船舶通航效率问题建模与分析硕士学位.doc

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1、 学校代码：10254 密 级： 论文编号：100712019907 上海海事大学上海海事大学 SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 MASTER DISSERTATION 论论文文题题目：目： 船舶通航效率船舶通航效率问题问题建模与分析建模与分析 学科学科专业专业： ： 管理科学与工程管理科学与工程 论文独创性声明论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的声

2、明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发

3、表或公布过 的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论 文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和 电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创

4、性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，

5、可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格

6、 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅

7、教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评

8、阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 II 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（

9、设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 上海海事大学硕士学位论文 船舶

10、通航效率问题建模与分析 III 摘 要 进入 21 世纪以来，随着国家对基础设施建设投入力度的加大，大量码头、航道、 桥梁等基础设施投入使用，随之而来的通航问题也将更加突出。本文在对航道、码 头、桥梁的船舶通航情况的大量观测的基础上，根据观测结果分析各种通航问题的 特点，并根据不同通航特征，将研究内容分为三部分： 1）以复线布置桥梁的桥区水域作为研究对象，将复线布置桥梁的桥区水域考虑 为一个串联排队网络系统，对两桥通航系统的通航效率进行研究。在对苏通大桥 AIS 数据与流量观测数据进行分析的基础上，进行两桥的主副通航孔通航系统双向 高峰与日常时段的情况计算，分析计算结果进而找到系统的两种瓶颈及

11、其生成的原 因，并将计算结果与单桥通航系统的通航效率进行比较，讨论两种通航系统的通航 效率的差异，并提出减小瓶颈影响的对策。 2）以有 LNG 接受站的港区水域作为研究对象，将航道与泊位视为一个整体进行 分析，将其考虑为一个 M/M/K 排队系统。通过对港区在规划年的船舶流量的预测、 船舶进出港和靠离泊时间的统计分析，对建成 LNG 接受站和未建成 LNG 接受站两种 情况下的港区通过能力进行计算与对比，并计算出在建成 LNG 接受站后港区内其他 泊位的经济损失。 3）针对回旋水域与主航道重合时的通航延误问题进行建模分析，用移位负指数 分布拟合单向通航主航道交通流,并将回旋水域视为一个 M/G

12、/1 排队系统，将主航道 与回旋水域作为整体计算船舶离泊时间延误，建立船舶在离泊作业时切入主航道的 经济角度模型。 本文旨在通过对研究水域的实地调研和船舶流量观测，分析通航特征，建立相应 的数学模型，为回旋水域与主航道重合时的船舶离泊操纵和通航管理提出建议；为 复线布置桥梁选址和通航管理提供依据；为 LNG 接受站等危险品码头的选址和港区 实行航行管制措施提供参考。 关键词：关键词：通航效率，排队论，航行管制，复线布置桥梁，受限水域 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 IV ABSTRACT Since entering the 21st century with the c

13、onstruction of the national investment in infrastructure to increasing the intensity of a large number of terminals, waterways, bridges and other infrastructure will be put into use, followed by navigation problems will also be more prominent. Based on the observation of the channels, piers, bridges

14、 and the results of the observations of the characteristics of a variety of navigation problems, and according to different navigation features, the content of this study is divided into three parts: 1) Sutong Bridge and the Hutong Bridge are considered as a tandem queuing network system to calculat

15、e their navigating Efficiency due to the short distance between the two bridges. The two series open queuing system model is built to simulate the navigating system. The navigating Efficiency on peak time and daily time is calculated. Two types of bottlenecks in the system and the reasons of bottlen

16、ecks after analyzing the results is found. The calculation results of a single bridge and two bridges system are compared, and the gap between two types of navigating system is discussed. Last, the measures which can reduce the bottleneck effect have been proposed. 2) We consider the port which has

17、a LNG receiving station as the research object, the channel and berths as a whole to analyze, and the whole system as a M / M / K queuing system. Based on the statistics of the port by ship traffic forecast, ships entering and leaving port and berthing time, we compare the efficiency of port shippin

18、g when LNG receiving station built to LNG receiving station not built, and calculate the LNG impact receiving station. 3) The delay time of the ship leaving berth when the terminal U-turn region and a main channel are superposition is considered. And it is pondered that a one- way traffic flow obeys

19、 negative exponential distribution of translocation in the main channel, the terminal U-turn the waters act as M/G/1 queuing system. The ships delay time and economic angle of leaving berth is calculated when the main channel and the waters of U-turn are considered as a whole system. It provides sci

20、entific gist for shipping administration to mange ship traffic. 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 V Based on field research and observation of ship traffic and analysis of navigation features, we build mathematical models to explain the complex navigation issues, and provide the basis for the navigation ma

21、nagement ZhengJian(Management Science and engineering) Directed by Professor Zhou Xizhao KEYWORD: navigation efficiency, queuing theory, navigation controls, double- track bridge layout, restricted waters 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 VI 目 录 摘摘 要要I I ABSTRACTABSTRACTIIII 目目 录录IVIV 第一章第一章 引言引言1 1 1.1 研究

22、背景 1 1.2 国内外研究现状及趋势 2 1.2.1 国外研究现状.2 1.2.2 国内研究现状.2 1.2.3 国内外研究中存在的问题.3 1.3 研究内容与技术路线 3 1.3.1 研究内容.3 1.3.2 技术路线.5 1.4 本文的创新点 5 第二章第二章 复线布置桥梁船舶通航效率研究复线布置桥梁船舶通航效率研究7 7 2.1 桥梁通航效率系统模型 7 2.1.1 单桥通航效率系统模型.7 2.1.2 复线布置桥梁通航效率系统模型.7 2.2 复线布置的苏通大桥与拟建沪通大桥的情况介绍 .10 2.3 苏通大桥和沪通大桥附近水域船舶流量观测数据统计分析 .11 2.3.1 船舶领域纵

23、长的确定11 2.3.2 船舶流量观测数据的统计分析11 2.4 桥梁通航效率系统模型计算与分析 .14 2.4.1 主通航孔日常通航数据计算与分析14 2.4.2 主通航孔高峰时段通航数据计算与分析14 2.4.3 副通航孔日常时段通航数据计算与分析15 2.4.4 副通航孔高峰时段通航数据计算与分析16 2.4.5 计算结果分析17 2.5 小结 .17 第三章第三章 LNGLNG 接受站建设对港口通过能力的影响接受站建设对港口通过能力的影响 1818 3.1 航行管制措施下的航道泊位排队系统模型 .18 3.2 深圳大铲湾港区情况介绍 .18 3.3 深圳大铲湾港区航道泊位系统模型计算与

24、对比分析 .23 3.3.1 航道泊位系统的到达率分布23 3.3.2 航道泊位系统平均服务时间24 3.3.3 大铲湾港区航道泊位排队系统通过能力与经济损失的计算26 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 VII 3.4 小结 .32 第四章第四章 狭窄水域船舶离泊延误研究狭窄水域船舶离泊延误研究3333 4.1 主航道与回旋水域系统描述 .33 4.1.1 主航道交通流描述33 4.1.2 回旋水域描述33 4.1.3 主航道与码头回旋水域重合时的离泊作业系统34 4.2 主航道交通流为移位负指数分布的船舶离泊延误计算 .34 4.3 深圳大铲湾集装箱码头二期工程概述 .3

25、9 4.4 船舶离泊经济角度的应用 .40 4.5 小结 .44 第五章第五章 结论与展望结论与展望4545 5.1 结论 .45 5.2 展望 .45 致致 谢谢4747 参考文献参考文献4848 硕士期间发表论文硕士期间发表论文5050 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 1 第一章 引言 1.1 研究背景 随着我国经济的发展， 港口运输连续几年持续高速增长，水路客运周转量和货 物周转量稳定增加，运输船舶已达近 20 万艘，载重吨超过 1 亿吨，运力总规模居世 界前列。这使得各主要港区、航区船舶流量日渐增加，通航船舶类型日趋多样，随 之而来的通航问题也将更加突出，船舶的大

26、型化、专业化的发展趋势也给通航管理 带来巨大挑战。通过对航道、码头、桥梁的船舶通航情况的大量观测，我们发现船 舶通航的三个典型现象：（1）在船舶流量较大的定线制航道上，桥梁通航孔形成的 船舶流的集结现象不能在短距离之内消散，一旦形成相对船舶拥挤和延误，其船舶 流消散过程会很长。特别是复线布置桥梁两桥间的水域的通航环境会互相影响，从 而造成通航效率的相互制约，使船舶航行的效率下降，航行危险性升高。 （2）港口 装卸货物的种类日趋多样，进出港船舶船型结构也越来越复杂，这使得进出港航道 的交通管理的难度日渐增加，这会影响港口的通航效率。特别是在有危险品船通过 的港区，为确保安全，其交通管理措施更加严

27、格，这影响了船舶的通航效率。 （3） 在狭窄水域规划建设水工建筑时，为充分利用当地良好的自然条件，将同一片水域 可赋予两种不同的功能。由此造成主航道与回旋水域重合的情况越来越多，使这类 水域的通航局面更加复杂，船舶拥挤堵塞时常发生，甚至存在较大的事故隐患。本 文将在分析以上三种典型现象的通航特征的基础上，建立数学模型，并将模型应用 于三个案例中，分析模型计算结果及说明其意义。 目前国内外学者对船舶通航问题的研究重心主要是放在航行安全上，并取得了 许多成果，但对通航效率问题缺乏深入研究。本文对通航效率进行建模分析，定量 计算出各案例的通航效率并进行比较，找出问题的根源， 并为 LNG 接受站等危

28、险品 码头、复线布置桥梁的选址提供参考；为通航管理部门对受限水域和需施行航行管 制的水域的管理提供依据。 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 2 1.2 国内外研究现状及趋势 1.2.1 国外研究现状 国外对船舶通航问题的研究较早，主要是为了了解内河航道与船闸的通航特性 的建模分析，为研究航道、船闸的通过能力提供基础资料，从而找出指导实践的方 法。 Hannon, John T., Moore, Robert P., Ryan, Larry W.1（1991）, 研究了美 国密西根湖的航道的通航特性后，发现航道拥挤不堪，并给出加宽航道的建议。 Ting, C.-J., Sch

29、onfled, P.2（2001）, 研究了船闸通航能力的三种控制方法： 调度控制、速度控制和结合控制，并写出三种控制的模型与算法，进行了实证分析。 Wilson, Hoyt G.3研究了美国内河航道特别是船闸所在航道的拥挤后，并用 M/M/1 与 M/G/1 排队模型模拟航道通航情况，并将结果进行比较发现 M/G/1 模型更加适合 模拟船闸航道的通航特性。 1.2.2 国内研究现状 随着我国的水路基础设施建设，航道、港口大量投入使用，各港口、航区的船 舶流量日益增加，船舶通航问题日益突出。为解决船舶通航问题，专家提出了基于 排队论的通过能力计算模型、基于航海操纵模拟器的通过能力计算模型和基于

30、交通 流模型的船舶交通效率量化模型等方式，来对船舶通过能力和通航效率问题进行建 模分析，从而找到解决实际问题的方法。 应静华，肖英杰14（2007）基于航海操纵模拟器,模拟船舶紧急制动距离,运用 排队论的相关理论,分析大桥通航孔船舶通行能力,为建立桥区通航管理规则,合理 规划过桥等待锚地提供参考,以利于保障桥区水域船舶航行安全。刘明俊，艾万政， 程志友 16（2006）结合实测得到的苏通大桥的桥区水域的船舶流量数据，运用船 舶领域理论,对苏通大桥施工期主通航孔上、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进行分析论证。李勇，张哲20（2001）在长江中上游狭水道 中的船舶交通流现状

31、要求对交通流理论研究的更进一步深入,文中试图把一维流体 场的理论应用到船舶流的研究中去,找出船舶流的基本函数,得出了连续和间断状态 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 3 下的船舶流方程,提出相应的算法和解法. 邵长丰, 方祥麟21（2002）提出了船舶 交通流的流体模型,并进行了实例研究。对船舶交通在确保安全的前提下如何提高 交通效率进行了探讨,得出了船舶交通流的流体模型,从一个侧面明确了船舶交通效 率的量化问题。刘敬贤, 韩晓宝, 易湘平31（2008）将排队论理论用于港口水域受 限航道通过能力计算,综合考虑了航道、船舶、水文、气象、规则等要素对航道通 过能力的影响和制约

32、,构建了实用化的评价饱和度的动态模型。他们建立的模型在 天津港主航道规划设计和扩建工程中的应用结果表明,该方法能较好的对受限航道 的饱和程度进行动态评价,具有较强的适应性。李志鹏，方泉根32（2003）以船舶 定常回转时其对地速度、回转半径和回转角速度之间的关系为基础,文章探讨了船 舶 K、T 操纵指数、雷达转向线与检测线和回转角速度指示器在受限水域中船舶大 幅度转向和回转操纵的运用方法,并就船舶如何在受限水域正确使用以上方法进行 转向和回转提出了一些注意事项和建议。 1.2.3 国内外研究中存在的问题 从以上的文献综述可以看出，目前学术界有关船舶通航效率问题的研究工作还 不够系统、不够深入，

33、而且现有研究存在以下问题： 1）在对内河航道的通航问题的研究中，主要针对船闸对船舶通航的影响，但对 桥梁对船舶通航效率的影响研究还不够深入； 2）着重分析航道的通航特性，研究成果较多，但对有航行管制措施的航道的通 航效率研究还不够深入； 3）对主航道与码头回旋水域重合时码头的离泊延误问题还缺乏研究。 因此，本文将对受限航道、港口的通航效率和内河上桥梁对通航的影响进行建 模分析。 1.3 研究内容与技术路线 1.3.1 研究内容 本文从对船舶通航现状的实地调查入手，首先通过对长江定线制航道苏通大桥 和拟建沪通大桥航段的船舶流量观测，发现此航段船舶流量较大，在涨潮和落潮时 上海海事大学硕士学位论文

34、 船舶通航效率问题建模与分析 4 易引起交通拥挤，在沪通大桥建成后发生交通拥挤的可能性将加大；其次通过对深 圳大铲湾港区船舶通航现状的调查和船舶流量的观测，发现两个易引起通航延误和 通过能力下降的问题：（1）大铲湾港区集装箱码头的回旋水域与港区主航道重合， 引起离港船舶不能及时使用回旋水域进行离泊作业而滞留码头， （2）在拟建 LNG（液化天然气船）接受站建成后，LNG 船进出港区时需实行航行管制措施以保安 全，这会对大铲湾港区的通过能力有较大影响；最后，对以上问题进行数学建模， 运用观测数据进行模型的数值计算，分析计算结果并给出改善现状的建议。 本文的研究内容共分为三个主要部分： 1）以复线

35、布置桥梁的桥区水域作为研究对象，将复线布置桥梁的桥区水域考虑 为一个串联排队网络系统，对两桥通航系统的通航效率进行研究。在对苏通 大桥 AIS 数据与流量观测数据进行分析的基础上，进行两桥的主副通航孔通 航系统双向高峰与日常时段的情况计算，分析计算结果进而找到系统的两种 瓶颈与瓶颈生成的原因，并将计算结果与单桥通航系统的通航效率进行比较， 讨论两种通航系统的通航效率的差异，提出减小瓶颈影响的对策。 2）以有 LNG 接受站的港区水域作为研究对象，将航道与泊位视为一个整体进行 分析，将其考虑为一个 M/M/K 排队系统。通过对港区在规划年的船舶流量的 预测、船舶进出港和靠离泊时间的统计，对建成

36、LNG 接受站和未建成 LNG 接 受站两种情况下的港区通过能力进行计算与对比，并计算出 LNG 接受站建成 后港区内其他泊位的经济损失。 3）针对回旋水域与主航道重合时的通航延误问题进行建模分析，用移位负指数 分布拟合单向通航主航道交通流,并将回旋水域视为一个 M/G/1 排队系统，将 主航道与回旋水域作为整体计算船舶离泊时间延误，建立船舶在离泊作业时 切入主航道的经济角度模型。 1.3.2 技术路线 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 5 题目：船舶通航效率问题建模与分析船舶通航效率问题建模与分析 船舶通航问题国外资料收集船舶通航问题国内资料收集 交通调查、交通数据采集与

37、处理 确定研究具体对象，分析对象 复线布置桥梁船舶通航效 率研究 狭窄水域船舶离泊延误 研究 通过分析,得出桥梁通航孔通航效率的 瓶颈、航行管制措施对港口通航效率 的影响程度、船舶离泊的经济角度。 航行管制措施对港口通航效 率的影响 图1.1：本文结构图 1.4 本文的创新点 在实地调查与观测的基础上，本文针对一些突出的情况进行研究，主要研究创 新点如下： 1） 研究复线布置桥梁桥区水域的通航效率问题，把复线布置桥梁桥区水域 视为一个串联排队系统，并将其通航效率与单桥情况下相比较，找出通航效率的 瓶颈所在，并提出减小瓶颈影响的对策。 2） 研究有 LNG 接受站的港区的通过能力，将航道与泊位考

38、虑为服务台，计 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 6 算港区的通过能力，将计算结果与无航行管制情况下的通过能力相比较，并分析 在 LNG 接受站建成后港区内其他泊位的经济损失。 3） 研究主航道与回旋水域重合时船舶离泊延误，将主航道与回旋水域考虑 为整体，建立船舶离泊延误模型与离泊经济角度模型，并举例说明离泊经济角度 模型的实际应用方式。 第二章 复线布置桥梁船舶通航效率研究 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 7 船舶通过桥梁通航孔时，由于驾驶员需控制船位以保证操纵安全等原因会降低航 行速度，致使在桥区水域易形成的船舶流的集结现象且不能短距离内消散，一旦

39、形 成相对拥挤和延误，其船舶流消散过程会很长。当两座桥梁采用复线布置方式时， 船舶需在短距离上连续通过两个通航孔，这导致驾驶员的心理压力和操纵难度将大 幅增加，致使船舶通过桥区水域时的航速降低，形成船舶流集结现象。 船舶流的集结现象会对桥区水域通航效率有一定的影响，会增加通航管理的难度， 因此，在桥梁规划布置时应考虑桥梁布置方式对船舶通航的影响，进行桥梁通航效 率系统的定量计算。本章将运用 M/M/1 型排队系统和串联排队系统来计算桥梁通航 系统的效率。 2.1 桥梁通航效率系统模型 当船舶通过桥梁通航孔时航速会低于正常航行速度，那么可将桥梁通航孔视为 服务台，船舶依次到达且相互独立的，因此我

40、们将桥梁通航系统视为一个排队系统， 复线布置桥梁视为一个串联排队系统。 2.1.1 单桥通航效率系统模型 当航路上只有一座大桥时，将其视为一个到达服从 POSSION 分布，到达率均值 为，过桥时间（服务台服务时间）服从负指数分布的 M/M/1 型排队系统且其均值 0 为。其各项指标可由 M/M/1 型排队系统中经典公式得出： 1 平均排队数(艘)： 100 2 1 s L 系统中总时间： 10 1 q W 2.1.2 复线布置桥梁通航效率系统模型 将复线布置桥梁的两个通航孔看成两个串联的服务台，船舶到达服从随机分布， 船舶可在桥前进行排队但排队容量有限制，因此运用串联开排队网络来模拟大桥通

41、航系统的通航情况。并做如下假设： 1）船舶在航行方向上共要经过两个通航孔（服务台） ，设沪通大桥的通航容量 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 8 和苏通大桥通航容量为( 的取值由航行方向决定,航路上第一座桥 取 1,第二座 i Kii 桥 取 2)。由于两桥之间可航水域有限，如两桥之间水域的船舶密度过高会使这片i 水域存在安全隐患，所以将两桥间通航容量的设置为： 通航容量=两桥间距/船舶领域纵长； 船舶领域的介绍： 交通工具在运动时，前后之间总要保持一段安全距离。船舶在航行时，在每艘 船舶周围，需要有一个安全缓冲区域，他船进入本船的安全缓冲区域内，一般就认 为有碰撞的危险。

42、当航道达到最大交通密度时，船舶之间保持一定的安全距离航行 以避免发生碰撞，其中安全距离就是船舶安全行驶的最小距离，也就是船舶避碰领 域（简称船舶领域） 。船舶领域 (Ship Safety Domain)，是海上交通工程学中的一 个重要概念。 船舶领域是以本船的大小、运动性能、水域、与他船的相互位置关系等为参数 的一个复杂函数。为了避繁就简，通过统计分析船舶之间相对位置分布从而来获得 避碰领域的大小及形状。目前，应用较多的模型有： （1）藤井模型：通过在日本沿海水域海上交通调查并对船舶相对位置的二维频 率分布分析研究，藤井提出了船舶领域的模型，即以船舶(被避让船舶)为中心，长 半轴沿船舶首尾方

43、向;短半轴沿船舶正横方向的一个椭圆。他认为:船舶领域的具体 尺寸与船速、密度和潮流等因素有关。另外，他又通过长期以来多次观察日本沿海 水道的交通实况，获得了船舶领域尺寸的数值为 7 倍船长(长轴)/3 倍船长(短轴)。 通常航行条件下被追越船舶的领域尺寸为 8L( L 即船长 )/(3.2L)。当航行在需要减 速的港口内部和狭窄的海峡时，船舶领域尺寸减小到 6L/(l.6L)。半海峡时，船舶 领域尺寸减小到 6L/(1.6L)。(如图 2.1) 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 9 8L 3.2L 6L 1.6L 图2.1 日本海水道中船舶领域模型 （2）Goodwin 船

44、舶领域模型（开阔水域） 船首向 0.7 n mile 0.45 n mile 0.85 n mile 3L 3L 0.8L 0.8L 图 2.2 开阔水域船舶领域模型 图 2.3 藤井船舶领域简化模型 船舶领域的几何图形是不对称的，按船舶的号灯范围划分为三个扇形区考虑， 建立开阔水域船舶领域模型（如图 2.3、2.4） 。 2）船舶按 POSSION 流到达，均值为（艘/小时） 。 0 3）船舶在系统中依次通过各通航孔（禁止追越） ； 4）船舶通过通航孔的时间服从负指数分布，服务时间的均值为0, 的取值 j j 方式与 相同。i ， V D j 1852 U ALD 式中：D 为桥区水域宽度（

45、m） ； 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 10 L 为桥面宽（m） ； AU为船舶领域纵长(m); 为平均船速(kn 海里/小时)。V 5）当航路上第二座桥的队长小于（最大通航容量）时,前座桥可以通航,一 2 K 旦驶过第一座桥的船舶进入两桥中间水域使第二座桥的队长到达时,第一座桥便 2 K 停止通航,直到第二座桥通过一艘船舶后使船舶队长小于时,第一座桥才恢复通航。 2 K 6）所有船舶来到的时间间隔和通航时间都互相独立。 2.2 复线布置的苏通大桥与拟建沪通大桥的情况介绍 根据铁道部第四勘察设计院编制的上海至南通铁路预可行性研究报告 ，沪通 铁路工程在长江苏通段跨越长江

46、修建特大桥梁。桥址位于苏通大桥下游 3km 处，桥 梁总长约 11.3km，桥面宽度为 34m。 （如图 2.4 所示） 沪通大桥 苏通大桥 图 2.4 苏通大桥和沪通大桥位置及航道示意图 上海海事大学硕士学位论文 船舶通航效率问题建模与分析 11 2.3 苏通大桥和沪通大桥附近水域船舶流量观测数据统计分析 2.3.1 船舶领域纵长的确定 本文根据上海至南通铁路沪通大桥评估报告中桥区水域船舶通航能力预测 参数（如表 2.1） ，统计计算通过主、副通航孔船舶的船舶领域纵长（如表 2.2） 。 表 2.1 桥区水域船舶通航能力预测参数 平均航速 （km/h） 船舶领域纵向 长 比例(%) 船舶载总重 吨 船舶长 度（m） 计算船 长（m） 逆流顺流逆流顺流上行下行