基于排队论预测的港口集装箱装卸岸桥数量优化配置研究

汪秉权　章正伟

摘要：根据动态规划的基本原理，采用排队论模型，从系统状态转移概率出发，统计平均排队时间等稳态性能指标，以较高的利用率，较少的船舶在港停留时间为约束，配置优化具有合适的港口集装箱装卸岸桥数量。

关键词：港口集装箱岸桥；排队论；优化；配置

港口生产设备，尤其是港口装卸机械设备，是港口固定资产的重要组成部分，是港口生产的重要物质技术基础。港口企业是以装卸作业为主的企业，装卸总成本是企业的主要生产成本。而在装卸总成本中，装卸机械成本所占的比重将近装卸总成本的一半。所以，只要设法减少港口机械成本，就可以大幅度降低装卸总成本，从而使港口企业的利润增加，经济效益提高。因此，既要降低装卸机械的投资，又要保证生产任务的完成，这就要求港口企业能够合理地确定港口装卸机械的拥有量，同时通过科学合理的港机管理体制严格具体的管理措施，努力保证港机的完好率，提高港机的利用率，以最合理的成本换取最大的效益。

岸桥是集装箱码头前沿用来装卸集装箱船舶的专用起重机，其生产率的大小和配置的数量共同决定船舶的服务时间，从而直接影响泊位利用率和船舶在港停留时间，因此，我们有必要研究岸桥数量优化配置研究。

1、岸桥作业过程

岸桥将集卡上的集装箱自A点吊起，垂直起升至B点，然后水平运行至c点，再垂直下降至D点：吊具从D点按原来的路线空返回到A点，形成一个工作循环，即：

2、岸桥生产率程序原理

1、岸桥生产率仿真计算原理：

任务箱是指卸船作业中的待卸箱或装船作业中的待装箱。

1）任务箱底面高于障碍物上表面转2），否则转3）；

2）海侧起升距离等于安全余量：

3）海侧起升距离等于障碍物上表面与任务箱底面高度差加安全余量：

4）依据任务箱位置和各速度参数计算装卸作业时间，然后，所有任务任务完成转7），否则转5）；

5）该倍位任务完成转6），否则判断任务箱位置转1）；6）岸桥整机移动到下一倍位，判断任务箱位置转1）；7）根据总作业箱数和作业时间输出作业周期的均值和平均生产率，算法结束。

3、宁波北仑岸桥生产率仿真计算实例

宁波北仑集装箱码头五期某岸桥尺寸参数和速度参数见表1。

装卸设计船型：船宽18m，堆高4层，吃水3m；平均水位：12～13m

则该岸桥在设计平均水位装载设计船型的生产数据如下：

横梁高5m，安全余量1.4m，不同加速度和辅助作业时间下，岸桥生产率运行程序结果如表2所示。

这罩的辅助作业时间是指旋锁脱开和锁紧时间，对位时间，以及吊具旋转时间之和。一般旋锁脱开时间3s，锁紧时间5s，对位时间10-15S，吊具全程旋转时间10-30S。宁波北仑五期集装箱码头的岸桥在实际作业过程中，辅助作业时间集中在35S左右，故正常作业情况下，平均生产率约25TUE/h，与其标称的生产一致。

4、基于排队论预测的岸桥数量配置

岸桥数量的选择是以港口吞吐量为目标，以岸桥的装卸能力为条件而决定的。集装箱码头年通过能力可按下式估算：

Pt=bPL PL=pxTv×24xQ

式中：pt-码头年头过能力：P_L-每台岸桥的年装卸能力（TEU）；b-码头岸桥数量；p-岸桥利用率；

T-码头年营运天数；Q-岸桥生产率（TEU伪）。

从上式可以看出岸桥生产率、岸桥数量和利用率共同决定着港口的吞吐量。上一章已经证明早在利用率达到100%之前，船舶的排队现象就会达到不可允许的程度。所以泊位岸线一定时，港口吞吐量的扩大主要依靠提高泊位通过能力来扩大吞吐量即通过配置具有一定生产率的岸桥数量来满足需求。如果岸桥配置的数量太多，装卸能力过剩，必然会增大港口装卸设备的初始投资。因利用率低，空闲时间过长所带来的浪费会降低港口的经济效益。反之，如果装卸设备配置的不足，则可能导致船舶在港停泊时间过长，排队现象严重，损害船公司及货主的利益，由此会削弱港口的竞争能力。

所以港口岸桥拥有量，应综合考虑泊位利用率、岸桥利用率与船舶逗留时间。

5、宁波北仑五期岸桥数量配置实例

集装箱码头由2个泊位组成，设计年装卸集装箱量为30万TEU，根据相关设计人员提供的预测到港船型比例加权计算出船舶的平均载重吨为3万吨级，设计船型平均额定载箱量为220TEU/艘，装卸率为1，岸桥参数如表4-1所示，为具有一定的竞争力船舶预期逗留时间应小于2d。

由上述信息可知泊位数n=2，年吞吐量Pt=300000TEU，额定载箱量g=220TEU/艘，fd=1，J下常工况下岸桥作业循环时间t=1/25h。取tf=1，在吞吐量不变的情况下，船舶在港停留时间如表3所示。

表中数据表明，随着岸桥数量的增加，泊位利用率和船舶预期排队时间降低，从而船舶在停留时间和边际停留时间大幅度减少。在投资初期，由于各设备性能均具有较好的指标岸桥数量配置2台，船舶平均逗留时间不到2天，已经具有一定竞争力。此时，泊位利用率约72%，船舶在港时间1.6天，边际逗留时间约5天，泊位吞吐能力几乎没有提升空间。在码头营运期间，由于岸桥故障率增大直接削弱了岸桥的实际装卸能力。岸桥不同的完好率时，船舶在港停留时间如表4所示。

在码头营运期间，随着岸桥完好率的下降，岸桥配置2台已经显然不能满足要求，所以岸桥配置3台。此时，泊位利用率约60%，船舶在港时间约1天，边际逗留时间3天左右，泊位年吞吐量可达35-40万TEU。

另外，随着港口运营，集装箱流向发生变化，尤其是外贸箱比例的增加，在泊位上不能同装卸作业同时进行的船舶的装卸辅助作业、技术？作业时间以及船舶靠离泊时间等单项作业时间之和随之增加，从而泊位利用率增加，致使船舶逗留时间预测发生较大误差。

取tf=5，在吞吐量不变的情况下，船舶在港停留时间如表5所示。

岸桥数量配置2个，船舶平均逗留时间约5d>2d，相比于同一沿线的其他港口竞争力较弱，较易损失顾客。岸桥数量配置3个，船舶平均逗留时间不到2d，已经具有一定的竞争力。将船舶在港时间提升0.1d，泊位利用率约70%，船舶在港时间约1.5d，泊位年吞吐量可达32万TEU。

比较表4-3和表4-5可知服务时间延长4小时，排队时间迅猛增加。泊位利用率越高，排队时间对服务时间的变动越敏感。经上述分析，建议汉阳港集装箱码头投产时岸桥配置2台，随着运营状况的变化和岸桥完好率的下降，岸桥配置3台，年吞吐能力有5～10万标箱的提升空间。

6、本章小结

本章对岸桥生产率进行了具体的研究，分析岸桥作业过程，然后详细介绍了岸桥生产率的计计算原理，并编程实现计算全过程。最后依据岸桥装卸能力配置岸桥数量，使得岸桥能够满足需求，同时完成了宁波北仑五期集装箱码头岸桥数量配置。