國內外港口工作可作業時間分析方法

張軍，孫亞斌，鐘雄華

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

國內外港口工程項目的設計過程中，均很重視碼頭可作業時間的分析。可作業時間是港口掩護效果的直接指標，也是分析泊位通過能力的重要參數，對于評估港口的吞吐能力有重要意義。國內外相關規范、導則均對碼頭的可作業時間或可作業條件給出了要求或建議。

1 分析碼頭可作業時間的方法

分析碼頭的可作業時間，常用的指標和方法有年可作業天數、不可作業率（downtime），以及考慮船舶全過程作業的可作業率（operability）。

1.1 年可作業天數

年可作業天數是最早出現的、較常用的用于評價碼頭可作業時間的參數。該參數在收集工程區域多年風、浪、降雨、霧、雷暴、冰況等氣象和水文資料基礎上，結合相關規范允許的可作業條件，對不同船舶可在碼頭系泊并作業的年可作業天數進行計算[1]。因各氣象水文因素出現超標的時間不一定連續，對船舶作業的影響也不盡相同，且不同的因素可能同時出現超標情況，故在計算過程中需要較多的工程經驗，才能確定出合理的年可作業天數[2]。國內項目大多采用該指標。

1.2 不可作業率（downtime）

不可作業率是指將1 a中自然原因導致的不能作業時間直接相加得到的時間除以1 a的總時間得到的比率，可以針對泊位的裝卸作業進行分析，也可以針對航道和操作水域進行分析。

針對泊位裝卸作業進行分析，一般是通過船舶系泊研究，以船舶的運動量或受力不超標兩者中較嚴的一個為準則[3-4]，獲得裝卸作業的允許風浪條件包絡值，結合港址處多年氣象水文時間序列（間隔1 h或3 h的記錄或后報序列），計算出不滿足作業條件的時間，進而得到不可作業率。筆者在西非某大型集裝箱港項目設計中，結合波浪和系泊研究，得到該港口1 000 m長的集裝箱碼頭岸線內，最大（12 000 TEU）和最小（500 TEU）船型的不可作業率均小于1%。

針對航道和操作水域的分析，往往受制于拖輪的抗風、浪性能。因此，可以拖輪的作業限制條件作為航道及操作水域的限制條件，得到航道和作業水域的不可作業率。有條件的情況下，可結合操船試驗模擬拖輪在不同風、浪條件下的作業效率，并開展船舶航行時龍骨下富裕水深研究，以深入分析其對不可作業率的影響[5-6]。

不可作業率因采用多年氣象水文時間序列作為基礎數據，故相比于年可作業天數，可以較準確地計算不可作業時間，進而得到的不可作業率也較準確[7]。但其未考慮船舶進出港及裝卸作業的連續性，對于因短期惡劣天氣導致的船舶離港造成的作業時間損失會給出偏于不保守的結果。近年來國外大多數碼頭項目采用該指標。

1.3 考慮船舶到港全過程作業的可作業率（oper-ability）

此種可作業率將船舶進出港及裝卸等作業視為一個整體過程作業進行分析。首先，需明確船舶到港各作業的工作順序，結合拖輪及裝卸設備等的能力評估各階段作業所需要的時間；其次，通過試驗研究或參考相關規范確定各階段作業的風、浪等限制條件；再次，在多年氣象水文時間序列框架內逐時分析以該時刻為起點時，考慮各階段的限制條件，是否可完成給定船型的一定全過程作業；最后將可完成全過程作業的起點個數除以多年全部的時點個數，得到船舶全過程作業的可作業率。

船舶到港的工作順序一般為：引水員登船寅船舶進港及靠、系泊寅裝卸貨及聯檢、公估寅船舶離泊及離港寅引水員離船[8]。

關于各階段的耗時，引水員登船及進港、靠系泊及離泊、離港作業所需要的時間可結合港務局管理規定及實時操船試驗（real-time navigation simulation）來確定。操船試驗建議邀請當地的引水員參加，他們對當地的氣象海況條件及港務局相關規定較為了解。裝卸貨物作業所耗時間，對于散貨碼頭，需要了解裝卸設備的性能和效率及臺機數量，油品和LNG泊位則需要了解裝卸臂的效率及船舶的裝卸效率，還需要留意船、岸設備裝卸能力是否匹配等問題。如筆者曾參與的北非某油氣港的擴建項目中，250 000 DWT原油船的效率為14 000 t/h，但岸上輸油臂的最大效率只有10 000 t/h，故分析裝卸時間只能采用較小的10 000 t/h。此外對于液體散貨碼頭，還需要考慮裝卸開始效率從0達到額定效率及裝卸結束時從額定效率至停機所耗時間，以及結束后的吹掃時間。對于集裝箱碼頭，需考慮單船到港的裝卸箱量、岸橋臺時效率等。聯檢公估一般考慮3~5 h；離泊及離港過程與進港靠系泊過程類似，但離泊過程比靠泊過程簡單，故耗時略短。

關于各階段作業的限制風、浪條件，主要涉及到船舶航行及系泊作業的過程。船舶航行主要取決于拖輪的可作業波高，當有條件時，可采用操船試驗來詳細確定船舶在拖輪協助下進出港和港內航行時的允許風、浪條件。一般來說，對于LNG船和壓載的油船，干舷高度較高，其受橫風影響也較大。系泊作業的限制條件一般采用系泊試驗來評估，可采用數學模型或物理模型的手段。需要注意的是，對于大型船舶，不同載度時其對風、浪的動態響應也是不同的。故一般對散貨船，至少需考慮滿載和壓載兩種工況（半載工況通常持時較短，可不予考慮），對于集裝箱船舶，除滿載和壓載工況外，尚需考慮更為常見的半載工況。

獲得各階段作業所需時間及各階段的限制條件后，則可以在風、浪的多年時間序列中，以任意時刻為起點，評估其在后續完成全過程作業的可行性，評估過程簡要示意如表1（忽略風向、波周期、波向、港內外條件差異、流等）。作業1、2、3均可完成全過程作業，但作業4、5、6因裝卸作業后期波高超標而不可完成全過程作業，故2020-01-01T00:00:00—02:00:00為滿足全過程作業的起始點，須參與全過程可作業率的計算，03:00:00—05:00:00為不滿足全過程作業的起始點，不參與全過程可作業率的計算。當把時間序列中所有時刻為起點的情況都進行評估后，則可以得到在該時間序列中完成全過程作業的可作業率。筆者曾參與的北非某油氣港擴建項目中，即采用了全過程作業的可作業率進行可作業時間評估，通過優化平面布置改進防波堤對泊位的掩護效果，最終滿足了業主對油氣泊位和集裝箱泊位各設計船型可作業率均不小于95%（油、所船）和85%（集裝箱船）的要求，驗證了防波堤對各船型全過程作業的掩護效果。

表1 碼頭考慮全過程作業的可作業率分析舉例Table 1 Example of operability analysis considering all operation stages in the wharf

2 可作業時間分析的要點

2.1 基礎數據詳盡準確

無論采用年作業天數分析、不可作業率分析，還是考慮全過程作業的可作業率分析，詳實的氣象水文條件都是分析的重要基礎。10多年前，氣象水文的后報技術尚不成熟，多采用歷史記錄進行分析，對于沒有歷史記錄的地區，則采用1 a或以上的現場實測記錄進行分析，因觀測資料獲取的滯后而影響設計進度的情況時有發生。隨著后報技術的日趨完善，特別是1979年以來全球逐時風、浪條件的獲取變得十分便利[9]，采用經短期實測資料驗證的模型計算獲得三四十年長時間序列的方法變得逐漸成熟，也將會被越來越多的項目所采用。

2.2 影響船舶各階段作業的因素分析

不同貨種船舶的作業流程不同，散貨船、集裝箱船各有其自身的作業特點，如液體散貨在裝卸完畢后的吹掃程序，原油碼頭根據原油品質或需進行伴熱輸送，裝卸設備的能力及其與船上裝卸接口是否匹配，等等[10]。此外，不同的港口在管理程序上也有不同之處，這些都需要在全過程作業分析之前調查清楚，以獲得相對準確的各階段作業時間。

2.3 各階段可作業標準的確定

作業標準一般需要通過系泊試驗和操船試驗進行確定，系泊試驗中需要注意盡量采用實船資料，纜繩的選取和系泊布置不可過于激進[11]，船舶的載度需要進行合理性分析。操船試驗中需對拖輪進行合理化配置，盡量使得當地的港口管理部門多參與設計過程，以便設計成果符合當地使用習慣。

3 結語

對碼頭可作業時間的方法和指標進行了總結分析，并指出基礎氣象水文數據、作業過程分析及各階段作業標準的確定是分析可作業時間的關鍵點。不同的指標可在項目的不同階段結合需要進行選取。國內項目多采用年可作業天數指標，海外項目多采用不可作業率或考慮全過程的可作業率指標。

本文主要分析的是自引水員登船至船舶離港的過程，并未考慮船舶在錨地的等候時間。對于受雷暴、降雨、冰或霧等影響明顯的碼頭，還需將這些資料納入可作業時間的分析中，并注意其與超標的波浪或風同時發生的情況。今后還可以結合不同船型的到港頻率、航道的通航密度、堆場設備及疏運設備等作為整體來建模分析，研究港口的隨機過程，結合優化目標不斷調整港口設施及規模，以求港口達到最佳作業狀態。