具備直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的能力，所以其重要性往往被忽視，防臺(tái)錨地可以在臺(tái)風(fēng)來襲、碼頭發(fā)生險(xiǎn)情等突發(fā)狀況下為船舶提供安全避險(xiǎn)的場(chǎng)所。在現(xiàn)今資源緊缺的情況下，應(yīng)從合理、高效地實(shí)現(xiàn)錨地資源利用入手，滿足港口需求。

通常情況下，從經(jīng)濟(jì)最大化的角度，對(duì)于錨地需求需要計(jì)算最佳錨位數(shù)，錨位數(shù)過多易造成資源浪費(fèi)，錨位數(shù)過少易導(dǎo)致船舶等待時(shí)間過長、港口服務(wù)效率降低。但針對(duì)防臺(tái)錨地，應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)狀況下最不利的情況，此時(shí)安全性取代經(jīng)濟(jì)性成為首位考量因素。故本研究在計(jì)算錨地面積需求時(shí)將進(jìn)出港船舶數(shù)量與船型列為首要因素。

此外，綜合考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)力等級(jí)、錨地維護(hù)情況等因素，構(gòu)建錨地需求面積函數(shù)表達(dá)式如下

Ap=F(N(p,t,i),M(p,c,i),D(p,i,c),S(i),K)

(1)

式中：A為錨地面積，km2；N為船舶數(shù)量，艘；M為臺(tái)風(fēng)影響函數(shù)；D為船舶抗風(fēng)函數(shù)；S為單船錨位面積，km2；K為控制系數(shù)；p,t,i,c為港區(qū)序號(hào)、臺(tái)風(fēng)影響時(shí)間、船舶船型和臺(tái)風(fēng)風(fēng)力等級(jí)，即：Ap為規(guī)劃所得p港口所需的防臺(tái)錨地面積。

1.2 參數(shù)標(biāo)定

(1)船舶數(shù)量確定方法。通常情況下，分析船舶的進(jìn)出港規(guī)律需要大量的到港船舶(噸位或艘數(shù))資料。大多數(shù)船舶到港規(guī)律服從泊松分布，可據(jù)此進(jìn)行推算。本文中對(duì)到港船舶數(shù)量的確定采用基于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)法。

AIS數(shù)據(jù)信息主要包括動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信息、航次信息、航行安全信息。除了航行狀態(tài)可由人工輸入，其他動(dòng)態(tài)信息將由傳感器自動(dòng)獲取[13]。船舶航行時(shí)這些信息每3～10 s記錄一次；船舶錨泊或停泊且移動(dòng)速度小于3節(jié)時(shí)，每3 min記錄一次[14]。AIS數(shù)據(jù)解析后可能有些記錄錯(cuò)誤，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)分析與處理，以減少AIS數(shù)據(jù)誤差、提高后續(xù)階段的工作效率[15]。對(duì)AIS信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理主要關(guān)注其中明顯的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并將其刪去，同時(shí)對(duì)船舶類型進(jìn)行歸類。利用AIS數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)可以提取目標(biāo)港區(qū)的進(jìn)出港船舶資料，從而分析確定目標(biāo)海域的船舶數(shù)量。

(2)臺(tái)風(fēng)影響函數(shù)。臺(tái)風(fēng)登陸路徑不同，對(duì)港區(qū)造成的影響也不同。臺(tái)風(fēng)對(duì)港區(qū)的影響十分復(fù)雜。目前對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速半徑的估算停留在人為估算的層面，即根據(jù)衛(wèi)星云圖的臺(tái)風(fēng)云系分布進(jìn)行風(fēng)速半徑估算，因此，臺(tái)風(fēng)各級(jí)風(fēng)速半徑因臺(tái)風(fēng)而異，也因人而異，無法獲得準(zhǔn)確的結(jié)論。在實(shí)際運(yùn)用中，可通過歷年統(tǒng)計(jì)資料的分析處理，獲取較為合理的臺(tái)風(fēng)影響系數(shù)。

(3)船舶抗風(fēng)函數(shù)。不同船型、不同噸級(jí)的船舶的抗風(fēng)能力不盡相同，導(dǎo)致避臺(tái)時(shí)間與避臺(tái)方式的不同，應(yīng)分類討論。根據(jù)《海船穩(wěn)性規(guī)范》可以計(jì)算出距海面10 m高地的風(fēng)速值V10和船舶最大抗風(fēng)風(fēng)速V10max，查詢“我國沿海氣象臺(tái)規(guī)定風(fēng)速”的上限值，即可得到船舶的抗風(fēng)等級(jí)或最大抗風(fēng)等級(jí)。

(4)單船錨位面積?！逗８劭傮w設(shè)計(jì)規(guī)范》中注明：單錨系泊不適用于防臺(tái)錨地，其所需要的水域面積較大，且其系泊力通常難以抵御大風(fēng)影響，即便增長了錨鏈長度從而增加了錨鏈阻力，仍然難以阻止走錨情況的發(fā)生[10]，本文不予考慮。錨抓力更大的雙錨泊與多錨泊方式所造成的船身偏蕩較小，但是由于其操作較復(fù)雜，走錨時(shí)易發(fā)生錨鏈交纏，威脅船舶安全。單浮筒系泊是常用的系泊方式，所需水域面積小；雙浮筒系泊則適用于水域較窄的地方，但大型船舶防臺(tái)浮筒建造較少。王文淵等[16]根據(jù)規(guī)范，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)計(jì)算各噸級(jí)集裝箱船舶在不同系泊方式下的所占水域面積，結(jié)果顯示在同樣條件下，雙浮筒系泊方式錨位所占水域面積較小，故本研究選擇防臺(tái)浮筒系泊方式，在實(shí)際中采取加系纜繩等方法增強(qiáng)其安全性。

單浮筒系泊水域的系泊半徑可按式(2)計(jì)算

R=L+r+l+e

(2)

式中：R為單浮筒水域系泊半徑，m；r為由潮差引起的浮筒水平偏位，m，每米潮差可按1 m計(jì)算；l為系纜的水平投影長度，m，取值見表3；e為船艉與水域邊界的富裕距離，單位為m，取0.1L。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，雙浮筒系泊水域尺度可按式(3)計(jì)算

長度S=L+2(r+1)
寬度a=4B

(3)

式中：S為雙浮筒水域系泊長度，m；a為雙浮筒水域系泊寬度，m；B為設(shè)計(jì)船寬，m。

不同船型不同噸級(jí)的船舶，其設(shè)計(jì)尺度也不同，應(yīng)根據(jù)船舶實(shí)際情況進(jìn)行判斷。

(5)控制系數(shù)。在規(guī)劃防臺(tái)錨地面積時(shí)，需要考慮一系列影響因素。通常情況下，除了前文已列出的部分，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，考慮錨地的維護(hù)情況，可以為一定數(shù)量船舶提供避臺(tái)水域的船舶保證率、船舶在避風(fēng)拋錨時(shí)相互之間的安全距離。控制系數(shù)如下表達(dá)式

K=f(x1,x2,x3)

(4)

式中：x1為錨地綜合系數(shù)；x2為船舶保證率；x3為船舶安全間距系數(shù)。

2 港口群聯(lián)合調(diào)度的防臺(tái)錨地優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

決策變量：

Xp為p港區(qū)實(shí)際建設(shè)錨地比例系數(shù)，無量綱；

目標(biāo)函數(shù)：

(5)

式中：Costtotal為綜合費(fèi)用，萬元；Costcon為單位防臺(tái)錨地建設(shè)費(fèi)用，萬元/km2；Costmain為單位防臺(tái)錨地維護(hù)費(fèi)用，萬元/km2；A為錨地面積，km2；Costnavi為船舶航行單位路程費(fèi)用，萬元/km；L′為船舶疏散避臺(tái)平均航行路程，km；N為船舶數(shù)量，艘；Costothers為其他費(fèi)用，萬元；p,i為代表港區(qū)序號(hào)、船舶船型。

在式5中，臺(tái)風(fēng)可能從任意一個(gè)港區(qū)登陸，將臺(tái)風(fēng)登陸的港區(qū)編號(hào)設(shè)置為q，則有

(6)

(7)

(8)

式中：L′為船舶疏散避臺(tái)平均航行路程，km；L為船舶疏散避臺(tái)最遠(yuǎn)航行路程，km；R為臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑，km；α為實(shí)際錨地分布率；Lcoastal為目標(biāo)省份海岸線長度，km；p,i為代表港區(qū)序號(hào)、船舶船型。

2.2 約束條件

(1)成本約束。防臺(tái)錨地投資成本包括錨地建設(shè)成本和錨地維護(hù)成本，其費(fèi)用應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

(9)

(2)航行距離約束。

船舶在疏散避臺(tái)的航行過程中，航行距離應(yīng)滿足以下約束

Lp≥R-Dp,q

(10)

式中：R為臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑，km；Dp,q為p港區(qū)與臺(tái)風(fēng)登陸港區(qū)q的距離，km。

(3)決策變量約束。

在實(shí)際工程中，p港區(qū)實(shí)際建設(shè)錨地比例系數(shù)應(yīng)不大于1，約束如下

0

(11)

3 案例分析

福建沿海地區(qū)地理位置優(yōu)越，戰(zhàn)略地位重要，既是省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域也是未來引領(lǐng)全省經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的龍頭和引擎：2017年1～6月，全省沿海港口貨物吞吐量完成25 349.35萬t，同比增長4.3%，集裝箱吞吐量完成735.1萬TEU，同比增長9.7%。同時(shí)，福建沿海也是我國受臺(tái)風(fēng)影響最為頻繁的區(qū)域之一，年均達(dá)到6～8個(gè)。其中臺(tái)風(fēng)正面登陸為1～2個(gè)，如2010年“鲇魚”，2015年“蘇迪羅”和2016年“尼伯特”均給沿海和全省經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失，2017年福建遭遇“納沙”和“海棠”雙臺(tái)風(fēng)襲擊，16萬戶家庭用電中斷，樹木倒伏2 600多棵，海陸空交通全部受阻。但福建沿海存在錨地資源緊張、錨地規(guī)劃滯后、商漁矛盾突出、錨地使用不規(guī)范、防臺(tái)錨地不足和缺乏資源整合等問題。截至 2017 年底，福建全省沿海港口生產(chǎn)性泊位數(shù)共 502 個(gè)(其中千噸級(jí)及以上泊位 386 個(gè)，萬噸級(jí)以上泊位 171 個(gè))，現(xiàn)有錨地已不能滿足進(jìn)出港船舶和港口生產(chǎn)需要。同時(shí)福建省發(fā)生臺(tái)風(fēng)頻繁，防臺(tái)錨地?zé)o法匹配船舶防臺(tái)需求，船舶得不到有效的避臺(tái)保障，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。福建省沿海錨地總體能力緊張，防臺(tái)錨地在數(shù)量和規(guī)模上存在嚴(yán)重不足，這在不同程度上影響和制約了港口的發(fā)展，給港口安全和船舶安全帶來了風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步促進(jìn)沿海港口的可持續(xù)發(fā)展，保證船舶和港口作業(yè)安全，為福建沿海港口規(guī)劃防臺(tái)錨地十分必要、意義重大。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

綜合考慮地址位置和港口吞吐量，將福建沿海港口劃分為五個(gè)地區(qū)：寧德港區(qū)、福州港區(qū)、湄洲灣港區(qū)、泉州港區(qū)和廈門港區(qū)，分別編號(hào)為1～5；利用IMO(國際海事組織)的船舶AIS數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)直接提取目標(biāo)港區(qū)的進(jìn)出港、過路及停泊等船舶資料，并利用AIS數(shù)據(jù)的船舶MMSI編號(hào)，通過查詢相關(guān)網(wǎng)站獲取船舶基本信息，對(duì)目標(biāo)港區(qū)2016年7～9月的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到第p港區(qū)平均船舶數(shù)量N：N1=1 341、N2=939、N3=298、N4=787、N5=1 847。

選取7月22日、8月22日與9月22日3 d的AIS數(shù)據(jù)，每天隨機(jī)抽樣500艘船，共計(jì)1 500艘船，進(jìn)行船型統(tǒng)計(jì)，獲得有效樣本1 205個(gè)。得到各港區(qū)船型所占比值，如表1所示。

由于受臺(tái)風(fēng)影響較大的往往是海上貨運(yùn)船舶，本研究在計(jì)算臺(tái)風(fēng)影響狀況下防臺(tái)錨地的需求量所考慮的船型中，只考慮貨船、集裝箱船與油輪，分港區(qū)各類船舶占比和船舶數(shù)量如表2。

表1 分港區(qū)各類船舶占比與船舶數(shù)量Tab.1 Proportion of different types of ships and number of ships in different ports 艘

表2 分港區(qū)平均船舶尺度Tab.2 Average ship size by port area m

3.2 防臺(tái)錨地需求確定

通過AIS數(shù)據(jù)、中國臺(tái)風(fēng)網(wǎng)歷史臺(tái)風(fēng)登陸資料、《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》、相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)際調(diào)研結(jié)果，確定各參數(shù)值，如表3所示。

表3 福建省防臺(tái)錨地需求模型參數(shù)表Tab.3 Parameter of Fujian anti-typhoon anchorage demand model

表4 福建沿海規(guī)劃防臺(tái)錨地面積Tab.4 Coastal planning of fujian anti-typhoon anchorage area

經(jīng)實(shí)地調(diào)研了解到，雙浮筒系泊方式使用率較低，故防臺(tái)錨地面積計(jì)算僅計(jì)算單浮筒系泊方式所得面積。通過上述所獲得的各參數(shù)值展開計(jì)算，得到福建省沿海港區(qū)防臺(tái)錨地面積，具體見表4。

3.3 防臺(tái)錨地規(guī)模優(yōu)化

根據(jù)上述防臺(tái)錨地需求、船舶數(shù)量與費(fèi)用，確定各參數(shù)值，如表5所示。

表5 福建省防臺(tái)錨地規(guī)模優(yōu)化參數(shù)表Tab.5 Optimal parameters of anti-typhoon anchorage in Fujian province

4 結(jié)果分析

表6 分港區(qū)實(shí)際建設(shè)面積比例系數(shù)Tab.6 Proportion coefficient of actual construction area of the port area

利用表5中各參數(shù)值，計(jì)算福建省分港區(qū)防臺(tái)錨地面積優(yōu)化模型，所得結(jié)果如表6所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，基于省際聯(lián)合調(diào)度制度，綜合考慮建設(shè)預(yù)算與航行成本兩方面因素，防臺(tái)錨地面積實(shí)際建設(shè)規(guī)模的比例系數(shù)分別為：寧德港區(qū)0.60，福州港區(qū)0.78，湄洲灣港區(qū)0.95，泉州港區(qū)0.94，廈門港區(qū)0.41。即經(jīng)過優(yōu)化，福建省各港區(qū)防臺(tái)錨地實(shí)際建設(shè)規(guī)模分別為：寧德14.56 km2、福州15.32 km2、湄洲灣8.92 km2、泉州15.50 km2、廈門15.24 km2。

上述錨地規(guī)模優(yōu)化模型是基于福建省取得最大綜合效益的角度，結(jié)果的含義是指在港口群聯(lián)合調(diào)度情況下，福建省所需建設(shè)防臺(tái)錨地的最小規(guī)模。由于未考慮相鄰港口群實(shí)際錨地容量，上述結(jié)果可能存在一定偏差。分析發(fā)現(xiàn)，在考慮福建港口群內(nèi)部及相鄰港口群(浙江沿海和廣東沿海港口群)聯(lián)合調(diào)度的情況下，優(yōu)化模型所得分港區(qū)防臺(tái)錨地實(shí)際建設(shè)比例系數(shù)港區(qū)與地理位置相關(guān)，總體上呈現(xiàn)出由福建省沿海中部地區(qū)分別向兩邊遞減的規(guī)律。

5 結(jié)語

本文以防臺(tái)錨地為研究對(duì)象，在進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析借鑒國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，建立防臺(tái)錨地需求模型與基于港口群聯(lián)合調(diào)度的防臺(tái)錨地優(yōu)化模型，系統(tǒng)整理福建省錨地的基礎(chǔ)資料，結(jié)合其自然條件與防臺(tái)錨地現(xiàn)狀，對(duì)福建防臺(tái)錨地進(jìn)行優(yōu)化，并基于所得結(jié)果提出相應(yīng)規(guī)劃建議。結(jié)果表明在港口群聯(lián)合調(diào)度情況下，福建省所需建設(shè)防臺(tái)錨地的規(guī)模要小于一般錨地建設(shè)需求?；谫Y源共享、聯(lián)防聯(lián)調(diào)角度出發(fā)建立高效、完善的防臺(tái)錨地，有利于我國加快推進(jìn)綠色交通發(fā)展、推進(jìn)資源集約節(jié)約循環(huán)利用，也對(duì)提升我國對(duì)各種社會(huì)突發(fā)事件的戰(zhàn)略保障有重要意義。