基于PERT的液體碼頭人力資源配置優化研究*

肖漢斌 孔令昕 耿增濤 劉 敏

1 武漢理工大學交通與物流工程學院 2 中國海洋大學信息科學與工程學部 3 山東港口科技集團青島有限公司

1 引言

資源配置的合理優化可提高公司整體運營效率，同時保障工序流程的順利進行。大部分研究主要針對工程作業項目中的人工工序研究，以成本、資源限制等為切入點。梁俊峰以日照實華公司為研究對象對其人員網絡調配進行研究，合理安排公司的員工崗位[1]。武小平等結合資源、風險和成本對工期的影響，運用層次分析法設計了不考慮時差的人員配置優化策略[2]。蔣紅妍等通過建立各工序系的時間參數表，包含持續時間、開始和完成時間、停工時間等，快捷準確地繪制出滿足工序邏輯及搭接關系、資源限制條件的RSM圖[3]。Behrouz Afshar Nadjaf等基于PERT建立一個連續時間馬爾可夫鏈模型，通過使用PT分布來評估項目完成時間，以獲得項目完成的最低成本[4]。Yaghoubi Saeed等研究了項目容量有限(CONPIP)的多類動態PERT網絡中的資源分配問題[5]。而對港口的工序流程人力資源、泊位資源、機械資源配置的研究較少。

2 問題描述

液體碼頭裝卸作業過程中，人工作業是不可或缺的一部分，靠離泊作業、輸油臂裝卸流程、監護作業和維護作業都主要依靠人工完成。在復雜的作業流程中，碼頭人力資源總數有限，為了縮短裝卸作業流程總時間，在作業規則允許的情況下，可多個任務同時進行，有限的人力資源的合理配置，可有效合理地縮短作業時間，提高裝卸作業效率。

設定人力資源總量為R，卸船流程中總共有N個工序，工序編號為1，2，3，…,N，需要t1，t2，…,tN時間來完成每一項工序，總共需要時間為T。工序1需要人力資源量為R1，工序2需要人力資源量為R2，依次設定，工序N需要人力資源RN。在工序順序進行時，人力資源配置不沖突，即滿足

max{R1,R2,…,RN}≤R

(1)

其中工序l和工序m在一定條件下可同時進行，則人力資源總量需滿足

max{R1,R2,…,Rl+Rm,…,RN}≤R

(2)

工作人員不可超過員工總數目。泊位資源和碼頭機械設備資源也屬于碼頭資源，當泊位資源和機械資源小于需求數量時，出現資源配置沖突，需要根據資源的重要性選擇資源配置的優先級。

3 模型建立

3.1 限制條件

(1)在液體碼頭裝卸流程中，工序步驟是固定的，每一項作業內容是固定的，部分工序需要的最少人數是確定的，完成工序不可少于最少人數。

(2)工序具有時序性，部分工序必須是在前一項或幾項工作完成才可以開始。

(3)工序步驟具有完整性，每一項工序不可以中斷插入別的工序，不可以拆分為多個子工序分開完成。

(4)滿足一定條件下，部分工序可以同時進行，前后順序不影響工序流程；可以同時開始或者同時結束，但同一時間內，1個工人只可參與1項工序。

(5)同時工作的工人總數即人力資源總量不可超過固定資源總量。

(6)液體碼頭裝卸流程中涉及的機械設備包括輸油臂和登船梯。

(7)機械設備工作中可以進行監護作業，但不可進行維護作業，維護作業必須在機械設備空閑狀態下。

(8)當機械設備出現問題或警報時開始維護作業，維護作業必須當天完成不過夜。

3.2 優化模型

(3)

式中，ti為工序所用時間；mt為設備維護時間；ti′為可同時進行工序的重合時間。所有工序連續進行，沒有間隔時間或中斷時間。

∑R′≤R

(4)

式中，R′為人力資源總量的實際計算值；R為人力資源總量。

∑B′≤B

(5)

式中，B′為泊位使用數量；B為液體碼頭可用泊位總數。

∑RL′+RL(m)≤RL

(6)

式中，RL′為輸油臂使用數量；RL(m)為維護中的輸油臂數量；RL為液體碼頭可用輸油臂總數。

∑Rb′+Rb(m)≤Rb

(7)

式中，Rb′為登船梯使用數量；Rb(m)為維護中的登船梯數量；Rb為液體碼頭可用登船梯總數。

人力資源、泊位資源和設備資源的使用量不可超過液體碼頭的資源總量。資源使用出現飽和時，出現延時時間dt，等待有效資源空出后，繼續工序。

計算各工序的開始時間、持續時間、結束時間；確定工序的緊前工序和緊后工序；工序持續時間一般由實際經驗估算得到，部分工序存在影響因素是工序時間延長。

初始開始時間S0和初始結束時間E0都為0：

S0=0,E0=0

(8)

工序1開始時間S1，工序1結束時間E1為：

S1=0,E1=S1+t1

(9)

式中，t1為工序1用時。可得工序l開始時間Sl，工序l結束時間El為：

Sl=E(l-1),El=Sl+tl

(10)

式中，tl為工序l用時。

若工序l和工序m可同時開始，且l

Sl=Sm=E(l-1),El=Sl+tl,Em=Sm+tm=Sl+tm

(11)

式中，tm為工序m用時。若工序l和工序m可同時結束，且l

Sl=E(l-1),El=Sl+tm

(12)

Sm=E(l-1)-(tm-tl),Em=Sl+tm

(13)

tm>tl

(14)

4 算法流程

對所有工序進行工序系列分類，相關工序分為一個工作系，可以分為工作系X、工作系Y、工作系Z、工作系M，以區分碼頭工序類別，計算每個工序和每個工作系所需最少人力資源數量。確定工作系之間的前后關系和交叉關系，是否存在工作系可同時進行的情況。確定碼頭卸船作業關鍵工序，建立PERT工序計劃圖，找出作業流程關鍵路徑和最短路徑。根據工序流程、作業人員、作業時間、工序開始時間和工序結束時間繪制甘特圖，展示作業順序流程，計算資源配置優化后工序流程完成的總時間T。在資源配置優化過程中確定資源不會出現超額限制。

順序求和求解全部工序完成時間T′，按照條件優化工序后計算完成時間T，對比T和T′，計算兩種方法的資源使用量(見圖1)。

圖1 算法流程

5 案例分析

5.1 組織架構

某原油碼頭公司主要由12個機構組成，各個機構分為機關和基層2種類別，員工種類分為正式工、農民工、合資方委派、合資方招聘、外包工5種，各機構類別及具體員工人數見圖2。主要員工數量集中在基層裝卸和儲運人員。

圖2 液體碼頭公司組織架構圖

主要碼頭作業操作人員為：裝卸一隊138人、裝卸二隊113人、裝卸三隊149人，3隊分班次進行工作，每個工時碼頭的人工資源不可超過當值裝卸隊伍的人工資源限量。

5.2 卸船作業流程

液體碼頭卸船流程主要分為4個作業流程系，設定X作業流程系為靠離泊作業，Y作業流程系為卸船作業，Z作業流程系為監護作業，M作業流程系為維護作業。

靠離泊作業(X)作業流程包括拋引纜繩，帶纜人員船頭、船尾各4名，共8名人員；輸油臂對正，1名人員；操作引纜機，要求2名人員一同操作。

卸船作業(Y)作業流程包括接輸油臂，要求甲板上2名工作人員、碼頭上1名工作人員；試壓，輸油臂對接完成后，對正人員進行試壓，確認無滲漏后才能開始使用；量艙，需要商檢公司1人、船方大副1人、水手2名共同參與量艙，量艙的同時可以進行油艙取樣，量尺結束后進行油艙載貨量算數；取樣，如果接卸油品為高凝點、高粘度油品，會導致量油尺、取樣器下尺取樣困難，量艙時間、取樣時間會大幅延長；算數，商檢、船方雙方對照裝貨港計量報告確認本港卸貨量無爭議后才可以啟泵卸貨；導通流程、備泵、啟泵、提量、卸速穩定，導通流程后船方啟泵卸貨，正常卸貨后，可根據碼頭要求進行提量；降速、洗艙、收艙，卸貨后期臨近結束前船方會降低卸貨速度，利用所載原油對卸貨艙進行相關低洗艙、收艙工作，以確保船艙卸貨低清潔度。卸船作業還包括結束卸貨、完貨計量、算數、拆輸油臂。

監護作業(Z)包括閥門監護、輸油臂監護、管線監護。作業過程中，船岸值班人員要對作業設備、設施進行相關低壓力、溫度、流速等參數的監護，作業期間嚴禁動火作業，嚴禁作業期間對作業設備進行維修作業。

維護作業(M)包括輸油臂維護、管線維護、閥門維護、制氮機維護、消防設施維護、登船梯維護。維護作業包括對設備的定期維護和事故維修，輸油臂、碼頭相關管線檢維修時，根據施工需要進行抽空操作。

工序流程以及最少工作人員和一般用時見表1，對所有作業工序進行編號，從1至29總共29項作業工序。人工數量是以1個泊位1臺輸油臂為例的碼頭最低要求作業人數，船方和商方參與作業人員不計算在內。由于液體散貨的特殊性，部分作業工序必須指定船方和商方工作人員一同參與。工序時間以經驗時間進行計算單一工序所需的平均時間。

表1 卸船作業流程工序表

以一艘載重量在20～30萬t之間的VLCC(超大型油船)為例，靠離泊作業大約需要1.5 h。一般量艙、取樣需要1.5～2 h，根據接卸液體貨物的油品不同所需時間有一定差別。如果接卸油品為高凝點、高粘度油品(量油尺、取樣器下尺取樣困難)，量艙時間、取樣時間會大幅延長至4～5 h。表格中標注工序時間為1.5～5 h。

注：表中人工數量為安全作業最低人工要求，時間數據來源于港口經驗數據。

5.3 工序規則

根據液體碼頭多年經驗積累，工序基本達到了最簡化步驟，由于液體散貨的高度的安全要求，工序步驟需要符合相關法規，確保液體散貨的安全運輸，因此液體碼頭的裝卸作業工序不可簡化。但是部分工序可以同時進行，以減少工序完成時間，優化碼頭資源配置。

其中工序1、工序2、工序3可同時進行，完成時間約為1.5 h；工序5為關鍵步驟，確保完成后才能開始后續步驟；工序6、工序7、工序9、工序10可同時進行，一般為1.5～2 h，特殊油品需要4～5 h；工序8為關鍵步驟，雙方確認后才可進行工序11；工序11完成后接工序12、工序13、工序14；工序14后期可以和工序15、工序16同時進行；工序17、工序18、工序19、工序20為卸貨的后階段的收尾工作。工序21、工序22、工序23必須從卸貨開始到卸貨結束保持作業；工作系M不得與工作系X、工作系Y、工作系Z同時進行，當出現故障情況時進行工作系M，并且工作M保證當天完成維修。

5.4 作業流程圖

PERT利用類似流程的箭線圖分析制定計劃以及對計劃予以評價的技術。它能協調整個計劃的各道工序，合理安排人力、物力、時間、資金，合理配置人力資源等。按照作業工序順序規則設計PERT網絡圖(見圖3)。

圖3 液體碼頭卸船流程作業工序網絡計劃圖

依據作業工序流程和工序規則確定關鍵工序步驟，即工序4、工序5、工序8、工序11、工序20，總共有8個節點組成了關鍵工序網絡計劃圖。橫線上方數字為工序編號，下方為對應工序完成的一般時間，其中工序6和工序7為作業時間范圍。節點6到節點7為工序11、工序12、工序13、工序14、工序15、工序16連續進行，6個工序中間不中斷依次進行，為簡化網絡計劃圖，將6個工序放在2個節點之間。同理，節點7和節點8之間為連續工序17、工序18、工序19、工序20，工序對應的時間列在橫線下方用加號連接。節點3到節點8連接工序21、工序22和工序23為3個監護工序，在作業期間需對相應設備進行全程監護，監護時間隨作業時間總長度變化。

5.5 優化資源配置

以一艘船到泊位卸貨流程為案例，以0.5 h為一個標準時間段繪制最短工序流程甘特圖(見圖4)，由圖可得，整個卸船流程作業工序最短時間為65個標準時間段，即32.5 h，其中不包括穩定卸貨時間，穩定卸貨時間取決于船舶載重量和計劃卸貨量。在不進行工序優化的情況下，每個工序步驟依次進行，需要38.75 h完成一次卸船流程。

圖4 液體碼頭卸船作業流程工序計劃甘特圖

一艘船舶的作業資源中，工作系X需要人工數量為11，同時工作系Y的監護工作需要固定人工數量為3，整個作業流程中，R′為14，B′為1，RL′為2～4，Rb′為2。其中輸油臂與泊位資源配比固定為4∶1，即1個泊位固定有4臺輸油臂，一般情況下，使用2臺輸油臂進行卸貨。登船梯與泊位資源配比固定為2∶1，即1個泊位固定有2臺登船梯。因此輸油臂和登船梯不會出現資源限制情況。但是人工資源和泊位資源會出現限制，當9個泊位同時進行裝卸作業時，裝卸一隊出現人工資源限制；當8個泊位同時進行裝卸作業時，裝卸二隊出現人工資源限制；當10個泊位同時進行裝卸作業時，裝卸三隊出現人工資源限制。液體碼頭總共12個泊位，當12個泊位同時進行裝卸作業時，出現泊位資源限制。由于人工資源會在泊位資源前出現資源限制，為了液體碼頭卸船流程的連貫性，在資源配置上應優先考慮人工資源，再考慮泊位資源。

6 結語

以某原油碼頭為案例，對其公司的組織架構人力資源總量進行分析，對卸船作業場景流程工序進行分解并劃分作業系，找出關鍵作業工序和可并行的最大作業工序，通過繪制網絡計劃圖和甘特圖準確找到液體碼頭作業卸船流程關鍵步驟和工序順序，合理優化碼頭資源配置，以提高作業效率，減少流程總用時。