黄骅港航道双向安全通航的分析及操纵

船舶进出黄骅港综合港区安全措施及引航方法作者：杜增瑞来源：《中国水运》2015年第05期摘要：黄骅港综合港区是河北省沿海经济建设的重点工程，一期港池、二期港区和液化码头相继开工建设。

港区一直面临着港口生产营运和施工建设的双重任务，商船、疏浚船舶和施工船舶同时交织在一起，通航环境复杂。

此文结合海事监管和船舶引航工作的实际，介绍散货船进出黄骅港综合港区安全指南和引航方法，供参考借鉴。

关键词：船舶进出港安全措施引航方法黄骅港概况黄骅港总体规划将分为综合港区、煤炭港区、河口港区和杂货港区。

综合港区与煤炭港区（即神华黄骅港）相北平行而建，航道亦与煤炭港区航道平行，间距2海里。

一期港池码头有2个通用散杂货、2个通用杂货和4个多用途泊位。

二期综合港区码头5个泊位和散货码头11个10-20万吨级泊位，航道达到20万吨级航道通航标准。

水文气象潮流：属不规则半日潮型。

平均高潮位为3.58m；平均低潮位为1.28m；平均潮差为2.30m；平均涨潮历时5h51min；平均落潮历时6h41min。

本港区海流为半日潮流，涨潮流向228°-259°之间，落潮流向为63°-90°之间。

由于受防波堤影响，防波堤口门段中、大潮时涨潮期间流速较大，特别是涨潮初期的1-3小时流速均在0.5m/s以上，大潮部分时间可接近1m/s，且流速与航道存在一定夹角，船舶进出口门处需引起注意。

风况：该区常风向为E向，次风向为SW向，秋、冬季以偏北风为主，春季偏东风居多，影响本区的天气系统以寒潮大风为主。

夏季多出现“突风”（当地一种俗称），具有起风突然、发展迅速、不易预报等特点，风力很快达到7-8级，最大可达10级，持续时间也从数十分钟时到数小时不等，根据相关数据统计，7月是“突风”的频发月份。

海冰：冬季受寒潮大风侵袭，冰期从12月上旬到次年2月上旬，盛冰日在1月。

由于狭长人工航道以及地理位置等因素，海冰易聚不易散，海冰较为严重。

a安全管理DOI：10.3963/j.issn.1006-8864.2020.06.032□吴洪文赵娜黄骅港船舶失控海事安全监管研究关键词:海事监管;船舶失控；应急处置；长航道；报警功能；黄骅港黄骅港位于河北省与山东省交界处、沧州市区以东约90公里的渤海之滨,陆上距黄骅市区约45公里，北距天津60海里，东距龙□149海里。

目前，黄骅港有4个港区:煤炭港区的港□生产以煤炭运输为主，综合港区、散货港区以铁矿、集装箱等货物为主，河口港区以煤炭、矿石、钢材、油品砂石料等货物为主。

黄骅港有3条人工航道：一是煤炭港区航道，总长43.5公里，设计水深14米，可满足5万吨级船舶双向重载航行（兼顾7万、10万吨级散货船舶乘潮单向）。

二是综合港区10万吨级航道，总长44公里，设计水深14.5米,可满足10万吨级散货船单向乘潮满载航行。

三是综合港区、散货港区20万吨级航道，总长56.8公里，设计水深18.3米，实际水深19米，可满足20万吨级散货船舶单向乘潮满载航行。

其中，综合港区10万吨级航道和综合港区、散货港区20万吨级航道有交叉重合部分，两条航道汇合后总长为60.5公里，是世界上最长的海港人工航道。

由于目前的3条航道均为单向航道，船舶进出港采取“排队”方式，如果一旦船舶发生失控导致搁浅、碰撞等险情事故，特别是位于队首位置的船舶失控，将会造成事故应急处置难度极大，不仅船舶脱浅困难，还极易引发次生事故，航道被扼制停航，船舶将无法正常进出，对港□生产造成致命的影响。

因此，对船舶失控海事安全监管进行研究意义重大。

一、船舶发生失控的种类船舶失控主要发生在以下几个设备系统：一是主机系统，如机舱油管爆裂导致船舶失控;主机油管爆裂故障导致船舶失控；因水泵故障造成主机轴瓦抱缸"咬死”停机熄火。

二是电力系统，如辅机故障，造成全船短时间停电，由于时间较短，未启动应急舵；发电机日常维护保养不到位导致全船失电而引发船舶失控。

三是操舵系统,如舵机液压油管爆裂，导致舵机失灵船舶失控;舵机失电，船舶失控;舵机液压油管爆裂,导致舵机失灵船舶失控。

黄骅港船舶航行安全富余水深研究的开题报告一、研究背景黄骅港是中国海洋经济强国的一部分，也是华北地区的重要港口。

早在唐代，黄骅港就已经是我国北方的重要航线之一。

随着新世纪的到来，中国海运业的发展日益壮大，尤其是北方沿海港口，黄骅港的运营规模不断扩大，港口进出口总量日益增多。

在黄骅港的船舶航行中，航行安全是至关重要的因素。

船舶航行安全的关键因素之一是水深，水深状况不仅影响船舶行驶的速度和航线，同时还是决定船舶航行安全的重要因素之一。

因此，对于黄骅港船舶航行安全富余水深的研究具有非常重要的现实意义。

二、研究目的本研究旨在通过对黄骅港船舶航行区域进行水文地质综合勘查和水动力学数值模拟，分析并评估该区域船舶航行安全富余水深的状况，在此基础上提出相应的管理措施和改进建议，以保障黄骅港内的船舶航行安全。

三、研究方法1. 水文地质综合勘查：通过对黄骅港船舶航行区域的海底地形、海水盐度、水深、泥沙分布等要素进行勘查，获取精准的区域水文地质资料。

2. 水动力学数值模拟：采用数值模拟方法，在已确定的港口地理位置、港口结构和潮汐条件下，模拟黄骅港船舶航行区域的水动力学变化，获取船舶航行安全富余水深的定量数据，同时对比分析不同潮汐条件对航行安全富余水深的影响。

3. 改进建议：基于以上研究结果，提出针对性的改进建议，包括加强港口维护保养，优化港口结构，完善航行规划和管理等方面，以提高黄骅港船舶航行安全的水平。

四、研究意义黄骅港作为中国海洋经济强国的重要组成部分，运营的良好与否关系到我国整个海运、物流产业的发展。

本研究通过水文地质综合勘查和水动力学数值模拟，获取黄骅港船舶航行安全富余水深的相关数据，能够为黄骅港的客户和管理者提供决策参考。

同时，提出的改进建议，有助于提高黄骅港的管理水平，推动我国海运产业的健康快速发展。

80天津航海2019年第2期提升黄骅港辖区航标助航服务水平的措施孔涛侯局（北海航海保障中心天津航标处天津300457）摘要：文章通过分析黄骅港航标服务现状和不足，提出提升航标助航服务水平的有效措施，为航海用户提供更加优质高效的航海保障服务。

关键词：黄骅港航标助航服务措施0引言黄骅港作为一个人工开挖的港口，航标对港口安全、高效运营起到非常重要的作用。

近年来，黄骅港港口规模和航运经济迅猛发展，在岗航标数量不断增加，截至2019年1月，黄骅港辖区共设置各类航标266座，保障了港口的安全、高效运营。

党的十九大提出，加快建设海洋强国。

提升航标助航服务水平是建设海洋强国的必然要求，也是航标主管部门践行国家“放管服”改革的有力举措。

1航标航标是助航标志的简称，是以特定的标志、灯光、声响或无线电信号等，供船舶确定船位、航向，避离危险，使船舶沿航道或预定航线安全航行的助航设施。

其主要作用有指示航道，供船舶定位，标示危险区，供特殊需求（如标示锚地、检疫锚地、禁航区、渔区等山）。

按工作原理分为视觉航标、音响航标和无线电航标。

随着航标科学技术的发展，特别是无线电和信息技术的广泛应用，人类海上活动增多，航标被赋予了新的定义，即航标是为各种水上活动提供安全信息的设施或系统。

2黄骅港基本情况黄骅港位于河北省沧州市的渤海之滨，河北、山东两省交界处，京津冀协同发展和环渤海经济圈的政策叠加地，是西煤东运、北煤南运重要枢纽港。

近年黄骅港发展迅猛，2016年货物吞吐量突破2亿吨大关，2018年港口货物吞吐量达2.88亿吨。

煤炭港区（神华黄骅港）2001年底投入运营，综合港区于2010年正式投入运营。

收稿日期：2019-03-18作者简介：孔涛（1991-）,男，山东省人，助理工程师，现从事航标管理工作。

黄骅港煤炭港区内规划陆域面积12.2km2,码头岸线长10.4km,可形成生产性泊位30余个。

目前，已建成煤炭专用泊位12个，在建泊位4个，均为万吨级以上泊位；此外有散杂货泊位2个，液体化学泊位1个。

中国沿海港口进港注意事项及港口资料正和船队常到港口概况一、黄骅港1.VTS管理。

通信联络，黄骅港甚高频无线电话（VHF)通讯系统为国内外各种进出港口、锚地水域的船舶提供船岸通信业务及公众通信业务。

船岸之间还可以利用无线电话通过人工方式转接到有关用户或进人公众网接到全国各地。

目前黄骅港各单位及部门所使用的频道分别为：引航站VHF06船队VHF13调度室VHF14交管中心VHF08话台VHF16、79、84黄骅海事局VHF122.航道。

航行条件助航标志黄骅港助航标志主要由导标、灯桩和灯浮标组成。

航道口门设安全水域标(灯浮）。

航道上设有1?55号灯标，其中1?30号为活节式灯桩、31?55号为灯浮。

黄骅港航道两侧设1?10号防沙堤灯桩，在29号、30号灯桩两侧设防波堤活节式灯桩各1座，防波堤堤头设堤头灯桩2座。

防沙堤高潮淹没，低潮干出，船舶航行应注意。

大口河航道上设有1?7号灯浮，灯浮标位置常有变化，进出港的船舶应注意。

碍航物港口附近有4处碍航物。

30号灯桩南侧，概位坐标38°22'05"N、118°01'09"E据报该点为沉船。

30号灯桩东南.概位坐标38°22'49"N、118°01'28"E。

概位坐标38°34'15"N、118°13'20"E。

概位坐标38°32'31"N、118°16'51"E。

以上4点均设有危险物标志，来往船舶应注意航行。

航道黄骅港主要航道长42.5千米，宽140米，水深14.0米，港口航道回淤量较大。

航法外来船舶航行到安全水域标后.按照导标航行进入航道，取航向240°左右，按灯浮标航行，当驶至40号灯浮(设雷达应答器）附近修正航向至235°,按照灯浮及引导灯桩航行进港。

㊀第４３卷第４期㊀２０２０年１２月中㊀国㊀航㊀海ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＯＦＣＨＩＮＡＶｏｌ.４３Ｎｏ.４㊀Ｄｅｃ.２０２０㊀收稿日期:２０２０￣０７￣２０基金项目:国家自然科学基金(５１７７９０２８)作者简介:张新宇(１９７８ )ꎬ男ꎬ吉林长春人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为船舶交通组织优化㊁无人驾驶船舶智能航行㊁船舶交通海事服务集以及海事大数据等ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇ.ｘｉｎｙｕ＠ｓｏｈｕ.ｃｏｍ文章编号:１０００－４６５３(２０２０)０４－０００１－０７黄骅港限制性双向航道船舶交通组织优化张新宇ꎬ㊀王志强ꎬ㊀邓志鹏(大连海事大学海上智能交通研究组ꎬ辽宁大连１１６０２６)摘㊀要:为提高黄骅港煤炭港区船舶进出港作业效率ꎬ研究该港区在限制性双向航道通航模式下船舶交通组织优化问题ꎮ考虑船舶属性㊁船舶交通状况和航道存在的限制性关键航路风险点等因素ꎬ基于限制性通航/单向通航模式转换㊁限制性单/双向通航模式切换㊁关键航路风险点交通冲突消解㊁泊位冲突消解㊁船舶航行安全性和连续性等约束条件ꎬ构建以总船舶调度时间和总船舶等待时间最短为目标函数的限制性双向通航模式下船舶交通组织优化模型ꎬ并设计船舶航行时间挖掘算法获取模型的关键输入参数ꎻ提出一种改进的双链量子遗传算法(ＩｍｐｒｏｖｅｄＤｏｕｂｌｅＣｈａｉｎＱｕａｎｔｕｍＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍꎬＩＤＣＱＧＡ)高效地求解构建的优化模型ꎻ基于船舶交通仿真数据库进行验证ꎮ试验结果表明:该算法与常规遗传算法相比在全局寻优时ꎬ具有较快的收敛速度和较好的稳定性ꎬ模型求解出的最优方案总船舶调度时间和总船舶等待时间较先到先服务(ＦｉｒｓｔＣｏｍｅＦｉｒｓｔＳｅｒｖｅꎬＦＣＦＳ)规则分别下降２２.６％和３０.８％ꎬ较先出后进(ＦｉｒｓｔｏｕｔＬａｓｔｉｎꎬＦｏＬｉ)规则分别下降２６.３％和３１.５％ꎮ关键词:黄骅港ꎻ限制性双向航道ꎻ船舶交通组织优化ꎻ双链量子遗传算法中图分类号:Ｕ６９１.３２㊀㊀㊀文献标志码:ＡＳｈｉｐＴｒａｆｆｉｃＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＴｗｏ￣ＷａｙＣｈａｎｎｅｌｉｎＨｕａｎｇｈｕａＰｏｒｔＺＨＡＮＧＸｉｎｙｕꎬ㊀ＷＡＮＧＺｈｉｑｉａｎｇꎬ㊀ＤＥＮＧＺｈｉｐｅｎｇ(ＭａｒｉｔｉｍｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＧｒｏｕｐꎬＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＤａｌｉａｎ１１６０２６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｈｉｐｔｒａｆｆｉｃｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｔｗｏ￣ｗａｙｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｈｅｃｏａｌａｒｅａｏｆＨｕａｎｇｈｕａｐｏｒｔｉｓｄｅ￣ｓｉｇｎｅｄｆｏｒｂｅｔｔｅｒｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ.Ｔｈｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆｔｈｅｓｈｉｐｓꎬｔｈｅｔｒａｆｆｉｃｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｃｈａｎｎｅｌａｎｄｔｈｅｒｉｓｋｙｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｃｈａｎｎｅｌａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ.Ｔｈｅｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓꎬｓｕｃｈａｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｔｒａｆｆｉｃ/ｏｎｅ￣ｗａｙｍｏｄｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇꎬｔｗｏ￣ｗａｙ/ｏｎｅ￣ｗａｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇꎬｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｆｌｉｃｔａｖｏｉｄｉｎｇａｔｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｉｎｔｓꎬｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｂｅｒｔｈｃｏｎｆｌｉｃｔꎬａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｆｆｉｃｏｒｇａｎｉ￣ｚａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｓｅｍｅａｓｕｒｅｓｉｓｂｕｉｌｔ.Ｔｈｅｋｅｙｉｎｐｕｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｄｅｃｉｄｅｄｔｈｒｏｕｇｈｍｉｎｉｎｇｓｈｉｐｓａｉｌｉｎｇｔｉｍｅｄａ￣ｔａ.Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｉｓｓｏｌｖｅｄｆｏｒｍｉｎｉｍｕｍｔｏｔａｌｓｔａｙｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｗａｉｔｉｎｇｔｉｍｅｆｏｒｓｈｉｐｓｉｎｐｏｒｔｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｂｙａｄｏｐｔｉｏｎｏｆａｂｏｖｅｍｅａｓｕｒｅｓ.ＡｎＩＤＣＱＧＡ(ＩｍｐｒｏｖｅｄＤｏｕｂｌｅＣｈａｉｎＱｕａｎｔｕｍＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ)ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｏｔａｌｓｔａｙｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｗａｉｔｉｎｇｔｉｍｅｂｙ２２.６％ａｎｄ３０.８％ｔｈａｎ ＦＣＦＳ(ＦｉｒｓｔＣｏｍｅＦｉｒｓｔＳｅｒｖｅｄ) ｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬａｎｄｒｅｄｕｃｅｂｙ２６.３％ａｎｄ３１.５％ｔｈａｎ ＦｏＬｉ(ＦｉｒｓｔｏｕｔＬａｓｔｉｎ) ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｈｕａｎｇｈｕａｐｏｒｔꎻｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅｔｗｏ￣ｗａｙｃｈａｎｎｅｌꎻｓｈｉｐｔｒａｆｆｉｃｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻｄｏｕｂｌｅｃｈａｉｎｑｕａｎｔｕｍｇｅ￣ｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ㊀㊀神华黄骅港煤炭港区５万吨级重载双向航道工程于２０１２年１０月２６日通过海事部门验收并通航成功ꎮ[１]但是ꎬ鉴于航道自然地理条件的限制ꎬ根据港口有关规定ꎬ航道部分航段只允许单向通航ꎬ其余航段实行有条件的双向通航ꎮ[２]由于航道船舶交通状况等条件的限制ꎬ当前该港区仍执行单向通航ꎮ为此ꎬ如何提高该港区限制性双向航道船舶进出港作业效率是亟待解决的问题ꎮ目前ꎬ针对黄骅港煤炭港区航道船舶交通组织优化问题的研究较少ꎬ大部分研究集中在黄骅港煤炭港区航道通航安全和通过能力分析㊁评价或仿真方面[３￣６]ꎬ缺少从全局角度开展对航道水域船舶交通组织方法的理论研究ꎬ因此不能提供整体航道交通效率最优的船舶交通组织解决方案ꎮ国内外缺少针对在限制性航道条件下船舶交通组织问题的研究ꎬ但对单一类型航道(如单向㊁双向和复式航道)船舶交通组织问题有部分研究ꎮ文献[７]和文献[８]针对单向航道船舶进出港调度优化问题ꎬ构建单向航道船舶进出港最优序列模型ꎻ文献[９]和文献[１０]考虑船舶等待时间和船型优先权等因素ꎬ建立双向通航条件下的船舶进出港数学优化模型ꎻ文献[１１]㊁文献[１２]和文献[１３]研究复式航道中船舶的航行方式和交通冲突ꎬ构建船舶调度多目标数学优化模型ꎮ通过分析ꎬ单一类型航道船舶交通组织问题需考虑进出港船舶流量转换㊁单/双向/复式通航模式转化㊁船舶间安全时隙和警戒区会遇船舶协调避让等问题ꎮ相比之下ꎬ在限制性航道条件下ꎬ研究船舶交通组织问题除了要考虑单一类型航道船舶交通组织问题以外ꎬ还需考虑航道存在的限制性关键航路风险点ꎬ并识别限制性航道的限制性通航航段和单一性通航航段(单向/双向通航航段)ꎬ确保船舶在限制性通航模式与单一性通航模式之间转化时ꎬ在限制性单/双向通航模式切换时和在航道各限制性关键航路风险点航行时的安全性和效率性ꎮ在船舶交通组织优化算法方面ꎬＥＤＵＡＲＤＯ等[１４]设计双向航道水域混合整数线性规划数学模型ꎬ并采用模拟退火算法进行求解ꎮＭＥＩＳＥＬ等[１５]针对双向船舶交通调度问题ꎬ提出变航速㊁侧线段容量和船舶等待时间限制的优化策略ꎬ采用启发式算法求解ꎮＺＨＡＮＧ等[１６￣１７]协调航道和泊位等资源构建数学优化模型ꎬ采用模拟退火和遗传算法求解ꎮ通过对船舶交通组织优化算法进行归纳发现ꎬ所采用的求解算法大都为模拟退火算法和遗传算法等常规的智能优化算法ꎬ在面对较为复杂的船舶交通组织优化问题时ꎬ常出现收敛速度慢和陷于局部最优等问题ꎮ综上ꎬ本文在现有船舶交通组织优化理论的基础上ꎬ考虑黄骅港煤炭港区双向航道限制性条件ꎬ构建限制性双向通航模式下的船舶交通组织优化模型ꎬ并提出改进的双链量子遗传算法(ＩｍｐｒｏｖｅｄＤｏｕｂｌｅＣｈａｉｎｓＱｕａｎｔｕｍＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍꎬＩＤＣＱ￣ＧＡ)ꎬ高效地求取模型的最优方案ꎮ１㊀模型建立１.１㊀问题描述目前ꎬ该港区采用先出后进(ＦｉｒｓｔｏｕｔＬａｓｔｉｎꎬＦｏＬｉ)方式集中调度进港或出港船舶ꎬ航道通航效率较低ꎬ实际到港船舶需先在锚地抛锚等候进港ꎻ航道最大流速出现在口门(３２＃浮筒)附近ꎬ对于在２２＃浮筒附近刚上线不久的进港空载船舶而言ꎬ其航速较慢ꎬ受风流影响较大ꎬ易给重载出港船舶造成视觉误差ꎻ航道４０＃浮筒附近有１个５ʎ转向点ꎬ应避免一艘船转向给另一艘船造成视觉误差ꎻ４７＃浮筒以内至一期㊁二期码头前沿为港池连接水域ꎬ此处富余水深略显不足ꎬ可航水域狭小ꎬ船舶操作性差ꎻ２２＃浮筒以外区域相距泊位较远ꎬ已无双向通航的意义ꎮ基于以上分析ꎬ归纳出影响航道通航安全和效率的限制性关键航路风险点主要包括进航道口(Ｋｅｙ０)㊁防沙堤口门(Ｋｅｙ２)㊁航道５ʎ转向点(Ｋｅｙ３)和港池连接水域(Ｋｅｙ４)ꎬ见图１ꎮ图１中ꎬＫｅｙ１为Ｋｅｙ０与Ｋｅｙ２的中点ꎮ图１㊀黄骅港煤炭港区航道限制性双向通航示意㊀㊀«黄骅港煤炭港区航道双向通航推进会纪要»对航道双向通航条件的规定:１)在２２＃浮筒附近上线处至３２＃浮筒口门位置航段ꎬ船舶需执行单向通航ꎮ航道３２＃浮筒以内区域中的外航道段(３２＃~４０＃浮筒)和内航道段(４０＃~４７＃浮筒)船舶执行５万吨级有条件双向通航ꎮ２)航道同向进出港船舶前后安全距离至少保持１.５ｎｍｉｌｅꎮ２㊀中㊀国㊀航㊀海２０２０年第４期３)双向通航两船暂限船长小于２２５.０ｍꎬ船宽不大于３２.３ｍꎮ综上ꎬ该港区限制性航道具有全局双航段异类通航(限制性单/双向通航)和局部单航段有条件通航等限制性通航的特点ꎬ从而使航道通航模式在单向/限制性通航模式间转化ꎬ在限制性单/双向通航模式间切换ꎮ单向/限制性通航模式在航道物理条件㊁船舶类型(船型尺度㊁船舶载态㊁船舶吃水和载运危险物等)和水文气象等因素的影响下发生转化ꎻ限制性单/双向通航模式在船舶从航道单向航段航行过渡到双向航段时切换ꎮ考虑以上航道通航安全和效率影响因素以及船舶限制性双向通航条件ꎬ结合港方和船方在船舶进出港过程中的利益诉求ꎬ在对黄骅港煤炭港区实际船舶进出港流程进行实地调研的基础上ꎬ提炼出该港区限制性双向航道船舶交通组织优化的关键是确定最佳的船舶进出港序列ꎬ确保船舶在限制性通航和单向通航模式下以及在航道各航路风险点附近的航行安全性和效率性ꎬ缩短船舶总的调度时间和其在港的总等待时间ꎬ从而更好地提高船舶进出港作业效率ꎮ１.２㊀模型假设本文建模所需的假设条件包括:１)水文气象条件满足船舶进出港作业要求ꎮ２)引航员㊁拖船和锚地容量充足ꎬ不影响船舶进出港计划ꎮ３)船舶靠泊作业计划已提前制订ꎬ即不考虑泊位指派问题ꎮ１.３㊀变量和符号定义船舶集合Ｎ＝{１ꎬ２ꎬ ꎬｎ}ꎬｎ为按船舶申请进出港的时间顺序确定的船舶编号ꎻ泊位集合Ｂ＝{１ꎬ２ꎬ ꎬｚ}ꎬｚ为泊位编号ꎮＴｐｉ为船舶申请进出港时间ꎬ即船舶完全就绪时刻ꎮＴｓｉ为船舶开始被调度时刻ꎮＴｆｉ为船舶完成进出港时刻ꎬ对于进港船舶指船舶停靠泊位时刻ꎬ对于出港船舶指船舶出航道时刻ꎮδ０为船舶同向安全时隙ꎮＴｇｋ为船舶异向安全时隙ꎬ若ｋ＝１ꎬ表示限制性双向通航单向通航阶段的平均时隙ꎻ若ｋɪ{０ꎬ３ꎬ４}ꎬ表示关键航路风险点０㊁３和４附近的异向安全时隙ꎮΔｔｋｉ为船舶在航道各关键航路风险点之间的航行时间ꎬｋɪ{０ꎬ１ꎬ２ꎬ３ꎬ４}ꎬ其中:若ｋ＝０ꎬ对于进港船表示从锚地航行至进航道位置的时间ꎬ对于出港船表示从进航道位置航行到出航道位置的时间ꎻ若ｋɪ{１ꎬ２ꎬ３ꎬ４}ꎬ表示进出港船舶在航路风险点ｋ－１与ｋ之间的航行时间ꎮΔＢｔｉ为船舶在港池连接水域与泊位之间的航行时间ꎮＴｋｉ为船舶航行到航道关键航路风险点ｋ的时刻ꎬｋɪ{０ꎬ１ꎬ２ꎬ３ꎬ４}ꎮｘ为船舶航行方向ꎬ其中:ｘ＝１为进港ꎻｘ＝０为出港ꎮｙ为船舶航行模式ꎬ其中:ｙ＝０为单向通航ꎻｙ＝ｒ为限制性通航ꎬｒ＝１指限制性单向通航ꎬｒ＝２指限制性双向通航ꎮＢｉ＝１ꎬ为进港船舶ｉ将要停靠的泊位可用ꎻＢｉ＝０ꎬ为进港船舶ｉ所要停靠的泊位已被使用ꎮＡ为任意一个足够大的整数ꎮ１.４㊀优化模型本文构建的在限制性双向通航模式下船舶交通组织优化模型(ＳｈｉｐＴｒａｆｆｉｃＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｕｎｄｅｒＲｅｓｔｒｉｃｔｅｄＴｗｏ￣ＷａｙＮａｖｉｇａｔｉｏｎꎬＳＴＯＯＭ￣ＲＴＷＮ)见式(１)~式(９)ꎮ[ＳＴＯＯＭＲＴＷＮ]:ｍｉｎ:[ＳꎬＷ]Ｓ＝ ｎｉ＝１(Ｔｆｉ－Ｔｓｉ)(１)Ｗ＝ ｎｉ＝１(Ｔｓｉ－Ｔｐｉ)(２)式(１)和式(２)中:Ｓ和Ｗ分别为第一月目标值和第二目标值ꎮｓ.ｔ.ＴｐｉɤＴｓｉＴ０ｉ＝Ｔｓｉ＋Δｔ０ｉＴｋｉ＝Ｔ(ｋ－１)ｉ＋ΔｔｋｉＴｆｉ＝Ｔ４ｉ＋ΔＢｔｉｋɪ{１ꎬ２ꎬ３ꎬ４}ìîíïïïïïï(３)Ｔ１ｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝１＝Ｔ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ－Ｔｇ１ꎬＴ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ－Ｔｇ１ɤＴ１ｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝ｒɤＴ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒＴ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ＋Ｔｇ１ꎬＴ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ<Ｔ１ｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝ｒɤＴ１ｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ＋Ｔｇ１Ｔ１ｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝ｒꎬｏｔｈｅｒｓìîíïïï(４)Ｔｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝２＝Ｔｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２－ＴｇｋꎬＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２－ＴｇｋɤＴｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝２ɤＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２Ｔｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２＋ＴｇｋꎬＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２<Ｔｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝２ɤＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝２＋ＴｇｋＴｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝２ꎬｏｔｈｅｒｓｋɪ{３ꎬ４}ìîíïïïïï(５)Ｔｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝０ȡＴｋｘ＝０ꎬ１ｊꎬｙ＝０＋δ０ꎬｋɪ{０ꎬ１ꎬ２ꎬ３ꎬ４}(６)Ｔｓｘ＝１ｉꎬｙ＝０ꎬｒȡＴｐｘ＝１ｉꎬｙ＝０ꎬｒ＋(１－Ｂｉ)ˑＡ(７)Ｔｋｘ＝１ꎬ０ｉꎬｙ＝０ȡＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝ｒ＋δ０Ｔｋｘ＝１ꎬ０ｉꎬｙ＝０ȡＴｋｘ＝０ꎬ１ｍꎬｙ＝ｒ＋Ｔｇｋｋɪ{０ꎬ４}ìîíïïï(８)３㊀㊀张新宇ꎬ等:黄骅港限制性双向航道船舶交通组织优化Ｔｋｘ＝１ꎬ０ｉꎬｙ＝ｒȡＴｋｘ＝１ꎬ０ｊꎬｙ＝０＋δ０Ｔｋｘ＝０ꎬ１ｉꎬｙ＝ｒȡＴｋｘ＝１ꎬ０ｍꎬｙ＝０＋Ｔｇｋｋɪ{０ꎬ４}ìîíïïï(９)式(１)和式(２)为目标函数ꎬ分别为总船舶进出港调度时间和总船舶在港等待的最短时间ꎻ式(３)表示每艘船舶的开始调度时间不早于其申请进出港的时间ꎬ且每艘船舶调度结束时间等于其在航行过程中各关键航路风险点之间的航行时间累加ꎬ以确保船舶在航行过程中的时间连续性ꎻ式(４)~式(９)表示船舶ｉ均在船舶ｊ和ｍ之后调度ꎻ式(４)为模式切换约束ꎬ用于判断当限制性通航两异向船舶切换为限制性单向通航模式时ꎬ通过调整船舶到达指定航路风险点的时刻ꎬ以保证两船在整个限制性单向航段只能保持单向航行ꎻ式(５)和式(６)为关键航路风险点交通冲突消解ꎻ式(５)表示限制性通航两异向船舶在指定关键航路风险点处保持异向安全时隙ꎻ式(６)表示进出港两船在航道单向通航模式下ꎬ各关键航路风险点处保持同向安全时隙ꎻ式(７)为泊位冲突消解ꎬ表示船舶ｉ进港时ꎬ其所停靠的泊位必须可用ꎻ式(８)和式(９)为模式转换约束ꎻ式(８)为限制性通航模式分别转换为单向进港通航模式和单向出港通航模式ꎻ式(９)为单向进港通航模式和单向出港通航模式转换为限制性通航模式ꎮ２㊀模型求解船舶交通组织优化问题为典型的ＮＰ￣ｈａｒｄ问题[１４]ꎬ采用常规精确求解工具求解较为困难ꎬ而传统的智能化算法存在收敛速度慢㊁易陷于局部最优等情况ꎮ鉴于此ꎬ本文基于ＩＤＣＱＧＡ的并行性㊁叠加性和量子位双概率幅编码等优势[１８]ꎬ针对ＳＴＯＯＭ￣ＲＴＷＮ模型的特点ꎬ提出改进的ＩＤＣＱＧＡꎬ其主要思路如下:双链量子编码之后ꎬ对于１条染色体上的ｎ个基因位ꎬ有２ｎ个(－１ꎬ１)范围内的概率幅ꎬ通过将概率幅大小按升序排列ꎬ并取回原来数在排序后序列中所处的位置ꎬ将原染色体转化为整数序列ꎬ种群中每条染色体可代表所调度进出港船舶的排序情况ꎻ将量子位编码㊁量子旋转门和量子非门等操作与ＳＧＡ(ＳｉｍｐｌｅＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ)的算子串联ꎬ最终实现１次迭代㊁２次种群更新和２次目标值寻优ꎮＩＤＣＱＧＡ的关键算子操作流程见图２ꎮ㊀㊀１)船舶交通组织双链量子编码ꎮ量子位的概率幅被用来进行编码操作ꎬ概率幅用(ｃｏｓｔꎬｓｉｎｔ)表示ꎬ其中ｔ＝２πˑｒａｎｄꎬｒａｎｄ为(０ꎬ１)内的一个随机数ꎮ被初始化之后的每条染色体拥有２条基因序列ꎬ即图２㊀ＩＤＣＱＧＡ的关键算子操作流程ｐｉｃｏｓ＝(ｃｏｓｔｉ１ꎬｃｏｓｔｉ２ꎬ ꎬｃｏｓｔｉｎ)(１０)ｐｉｓｉｎ＝(ｓｉｎｔｉ１ꎬｓｉｎｔｉ２ꎬ ꎬｓｉｎｔｉｎ)(１１)式(１０)和式(１１)中:ｉɪ{１ꎬ２ꎬ ꎬｍ}ꎻｊɪ{１ꎬ２ꎬ ꎬｎ}ꎻ种群的大小用ｍ表示ꎻ每条染色体量子的位数代表１个周期所要调度的进出港船舶数量ｎꎮ２)船舶交通组织解空间变换ꎮ船舶交通组织优化问题的解空间变换发生在离散域ꎬ对于已初始化的每条染色体上的ｎ个基因位ꎬ有２ｎ个(－１ꎬ１)范围内的概率幅ꎬ将概率幅大小按升序排列ꎬ并取回原来数在排序后序列中所处的位置ꎬ将原染色体转化为整数序列ꎬ通过解空间转换ꎬ使产生的种群中每条染色体可代表２组被调度的进出港船舶序列ꎬ序列中每一位表示１艘进出港船舶编号ꎮ３)适应度函数ꎮ针对所构建模型的特点ꎬ取个体目标函数值的倒数作为适应度值ꎬ并将模型各约束条件转化为适应度函数的惩罚项ꎮ４)ＳＧＡ选择㊁交叉和变异ꎮ选择算子采用轮盘赌选择方法ꎬ交叉算子采用部分映射交叉方法ꎬ变异算子采取二元变异方法ꎮ５)量子相位旋转㊁变异更新染色体ꎮ利用旋转门操作更新量子比特ꎬ采用转角步长函数确定转角的方向和大小ꎬ量子变异采用量子非门操作ꎮ３㊀模型与算法验证３.１㊀试验数据处理本文基于黄骅港煤炭港区获取相应的试验仿真数据ꎬ建立３０艘船舶交通仿真基础数据库ꎮ设计船舶航行时间挖掘算法获取模型的关键输入参数ꎬ其４㊀中㊀国㊀航㊀海２０２０年第４期中通过对港区船舶自动识别系统(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＩｄｅｎｔｉ￣ｆｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬＡＩＳ)数据进行条件判断ꎬ筛选出煤炭散货船的船长㊁航速㊁吃水和经纬度位置等数据ꎻ设置航道船舶全球定位系统(ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓ￣ｔｅｍꎬＧＰＳ)位置门限ꎬ提取出航道各关键航路风险点间船舶航行时间参数ꎻ根据进出港船舶速度变化特征过滤出船舶所停靠泊位经纬度值等ꎬ并通过聚类等操作获取港池内船舶航行时间参数ꎮ船舶航行时间挖掘算法流程如下:１)对２０１８年２月黄骅港煤炭港区５００多万条进出港船舶ＡＩＳ暗文数据进行解码ꎬ按照ｉｔｕ￣ｒｍ.１３７１协议转化为明文ꎬ并将其存储为ｃｓｖ格式数据ꎮ２)按照不同类型船舶停靠泊位位置不同㊁疏浚船等特殊作业船在港区航行区域比较固定等条件ꎬ筛选出进出黄骅港煤炭港区的煤炭散货船ꎮ３)将船舶按属性分为灵便型散货船和巴拿马型散货船ꎬ依次合理设置航道相邻关键航路风险点之间进出港船舶ＧＰＳ位置门限ꎬ并分别挖掘出每个区域内每艘船舶ＡＩＳ数据的时间序列ꎬ最长时间与最短时间之差即为相应关键航路风险点之间所要挖掘的时间参数ꎮ４)基于上述得到的ＡＩＳ数据ꎬ筛选出港池内散货船ＡＩＳ数据ꎬ按照进出港船船速随时间变化特征不同筛选出船舶的航行时间和其所停靠的泊位经纬度值等字段ꎬ采用ｋ￣ｍｅａｎｓ聚类方法ꎬ根据该港区散货船泊位数量设置聚类簇ꎬ对上述筛选出的泊位经纬度特征值聚类ꎬ并与实际泊位位置相对比得到实际泊位编号ꎬ最后计算出进港船舶航行到实际泊位或出港船离开港池的时间ꎮ３.２㊀模型和算法参数设置设置船舶调度时间从０时刻开始ꎻ基于黄骅港规定的航道船舶安全间距(使用固定距离为１.５ｎｍｉｌｅ)㊁第３.１节挖掘出的航道第１个单向通航航段船舶航行时间的上限值为２８.４ｍｉｎ㊁航道５ʎ弯段实际距离为１.７ｎｍｉｌｅ㊁码头前沿距离为１.０ｎｍｉｌｅꎬ按航道和港池船舶航行平均速度转换为对应的安全时隙并设定δ０为８ｍｉｎꎬＴｇ０为８ｍｉｎꎬＴｇ１为３０ｍｉｎꎬＴｇ３为９ｍｉｎꎬＴｇ４为２５ｍｉｎꎻ设置种群为１００ꎬ量子位数为３０ꎬ转角步长初值为０.０１ˑπꎬ交叉概率为０.９５ꎬ变异概率为０.０５ꎬ终止代数为３００代ꎮ３.３㊀仿真结果和分析３.３.１㊀模型求解性能和求解方案分析㊀㊀采用ＩＤＣＱＧＡ和ＳＧＡ对模型进行求解ꎬ重复运行５０次中具有一般性和代表性的一次运行结果见图３ꎮ由图３可知:ＩＤＣＱＧＡ对模型求解出的目标值均值随迭代次数的变化较为均匀ꎬ且其第一目标值和第二目标值最优解约在１００代收敛ꎬ收敛速度明显快于ＳＧＡꎬ根据试验运行结果得到的平均质量统计对比见表１ꎮ由表１可知:ＩＤＣＱＧＡ算法下５０次试验运行结果第一目标值和第二目标值最优解的平均值和标准差均明显小于ＳＧＡꎬ表明ＳＧＡ目标值每一次寻优结果的差距较大ꎬ稳定性较差ꎬ而ＩＤＣＱＧＡ算法５０次试验寻优结果明显集中ꎬ稳定性较强ꎻ在算法运行时间上ꎬＩＤＣＱＧＡ比ＳＧＡ稍长ꎬ原因是ＩＤ￣ＣＱＧＡ算法１次迭代进行２次寻优计算ꎻ综合比较得出ＩＤＣＱＧＡ算法在解决船舶交通组织优化问题中具有收敛快㊁解的质量高等优点ꎮａ)Ｓ随迭代次数变化㊀ｂ)Ｗ随迭代次数变化㊀ｃ)ＩＤＣＱＧＡ帕累托前沿面图３㊀ＩＤＣＱＧＡ和ＳＧＡ运行结果表１㊀根据试验运行结果得到的平均质量统计对比ｍｉｎ算法/方法第一/第二目标最优解平均值标准差ＳＧＡＩＤＣＱＧＡＦＣＦＳＦｏＬｉ第一４５３９.５４５５７.５０.９１８第二５８７２.９６２２５.３１.０１３第一４５３１.２４５３２.９０.１９６第二４９６８.２５００２.１０.０９４第一５８５５.６//第二６７５２.８//第一６５５３.０//第二７２５６.３//㊀㊀模型求解出的Ｐａｒｅｔｏ最优解集中的每个最优解均代表一种优化方案ꎮ在实际应用中:若港口期望总调度时间最短ꎬ可选用第一目标值最优的优化方案ꎻ若需特别考虑船舶在港等待时间最短ꎬ可选用第二目标值较小的优化方案ꎮ为验证模型求解方案的５㊀㊀张新宇ꎬ等:黄骅港限制性双向航道船舶交通组织优化高效性ꎬ将ＩＤＣＱＧＡ算法求解出的Ｐａｒｅｔｏ最优解集中第一目标最优下的船舶进出港优化方案与该港区规定的在限制性双向通航条件下船舶交通组织相关部门常采用的先到先服务(ＦｉｒｓｔＣｏｍｅＦｉｒｓｔＳｅｒｖｅｄꎬＦＣＦＳ)和ＦｏＬｉ调度策略相比较ꎬ其中船舶进出港序列为ＦＣＦＳ(０￣２９)和ＦｏＬｉ(０ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬ５ꎬ８ꎬ９ꎬ１２ꎬ１９ꎬ２０ꎬ２１ꎬ２８ꎬ２９ꎬ１ꎬ６ꎬ７ꎬ１０ꎬ１１ꎬ１３ꎬ１４ꎬ１５ꎬ１６ꎬ１７ꎬ１８ꎬ２２ꎬ２３ꎬ２４ꎬ２５ꎬ２６ꎬ２７)ꎮ㊀㊀ＦＣＦＳ方法和ＦｏＬｉ方法的总船舶调度时间和总船舶等待时间最优解如表１所示ꎮ通过比较可知ꎬＩＤＣＱＧＡ算法的总船舶调度时间和总船舶等待时间最优解分别比ＦＣＦＳ方法下降２２.６％和３０.８％ꎬ比ＦｏＬｉ方法下降２６.３％和３１.５％ꎬ这表明采用ＩＤＣＱ￣ＧＡ算法求解出模型优化方案具有高效性ꎮ３.３.２㊀模型验证对模型的验证主要是分析ＩＤＣＱＧＡꎬ求解出船舶交通组织优化方案见表２ꎮ表２为Ｐａｒｅｔｏ最优解集中第一目标最优方案的前２０条船舶信息ꎮ表２㊀船舶交通组织优化方案ｍｉｎ㊀船舶编号方向通航模式开始被调度时间Ｋｅｙ０时刻Ｋｅｙ１时刻Ｋｅｙ２时刻Ｋｅｙ３时刻Ｋｅｙ４时刻结束时间００１０.０㊀１０３.０㊀６９.３㊀８３.２㊀５６.６㊀２７.３㊀２１７.８１３１０４３２.９４６８.４４９６.３４９５.７５２３.１５５２.６５７８.２１９００５４６.２６６０.８６３７.８６３２.４６０２.９５７２.６７８９.７３００５７２.８６８０.８６７２.７６５２.４６２２.９５９２.６８０９.７２８００５８０.２７００.８７６２.９６７２.４６４２.９６１２.６８２９.７１２００６１７.２７２０.８７９２.１６９２.４６６２.９６３２.６９４１.４２１０１６２６.３７３０.３７１９.４７０８.５６８１.９６５２.６９３２.１７１１６２６.３６６３.７６７５.４６８７.１７１１.２７３７.３７６２.９１５１０７０２.８７３８.３７５１.９７６５.６７９３.０８２２.５８４８.２２７１０７１０.８７４６.３７５９.９７７３.６８０１.０８４２.５８６１.１５００８３５.１９５０.７９３６.５９２２.３８９２.８８６２.５１０７９.６２００８６３.２９７０.７９５６.５９４２.３９１２.８８８２.５１０９９.６２９００８７５.３９９０.７９７６.５９６２.３９３２.８９０２.５１１１９.６１１０９６３.２９９８.７１０１２.３１０２６.０１０５３.４１０８２.９１１０２.６２６１１９６９.３１００６.７１０１８.４１０３０.１１０５４.２１０８０.３１１０７.５２００１９６９.３１０７６.１１０６５.２１０５４.３１０２７.７９９８.４１１９０.９１０１０１０４８.６１０８４.１１０９７.７１１１１.４１１３８.８１１６８.３１１９４.６４００１１６０.７１２７６.５１２６２.３１２４８.１１２１８.６１１８８.３１４０５.４２４１０１２４９.０１２８４.５１２９８.１１３１１.８１３３９.２１３６８.７１３８７.３１４１０１２５７.０１２９２.５１３０６.１１３１９.８１３４７.２１３８８.７１４１１.９㊀㊀(１)通航模式转换验证:１２＃出港船舶载重吨大于５万ｄＷＴꎬ被安排为单向通航ꎬ下一艘２１＃出港船舶的载重吨小于５万ｄＷＴꎬ被安排为限制性双向通航ꎬ单向出港转化为限制性双向出港ꎬ两船在关键航路风险点４保持预设的至少８ｍｉｎ港池同向安全时隙ꎻ２１＃出港船舶和７＃进港船舶的载重吨小于５万ｄＷＴꎬ均被安排为限制性双向通航ꎬ下一艘１５＃进港船舶的载重吨大于５万ｄＷＴꎬ被安排为单向通航ꎬ这时限制性通航转化为单向通航ꎬ且１５＃船舶与２１＃船舶和７＃船舶在关键航路风险点０位置保持预设的至少８ｍｉｎ港池异向安全时隙ꎻ最后ꎬ经验证其他船的通航模式转换约束也能得到保证ꎮ㊀㊀(２)其他模型约束验证:３＃出港船舶和１０＃进港船舶的载重吨大于５万ｄＷＴꎬ均被安排为单向通航ꎬ６㊀中㊀国㊀航㊀海２０２０年第４期而２艘船所停靠泊位相同ꎬ根据泊位冲突消解约束３＃出港船舶被调度时间早于１０＃进港船舶ꎬ且两船各自被调度总时间等于其在航道各关键航路风险点和港池航行时间的总和ꎻ２１＃出港船舶和７＃进港船舶的载重吨小于５万ｄＷＴꎬ均被安排为限制性双向通航ꎬ且两船开始被调度时间均晚于其申请进出港时间ꎬ同时ꎬ两船在关键航路风险点１㊁３和４分别保持至少３０ｍｉｎ㊁９ｍｉｎ和２５ｍｉｎ的安全时隙ꎬ从而保证限制性通航２艘异向船切换到限制性单向通航后的整个限制性单向航段(Ｋｅｙ０与Ｋｅｙ２之间)只能保持单向航行ꎬ并消解限制性通航２艘异向船舶在关键航路风险点３和４附近的交通冲突消解ꎻ１５＃和２７＃进港船舶载重吨大于５万ｄＷＴꎬ均被安排为单向通航ꎬ两船开始被调度时间均晚于其申请进港时间ꎬ且两船在航道关键航路风险点０~４各位置保持至少８ｍｉｎ的同向安全时隙ꎻ最后ꎬ经验证其他模型约束也能得到保证ꎮ４㊀结束语本文考虑黄骅港煤炭港区影响航道通航安全和效率的因素ꎬ构建限制性双向通航模式下的船舶交通组织优化模型ꎬ并设计船舶航行时间挖掘算法ꎻ提出改进的ＩＤＣＱＧＡ算法ꎬ实现双链量子编码㊁量子旋转门和量子非门等操作与ＳＧＡ之间的耦合ꎬ快速高效地求取船舶进出港优化方案ꎮ试验结果表明:提出的限制性双向航道船舶交通组织优化方法合理㊁有效ꎬ能保证在船舶安全航行的前提下有效提高船舶的进出港作业效率ꎮ然而ꎬ港口船舶交通组织问题涉及面较广ꎬ本文主要研究限制性双向通航进出港船舶在航道航行的安全性和效率性㊁船舶停靠泊位冲突等问题ꎬ理论成果可为进一步协调港口航道㊁泊位㊁拖船㊁引航和锚地等众多资源ꎬ构建更为复杂㊁更贴近实际情况的港口限制性航道船舶交通组织优化模型奠定基础ꎮ参考文献[１]㊀河北海事局.航行通告冀海航字(２０１２２３号)[Ｓ].２０１２.[２]㊀河北沧州海事局.黄骅港煤炭港区航道双向通航推进会纪要[Ｚ].沧州:河北沧州海事局ꎬ２０１２. [３]㊀徐敬东.黄骅港航道双向安全通航的分析及操纵[Ｊ].天津航海ꎬ２０１３(２):３￣６.[４]㊀杨隽宁.谈冬季黄骅港狭长航道的通航安全保障[Ｊ].航海技术ꎬ２００９(５):２７￣２９.[５]㊀孟毅.黄骅港航道水域航行安全综合评价与改进[Ｄ].大连:大连海事大学ꎬ２００８.[６]㊀商剑平.黄骅港航道通过能力的仿真模型研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２００５.[７]㊀ＬＩＮＪꎬＺＨＡＮＧＸＹꎬＹＩＮＹꎬｅｔａｌ.ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｈｉｐＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＯｎｅ￣ＷａｙＦａｉｒｗａｙ[Ｊ].ＬｅｃｔｕｒｅＮｏｔｅｓｉｎＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅꎬ２０１４ꎬ２０１４:４７９￣４８６.[８]㊀ＨＳＵＫＹꎬＫＯＵＴＣꎬＷＵＺＬ.ＯｐｔｉｍｕｍＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＭｏｄｅｌｆｏｒＳｈｉｐｉｎ/ｏｕｔＢｏｕｎｄＨａｒｂｏｒｉｎＯｎｅ￣ＷａｙＴｒａｆｆｉｃＦａｉｒｗａｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２００８ꎬ３４:１５０￣１５３.[９]㊀张新宇ꎬ李瑞杰ꎬ林俊ꎬ等.双向通航港口船舶调度优化模型与算法[Ｊ].中国航海ꎬ２０１８ꎬ４１(２):３６￣４０. [１０]㊀ＵＬＵＳＣＵＯＳꎬＯＥＺＢＡＳＢꎬＡＬＴＩＯＫＴꎬｅｔａｌ.ＴｒａｎｓｉｔＶｅｓｓｅｌＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇｉｎｔｈｅＳｔｒａｉｔｏｆＩｓｔａｎｂｕｌ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎꎬ２００９ꎬ６２(１):５９￣７７.[１１]㊀陈向.复式航道条件下的港口船舶调度优化[Ｄ].大连:大连海事大学ꎬ２０１７.[１２]㊀ＺＨＡＮＧＸＹꎬＬＩＲＪꎬＣＨＥＮＸꎬｅｔａｌ.Ｍｕｌｔｉ￣Ｏｂｊｅｃｔ￣ＢａｓｅｄＶｅｓｓｅｌＴｒａｆｆｉｃＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎｉｎａＣｏｍｐｏｕｎｄＷａｔｅｒｗａｙｏｆａＬａｒｇｅＨａｒｂｏｕｒ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎꎬ２０１９ꎬ７２(３):６０９￣６２７.[１３]㊀张新宇ꎬ李瑞杰ꎬ林俊ꎬ等.Ｙ形分叉复式航道船舶交通调度优化建模[Ｊ].大连海事大学学报ꎬ２０１８ꎬ４４(２):１￣８.[１４]㊀ＥＤＵＡＲＤＯＬＲꎬＳＨＩＸＮꎬＶＯＳＳＳ.ＴｈｅＷａｔｅｒｗａｙＳｈｉｐＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍ[Ｊ].ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＰａｒｔＤ:ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２０１８ꎬ６０:１９１￣２０９.[１５]㊀ＭＥＩＳＥＬＦꎬＦＡＧＥＲＨＯＬＴＫ.ＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＴｗｏ￣ＷａｙＳｈｉｐＴｒａｆｆｉｃｆｏｒｔｈｅＫｉｅｌＣａｎａｌ:ＭｏｄｅｌꎬＥｘｔｅｎｓｉｏｎｓａｎｄａＭａｔｈｅｕｒｉｓｔｉｃ[Ｊ].Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ＯｐｅｒａｔｉｏｎｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１９ꎬ１０６:１１９￣１３２.[１６]㊀ＺＨＡＮＧＸＹꎬＬＩＮＪꎬＧＵＯＺＪꎬｅｔａｌ.ＶｅｓｓｅｌＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＣｈａｎｎｅｌ￣ＢｅｒｔｈＣｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ[Ｊ].ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１６ꎬ１１２:１４５￣１５２.[１７]㊀ＺＨＡＮＧＸＹꎬＣＨＥＮＸꎬＪＩＭＪꎬｅｔａｌ.ＶｅｓｓｅｌＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＭｏｄｅｌｏｆａＯｎｅ￣ＷａｙＰｏｒｔＣｈａｎｎｅｌ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒｗａｙＰｏｒｔＣｏａｓｔａｌ＆ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ１４３(５):１￣１１.[１８]㊀李士勇ꎬ李盼池.基于实数编码和目标函数梯度的量子遗传算法[Ｊ].哈尔滨工业大学学报ꎬ２００６ꎬ３８(８):１２１６￣１２１８.７㊀㊀张新宇ꎬ等:黄骅港限制性双向航道船舶交通组织优化。

例析神华黄骅港航道维护疏浚方案作为淤泥粉沙质海岸港口，神华黄骅港航道回淤严重，需要常年进行维护疏浚，且始终面临大风骤淤风险。

如何在确保航道通航安全、降低骤淤风险基础上，通过科学合理的航道维护疏浚施工安排，降低疏浚成本一直是港务公司思考研究的重要课题。

本文通过分析研究，对该问题进行了一定的思考探索。

一、神华黄骅港航道概况神华黄骅港位于河北省与山东省交界处、沧州市区以东约90公里的渤海之滨，是河北省沿海的地区性重要港口，也是我国西煤东运第二大通道出海口、第二大煤炭下水港，是神华集团“矿、电、路、港、航”五位一体运营体系的重要组成部分。

目前，港口拥有5万吨级双向重载航道1条，煤炭装船泊位17个、杂货及多用途泊位2个、液体化学品泊位1個，年设计吞吐能力达到2亿吨。

航道作为港口的咽喉，是港口生存和发展的关键所在，对神华集团整个产业链有重要影响。

目前神华黄骅港航道底宽270米，底标高-14.0米，边坡1：5，航道总长43.48km，其中内航道2.48km。

黄骅港为淤泥粉沙质海岸港口，建港条件较差，航道回淤严重，且始终面临大风骤淤风险。

2003年10月，一场45年未遇的特大风暴潮袭击黄骅港，导致已经挖到7m多深25km长的人工航道基本淤平。

根据天津水运工程科学研究院的研究，航道平均年淤积量达1700万方。

为保障港口平稳安全运营，航道的维护疏浚至关重要。

二、航道维护情况简述1、黄骅港航道维护特点黄骅港航道维护特点在于航道回淤严重且始终存在大风骤淤风险。

据天科院研究分析认为黄骅港航道淤积机理为“波浪掀沙，潮流输沙”，航道的回淤主要受港口大风影响，港口周边海域边滩泥沙在大风作用下起动，随潮流进入航道落淤。

粉砂质淤泥具有“难起易落”的特点，短时间内发生大量淤积，且落淤后很快发生板结，严重影响通航且疏浚难度较大。

2、目前航道维护疏浚方案为抵御大风骤淤风险，目前黄骅港航道维护采用“开挖备淤水深与常年性疏浚相结合”维护方案，一方面提前开挖备淤水深，另一方面港内常年保持3-4艘耙吸挖泥船，常年进行维护疏浚。

黄骅港的现状及发展趋势港口组成部分。

工作内容及流程码头与船公司的结合港口、码头在国家社会发展中的作用，对内地的辐射作用沧州位于河北省东南部，东临渤海，北靠京津，南接山东。

现辖18个县（市、区），人口690万。

国家跨世纪重点工程黄骅港的建成运营，结束了沧州有海无港的历史，使沧州步人了从大运河奔向渤海湾的新时代。

2006年河北省把沧州放在建设沿海经济社会发展强省的前沿位置，要求沧州成为全省新的经济增长极、沿海经济发展的隆起带和拉动朔黄铁路沿线发展的新引擎。

为此，2007年2月成立沧州渤海新区，新区核心面积830km2,海岸线130km, 12万人口，包括港城区、中捷产业园区、南大港产业园区和化工产业园区。

没有港口带动，沿海经济就无法迈步；没有内陆腹地支撑，沿海经济也就失去发展根基。

由此沧州成为黄骅港、渤海新区与内陆腹地互动发展的根据地。

1.1黄骅港现状黄骅港位于河北省沧州市以东约90km的渤海之滨，恰置河北、山东两省交界处，环渤海经济圈的中部，地理坐标约为38° 19' 30〃N/117° 52' 30〃E。

黄骅港海上距天津60海里，陆上112公里；东距龙口约149海里，陆上280公里；西距黄骅市45公里，朔黄铁路、邯黄铁路直通港口。

黄骅港是河北地区运距最短的出海口，也是我国的主要能源输出港之一。

现已建成20万吨级航道和万吨级以上泊位25个，吞吐量连续3年突破亿吨。

由杂货港区、煤炭港区、综合港区和河口港区4个港区组成。

（一）煤炭港区航道煤炭港区航道为5万吨级双向航道，底宽270米，底标高-14.0米；航道总长44.48 公里，边坡均取1:5，乘潮（2.47米、保证率90%情况下，航道满足5万吨级船舶安全通航的要求。

（二）散货港区、综合港区航道为10万吨级散货船舶单向乘潮进出港航道，总长44公里，有效宽度210米，边坡比为1:5，走向为239° 30' 00〃〜59° 30' 00〃，底标高-14.5 米。