航道尺度对集装箱码头泊位有效利用率的影响

唐国磊，王文渊，郭子坚，宋向群，于旭会，张冉

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024)



航道尺度对集装箱码头泊位有效利用率的影响

唐国磊，王文渊，郭子坚，宋向群，于旭会，张冉

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024)

摘要:进港航道已经成为制约港口通过能力发挥的因素之一，在港口规划时应考虑航道尺度对泊位有效利用率的影响。本文以集装箱码头为例，将船舶航行作业过程引入港口生产作业仿真模型;根据相关行业规范，设计一系列仿真试验方案并确定仿真模型参数;定量分析集装箱码头泊位有效利用率与泊位数、航道线数和航行历时之间的影响关系，为合理确定集装箱码头泊位有效利用率、估算年泊位通过能力提供理论依据。结果表明，在选取合理泊位有效利用率时，进港航道尺度不可忽略，尤其是单线长航道。同时，建议在实际工程中采用计算机仿真技术来评价港口总平面布置方案，保证港口整体高效运营。

关键词:集装箱码头;泊位利用率;仿真;航道;港口服务水平

集装箱码头泊位有效利用率是确定码头通过能力和码头规模的重要参数，其取值通常根据港口服务水平指标AWT/AST(船舶待时占其泊位停时的比例)和泊位数选取［1－2］。然而，随着我国港口货物吞吐量快速增长，进港船舶数量不断增多，进港航道内船舶交通日趋繁忙，在不同程度上出现“船舶等待航道”现象，进港航道已经成为制约港口通过能力的因素之一［3－5］。因此，在选取泊位有效利用率时，应充分考虑航道尺度与其的影响关系。

在国际上，推荐应用M/Ek/S排队模型(M表示船舶到港服从Poisson分布，Ek表示船在泊位上停时服从k阶Erlang分布，S为泊位数)，并根据AWT/AST，来确定合理泊位有效利用率［6］;杨兴晏等应用M/E3/S模型建立了AWT/AST与泊位利用率之间的关系图表，探讨了我国集装箱码头合理泊位利用率的取值范围［1］;考虑船舶到港的随机性，吴丽结等尝试利用仿真技术获得大连港大窑湾一期码头的泊位利用率［7］。显然，在上述相关研究中，尚未考虑航道尺度对泊位有效利用率影响，无法适应现阶段我国港口发展的实际情况。

为此，本文将引入船舶航行作业系统，模拟船舶在航道航行作业过程，通过设计并运行一系列仿真试验方案，定量分析航道尺度与泊位有效利用率的影响，以期为合理确定泊位有效利用率、估算集装箱码头年泊位通过能力提供理论依据。

1　港口服务水平指标

联合国贸易和发展会议(UNCTAD)在《发展中国家港口规划手册》［6］中，采用船舶待时占其泊位停时的比例(AWT/AST)来反映港口服务水平，并以此作为合理泊位有效利用率选取的依据。其中，AST表示港口在正常情况下平均装卸一条船所需要时间(即船在泊位上停时)，AWT表示船舶平均等待时间。因此，本文也将AWT/AST作为泊位有效利用率选取标准。例如，在《海港集装箱码头设计规范》［2］提出:3个以上泊位连续布置的大型(5万吨级及以上)集装箱码头服务水平指标宜为0.1≤AWT/AST≤0.3;2个以下泊位组成的小型集装箱码头服务水平指标宜取0.4≤AWT/AST≤0.5。

2　仿真模型及仿真试验方案

考虑到船舶到港间隔时间、泊位服务时间等具有明显的随机性［4－5，8－12］，本文应用计算机仿真技术建立仿真模型，模拟集装箱码头生产作业，尤其是船舶航行作业，来解析航道尺度与泊位有效利用率之间的影响关系。同时，根据我国现行港口行业规范，设计仿真试验方案并确定仿真模型参数。

2.1基本假设

1)采用固定靠泊方式、先到先服务原则分配泊位资源［9］。

2)先卸后装的原则安排装卸作业。

3)船舶种类、吨级等，配置岸桥、场桥和港内集卡资源［2］;集卡采用“最短路径”调度原则。

2.2仿真模型

根据集装箱码头生产作业流程，本文将港口生产作业划分为船舶航行作业、码头前沿装卸作业、水平运输作业、堆场作业和闸口作业等子模型。如图1所示，各子模型之间通过实体(如船舶、集装箱、集装箱卡车等)与资源(如航道、泊位、岸桥、场桥等)发生作用而产生事件联系，并通过“水平运输作业”交通流形成一个有机的整体。

图1　集装箱码头生产作业系统各子模型相关关系示意图Fig.1 The relationship between each sub-model of container terminal operating system

图2　单、双线航道下船舶航行作业系统仿真流程图Fig.2 The flow of ship operation in a one-or two-way entrance channel

1)船舶航行作业子模型。如图2所示，船舶随机到港，如果有空闲泊位且航道满足船舶通航要求(如天气条件、船舶吃水、潮位、航道内有无船舶以及是否满足安全间距等)，到港船舶穿过航道到达泊位停靠，否则在港外锚地等待。待装卸作业完成且航道满足船舶通航要求，船舶则离开泊位、经航道离开港口。其中，船舶为实体，根据船舶尺度、吨级和单船装卸量等分配并占有航道、泊位资源。

2)码头前沿作业子模型，分为装船和卸船过程。装船是岸桥将内卡上的集装箱装到船上;卸船是岸桥将集装箱由船舶卸到集卡上。其中，实体为集装箱，资源有岸桥和内卡。

3)水平运输作业子模型，分为提箱和送箱过程。提箱是指内卡或外卡将集装箱从堆场提走送至泊位或大门;而送箱是指集装箱通过集卡从大门、泊位送至堆场。其中，集装箱为实体，集装箱卡车为运输工具。

4)堆场作业子模型，分为装箱和卸箱过程。装箱是指场桥将堆场上的集装箱装到集卡上送至码头前沿或通过闸口运出港区;卸箱则指场桥将集卡送到堆场的集装箱卸到堆场。其中，实体为集装箱，资源有箱位和堆场装卸设备。

5)闸口作业子模型。集装箱卡车进、出集装箱堆场送箱或提箱的通道，实体为集装箱卡车，资源包括进出口大门通道等。

2.3试验方案

为分析航道尺度与泊位有效利用率的影响关系，本文设计了一系列仿真试验方案，并根据相关规范确定相应的仿真模型参数。具体为:1)码头规模。由n个单一吨级泊位(n={ 1，2，…，6}，DWT={ 1万吨，2万吨，3万吨，5万吨，7万吨，10万吨，12万吨，15万吨})连续布置。

2)船舶到港规律、船舶在泊停时及装卸机械配置:船舶按泊松分布到达港口;船在泊位上停时服从3阶Er1ang分布;岸桥台时效率及每泊位配备台数依据《海港总体设计规范》［13］确定。

3)航道尺度:航道宽度用航道线数nec表示，即单线和双线航道;航道长度则用船舶进港时在航道的航行历时t表示，即t={ 0.5，1，1.5，2 h}［12］。

值得注意的是，本文仅针对新建港区且无资料可参考的情况，因此，船舶到港规律和船在泊位上停时，以及桥台时效率及每泊位配备台数等参数，都按照《海港总体设计规范》［13］选取。当有资料时，仿真模型参数都应根据历史资料来确定。

3　结果分析与讨论

运行仿真试验(仿真运行时间一年，独立重复运行仿真10次)，得到泊位有效利用率分别与泊位数、航道线数和航行历时等之间的数量关系，如图3～5所示。本文以5万吨级泊位为例，可接受的AWT/AST取为0.1，探讨航道尺度对泊位有效利用率的影响。经分析，可以得出以下结论:

1)在相同泊位数下，是否考虑航道尺度，其对应的泊位有效利用率有差别。例如，如图3所示，以泊位数n=3和通航历时t=1 h为例，当不考虑航道尺度影响时，泊位有效利用率为0.453;而实际上，在此条件下，单、双航道对应的泊位有效利用率仅为0.194和0.378，分别减少57％和17％，说明航道尺度会影响泊位通过能力，且单线航道较双线航道对其影响明显。因此，选取泊位有效利用率时，如果不考虑航道尺度对其的影响，港口将无法完成给定的吞吐量。

图3　未考虑与考虑航道情况下各通航历时对应的泊位有效利用率对比图(AWT/AST=0.1)Fig.3 The comparison of berth effective utilization for different transit time and berth number with and without entrance channel(AWT/AST=0.1)

2)在相同航道尺度下，给定港口服务水平指标值下，泊位有效利用率随泊位数n的增加而增大。如图3所示，以通航历时t=1 h(其他通航历时与之类似)为例，当泊位数从1增至6时，对于单线航道(图3(a))，泊位有效利用率分别为0.064、0.168、0.194、0.223、0.224和0.217;对于双线航道(图3(b))，泊位有效利用率分别为0.091、0.273、0.378、0.398、0.418和0.446。可见，当增加泊位数时，泊位有效利用率有相应的提高。同时，当n≥3时，泊位有效利用率仍会随泊位数增加而增加，但影响显著变小。所以，从泊位利用率角度来看，连续布置3个泊位相对经济合理。

3)泊位有效利用率受航道线数影响，单线航道对泊位有效利用率影响大。如图4所示，以n=3，t=1为例，单、双线航道对应的泊位有效利用率分别为0.194和0.378，单线航道对应泊位有效利用率要明显小于双线航道，也就是说在给定港口服务水平值下，相对于单线航道，拥有双线航道的集装箱码头泊位有效利用率宜取高值，有利于集装箱码头泊位通过能力的充分发挥。

图4　航道线数对泊位有效利用率的影响(n=3，AWT/AST=0.1)Fig.4 The impact of traffic lanes number on berth utilization(n=3，AWT/AST=0.1)

图5　单、双线航道下航道航行历时与泊位有效利用率的关系曲线(AWT/ST=0.1)Fig.5 The relation curve of the sailing time and berth utilization for single-channel and dual channel(AWT/ST=0.1)

4)无论单线还是双线航道，泊位有效利用率随着航道航行历时t增加而降低。例如，如图5所示，以n=3为例，当航行历时t从0.5～2 h变化时，单线航道下泊位有效利用率从0.261逐渐减至0.156，平均减少15.3％;双线航道下泊位有效利用率则从0.390减至0.315，平均减少6.8％。另外，从泊位利用率的平均变化率来看，在单线航道下，航道通航历时对泊位有效利用率的影响要比双线航道大。因此，在规划港区确定航道线数时，应根据港区规模、生产作业效率、疏浚工程量和维护费用等因素，经技术经济论证确定。

综上所述，泊位有效利用率不仅与港口服务水平指标AWT/AST和泊位数n有关，还受航道线数nec和航道航行历时t的影响，其函数表达式应表示为Aρ=f(n，AWT/AST，nec，t)，具体如图6所示。因此，建议在集装箱码头设计和相关规范修订中，应充分考虑航道通航条件对泊位有效利用率的影响关系;同时，也建议采用计算机仿真技术评估港口总平面布置方案，保证港口整体高效有序运行。

图6　泊位有效利用率与nec、n、AWT/AST和t的关系图Fig.6 The 3D relationship between berth utilization andnec，n，AWT/AST and t

4　结束语

为定量分析航道线数和航行历时对集装箱码头泊位有效利用率的影响关系，本文将船舶航行作业系统引入集装箱码头生产作业仿真模型。通过设计、运行仿真试验方案，并分析仿真结果表明，泊位有效利用率与受泊位规模和航道尺度密切相关，因此在选取泊位有效利用率时，应定量分析进港航道尺度，尤其是单线长航道对泊位通过能力的影响。同时，也建议采用计算机仿真技术评估港口总平面布置方案，保证港口整体高效有序运行。

本文给出的航道尺度与泊位有效利用率的影响关系，可为新建集装箱码头确定泊位有效利用率和估算年泊位通过能力提供参考。但是，当有历史资料可确定船舶到港规律和船在泊位上停时，以及桥台时效率及每泊位配备台数等参数，都应根据实际资料来确定，进而分析两者的影响关系，以合理选取泊位有效利用率。

参考文献:

［1］杨兴晏，魏恒州.沿海港口集装箱码头合理的泊位利用率分析［J］.港工技术，2004(3):5－7.YANG Xingyan，WEI Hengzhou.Analysis of reasonable berth utilization for coastal port container terminal［J］.Port Engineering Technology，2004(3):5－7.

［2］中华人民共和国交通运输部.JTS 165－4－2011.海港集装箱码头设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］唐国磊.沿海港口航道仿真理论与实验指南［M］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［4］TANG Guolei，GUO Zijian，YU Xuhui，et al.SPAC to improve port performance for seaports with very long one－way entrance channels［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2014，140(4):04014011.

［5］TANG Guolei，WANG Wenyuan，GUO Zijian，et al.Simulation－based optimization for generating the dimensions of a dredged coastal entrance channel［J］.SIMULATION，2014，90(9):1059－1070.

［6］United Nations Conference on Trade and Development.Port development－a handbook for planners in developing countries［M］.New York:United Nations Pubns，1985.

［7］吴丽结.集装箱码头泊位利用率的仿真研究［D］.大连:大连海事大学，2011.WU Lijie.The research of the berth utilization rate of container terminal based on the simulation［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2011.

［8］QUY N M，VRIJLING J K，VAN GELDER P H A J M，et al.Risk－and simulation－based optimization of channel depths:Entrance channel of cam pha coal port［J］.SIMULATION，2008，84(1):41－56.

［9］DEMIRCI E.2003 Simulation modelling and analysis of a port investment［J］.SIMULATION，2003，79(2):94－105.

［10］SHABAYEK A A，YEUNG W W.A simulation model for the Kwai Chung container terminals in Hong Kong［J］.European Journal of Operational Research，2002，140(1):1－11.

［11］ÖZGÜVEN E E，ALTINEL I K，GÜLLÜ R，et al.Quay length optimization using a stochastic Knapsack model［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2013，139(5):424－435.

［12］宋向群，张静，郭子坚，等.通航历时对沿海散货港区航道通过能力的影响分析［J］.港工技术，2010，47(2):18－20.SONG Xiangqun，ZHANG Jing，GUO Zijian，et al.Analysis of navigation duration influence to trafficability of navigation channel in coastal bulk cargo port area［J］.Port Engineering Technology，2010，47(2):18－20.

［13］中华人民共和国交通运输部.JTS 165－2013，海港总体设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2014.

Impact analysis of channel dimensions on the effective utilization ratio of container terminal berths

TANG Guolei，WANG Wenyuan，GUO Zijian，SONG Xiangqun，YU Xuhui，ZHANG Ran
(Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Abstract:The approach channel has become a key factor constraining the trafficability of seaports，and the impact of channel dimensions on the effective utilization ratio of berths needs to be considered when planning a container terminal.Using a container terminal as an example，this study integrated ship navigation and operation into a simulation of port construction and operation.Applying related industrial standards，we designed a series of simulation plans and determined the parameters of the simulation model.We then quantitatively analyzed the relationship between the effective utilization ratio of the container terminal berths，and the quantity of berths and channel lines and the duration of navigation，to provide a theoretical basis on which to determine the effective utilization ratio of container terminal berths and to estimate the annual trafficability of berths.The results demonstrated that the dimensions of the approach channel are important in achieving a satisfactory effective utilization ratio of berths，especially with a single－line long channel.This study recommends using computer simulation technology when assessing the general port plane layout of real engineering projects to ensure the efficient operation of the port.

Keywords:container terminal;berth utilization ratio;simulation;channel;port service level

通信作者:王文渊，E－mail:wangwenyuan@ dlut.edu.cn.

作者简介:唐国磊(1980－)，男，副教授，博士;王文渊(1984－)，女，讲师，博士.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51109030，51579035).

收稿日期:2014－08－24.网络出版时间:2015－12－21.

中图分类号:U651

文献标志码:A

文章编号:1006－7043(2016)01－0127－05

doi:10.11990/jheu.201408035

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1603.034.html