復雜水域船舶進出港全過程仿真建模方法

沈 忱 ，趙曉藝 ，齊 越 ，房 卓 ，梅 蕾 ，李 蕊 ，董 敏 ，黃 力

（1.交通運輸部規劃研究院，北京 100070；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

引 言

現有港口船舶進出港研究方法眾多，主要包括經驗分析、數學建模、系統仿真、多方法融合等。而港口航道系統是一個隨機因素多、動態聯系復雜、多級排隊的離散隨機服務系統[1]。相比數學建模的計算方法，計算機仿真技術可以真實地反映港口航行作業系統中各要素的隨機動態變化及相互關系，非常適用于隨機性、復雜性比較強的系統，現已廣泛應用于船舶進出港研究。

目前船舶進出港仿真建模研究旨在解決碼頭選址規劃、港口建成運營中的若干問題。在碼頭選址規劃方面，可科學評估船舶通航影響，尤其是對特殊碼頭（如 LNG碼頭、大型油船碼頭等）的選址方案進行定量評估，如Valentin Moran等[2]考慮環境條件以及港口設施，通過系統仿真技術評估了港口的性能，并應用到了布蘭卡港的總體規劃評估中；劉春澤[3]基于智能體理論，構建了沿海港口船舶航行作業系統仿真模型，研究 LNG船舶到港對散貨泊位利用率及通過能力的影響。在港口建成運營方面，可探尋船舶進出港作業瓶頸，指導船舶通航管理及交通組織，并為碼頭生產調度計劃提供參考，如Rahimikelarijani等[4]對休斯敦航道船舶交通與運營進行了仿真與分析，研究新建水上橋梁對航道封閉的影響；Xiao Z等[5]通過集成學習、預測和規劃技術，提出一種數據驅動的多智能體系統，可對海上交通數據進行分析和模擬，并進行海上通航安全評估和管理。

本文在對比了國內外在船舶通航仿真建模研究方法的基礎上，提出了一種基于多智能體信息交互港口交通仿真建模方法，并對未來應用和拓展方向做出展望。

1 國內外仿真建模方法研究進展

國內外仿真建模研究的各類模型對比見表1。

表1 國內外仿真建模研究方法對比

通過對各種建模方法的對比可見，各種研究方法有各自的優勢，但總體來講，數學模型在航道航行仿真系統的模擬過程中存在精確度不高的問題，且求解數學模型的解析值也存在一定的困難。而計算機系統仿真技術是模擬具有多變量隨機復雜特征的航道航行作業系統的有效方法。目前，離散事件建模方法、多智能體建模方法是比較常見的航道系統仿真建模方法。相比離散事件建模對事件的線性描述和對細節仿真的缺失問題，基于智能體的仿真建模方法可以實現港口資源、船舶、航行規則及自然條件等多因素多實體的交互，較好地反映和描述整體復雜系統，且在航道航行作業系統的各種問題的研究中具有普遍適用性。

2 多智能體信息交互港口運營系統仿真

本文提出的一種多智能體信息交互的港口運營系統仿真建模方法，針對復雜水域的多點到港、多港協調等研究難點進行了初步探究，提出了系統的仿真技術框架。技術框架如圖1所示。

圖1 基于多智能體信息交互的港口運營系統仿真技術框架

結合多智能體系統仿真理論、離散事件仿真理論與多元數據統計分析方法，利用 AnyLogic智能體仿真建模平臺和Java程序設計語言，通過邏輯流程與判斷規則，建立了船舶、錨地、航道、泊位等多智能體之間的關聯關系，構建了過程可視化的數值仿真模型，實現了對復雜水域船舶進出港全年的全過程進行精細化仿真模擬，通過對仿真模擬結果的多元數據統計分析方法，可針對諸如逐月逐日的船舶進出港行為規律進行不確定性分析。

模型主體由主系統及船舶航行系統組成。主系統是與船舶進出港航行密切相關的各環節參數的設定部分，同時承擔仿真模擬的可視化功能和仿真數據的輸入、輸出及存儲功能。船舶航行系統由船舶智能體、錨地智能體、航道智能體及泊位智能體構成，負責判斷船舶進出港行為的邏輯流程。兩大系統的參數、變量及邏輯函數等數據實時傳遞，互相調用。

本仿真模型融合了對船舶航行客觀環境條件的模擬與船舶進出港航行行為的模擬。一方面，對研究地區的日夜時長、風、霧、冰、流、波浪、潮汐等自然條件以及泊位、航線、水道、錨地等港口條件進行參數設置，盡可能真實反映現實生活中的船舶通航環境；另一方面，自定義船舶屬性、到港流量、到港規律、到港時間間隔等船舶自身規律，并對安全間距、夜航規則、優先級規則、航行速度和乘潮規則等航道通航規則進行設置。

該系統仿真方法可為船舶進出港全過程模擬、通航控制要素定量識別、航道適應性和錨地承載力定量分析、航道泊位錨地多要素協調關系分析、船舶航行風險敏感要素確定、服務水平評估等研究提供技術支持。為了支撐遠期開發，仿真模型留有功能擴展接口，可通過多模塊對接，實現仿真模型在多元數據融合、港口水陸協同智能調度、港口綜合規劃及聯合運營等方面的功能延伸。

本仿真技術可涵蓋船舶預約進港、船舶航行過程、碼頭生產經營、港口航道組織實施等各階段過程，為復雜水域船舶航行管理，港口碼頭、航道、錨地等港口資源的統籌配置，港口生產作業的精細化組織，港口生產效率及服務質量的提高提供支持。目前，本研究方法及模型已在碼頭選址及港口規劃、航道通航標準制定、船舶進出港通航影響評估和航道適應性研究等方面提供技術支撐[23-27]，并在全國范圍內多個港區的規劃專項論證研究中實際應用，對促進港口科學規劃和健康有序發展具有重要作用。

3 可解決的關鍵問題

面向未來在港口平面規劃、水域船舶調度、通航標準制定等方面更加具體和系統的需求，本文從六個方面歸納指出可通過復雜水域仿真建模解決的關鍵問題，可為港口規劃及港口運營各領域工作提供研究手段。

3.1 復雜水域船舶進出港全過程的擬實反映

船舶航行作業系統的隨機性、復雜性、模糊性決定了船舶通航全過程的模擬及港口航道問題的研究難以完全依靠數學模型進行模擬及解析求解。依托本模擬仿真方法，可擬實反映復雜水域船舶進出港作業全過程，系統解決多點船舶上線、多港運營協調等難點問題，準確反映包括船舶到港、錨地待泊、航道航行、船舶靠泊、裝卸作業、船舶離港等事件的時空維度，可精確到秒，為研究各個事件在船舶到港集中期影響、船舶錯峰到港效果等提供技術手段。

1）船舶到港。不同類型船舶（包括班輪和非班輪船舶）以不同到達規律到達港口。不定期到港船舶的到港時間體現一定隨機性。可實現復雜水域船舶多點到港功能。

2）錨地等待。船舶到達港口后將在錨地等待分配泊位。在被分配到泊位以后，船舶判斷是否滿足航道的各個通行條件。在所有通航要素均滿足以后才可駛入航道。

3）航道航行及靠泊。船舶在相應的航道規則約束下進行航行，在航行過程中需隨時對航道外界環境變化做出相應反應。

4）裝卸作業。船舶泊位停時因船舶類型、船舶尺寸、裝卸設備和裝卸量不同而有差異。

5）船舶離港。船舶在泊位等待滿足航道航行條件后離港。

3.2 影響區域船舶通航的控制性要素的定量識別

在模擬船舶通航作業過程的基礎上，可定量識別影響區域船舶進出港的各個控制性要素，如水文氣象條件、航道錨地條件、監護管理條件等。

1）水文氣象條件。從年度通航限航天數來看，風、雨、霧等惡劣天氣情況以及海流、波浪等不適宜通航的水文條件對船舶通航限航天數的影響通常具有月度不平衡性，會對船舶通航行為產生影響。從日通航時間段來看，港口根據各自的潮汐特點設置保障船舶安全通行的時間段，不同類型、噸級船舶根據不同港區的潮汐和水流狀況具有不同的通航時間段。

2）航道、錨地條件。復雜水域船舶通常具有多條可通行航路和多個可利用錨地，港區對船舶不同航路及待泊錨地的分配將影響船舶的通航效率和航道、錨地資源利用率。

3）監護管理條件。不同的海事監管規則以及船舶通航規則對區域船舶通航效率影響較大，如船舶安全間距、進出港優先級、航速限制、限航時段、特殊船舶通航規則（如LNG船舶移動安全區規則、清空航道規則）等。

3.3 航道適應性及錨地承載力的專項評估

作為影響航道水域船舶交通安全的一個重要方面，航道適應性的主要影響因素包括航道水深、航道寬度（或有效寬度）、轉彎半徑、航道彎曲段寬度、航道邊坡比、礙航物分布情況等航道基本條件以及交通規則、助航標志、VTS輔助管理等導助航設施等多方面[28]。通過航道條件的概化及仿真模擬分析，可探索研究航道適應性問題，進一步保障船舶進出港安全、確保水域通航環境安全。

合理配布錨位數量是港口規劃和建設的重要環節[6]。根據相關規范規定，錨地規模和數量應根據到港船型及其密度、港口生產組織和水域自然環境等因素綜合確定[29]。目前計算錨地規模的方法主要是基于反映船舶到港規律的排隊論，建立推算錨地規模的排隊模型。但該方法忽略了航道條件對錨地容量的影響，忽略了港口內外錨地、航道、泊位之間的動態關系[13]。為了更加符合港口錨地實際特征，并考慮港口多重不確定因素，可在模擬船舶實際通航作業全過程的基礎上，對錨地承載力進行探索研究。

3.4 航道通過能力及服務水平的定量評估

港口航道通過能力是度量航道疏導水路交通能力的尺度，航道服務水平則是衡量航道中船舶運行質量的重要指標[7]。沿海港口航道通過能力和服務水平研究，是我國港口規劃和建設的重要內容之一，也是支持港口建設決策和運營管理的重要因素之一。過去我國港口通過能力與服務水平主要受制于泊位數量和港口裝卸水平，以往的研究也多是圍繞確定合理的泊位數量和提高港口裝卸效率方面，對航道的定量研究相對欠缺。目前通過引入系統仿真等方法，對沿海港口航道通過能力和服務水平進行研究，對提高航道利用率及保障港口服務水平具有重要意義；通過深入研究沿海港口航道通過能力的計算方法，也可為相關規范的條文修訂提供理論支撐。

3.5 區域航道、泊位、錨地多要素的匹配協調分析

海上航道資源、錨地資源、泊位資源是港口交通資源的三大要素。從船舶進出港過程來看，港口的錨地、航道和泊位資源的占用過程存在一定的時間、空間聯系。為了提高港口資源利用效率，可探索在對港口航道通航全過程進行模擬的基礎上，構建航道、泊位、錨地之間的非線性關系，研究港口航道、錨地、泊位的資源配置及作業管理的協調問題，在保證港口達到預定的通過能力的基礎上，提高航道、錨地、泊位的利用率，為促進港口資源科學規劃和合理分配提供科學依據。

3.6 船舶通航敏感因素的確定

航道航行風險預測和識別可以為船舶航行風險預防措施的制定提供理論參考，有效避免船舶航行風險。船舶航行風險受船舶、船員、通航環境和通航規則等多種因素的影響。目前從宏觀角度上研究船舶通航風險主要集中于通航環境和規則方面。其中，航道船舶密度、航道存量、航道實時運行狀態、航向區間、航向秩序、航向數量、交叉節點等是評估船舶航行風險的關鍵因素[30]，可探索基于對船舶通航過程的模擬仿真技術，對導致風險的敏感要素進行識別，以從宏觀角度評價和預測航道碰撞風險，為保障措施的制定提供依據。

4 結 語

為了深化港口通航研究，滿足港口規劃精細化發展需求，支持港口重大項目的決策，根據研究現狀及實際需求，本多智能體信息交互運營系統仿真建模技術未來可以在仿真技術的多元數據融合、港口水陸協同集疏運智能調度、港口群的綜合規劃及聯合運營等方面進行拓展和升級，主要包括：

1）仿真技術的多元數據融合。實現仿真模型輸入輸出端口與大數據模塊的銜接，以港口AIS數據、LRIT數據等作為輸入數據基礎，輸出仿真結果數據庫支撐港口大數據分析；仿真模型與船舶到離港預測模型相銜接，為港口精準調度、貿易行為模式預測等方面提供技術支持。

2）港口水陸協同集疏運智能調度。將水域交通流仿真與陸域集疏運仿真模型相結合，構建港口集疏運生產作業流程的綜合模擬多層次嵌套模型，實現港口水陸協同集疏運智能調度，支撐智慧港口建設。

3）港口群的綜合規劃及聯合運營。從單點港口水域仿真逐步擴展到多點港口船舶通航仿真，模擬港口集群的聯合運營調度，為港口集群的綜合規劃、區域貨類結構的協調布局提供參考。