基于排隊論預(yù)測的港口集裝箱裝卸岸橋數(shù)量優(yōu)化配置研究

汪秉權(quán)　章正偉

摘要：根據(jù)動態(tài)規(guī)劃的基本原理，采用排隊論模型，從系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率出發(fā)，統(tǒng)計平均排隊時間等穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，以較高的利用率，較少的船舶在港停留時間為約束，配置優(yōu)化具有合適的港口集裝箱裝卸岸橋數(shù)量。

關(guān)鍵詞：港口集裝箱岸橋；排隊論；優(yōu)化；配置

港口生產(chǎn)設(shè)備，尤其是港口裝卸機(jī)械設(shè)備，是港口固定資產(chǎn)的重要組成部分，是港口生產(chǎn)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。港口企業(yè)是以裝卸作業(yè)為主的企業(yè)，裝卸總成本是企業(yè)的主要生產(chǎn)成本。而在裝卸總成本中，裝卸機(jī)械成本所占的比重將近裝卸總成本的一半。所以，只要設(shè)法減少港口機(jī)械成本，就可以大幅度降低裝卸總成本，從而使港口企業(yè)的利潤增加，經(jīng)濟(jì)效益提高。因此，既要降低裝卸機(jī)械的投資，又要保證生產(chǎn)任務(wù)的完成，這就要求港口企業(yè)能夠合理地確定港口裝卸機(jī)械的擁有量，同時通過科學(xué)合理的港機(jī)管理體制嚴(yán)格具體的管理措施，努力保證港機(jī)的完好率，提高港機(jī)的利用率，以最合理的成本換取最大的效益。

岸橋是集裝箱碼頭前沿用來裝卸集裝箱船舶的專用起重機(jī)，其生產(chǎn)率的大小和配置的數(shù)量共同決定船舶的服務(wù)時間，從而直接影響泊位利用率和船舶在港停留時間，因此，我們有必要研究岸橋數(shù)量優(yōu)化配置研究。

1、岸橋作業(yè)過程

岸橋?qū)⒓ㄉ系募b箱自A點吊起，垂直起升至B點，然后水平運行至c點，再垂直下降至D點：吊具從D點按原來的路線空返回到A點，形成一個工作循環(huán)，即：

2、岸橋生產(chǎn)率程序原理

1、岸橋生產(chǎn)率仿真計算原理：

任務(wù)箱是指卸船作業(yè)中的待卸箱或裝船作業(yè)中的待裝箱。

1）任務(wù)箱底面高于障礙物上表面轉(zhuǎn)2），否則轉(zhuǎn)3）；

2）海側(cè)起升距離等于安全余量：

3）海側(cè)起升距離等于障礙物上表面與任務(wù)箱底面高度差加安全余量：

4）依據(jù)任務(wù)箱位置和各速度參數(shù)計算裝卸作業(yè)時間，然后，所有任務(wù)任務(wù)完成轉(zhuǎn)7），否則轉(zhuǎn)5）；

5）該倍位任務(wù)完成轉(zhuǎn)6），否則判斷任務(wù)箱位置轉(zhuǎn)1）；6）岸橋整機(jī)移動到下一倍位，判斷任務(wù)箱位置轉(zhuǎn)1）；7）根據(jù)總作業(yè)箱數(shù)和作業(yè)時間輸出作業(yè)周期的均值和平均生產(chǎn)率，算法結(jié)束。

3、寧波北侖岸橋生產(chǎn)率仿真計算實例

寧波北侖集裝箱碼頭五期某岸橋尺寸參數(shù)和速度參數(shù)見表1。

裝卸設(shè)計船型：船寬18m，堆高4層，吃水3m；平均水位：12～13m

則該岸橋在設(shè)計平均水位裝載設(shè)計船型的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下：

橫梁高5m，安全余量1.4m，不同加速度和輔助作業(yè)時間下，岸橋生產(chǎn)率運行程序結(jié)果如表2所示。

這罩的輔助作業(yè)時間是指旋鎖脫開和鎖緊時間，對位時間，以及吊具旋轉(zhuǎn)時間之和。一般旋鎖脫開時間3s，鎖緊時間5s，對位時間10-15S，吊具全程旋轉(zhuǎn)時間10-30S。寧波北侖五期集裝箱碼頭的岸橋在實際作業(yè)過程中，輔助作業(yè)時間集中在35S左右，故正常作業(yè)情況下，平均生產(chǎn)率約25TUE/h，與其標(biāo)稱的生產(chǎn)一致。

4、基于排隊論預(yù)測的岸橋數(shù)量配置

岸橋數(shù)量的選擇是以港口吞吐量為目標(biāo)，以岸橋的裝卸能力為條件而決定的。集裝箱碼頭年通過能力可按下式估算：

Pt=bPL PL=pxTv×24xQ

式中：pt-碼頭年頭過能力：P_L-每臺岸橋的年裝卸能力（TEU）；b-碼頭岸橋數(shù)量；p-岸橋利用率；

T-碼頭年營運天數(shù)；Q-岸橋生產(chǎn)率（TEU偽）。

從上式可以看出岸橋生產(chǎn)率、岸橋數(shù)量和利用率共同決定著港口的吞吐量。上一章已經(jīng)證明早在利用率達(dá)到100%之前，船舶的排隊現(xiàn)象就會達(dá)到不可允許的程度。所以泊位岸線一定時，港口吞吐量的擴(kuò)大主要依靠提高泊位通過能力來擴(kuò)大吞吐量即通過配置具有一定生產(chǎn)率的岸橋數(shù)量來滿足需求。如果岸橋配置的數(shù)量太多，裝卸能力過剩，必然會增大港口裝卸設(shè)備的初始投資。因利用率低，空閑時間過長所帶來的浪費會降低港口的經(jīng)濟(jì)效益。反之，如果裝卸設(shè)備配置的不足，則可能導(dǎo)致船舶在港停泊時間過長，排隊現(xiàn)象嚴(yán)重，損害船公司及貨主的利益，由此會削弱港口的競爭能力。

所以港口岸橋擁有量，應(yīng)綜合考慮泊位利用率、岸橋利用率與船舶逗留時間。

5、寧波北侖五期岸橋數(shù)量配置實例

集裝箱碼頭由2個泊位組成，設(shè)計年裝卸集裝箱量為30萬TEU，根據(jù)相關(guān)設(shè)計人員提供的預(yù)測到港船型比例加權(quán)計算出船舶的平均載重噸為3萬噸級，設(shè)計船型平均額定載箱量為220TEU/艘，裝卸率為1，岸橋參數(shù)如表4-1所示，為具有一定的競爭力船舶預(yù)期逗留時間應(yīng)小于2d。

由上述信息可知泊位數(shù)n=2，年吞吐量Pt=300000TEU，額定載箱量g=220TEU/艘，fd=1，J下常工況下岸橋作業(yè)循環(huán)時間t=1/25h。取tf=1，在吞吐量不變的情況下，船舶在港停留時間如表3所示。

表中數(shù)據(jù)表明，隨著岸橋數(shù)量的增加，泊位利用率和船舶預(yù)期排隊時間降低，從而船舶在停留時間和邊際停留時間大幅度減少。在投資初期，由于各設(shè)備性能均具有較好的指標(biāo)岸橋數(shù)量配置2臺，船舶平均逗留時間不到2天，已經(jīng)具有一定競爭力。此時，泊位利用率約72%，船舶在港時間1.6天，邊際逗留時間約5天，泊位吞吐能力幾乎沒有提升空間。在碼頭營運期間，由于岸橋故障率增大直接削弱了岸橋的實際裝卸能力。岸橋不同的完好率時，船舶在港停留時間如表4所示。

在碼頭營運期間，隨著岸橋完好率的下降，岸橋配置2臺已經(jīng)顯然不能滿足要求，所以岸橋配置3臺。此時，泊位利用率約60%，船舶在港時間約1天，邊際逗留時間3天左右，泊位年吞吐量可達(dá)35-40萬TEU。

另外，隨著港口運營，集裝箱流向發(fā)生變化，尤其是外貿(mào)箱比例的增加，在泊位上不能同裝卸作業(yè)同時進(jìn)行的船舶的裝卸輔助作業(yè)、技術(shù)？作業(yè)時間以及船舶靠離泊時間等單項作業(yè)時間之和隨之增加，從而泊位利用率增加，致使船舶逗留時間預(yù)測發(fā)生較大誤差。

取tf=5，在吞吐量不變的情況下，船舶在港停留時間如表5所示。

岸橋數(shù)量配置2個，船舶平均逗留時間約5d>2d，相比于同一沿線的其他港口競爭力較弱，較易損失顧客。岸橋數(shù)量配置3個，船舶平均逗留時間不到2d，已經(jīng)具有一定的競爭力。將船舶在港時間提升0.1d，泊位利用率約70%，船舶在港時間約1.5d，泊位年吞吐量可達(dá)32萬TEU。

比較表4-3和表4-5可知服務(wù)時間延長4小時，排隊時間迅猛增加。泊位利用率越高，排隊時間對服務(wù)時間的變動越敏感。經(jīng)上述分析，建議漢陽港集裝箱碼頭投產(chǎn)時岸橋配置2臺，隨著運營狀況的變化和岸橋完好率的下降，岸橋配置3臺，年吞吐能力有5～10萬標(biāo)箱的提升空間。

6、本章小結(jié)

本章對岸橋生產(chǎn)率進(jìn)行了具體的研究，分析岸橋作業(yè)過程，然后詳細(xì)介紹了岸橋生產(chǎn)率的計計算原理，并編程實現(xiàn)計算全過程。最后依據(jù)岸橋裝卸能力配置岸橋數(shù)量，使得岸橋能夠滿足需求，同時完成了寧波北侖五期集裝箱碼頭岸橋數(shù)量配置。