國內(nèi)外港口工作可作業(yè)時(shí)間分析方法

張軍，孫亞斌，鐘雄華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230）

國內(nèi)外港口工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，均很重視碼頭可作業(yè)時(shí)間的分析。可作業(yè)時(shí)間是港口掩護(hù)效果的直接指標(biāo)，也是分析泊位通過能力的重要參數(shù)，對(duì)于評(píng)估港口的吞吐能力有重要意義。國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則均對(duì)碼頭的可作業(yè)時(shí)間或可作業(yè)條件給出了要求或建議。

1 分析碼頭可作業(yè)時(shí)間的方法

分析碼頭的可作業(yè)時(shí)間，常用的指標(biāo)和方法有年可作業(yè)天數(shù)、不可作業(yè)率（downtime），以及考慮船舶全過程作業(yè)的可作業(yè)率（operability）。

1.1 年可作業(yè)天數(shù)

年可作業(yè)天數(shù)是最早出現(xiàn)的、較常用的用于評(píng)價(jià)碼頭可作業(yè)時(shí)間的參數(shù)。該參數(shù)在收集工程區(qū)域多年風(fēng)、浪、降雨、霧、雷暴、冰況等氣象和水文資料基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)規(guī)范允許的可作業(yè)條件，對(duì)不同船舶可在碼頭系泊并作業(yè)的年可作業(yè)天數(shù)進(jìn)行計(jì)算[1]。因各氣象水文因素出現(xiàn)超標(biāo)的時(shí)間不一定連續(xù)，對(duì)船舶作業(yè)的影響也不盡相同，且不同的因素可能同時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)情況，故在計(jì)算過程中需要較多的工程經(jīng)驗(yàn)，才能確定出合理的年可作業(yè)天數(shù)[2]。國內(nèi)項(xiàng)目大多采用該指標(biāo)。

1.2 不可作業(yè)率（downtime）

不可作業(yè)率是指將1 a中自然原因?qū)е碌牟荒茏鳂I(yè)時(shí)間直接相加得到的時(shí)間除以1 a的總時(shí)間得到的比率，可以針對(duì)泊位的裝卸作業(yè)進(jìn)行分析，也可以針對(duì)航道和操作水域進(jìn)行分析。

針對(duì)泊位裝卸作業(yè)進(jìn)行分析，一般是通過船舶系泊研究，以船舶的運(yùn)動(dòng)量或受力不超標(biāo)兩者中較嚴(yán)的一個(gè)為準(zhǔn)則[3-4]，獲得裝卸作業(yè)的允許風(fēng)浪條件包絡(luò)值，結(jié)合港址處多年氣象水文時(shí)間序列（間隔1 h或3 h的記錄或后報(bào)序列），計(jì)算出不滿足作業(yè)條件的時(shí)間，進(jìn)而得到不可作業(yè)率。筆者在西非某大型集裝箱港項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，結(jié)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(nèi)，最大（12 000 TEU）和最?。?00 TEU）船型的不可作業(yè)率均小于1%。

針對(duì)航道和操作水域的分析，往往受制于拖輪的抗風(fēng)、浪性能。因此，可以拖輪的作業(yè)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(yè)水域的不可作業(yè)率。有條件的情況下，可結(jié)合操船試驗(yàn)?zāi)M拖輪在不同風(fēng)、浪條件下的作業(yè)效率，并開展船舶航行時(shí)龍骨下富裕水深研究，以深入分析其對(duì)不可作業(yè)率的影響[5-6]。

不可作業(yè)率因采用多年氣象水文時(shí)間序列作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故相比于年可作業(yè)天數(shù)，可以較準(zhǔn)確地計(jì)算不可作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而得到的不可作業(yè)率也較準(zhǔn)確[7]。但其未考慮船舶進(jìn)出港及裝卸作業(yè)的連續(xù)性，對(duì)于因短期惡劣天氣導(dǎo)致的船舶離港造成的作業(yè)時(shí)間損失會(huì)給出偏于不保守的結(jié)果。近年來國外大多數(shù)碼頭項(xiàng)目采用該指標(biāo)。

1.3 考慮船舶到港全過程作業(yè)的可作業(yè)率（oper-ability）

此種可作業(yè)率將船舶進(jìn)出港及裝卸等作業(yè)視為一個(gè)整體過程作業(yè)進(jìn)行分析。首先，需明確船舶到港各作業(yè)的工作順序，結(jié)合拖輪及裝卸設(shè)備等的能力評(píng)估各階段作業(yè)所需要的時(shí)間；其次，通過試驗(yàn)研究或參考相關(guān)規(guī)范確定各階段作業(yè)的風(fēng)、浪等限制條件；再次，在多年氣象水文時(shí)間序列框架內(nèi)逐時(shí)分析以該時(shí)刻為起點(diǎn)時(shí)，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(yè)；最后將可完成全過程作業(yè)的起點(diǎn)個(gè)數(shù)除以多年全部的時(shí)點(diǎn)個(gè)數(shù)，得到船舶全過程作業(yè)的可作業(yè)率。

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

關(guān)于各階段的耗時(shí)，引水員登船及進(jìn)港、靠系泊及離泊、離港作業(yè)所需要的時(shí)間可結(jié)合港務(wù)局管理規(guī)定及實(shí)時(shí)操船試驗(yàn)（real-time navigation simulation）來確定。操船試驗(yàn)建議邀請(qǐng)當(dāng)?shù)氐囊畣T參加，他們對(duì)當(dāng)?shù)氐臍庀蠛r條件及港務(wù)局相關(guān)規(guī)定較為了解。裝卸貨物作業(yè)所耗時(shí)間，對(duì)于散貨碼頭，需要了解裝卸設(shè)備的性能和效率及臺(tái)機(jī)數(shù)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(shè)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(kuò)建項(xiàng)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(shí)間只能采用較小的10 000 t/h。此外對(duì)于液體散貨碼頭，還需要考慮裝卸開始效率從0達(dá)到額定效率及裝卸結(jié)束時(shí)從額定效率至停機(jī)所耗時(shí)間，以及結(jié)束后的吹掃時(shí)間。對(duì)于集裝箱碼頭，需考慮單船到港的裝卸箱量、岸橋臺(tái)時(shí)效率等。聯(lián)檢公估一般考慮3~5 h；離泊及離港過程與進(jìn)港靠系泊過程類似，但離泊過程比靠泊過程簡單，故耗時(shí)略短。

關(guān)于各階段作業(yè)的限制風(fēng)、浪條件，主要涉及到船舶航行及系泊作業(yè)的過程。船舶航行主要取決于拖輪的可作業(yè)波高，當(dāng)有條件時(shí)，可采用操船試驗(yàn)來詳細(xì)確定船舶在拖輪協(xié)助下進(jìn)出港和港內(nèi)航行時(shí)的允許風(fēng)、浪條件。一般來說，對(duì)于LNG船和壓載的油船，干舷高度較高，其受橫風(fēng)影響也較大。系泊作業(yè)的限制條件一般采用系泊試驗(yàn)來評(píng)估，可采用數(shù)學(xué)模型或物理模型的手段。需要注意的是，對(duì)于大型船舶，不同載度時(shí)其對(duì)風(fēng)、浪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也是不同的。故一般對(duì)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(shí)較短，可不予考慮），對(duì)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(yè)所需時(shí)間及各階段的限制條件后，則可以在風(fēng)、浪的多年時(shí)間序列中，以任意時(shí)刻為起點(diǎn)，評(píng)估其在后續(xù)完成全過程作業(yè)的可行性，評(píng)估過程簡要示意如表1（忽略風(fēng)向、波周期、波向、港內(nèi)外條件差異、流等）。作業(yè)1、2、3均可完成全過程作業(yè)，但作業(yè)4、5、6因裝卸作業(yè)后期波高超標(biāo)而不可完成全過程作業(yè)，故2020-01-01T00:00:00—02:00:00為滿足全過程作業(yè)的起始點(diǎn)，須參與全過程可作業(yè)率的計(jì)算，03:00:00—05:00:00為不滿足全過程作業(yè)的起始點(diǎn)，不參與全過程可作業(yè)率的計(jì)算。當(dāng)把時(shí)間序列中所有時(shí)刻為起點(diǎn)的情況都進(jìn)行評(píng)估后，則可以得到在該時(shí)間序列中完成全過程作業(yè)的可作業(yè)率。筆者曾參與的北非某油氣港擴(kuò)建項(xiàng)目中，即采用了全過程作業(yè)的可作業(yè)率進(jìn)行可作業(yè)時(shí)間評(píng)估，通過優(yōu)化平面布置改進(jìn)防波堤對(duì)泊位的掩護(hù)效果，最終滿足了業(yè)主對(duì)油氣泊位和集裝箱泊位各設(shè)計(jì)船型可作業(yè)率均不小于95%（油、所船）和85%（集裝箱船）的要求，驗(yàn)證了防波堤對(duì)各船型全過程作業(yè)的掩護(hù)效果。

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

2 可作業(yè)時(shí)間分析的要點(diǎn)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳盡準(zhǔn)確

無論采用年作業(yè)天數(shù)分析、不可作業(yè)率分析，還是考慮全過程作業(yè)的可作業(yè)率分析，詳實(shí)的氣象水文條件都是分析的重要基礎(chǔ)。10多年前，氣象水文的后報(bào)技術(shù)尚不成熟，多采用歷史記錄進(jìn)行分析，對(duì)于沒有歷史記錄的地區(qū)，則采用1 a或以上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄進(jìn)行分析，因觀測(cè)資料獲取的滯后而影響設(shè)計(jì)進(jìn)度的情況時(shí)有發(fā)生。隨著后報(bào)技術(shù)的日趨完善，特別是1979年以來全球逐時(shí)風(fēng)、浪條件的獲取變得十分便利[9]，采用經(jīng)短期實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證的模型計(jì)算獲得三四十年長時(shí)間序列的方法變得逐漸成熟，也將會(huì)被越來越多的項(xiàng)目所采用。

2.2 影響船舶各階段作業(yè)的因素分析

不同貨種船舶的作業(yè)流程不同，散貨船、集裝箱船各有其自身的作業(yè)特點(diǎn)，如液體散貨在裝卸完畢后的吹掃程序，原油碼頭根據(jù)原油品質(zhì)或需進(jìn)行伴熱輸送，裝卸設(shè)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(yè)分析之前調(diào)查清楚，以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的各階段作業(yè)時(shí)間。

2.3 各階段可作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的確定

作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般需要通過系泊試驗(yàn)和操船試驗(yàn)進(jìn)行確定，系泊試驗(yàn)中需要注意盡量采用實(shí)船資料，纜繩的選取和系泊布置不可過于激進(jìn)[11]，船舶的載度需要進(jìn)行合理性分析。操船試驗(yàn)中需對(duì)拖輪進(jìn)行合理化配置，盡量使得當(dāng)?shù)氐母劭诠芾聿块T多參與設(shè)計(jì)過程，以便設(shè)計(jì)成果符合當(dāng)?shù)厥褂昧?xí)慣。

3 結(jié)語

對(duì)碼頭可作業(yè)時(shí)間的方法和指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)分析，并指出基礎(chǔ)氣象水文數(shù)據(jù)、作業(yè)過程分析及各階段作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的確定是分析可作業(yè)時(shí)間的關(guān)鍵點(diǎn)。不同的指標(biāo)可在項(xiàng)目的不同階段結(jié)合需要進(jìn)行選取。國內(nèi)項(xiàng)目多采用年可作業(yè)天數(shù)指標(biāo)，海外項(xiàng)目多采用不可作業(yè)率或考慮全過程的可作業(yè)率指標(biāo)。

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(shí)間。對(duì)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(yè)時(shí)間的分析中，并注意其與超標(biāo)的波浪或風(fēng)同時(shí)發(fā)生的情況。今后還可以結(jié)合不同船型的到港頻率、航道的通航密度、堆場(chǎng)設(shè)備及疏運(yùn)設(shè)備等作為整體來建模分析，研究港口的隨機(jī)過程，結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)不斷調(diào)整港口設(shè)施及規(guī)模，以求港口達(dá)到最佳作業(yè)狀態(tài)。