专利名称：进港航道通过能力计算模型及预测仿真方法
技术领域：
本发明属于交通信息工程及控制领域，特别是一种进港航道通过能 力(饱和度)计算模型及预测仿真方法，用来对进港航道未来通过能力 (饱和度)进行预测。
背景技术：
港口是一个由码头、航道、锚地、装卸系统等组成的综合性港航服 务系统，在港口的远景规划和设计中，必须站在系统的高度来研究和分 析问题。在这个港航服务系统中，有非常重要的一个子系统——通航环 境子系统。通航环境子系统是由自然环境和交通环境组成的，通航环境 子系统的安全性和可持续发展性，直接关系到整个港口生产的安全性和 港口的可持续发展。港航服务系统是一个动态的系统，这个系统的各个组成部分会随着时间和空间的变化而发生相应的改变。作为其中的 一个 子系统——通航环境子系统也会随着港口的吞吐量、港口航道、航道通 航能力、港口水域的交通流等因素的变化而发生相应的变化。在港口规 划和设计中，不仅仅需要了解整个系统的当前状态，而且他们也关心这 个系统未来的状态。发明内容本发明的目的是提供一种分析船舶进出港数据，总结出港口的船舶 到达规律，对历史数据进行拟合，寻找船舶到达规律，从而建立航道通 过能力预测的数学模型，并根据港口的现状对数学模型进行验证，确定饱和度的指标体系，最后运用该数学模型预测主航道通过能力，并以此 来规划未来港口主航道的参数值的进港航道通过能力(饱和度)计算模 型及预测仿真方法。为了实现上述目的本发明包括以下步骤第一步骤建立船舶到港规律数学模型根据船舶进出港口的资料 进行统计分析，对历史数据进行拟合，并釆用卡方检验法进行检验，寻 找船舶到达规律，建立船舶到达规律的数学模型；第二步骤建立受限航道通过能力的数学模型根据受限航道的通 航特点，综合考虑航道、船舶、水文、气象等要素，建立受限航道通过 能力的数学模型，包括建立用于受限航道静态通过能力计算的领域模型、 用于受限航道动态通过能力计算的休假排队模型，通过上述模型计算出 航道饱和状态下的通过能力，评价当前航道饱和度；第三步骤建立系统仿真模型仿真系统是基于港航系统的特征、 主航道船舶交通流特征建立的用于对港航作业以及主航道船舶交通流进 行仿真模拟的一个系统，根据仿真系统的特征，确定系统工作流程系统 工作流程，通过输入计算参数，包括仿真时段参数、船舶平均到达率、 系统参数、航道参数、泊位参数等，系统运行过程中和运算结束后可以 提取到实时船舶信息、实时船舶队列信息、泊位信息、航道饱和度等参 数。本发明首次研究受限航道通过能力(饱和度)的理论模型，模型的 应用不仅能为港口主航道的规划和设计提供有力的技术支撑和科学数 据，而且对保证港口生产作业的安全，提高港口资源的综合利用率，保障港口水域具有良好的通航环境和通航秩序，推动港口的可持续发展具 有非常重要的现实意义。本发明的应用对提升港口的国际地位和科技创 新能力具有十分重要的意义，为港口的和谐、可持续发展具有较强的现 实指导作用。
图1为本发明实施例统计拟合2为本发明航道通航时间转换示意3为本发明船舶进港排队模型4为本发明仿真计算流程5为本发明仿真系统体系结构6为本发明系统工作流程7为本发明实施例系统启动后的界面图8为本发明实施例参数配置主界面图9为本发明实施例系统参数配置界面图10为本发明实施例实时的船舶动态信息图11为本发明实施例船舶队列的实时变化状况具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。 本发明的具体步骤是第一步建立计算模型，根据受限港口航道的具体情况建立该处船 舶通过能力的数学模型；第二步釆集该水域的3-5年的交通流数据，进行数值分析，得出该地船舶流的各种分布规律。第三步在第二步的基础上基于排队论的基本原理，建立该处的在 有泊位服务水平限制情况下的排队论模型，预测该港口的泊位饱和服务能力；第四步利用计算机建模与仿真的基本原理建立综合港航仿真系统， 进行港口 、 4元道系统通过能力和交通流的仿真预测。第五步将第一步、第三步、第四步的计算结果进行比较，利用本 发明提出的受限港口航道船舶流饱和度理论进行分析，对该港口水域的 船舶流量是否饱和做出描述，并对该港口未来的饱和度情况做出评判， 为港口的可持续发展做出有益的技术支撑。上述第一步具体包括如下步骤1. 1、基本定义若进港航道在单向通航情况，随着大型船舶进出航道艘次的增加， 在现有航道宽度不发生变化的情况下，计算航道通航能力时通常须考虑单 向通航和双向通航的情况，包括单向通航到双向通航的转换及双向通航到 单向通航的转换问题。其中单向通航及双向通航的定义如下定义l : 单向通航。即从某一时间点"起，仅允许航道一端的船舶 进入航道，直至时间点A止，其中，从A开始航道两端的船舶可自由进 入航道。显然，单向通航时间为U- A))。定义2 :双向通航。即在天气条件良好的条件下，航道两端的船舶 可自由进入航道的情况。显然，双向通^元时间为扣除单向通航时间和封4元时间之外的所有时间。1 . 2 、基本设定1、 航道一天有若干次单向通航，但单向通航的次数不会超过4次(根 据VTS提供的船舶进出港动态数据统计)；2、 为了减少比例较大的小吨位船舶进港和出港的等待时间和等待概 率，在单向通航与双向通航的转换过程中，设定不存在单向通航向单向航的转换。3、 在较长的时间段内(如1个月或1年的时间段)，船舶在航道单 向进港与单向出港的规律相同。4、 在航道通航能力的分析与计算过程中，常用的参数和变量的表示 ^口下^—航道清空时间，即从单向通航开始至大型船舶能够进入航道的时间；^一船舶跨越领域时间，/v = /)/v,其中"表示两船之间的最小间隔， 7表示船速；5、 在分析航道进港交通容量的过程中，仅考虑进港船舶的情况。 1.3、航道日交通量的理论模型在每次单向进港的过程中，在大船进入航道前，均需要有清空航道 的过程。即单向进港时间段(力、+~ )内的交通流量为<formula>formula see original document page 12</formula>其中f,一航道清空时间，即从单向通航开始至大型船舶能够进入航道的时间；^一船舶跨越领域时间，其中"表示两船之间的最小间隔， y表示船速；d, —表示双向通航船舶之间的间距；d2 —表示只能实行单向通航的船舶之间的间距。由于单向出港时间段内不能允许船舶进入航道，因此，在单向出港时间段(2《.+/v )内的交通流量为<formula>formula see original document page 13</formula> 根据第3点设定，即在对单向通航的时间和次数的统计过程中，考 虑到单向进港和单向出港的规律相似，考虑到航海习惯，设定50%的时间 单向进港和50°/ 的时间单向出港。设定平均一天有vV次单向通航，平均每次单向通航的大型船舶艘次 为历艘，则可以计算平均每天单向通航的船舶数量。<formula>formula see original document page 13</formula>( 3 )式中^一表示/z 艘大型船舶进入航道时间； 表示航道清空时间； 若航道全天24小时可通航，则可计算每天双向通航的船舶数量<formula>formula see original document page 13</formula>(4)式中a—羊向通航情况下的船舶密度(单位艘/小时)； ^一双向通航情况下的船舶密度(单位艘/小时)。关于船舶间距的确定可以根据日本藤井博士提出的避碰领域的模 型，通常认为长轴(船舶前进方向)取8Z (Z为船长)，但在船舶之间处 于对驶、横交等不同运动状态，避碰领域将有所不同，此外，避碰领域 还受船速、航道等因素影响，考虑到港口主航道的实际情况，显然需要 考虑船舶掉头占用主航道对避碰领域的影响。1.4、航道年交通量的理论模型上述计算是考虑天气海况条件较好的情况下，因航道宽度与船舶尺 度不适应所导致的单向通航的情况。在分析年交通量时，还需要考虑天 气海况因素所导致的单向通航和封航的情况。由计算每天航道交通容量的公式(3)和(4)，可以得出航道年交通流量的计算模型。<formula>formula see original document page 14</formula>式中 一因自然原因导致的航道年封航天数； ^一单向通航天数；^一每年单向通航时间(单位小时)。 综上所述，在探讨船舶流量的制约因素时，除了泊位数量，还需要 考虑航道因素，因此，在利用排队论模型对船舶容量进行探讨的过程中， 为了将航道对港口容量的影响综合起来，排队模型需要考虑航道制约因素。将航道的某一个断面"作为服务机构，该服务器在任一时刻内仅能 容纳1艘船舶，或者说任一时刻内不能同时容纳两艘船舶。在一开敞水 域，可将8倍船长的距离断面作为服务机构，而港口航道水域，显然在确定断面长度时需要考虑受限航道的诸多影响因素，包括单双向航行、 部分掉头船舶占用主航道等。由于服务机构在任一时刻内仅能为一艘船 舶提供服务，排队模型为Af / M /1 。 上述第四步具体包括如下步骤4.1、 船舶生成子系统船舶生成子系统用于生成船舶并且赋予船舶相应的属性。船舶的属 性主要有船舶类别、航速、船长、船宽、吃水、总吨、实载货量、进入 航道时间、离开航道时间、在航道中的位置、在航道内完成一次掉头的 平均时间、旋回半径、完成一次穿越航道所需的平均时间、完成一次靠 泊所需的平均时间、完成一次离泊所需的平均时间、港区航道内的安全 航速等。4.2、 自然环境生成子系统自然环境生成子系统的功能是通过建立港区的天气、水文、潮汐变 化模型，模拟自然环境(主要是风、浪、流、潮、降水、能见度等)对 通过能力的影响。4. 3、泊位子系统泊位子系统的功能包括两个部分， 一是完成船舶靠泊的仿真，二是 完成船舶在泊的装卸作业的仿真。泊位子系统中主要有两个实体船舶、 泊位。船舶是临时实体，泊位是永久实体。泊位的属性描述将采用以下 主要变量泊位类别、泊位的装卸能力、装卸效率、泊位状态、泊位长 度、船舶辅助作业时间、船舶在泊位等待航道时间、在航道中的位置等。4. 4、航道子系统航道子系统根据航道通航模型和船舶模型以及自然环境模型，模拟 船舶是否可以通过航道以及何时通过航道等。航道子系统也涉及了两个实体船舶和航道。船舶是临时实体，航道是永久实体。航道的属性描述 将采用以下变量总长、可航宽度、掉头区位置、掉头区范围、横越区 位置、船舶数量、船舶流量等。4.5、 锚地子系统锚地子系统根据排队服务模型模拟锚地服务提供能力以及船舶在锚 地的等待状况等。锚地子系统内部共有两个实体船舶和锚地。船舶是临 时实体，锚地是永久实体。锚地通过锚位数、锚地类型、锚泊船舶数量、 服务时间等属性参lt来描述。4.6、 港航调度子系统港航调度子系统是从整体上调度港口的资源，协调系统的运作。港 航调度子系统最重要的工作就是调度船舶，指挥船舶何时靠、离泊、何 时通过航道、何时工作等等。实施例以天津港2 005年VTS对船舶进出主航道的统计资料，利用统计直方 图进行统计和拟合，可以发现天津港船舶日到达规律可以用正态分布 密度函数曲线、泊松分布密度函数曲线来拟合统计直方图(图1 ),其拟 合程度较为理想。通过卡方检验法，正态分布的拟合程度优于泊松分布 的拟合程度。根据计算模型可以计算，平均船长为115米情况下，天津港拓宽后 的航道双向通过能力为44934艘/年；平均船长为135米情况下，航道双16向通过能力为38277艘/年。根据预测数据，2010年和2020年交通流量 分别为38936艘和72832艘，因此，拓宽后的双向航道能够满足2010年 预测交通流量的要求；而对2020年的预测交通流量，即使拓宽后的航道 能满足所有船舶双向通航的要求，仍然不能满足2020年预测船舶交通流 的进出港需求。这时影响主航道通过能力的瓶颈转移到船舶掉头对天津 港主航道船舶的影响。为检验系统的可靠性，利用历史数据对系统模型验证并根据计算结 果对相关参数和算法进行调整。仿真系统利用2005年数据得到结果如表1 :本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现 有技术。1结果统计表验证参数仿真结果船舶曰到达率(arriverPerDay) (4臾/天)67. 9日进港率(inPerDay)(艘/天)67. 2日出港率(outPerDay) (4臾/天)66. 99曰压港率(overFreq) (%)1. 0日滞港率(delayFreq) (%)1. 4平均等待航道进时间(waitlnTime)(小时)3. 4平均等待航道出时间(waitOutTime)(小 时)3. 36平均4元道受限时间(chLimitedTime)(小 时)4. 86平均等待泊位时间(waitBerthTime)(小 时)22. 7最大等待4元道进时间(wai t InMax)(小时)122. 7最大等待航道出时间(waitOutMax)(小时)94. 5最大航道受限时间(chLimitedMax)(小时)92. 5最大等待泊位时间(waitBerthMax)(小时)320. 57最长进队列(inShipMax)(艘)30最长出队列(outShipMax) (4臾)46最长等待进队列(waitlnShipMax)(艘)99最长等待出队列(waitOutShipMax)(艘)19权利要求
1、一种进港航道通过能力计算模型及预测仿真方法，包括以下步骤第一步骤建立船舶到港规律数学模型根据船舶进出港口的资料进行统计分析，对历史数据进行拟合，并采用卡方检验法进行检验，寻找船舶到达规律，建立船舶到达规律的数学模型；第二步骤建立受限航道通过能力的数学模型根据受限航道的通航特点，综合考虑航道、船舶、水文、气象等要素，建立受限航道通过能力的数学模型，包括建立用于受限航道静态通过能力计算的领域模型、用于受限航道动态通过能力计算的休假排队模型，通过上述模型计算出航道饱和状态下的通过能力，评价当前航道饱和度；第三步骤建立系统仿真模型仿真系统是基于港航系统的特征、主航道船舶交通流特征建立的用于对港航作业以及主航道船舶交通流进行仿真模拟的一个系统，根据仿真系统的特征，确定系统工作流程系统工作流程，通过输入计算参数，包括仿真时段参数、船舶平均到达率、系统参数、航道参数、泊位参数等，系统运行过程中和运算结束后可以提取到实时船舶信息、实时船舶队列信息、泊位信息、航道饱和度等参数。
2 、如权利要求1所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于具体步骤是第一步建立计算模型，根据受限港口航道的具体情况建立该处船 舶通过能力的数学模型；第二步采集该水域的3-5年的交通流数据，进行数值分析，得出该地船舶流的各种分布规J聿；第三步在第二步的基础上基于排队论的基本原理，建立该处的在有泊位服务水平限制情况下的排队论模型，预测该港口的泊位饱和服务能力；第四步利用计算机建模与仿真的基本原理建立综合港航仿真系统， 进行港口 、航道系统通过能力和交通流的仿真预测；第五步将第一步、第三步、第四步的计算结果进行比较，利用受 限港口航道船舶流饱和度理论进行分析，对该港口水域的船舶流量是否 饱和做出描述，并对该港口未来的饱和度情况做出评判。
3. 、如权利要求2所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于第一步具体包括如下步骤 、基本定义定义l : 单向通航即从某一时间点"起，仅允许航道一端的船舶 进入航道，直至时间点A止，其中，从A开始航道两端的船舶可自由进 入航道，单向通航时间为(A-");定义2 :双向通航即在天气条件良好的条件下，航道两端的船舶 可自由进入航道的情况； 基本设定a、 航道一天有若干次单向通航，但单向通航的次数不会超过4次；b、 不存在单向通航向单向通航的转换，仅考虑从单向通航向双向 通航的转换及双向通航向单向通航的转换；c、 在较长的时间段内，船舶在航道单向进港与单向出港的规律相同；d、 在航道通航能力的分析与计算过程中，常用的参数和变量的表 示如下f,一4元道清空时间，即从单向通航开始至大型船舶能够进入航道的时间；t一船舶跨越领域时间，其中"表示两船之间的最小间隔， 7表示船速；e、 在分析航道进港交通容量的过程中，仅考虑进港船舶的情况。 1. 3、航道日交通量的理论模型<formula>formula see original document page 4</formula>( 1 ) 其中t一航道清空时间，即从单向通航开始至大型船舶能够进入航道的时间；^一船舶跨越领域时间，？v=D/v，其中"表示两船之间的最小间隔，r表示船速；D,—表示双向通4元船舶之间的间距；/)2 —表示只能实行单向通航的船舶之间的间距。在单向出港时间段(2^.+《)内的交通流量为c,('=o m设定50%的时间单向进港和50%的时间单向出港，设定平均一天有# 次单向通航，平均每次单向通航的大型船舶艘次为历艘，则可以计算平 均每天单向通航的船舶数量为KXxA^+fxA)xW (3)式中"一表示/z 艘大型船舶进入航道时间； f,—表示航道清空时间； 若航道全天24小时可通航，则可计算每天双向通航的船舶数量、=(24-2x A^xf、. - WJx^ (4) 式中A—单向通航情况下的船舶密度； & 一双向通航情况下的船舶密度； 1.4、航道年交通量的理论模型尺=(3 65 - "A - "M) x [、 + & ] + 0 5 x crf ( 5 )式中 _因自然原因导致的航道年封航天数； ,一单向通航天数； ^一每年单向通航时间。
4 、如权利要求2所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于第四步具体包括4.1、 船舶生成子系统船舶生成子系统用于生成船舶并且赋予船舶 相应的属性；4.2、 自然环境生成子系统自然环境生成子系统的功能是通过建立 港区的天气、水文、潮沙变化模型，模拟自然环境对通过能力的影响；4.3、 泊位子系统泊位子系统的功能包括两个部分， 一是完成船舶 靠泊的仿真，二是完成船舶在泊的装卸作业的仿真；4.4、 航道子系统航道子系统根据航道通航模型和船舶模型以及自 然环境模型，模拟船舶是否可以通过航道以及何时通过航道；锚地子系统锚地子系统根据排队服务模型模拟锚地服务提供 能力以及船舶在锚地的等待状况； 港航调度子系统港航调度子系统是从整体上调度港口的资源， 最重要的工作就是调度船舶，指挥船舶何时靠、离泊、何时通过航道、 何时工作。
5 、如权利要求4所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于船舶生成子系统中船舶的属性有船舶类别、航速、船 长、船宽、吃水、总吨、实载货量、进入航道时间、离开航道时间、在 航道中的位置、在航道内完成一次掉头的平均时间、旋回半径、完成一 次穿越航道所需的平均时间、完成一次靠泊所需的平均时间、完成一次 离泊所需的平均时间、港区航道内的安全航速。
6 、如权利要求4所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于泊位子系统中有两个实体船舶、泊位，船舶是临时实 体，泊位是永久实体，泊位的属性描述将采用以下变量泊位类别、泊 位的装卸能力、装卸效率、泊位状态、泊位长度、船舶辅助作业时间、 船舶在泊位等待航道时间、在航道中的位置。
7 、如权利要求4所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于航道子系统有两个实体船舶和航道，船舶是临时实体， 航道是永久实体，航道的属性描述采用以下变量总长、可航宽度、掉 头区位置、掉头区范围、横越区位置、船舶数量、船舶流量。
8 、如权利要求4所述的进港航道通过能力计算模型及预测仿真方 法，其特征在于锚地子系统内部共有两个实体船舶和锚地，船舶是临时实体，锚地是永久实体，锚地通过锚位数、锚地类型、锚泊船舶数量、 服务时间属性参数来描述。
全文摘要
本发明涉及一种进港航道通过能力计算模型及预测仿真方法，包括以下步骤第一步骤建立船舶到港规律数学模型；第二步骤建立受限航道通过能力的数学模型；第三步骤建立系统仿真模型。本发明首次研究受限航道通过能力(饱和度)的理论模型，模型的应用不仅能为港口主航道的规划和设计提供有力的技术支撑和科学数据，而且对保证港口生产作业的安全，提高港口资源的综合利用率，保障港口水域具有良好的通航环境和通航秩序，推动港口的可持续发展具有非常重要的现实意义。本发明的应用对提升港口的国际地位和科技创新能力具有十分重要的意义，为港口的和谐、可持续发展具有较强的现实指导作用。
文档编号G06F17/50GK101329696SQ20071016837
公开日2008年12月24日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者虹 刘, 刘仲军, 刘克中, 刘敬贤, 文元桥, 伟 李, 李云斌, 高维杰 申请人:武汉理工大学;天津港(集团)有限公司