熱帶地區(qū)鐵水聯(lián)運(yùn)物流系統(tǒng)港口堆場(chǎng)容量計(jì)算

陳啟振

山東港通工程管理咨詢有限公司

1 引言

中國(guó)礦產(chǎn)資源產(chǎn)量與生產(chǎn)需求量不匹配現(xiàn)象突出，每年需要進(jìn)口約11億t鐵礦、1.2億t鋁土礦、3 200萬(wàn)t錳礦、2 200萬(wàn)t銅礦。非洲、拉丁美洲等欠發(fā)達(dá)國(guó)家礦產(chǎn)資源豐富，但因基礎(chǔ)設(shè)施落后導(dǎo)致礦產(chǎn)資源無(wú)法大規(guī)模連續(xù)開(kāi)采。近年來(lái)，在“一帶一路”倡議合作平臺(tái)下，國(guó)際合作環(huán)境日益改善，海外投資有了一定的保障，企業(yè)更有意愿投資自建運(yùn)礦鐵路、港口等基礎(chǔ)設(shè)施，形成企業(yè)專營(yíng)專運(yùn)的鐵路、港口、船舶運(yùn)輸物流體系，實(shí)現(xiàn)礦石大規(guī)模出運(yùn)。熱帶地區(qū)氣候條件特殊，此類海外項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)模式明顯不同于國(guó)內(nèi)港口，中國(guó)規(guī)范基于貨物平均堆存期計(jì)算堆場(chǎng)所需容量的方法已不適用于此類項(xiàng)目[1]。結(jié)合非洲幾內(nèi)亞某鋁土礦鐵水聯(lián)運(yùn)項(xiàng)目，探索港口堆場(chǎng)所需容量計(jì)算方法。

2 裝卸工藝布置

本項(xiàng)目位于非洲幾內(nèi)亞，鋁土礦自礦山開(kāi)采、鐵路運(yùn)輸、港口裝卸和船舶運(yùn)輸均是企業(yè)自主投資建設(shè)且專營(yíng)專運(yùn)，鐵路運(yùn)輸進(jìn)港量為4 000萬(wàn)t/年，裝卸工藝設(shè)計(jì)包含火車卸車、堆場(chǎng)堆取料、碼頭裝船和水平運(yùn)輸4個(gè)環(huán)節(jié)，形成卸車裝船直取、卸車堆料和取料裝船3個(gè)工藝流程，工藝流程見(jiàn)圖1。工藝設(shè)備包含3臺(tái)雙車翻車機(jī)、3臺(tái)斗輪堆取料機(jī)、2臺(tái)裝船機(jī)、19條帶式輸送機(jī)和10座轉(zhuǎn)運(yùn)站，并在Z03和Z05轉(zhuǎn)運(yùn)站分別預(yù)留1個(gè)進(jìn)料接口和2個(gè)出料接口。

圖1 工藝流程圖

3 堆場(chǎng)所需容量計(jì)算

3.1 累計(jì)差值法計(jì)算堆場(chǎng)所需容量

幾內(nèi)亞沿海地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，只有雨季和旱季2個(gè)季節(jié)，7月至10月為雨季，降雨量約占全年的90%；11月至次年6月為旱季，干旱少雨。降雨對(duì)鐵路運(yùn)輸和港口裝卸作業(yè)產(chǎn)生不同程度的影響，根據(jù)幾內(nèi)亞類似項(xiàng)目和已建碼頭運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，綜合評(píng)估7 月、8月、9月、10月雨季降雨對(duì)港口裝船作業(yè)的影響，分別為旱季月份的80%、50%、50%、80%，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懢鶠?0%。若將雨季月份折算成旱季月份，則每年港口裝船實(shí)際作業(yè)時(shí)間為10.6個(gè)月，平均月運(yùn)量約377萬(wàn)t；每年鐵路運(yùn)輸實(shí)際作業(yè)時(shí)間為 11.6 個(gè)月，平均月運(yùn)量約345萬(wàn)t。

將每月的鐵路運(yùn)輸進(jìn)港量和港口裝船出運(yùn)量作為離散樣本，通過(guò)累計(jì)樣本參數(shù)差值計(jì)算堆場(chǎng)所需容量，計(jì)算公式為：

E1=∑(Pi-Qi)Pi>Qi

(1)

E2=∑|(Pi-Qi)|Pi

(2)

E=max(E1,E2)

(3)

式中，E為計(jì)算堆場(chǎng)所需容量，萬(wàn)t；E1為進(jìn)港大于出港時(shí)的累計(jì)差值量，萬(wàn)t；E2為出港大于進(jìn)港時(shí)的累計(jì)差值量；萬(wàn)t；Pi為礦石鐵路運(yùn)輸月度進(jìn)港量，萬(wàn)t；Qi為礦石裝船月度出港量，萬(wàn)t。

各月礦石進(jìn)出港量差值見(jiàn)表1。

表1 各月礦石進(jìn)出港量差值計(jì)算表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，以雨季開(kāi)始為計(jì)算起始時(shí)間，當(dāng)雨季結(jié)束時(shí)，堆場(chǎng)的礦石存量達(dá)到最大值264萬(wàn)t，此存量恰好用來(lái)補(bǔ)充旱季鐵路運(yùn)輸不足裝船出港量。考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，雨季開(kāi)始時(shí)，堆場(chǎng)儲(chǔ)料量應(yīng)包含堆場(chǎng)不清底量和至少富余2天的裝船量之和，堆場(chǎng)不清底量按照斗輪堆取料機(jī)取料安全作業(yè)最小料堆厚度0.5 m計(jì)算，約20萬(wàn)t；2天的裝船量約27萬(wàn)t，則雨季開(kāi)始時(shí)，堆場(chǎng)儲(chǔ)料量應(yīng)不少于47萬(wàn)t。項(xiàng)目計(jì)算的堆場(chǎng)所需容量為311萬(wàn)t。

3.2 堆場(chǎng)所需容量仿真分析

3.2.1 影響因素分析及函數(shù)建立

雖然在礦山開(kāi)采、鐵路運(yùn)輸、港口裝船以及海上運(yùn)輸整個(gè)物流鏈系統(tǒng)中，鐵路、港口、船舶等設(shè)備設(shè)施均屬企業(yè)專營(yíng)專運(yùn)，但實(shí)際系統(tǒng)受自然條件、設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)操作模式等客觀因素的影響，會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間火車運(yùn)輸進(jìn)港量不均衡、單位時(shí)間港口裝船出運(yùn)量不均衡、港口裝卸設(shè)備作業(yè)時(shí)間不均衡以及港口裝卸設(shè)備故障率和停機(jī)檢修時(shí)間不均衡等。因此，實(shí)際堆場(chǎng)所需容量應(yīng)在累計(jì)差值法計(jì)算值的基礎(chǔ)上乘以各因素影響不均衡系數(shù)，各因素影響不均衡系數(shù)用綜合影響不均衡系數(shù)替代，則綜合影響系數(shù)是取決于各因素的函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ek=Kmax(E1,E2)

(4)

K=f(α,β,γ,δ,ζ)

(5)

式中，Ek為堆場(chǎng)所需容量，萬(wàn)t；K為綜合影響不均衡系數(shù)，受單位時(shí)間火車運(yùn)輸進(jìn)港量不均衡、單位時(shí)間進(jìn)港船舶數(shù)量不均衡、港口裝卸設(shè)備作業(yè)時(shí)間不均衡以及港口裝卸設(shè)備故障率和停機(jī)檢修時(shí)間不均衡等因素的影響；α為火車運(yùn)輸進(jìn)港量影響不均衡數(shù)；β為港口裝船出運(yùn)量影響不均衡數(shù)；γ為完成1個(gè)離散單元，系統(tǒng)平均作業(yè)時(shí)間影響不均衡數(shù)；δ為系統(tǒng)中裝卸和運(yùn)輸設(shè)備質(zhì)量及故障停機(jī)檢修時(shí)間影響不均衡數(shù)；ζ為其他因素影響不均衡數(shù)。

將1列火車載貨量8 000 t和1艘駁船載貨量7 500 t作為基本計(jì)算單元，可以使散貨港口連續(xù)裝卸轉(zhuǎn)化成離散的基本單元在各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動(dòng)。當(dāng)樣本參數(shù)足夠大時(shí)，單位時(shí)間火車運(yùn)輸進(jìn)港卸車量、單位時(shí)間裝船出運(yùn)量、各主要裝卸生產(chǎn)環(huán)節(jié)平均作業(yè)時(shí)間、設(shè)備故障率及檢修時(shí)間等隨機(jī)變量均符合某一統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律?；谝陨显?，建立離散事件流程進(jìn)行仿真模擬，即可確定堆場(chǎng)所需容量。

3.2.2 仿真模擬

Flexsim是一款離散事件系統(tǒng)仿真軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能和三維顯示效果[2]。Flexsim實(shí)體庫(kù)包含固定資源類實(shí)體、任務(wù)執(zhí)行類實(shí)體、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、傳送帶模塊等，其中固定資源類實(shí)體有發(fā)生器、暫存區(qū)、處理器、吸收器等；任務(wù)執(zhí)行類實(shí)體有任務(wù)執(zhí)行器、叉車、起重機(jī)等。該軟件可以利用C++語(yǔ)言創(chuàng)建和修改部件以及控制部件的行為活動(dòng)。Flexsim模型中主要實(shí)體設(shè)置見(jiàn)表2。

建模后進(jìn)行仿真模擬，仿真時(shí)間設(shè)為5年(1 825天)，統(tǒng)計(jì)暫存區(qū)2(堆場(chǎng))在仿真時(shí)間序列內(nèi)的實(shí)體單元數(shù)量變化值，然后等效轉(zhuǎn)化成堆場(chǎng)儲(chǔ)料量變化，某一次仿真時(shí)間序列內(nèi)的堆場(chǎng)儲(chǔ)料量變化見(jiàn)圖2。

表2 Flexsim建模實(shí)體表達(dá)

圖2 某一次仿真時(shí)間序列內(nèi)的堆場(chǎng)儲(chǔ)料量變化圖

進(jìn)行多次仿真模擬，統(tǒng)計(jì)出每年雨季開(kāi)始時(shí)堆場(chǎng)儲(chǔ)料量初始值和雨季結(jié)束前后的最大值，并計(jì)算出差值，列出4次仿真模擬的年際堆場(chǎng)儲(chǔ)料量典型值見(jiàn)表3。

表3 4次仿真模擬年際堆場(chǎng)儲(chǔ)料量典型值/萬(wàn)t

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，初始值為-23.4～53.6萬(wàn)t，初始值代表上一個(gè)雨季和旱季結(jié)束后堆場(chǎng)貨物累存量，負(fù)值代表裝船出運(yùn)大于鐵運(yùn)進(jìn)港量，堆場(chǎng)需要提前儲(chǔ)存的量，正值代表鐵運(yùn)進(jìn)港大于裝船出港量，堆場(chǎng)累存量。差值即堆場(chǎng)所需容量為280.4～311.5萬(wàn)t。綜合影響不均衡系數(shù)為1.06～1.18，本項(xiàng)目綜合影響不均衡系數(shù)取1.1，則實(shí)際計(jì)算堆場(chǎng)所需容量為337萬(wàn)t。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)熱帶地區(qū)企業(yè)投資建設(shè)并專營(yíng)專運(yùn)的鐵水聯(lián)運(yùn)物流系統(tǒng)項(xiàng)目，給出了港口堆場(chǎng)所需容量計(jì)算理論和計(jì)算方法。采用離散單元法對(duì)港口裝卸作業(yè)活動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，基于Flexsim建立仿真模型進(jìn)行模擬分析，得出綜合影響不均衡系數(shù)的取值范圍，利用綜合影響不均衡系數(shù)法，即可計(jì)算具有此類特征項(xiàng)目的堆場(chǎng)所需容量值。