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，宋向群，于旭會，張冉

(大連理工大學建設工程學部，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，宋向群，于旭會，張冉

(大連理工大學建設工程學部，遼寧大連116024)

摘要:進港航道已經成為制約港口通過能力發揮的因素之一，在港口規劃時應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，將船舶航行作業過程引入港口生產作業仿真模型;根據相關行業規范，設計一系列仿真試驗方案并確定仿真模型參數;定量分析集裝箱碼頭泊位有效利用率與泊位數、航道線數和航行歷時之間的影響關系，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。結果表明，在選取合理泊位有效利用率時，進港航道尺度不可忽略，尤其是單線長航道。同時，建議在實際工程中采用計算機仿真技術來評價港口總平面布置方案，保證港口整體高效運營。

關鍵詞:集裝箱碼頭;泊位利用率;仿真;航道;港口服務水平

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模的重要參數，其取值通常根據港口服務水平指標AWT/AST(船舶待時占其泊位停時的比例)和泊位數選取［1－2］。然而，隨著我國港口貨物吞吐量快速增長，進港船舶數量不斷增多，進港航道內船舶交通日趨繁忙，在不同程度上出現“船舶等待航道”現象，進港航道已經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，應充分考慮航道尺度與其的影響關系。

在國際上，推薦應用M/Ek/S排隊模型(M表示船舶到港服從Poisson分布，Ek表示船在泊位上停時服從k階Erlang分布，S為泊位數)，并根據AWT/AST，來確定合理泊位有效利用率［6］;楊興晏等應用M/E3/S模型建立了AWT/AST與泊位利用率之間的關系圖表，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性，吳麗結等嘗試利用仿真技術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，無法適應現階段我國港口發展的實際情況。

為此，本文將引入船舶航行作業系統，模擬船舶在航道航行作業過程，通過設計并運行一系列仿真試驗方案，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。

1　港口服務水平指標

聯合國貿易和發展會議(UNCTAD)在《發展中國家港口規劃手冊》［6］中，采用船舶待時占其泊位停時的比例(AWT/AST)來反映港口服務水平，并以此作為合理泊位有效利用率選取的依據。其中，AST表示港口在正常情況下平均裝卸一條船所需要時間(即船在泊位上停時)，AWT表示船舶平均等待時間。因此，本文也將AWT/AST作為泊位有效利用率選取標準。例如，在《海港集裝箱碼頭設計規范》［2］提出:3個以上泊位連續布置的大型(5萬噸級及以上)集裝箱碼頭服務水平指標宜為0.1≤AWT/AST≤0.3;2個以下泊位組成的小型集裝箱碼頭服務水平指標宜取0.4≤AWT/AST≤0.5。

2　仿真模型及仿真試驗方案

考慮到船舶到港間隔時間、泊位服務時間等具有明顯的隨機性［4－5，8－12］，本文應用計算機仿真技術建立仿真模型，模擬集裝箱碼頭生產作業，尤其是船舶航行作業，來解析航道尺度與泊位有效利用率之間的影響關系。同時，根據我國現行港口行業規范，設計仿真試驗方案并確定仿真模型參數。

2.1基本假設

1)采用固定靠泊方式、先到先服務原則分配泊位資源［9］。

2)先卸后裝的原則安排裝卸作業。

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

2.2仿真模型

根據集裝箱碼頭生產作業流程，本文將港口生產作業劃分為船舶航行作業、碼頭前沿裝卸作業、水平運輸作業、堆場作業和閘口作業等子模型。如圖1所示，各子模型之間通過實體(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)發生作用而產生事件聯系，并通過“水平運輸作業”交通流形成一個有機的整體。

圖1　集裝箱碼頭生產作業系統各子模型相關關系示意圖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系統仿真流程圖Fig.2 The flow of ship operation in a one-or two-way entrance channel

1)船舶航行作業子模型。如圖2所示，船舶隨機到港，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泊位停靠，否則在港外錨地等待。待裝卸作業完成且航道滿足船舶通航要求，船舶則離開泊位、經航道離開港口。其中，船舶為實體，根據船舶尺度、噸級和單船裝卸量等分配并占有航道、泊位資源。

2)碼頭前沿作業子模型，分為裝船和卸船過程。裝船是岸橋將內卡上的集裝箱裝到船上;卸船是岸橋將集裝箱由船舶卸到集卡上。其中，實體為集裝箱，資源有岸橋和內卡。

3)水平運輸作業子模型，分為提箱和送箱過程。提箱是指內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，集裝箱為實體，集裝箱卡車為運輸工具。

4)堆場作業子模型，分為裝箱和卸箱過程。裝箱是指場橋將堆場上的集裝箱裝到集卡上送至碼頭前沿或通過閘口運出港區;卸箱則指場橋將集卡送到堆場的集裝箱卸到堆場。其中，實體為集裝箱，資源有箱位和堆場裝卸設備。

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

2.3試驗方案

為分析航道尺度與泊位有效利用率的影響關系，本文設計了一系列仿真試驗方案，并根據相關規范確定相應的仿真模型參數。具體為:1)碼頭規模。由n個單一噸級泊位(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})連續布置。

2)船舶到港規律、船舶在泊停時及裝卸機械配置:船舶按泊松分布到達港口;船在泊位上停時服從3階Er1ang分布;岸橋臺時效率及每泊位配備臺數依據《海港總體設計規范》［13］確定。

3)航道尺度:航道寬度用航道線數nec表示，即單線和雙線航道;航道長度則用船舶進港時在航道的航行歷時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且無資料可參考的情況，因此，船舶到港規律和船在泊位上停時，以及橋臺時效率及每泊位配備臺數等參數，都按照《海港總體設計規范》［13］選取。當有資料時，仿真模型參數都應根據歷史資料來確定。

3　結果分析與討論

運行仿真試驗(仿真運行時間一年，獨立重復運行仿真10次)，得到泊位有效利用率分別與泊位數、航道線數和航行歷時等之間的數量關系，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。經分析，可以得出以下結論:

1)在相同泊位數下，是否考慮航道尺度，其對應的泊位有效利用率有差別。例如，如圖3所示，以泊位數n=3和通航歷時t=1 h為例，當不考慮航道尺度影響時，泊位有效利用率為0.453;而實際上，在此條件下，單、雙航道對應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，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對應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，給定港口服務水平指標值下，泊位有效利用率隨泊位數n的增加而增大。如圖3所示，以通航歷時t=1 h(其他通航歷時與之類似)為例，當泊位數從1增至6時，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。可見，當增加泊位數時，泊位有效利用率有相應的提高。同時，當n≥3時，泊位有效利用率仍會隨泊位數增加而增加，但影響顯著變小。所以，從泊位利用率角度來看，連續布置3個泊位相對經濟合理。

3)泊位有效利用率受航道線數影響，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、雙線航道對應的泊位有效利用率分別為0.194和0.378，單線航道對應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揮。

圖4　航道線數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與泊位有效利用率的關系曲線(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t增加而降低。例如，如圖5所示，以n=3為例，當航行歷時t從0.5～2 h變化時，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，航道通航歷時對泊位有效利用率的影響要比雙線航道大。因此，在規劃港區確定航道線數時，應根據港區規模、生產作業效率、疏浚工程量和維護費用等因素，經技術經濟論證確定。

綜上所述，泊位有效利用率不僅與港口服務水平指標AWT/AST和泊位數n有關，還受航道線數nec和航道航行歷時t的影響，其函數表達式應表示為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計和相關規范修訂中，應充分考慮航道通航條件對泊位有效利用率的影響關系;同時，也建議采用計算機仿真技術評估港口總平面布置方案，保證港口整體高效有序運行。

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

4　結束語

為定量分析航道線數和航行歷時對集裝箱碼頭泊位有效利用率的影響關系，本文將船舶航行作業系統引入集裝箱碼頭生產作業仿真模型。通過設計、運行仿真試驗方案，并分析仿真結果表明，泊位有效利用率與受泊位規模和航道尺度密切相關，因此在選取泊位有效利用率時，應定量分析進港航道尺度，尤其是單線長航道對泊位通過能力的影響。同時，也建議采用計算機仿真技術評估港口總平面布置方案，保證港口整體高效有序運行。

本文給出的航道尺度與泊位有效利用率的影響關系，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，當有歷史資料可確定船舶到港規律和船在泊位上停時，以及橋臺時效率及每泊位配備臺數等參數，都應根據實際資料來確定，進而分析兩者的影響關系，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.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51109030，51579035).

收稿日期:2014－08－24.網絡出版時間:2015－12－21.

中圖分類號:U651

文獻標志碼:A

文章編號:1006－7043(2016)01－0127－05

doi:10.11990/jheu.201408035

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1603.034.html