唐國磊，王文淵，郭子堅(jiān)，宋向群，于旭會，張冉

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024)

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航道尺度對集裝箱碼頭泊位有效利用率的影響

唐國磊，王文淵，郭子堅(jiān)，宋向群，于旭會，張冉

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024)

摘要:進(jìn)港航道已經(jīng)成為制約港口通過能力發(fā)揮的因素之一，在港口規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮航道尺度對泊位有效利用率的影響。本文以集裝箱碼頭為例，將船舶航行作業(yè)過程引入港口生產(chǎn)作業(yè)仿真模型;根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范，設(shè)計(jì)一系列仿真試驗(yàn)方案并確定仿真模型參數(shù);定量分析集裝箱碼頭泊位有效利用率與泊位數(shù)、航道線數(shù)和航行歷時(shí)之間的影響關(guān)系，為合理確定集裝箱碼頭泊位有效利用率、估算年泊位通過能力提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，在選取合理泊位有效利用率時(shí)，進(jìn)港航道尺度不可忽略，尤其是單線長航道。同時(shí)，建議在實(shí)際工程中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來評價(jià)港口總平面布置方案，保證港口整體高效運(yùn)營。

關(guān)鍵詞:集裝箱碼頭;泊位利用率;仿真;航道;港口服務(wù)水平

集裝箱碼頭泊位有效利用率是確定碼頭通過能力和碼頭規(guī)模的重要參數(shù)，其取值通常根據(jù)港口服務(wù)水平指標(biāo)AWT/AST(船舶待時(shí)占其泊位停時(shí)的比例)和泊位數(shù)選?。?－2］。然而，隨著我國港口貨物吞吐量快速增長，進(jìn)港船舶數(shù)量不斷增多，進(jìn)港航道內(nèi)船舶交通日趨繁忙，在不同程度上出現(xiàn)“船舶等待航道”現(xiàn)象，進(jìn)港航道已經(jīng)成為制約港口通過能力的因素之一［3－5］。因此，在選取泊位有效利用率時(shí)，應(yīng)充分考慮航道尺度與其的影響關(guān)系。

在國際上，推薦應(yīng)用M/Ek/S排隊(duì)模型(M表示船舶到港服從Poisson分布，Ek表示船在泊位上停時(shí)服從k階Erlang分布，S為泊位數(shù))，并根據(jù)AWT/AST，來確定合理泊位有效利用率［6］;楊興晏等應(yīng)用M/E3/S模型建立了AWT/AST與泊位利用率之間的關(guān)系圖表，探討了我國集裝箱碼頭合理泊位利用率的取值范圍［1］;考慮船舶到港的隨機(jī)性，吳麗結(jié)等嘗試?yán)梅抡婕夹g(shù)獲得大連港大窯灣一期碼頭的泊位利用率［7］。顯然，在上述相關(guān)研究中，尚未考慮航道尺度對泊位有效利用率影響，無法適應(yīng)現(xiàn)階段我國港口發(fā)展的實(shí)際情況。

為此，本文將引入船舶航行作業(yè)系統(tǒng)，模擬船舶在航道航行作業(yè)過程，通過設(shè)計(jì)并運(yùn)行一系列仿真試驗(yàn)方案，定量分析航道尺度與泊位有效利用率的影響，以期為合理確定泊位有效利用率、估算集裝箱碼頭年泊位通過能力提供理論依據(jù)。

1　港口服務(wù)水平指標(biāo)

聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議(UNCTAD)在《發(fā)展中國家港口規(guī)劃手冊》［6］中，采用船舶待時(shí)占其泊位停時(shí)的比例(AWT/AST)來反映港口服務(wù)水平，并以此作為合理泊位有效利用率選取的依據(jù)。其中，AST表示港口在正常情況下平均裝卸一條船所需要時(shí)間(即船在泊位上停時(shí))，AWT表示船舶平均等待時(shí)間。因此，本文也將AWT/AST作為泊位有效利用率選取標(biāo)準(zhǔn)。例如，在《海港集裝箱碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］提出:3個(gè)以上泊位連續(xù)布置的大型(5萬噸級及以上)集裝箱碼頭服務(wù)水平指標(biāo)宜為0.1≤AWT/AST≤0.3;2個(gè)以下泊位組成的小型集裝箱碼頭服務(wù)水平指標(biāo)宜取0.4≤AWT/AST≤0.5。

2　仿真模型及仿真試驗(yàn)方案

考慮到船舶到港間隔時(shí)間、泊位服務(wù)時(shí)間等具有明顯的隨機(jī)性［4－5，8－12］，本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立仿真模型，模擬集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)，尤其是船舶航行作業(yè)，來解析航道尺度與泊位有效利用率之間的影響關(guān)系。同時(shí)，根據(jù)我國現(xiàn)行港口行業(yè)規(guī)范，設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)方案并確定仿真模型參數(shù)。

2.1基本假設(shè)

1)采用固定靠泊方式、先到先服務(wù)原則分配泊位資源［9］。

2)先卸后裝的原則安排裝卸作業(yè)。

3)船舶種類、噸級等，配置岸橋、場橋和港內(nèi)集卡資源［2］;集卡采用“最短路徑”調(diào)度原則。

2.2仿真模型

根據(jù)集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)流程，本文將港口生產(chǎn)作業(yè)劃分為船舶航行作業(yè)、碼頭前沿裝卸作業(yè)、水平運(yùn)輸作業(yè)、堆場作業(yè)和閘口作業(yè)等子模型。如圖1所示，各子模型之間通過實(shí)體(如船舶、集裝箱、集裝箱卡車等)與資源(如航道、泊位、岸橋、場橋等)發(fā)生作用而產(chǎn)生事件聯(lián)系，并通過“水平運(yùn)輸作業(yè)”交通流形成一個(gè)有機(jī)的整體。

圖1　集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)各子模型相關(guān)關(guān)系示意圖Fig.1 The relationship between each sub-model of container terminal operating system

圖2　單、雙線航道下船舶航行作業(yè)系統(tǒng)仿真流程圖Fig.2 The flow of ship operation in a one-or two-way entrance channel

1)船舶航行作業(yè)子模型。如圖2所示，船舶隨機(jī)到港，如果有空閑泊位且航道滿足船舶通航要求(如天氣條件、船舶吃水、潮位、航道內(nèi)有無船舶以及是否滿足安全間距等)，到港船舶穿過航道到達(dá)泊位?？浚駝t在港外錨地等待。待裝卸作業(yè)完成且航道滿足船舶通航要求，船舶則離開泊位、經(jīng)航道離開港口。其中，船舶為實(shí)體，根據(jù)船舶尺度、噸級和單船裝卸量等分配并占有航道、泊位資源。

2)碼頭前沿作業(yè)子模型，分為裝船和卸船過程。裝船是岸橋?qū)?nèi)卡上的集裝箱裝到船上;卸船是岸橋?qū)⒓b箱由船舶卸到集卡上。其中，實(shí)體為集裝箱，資源有岸橋和內(nèi)卡。

3)水平運(yùn)輸作業(yè)子模型，分為提箱和送箱過程。提箱是指內(nèi)卡或外卡將集裝箱從堆場提走送至泊位或大門;而送箱是指集裝箱通過集卡從大門、泊位送至堆場。其中，集裝箱為實(shí)體，集裝箱卡車為運(yùn)輸工具。

4)堆場作業(yè)子模型，分為裝箱和卸箱過程。裝箱是指場橋?qū)⒍褕錾系募b箱裝到集卡上送至碼頭前沿或通過閘口運(yùn)出港區(qū);卸箱則指場橋?qū)⒓ㄋ偷蕉褕龅募b箱卸到堆場。其中，實(shí)體為集裝箱，資源有箱位和堆場裝卸設(shè)備。

5)閘口作業(yè)子模型。集裝箱卡車進(jìn)、出集裝箱堆場送箱或提箱的通道，實(shí)體為集裝箱卡車，資源包括進(jìn)出口大門通道等。

2.3試驗(yàn)方案

為分析航道尺度與泊位有效利用率的影響關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了一系列仿真試驗(yàn)方案，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定相應(yīng)的仿真模型參數(shù)。具體為:1)碼頭規(guī)模。由n個(gè)單一噸級泊位(n={ 1，2，…，6}，DWT={ 1萬噸，2萬噸，3萬噸，5萬噸，7萬噸，10萬噸，12萬噸，15萬噸})連續(xù)布置。

2)船舶到港規(guī)律、船舶在泊停時(shí)及裝卸機(jī)械配置:船舶按泊松分布到達(dá)港口;船在泊位上停時(shí)服從3階Er1ang分布;岸橋臺時(shí)效率及每泊位配備臺數(shù)依據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］確定。

3)航道尺度:航道寬度用航道線數(shù)nec表示，即單線和雙線航道;航道長度則用船舶進(jìn)港時(shí)在航道的航行歷時(shí)t表示，即t={ 0.5，1，1.5，2 h}［12］。

值得注意的是，本文僅針對新建港區(qū)且無資料可參考的情況，因此，船舶到港規(guī)律和船在泊位上停時(shí)，以及橋臺時(shí)效率及每泊位配備臺數(shù)等參數(shù)，都按照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］選取。當(dāng)有資料時(shí)，仿真模型參數(shù)都應(yīng)根據(jù)歷史資料來確定。

3　結(jié)果分析與討論

運(yùn)行仿真試驗(yàn)(仿真運(yùn)行時(shí)間一年，獨(dú)立重復(fù)運(yùn)行仿真10次)，得到泊位有效利用率分別與泊位數(shù)、航道線數(shù)和航行歷時(shí)等之間的數(shù)量關(guān)系，如圖3～5所示。本文以5萬噸級泊位為例，可接受的AWT/AST取為0.1，探討航道尺度對泊位有效利用率的影響。經(jīng)分析，可以得出以下結(jié)論:

1)在相同泊位數(shù)下，是否考慮航道尺度，其對應(yīng)的泊位有效利用率有差別。例如，如圖3所示，以泊位數(shù)n=3和通航歷時(shí)t=1 h為例，當(dāng)不考慮航道尺度影響時(shí)，泊位有效利用率為0.453;而實(shí)際上，在此條件下，單、雙航道對應(yīng)的泊位有效利用率僅為0.194和0.378，分別減少57％和17％，說明航道尺度會影響泊位通過能力，且單線航道較雙線航道對其影響明顯。因此，選取泊位有效利用率時(shí)，如果不考慮航道尺度對其的影響，港口將無法完成給定的吞吐量。

圖3　未考慮與考慮航道情況下各通航歷時(shí)對應(yīng)的泊位有效利用率對比圖(AWT/AST=0.1)Fig.3 The comparison of berth effective utilization for different transit time and berth number with and without entrance channel(AWT/AST=0.1)

2)在相同航道尺度下，給定港口服務(wù)水平指標(biāo)值下，泊位有效利用率隨泊位數(shù)n的增加而增大。如圖3所示，以通航歷時(shí)t=1 h(其他通航歷時(shí)與之類似)為例，當(dāng)泊位數(shù)從1增至6時(shí)，對于單線航道(圖3(a))，泊位有效利用率分別為0.064、0.168、0.194、0.223、0.224和0.217;對于雙線航道(圖3(b))，泊位有效利用率分別為0.091、0.273、0.378、0.398、0.418和0.446?？梢姡?dāng)增加泊位數(shù)時(shí)，泊位有效利用率有相應(yīng)的提高。同時(shí)，當(dāng)n≥3時(shí)，泊位有效利用率仍會隨泊位數(shù)增加而增加，但影響顯著變小。所以，從泊位利用率角度來看，連續(xù)布置3個(gè)泊位相對經(jīng)濟(jì)合理。

3)泊位有效利用率受航道線數(shù)影響，單線航道對泊位有效利用率影響大。如圖4所示，以n=3，t=1為例，單、雙線航道對應(yīng)的泊位有效利用率分別為0.194和0.378，單線航道對應(yīng)泊位有效利用率要明顯小于雙線航道，也就是說在給定港口服務(wù)水平值下，相對于單線航道，擁有雙線航道的集裝箱碼頭泊位有效利用率宜取高值，有利于集裝箱碼頭泊位通過能力的充分發(fā)揮。

圖4　航道線數(shù)對泊位有效利用率的影響(n=3，AWT/AST=0.1)Fig.4 The impact of traffic lanes number on berth utilization(n=3，AWT/AST=0.1)

圖5　單、雙線航道下航道航行歷時(shí)與泊位有效利用率的關(guān)系曲線(AWT/ST=0.1)Fig.5 The relation curve of the sailing time and berth utilization for single-channel and dual channel(AWT/ST=0.1)

4)無論單線還是雙線航道，泊位有效利用率隨著航道航行歷時(shí)t增加而降低。例如，如圖5所示，以n=3為例，當(dāng)航行歷時(shí)t從0.5～2 h變化時(shí)，單線航道下泊位有效利用率從0.261逐漸減至0.156，平均減少15.3％;雙線航道下泊位有效利用率則從0.390減至0.315，平均減少6.8％。另外，從泊位利用率的平均變化率來看，在單線航道下，航道通航歷時(shí)對泊位有效利用率的影響要比雙線航道大。因此，在規(guī)劃港區(qū)確定航道線數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)港區(qū)規(guī)模、生產(chǎn)作業(yè)效率、疏浚工程量和維護(hù)費(fèi)用等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證確定。

綜上所述，泊位有效利用率不僅與港口服務(wù)水平指標(biāo)AWT/AST和泊位數(shù)n有關(guān)，還受航道線數(shù)nec和航道航行歷時(shí)t的影響，其函數(shù)表達(dá)式應(yīng)表示為Aρ=f(n，AWT/AST，nec，t)，具體如圖6所示。因此，建議在集裝箱碼頭設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范修訂中，應(yīng)充分考慮航道通航條件對泊位有效利用率的影響關(guān)系;同時(shí)，也建議采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)評估港口總平面布置方案，保證港口整體高效有序運(yùn)行。

圖6　泊位有效利用率與nec、n、AWT/AST和t的關(guān)系圖Fig.6 The 3D relationship between berth utilization andnec，n，AWT/AST and t

4　結(jié)束語

為定量分析航道線數(shù)和航行歷時(shí)對集裝箱碼頭泊位有效利用率的影響關(guān)系，本文將船舶航行作業(yè)系統(tǒng)引入集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)仿真模型。通過設(shè)計(jì)、運(yùn)行仿真試驗(yàn)方案，并分析仿真結(jié)果表明，泊位有效利用率與受泊位規(guī)模和航道尺度密切相關(guān)，因此在選取泊位有效利用率時(shí)，應(yīng)定量分析進(jìn)港航道尺度，尤其是單線長航道對泊位通過能力的影響。同時(shí)，也建議采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)評估港口總平面布置方案，保證港口整體高效有序運(yùn)行。

本文給出的航道尺度與泊位有效利用率的影響關(guān)系，可為新建集裝箱碼頭確定泊位有效利用率和估算年泊位通過能力提供參考。但是，當(dāng)有歷史資料可確定船舶到港規(guī)律和船在泊位上停時(shí)，以及橋臺時(shí)效率及每泊位配備臺數(shù)等參數(shù)，都應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料來確定，進(jìn)而分析兩者的影響關(guān)系，以合理選取泊位有效利用率。

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Impact analysis of channel dimensions on the effective utilization ratio of container terminal berths

TANG Guolei，WANG Wenyuan，GUO Zijian，SONG Xiangqun，YU Xuhui，ZHANG Ran
(Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Abstract:The approach channel has become a key factor constraining the trafficability of seaports，and the impact of channel dimensions on the effective utilization ratio of berths needs to be considered when planning a container terminal.Using a container terminal as an example，this study integrated ship navigation and operation into a simulation of port construction and operation.Applying related industrial standards，we designed a series of simulation plans and determined the parameters of the simulation model.We then quantitatively analyzed the relationship between the effective utilization ratio of the container terminal berths，and the quantity of berths and channel lines and the duration of navigation，to provide a theoretical basis on which to determine the effective utilization ratio of container terminal berths and to estimate the annual trafficability of berths.The results demonstrated that the dimensions of the approach channel are important in achieving a satisfactory effective utilization ratio of berths，especially with a single－line long channel.This study recommends using computer simulation technology when assessing the general port plane layout of real engineering projects to ensure the efficient operation of the port.

Keywords:container terminal;berth utilization ratio;simulation;channel;port service level

通信作者:王文淵，E－mail:wangwenyuan@ dlut.edu.cn.

作者簡介:唐國磊(1980－)，男，副教授，博士;王文淵(1984－)，女，講師，博士.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109030，51579035).

收稿日期:2014－08－24.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－21.

中圖分類號:U651

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006－7043(2016)01－0127－05

doi:10.11990/jheu.201408035

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1603.034.html