气象条件对沿海散货港口服务水平的影响

2020-10-22高树奇张保华李冰绯

港工技术 2020年5期

杨斌，高树奇，张保华，李冰绯

（中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

引言

随着全球经济和贸易的迅速发展，港口之间的竞争日趋白热化。港口服务水平，作为在港船舶所受服务质量的客观评价，其高与低能侧面反映港口竞争力的强弱。例如，无论船舶是处于装卸作业还是等待进港的状态，其营运成本相对较固定，如果某港口船舶在港等待时间普遍过长，船舶的等待将会给船舶经营者带来很大损失，长此以往，船公司可能会放弃该港口而选择其他港口挂靠营运，从而引起货源流失，降低港口竞争力。因此，港口服务水平的研究，对提高港口竞争力，使其在激烈的竞争中脱颖而出具有重要意义。

目前，国内外学者的研究重点主要集中在装卸设施、港口管理等领域，而在港口服务水平方面，鲜有研究。郭子坚等[1]以港口服务水平为基准，研究了沿海港口航道通过能力的定义和指标；陈琦等[2]通过控制同向进出港船舶尾随时间研究了船舶进出港安全时距对沿海港口服务水平的影响。以上研究均未考虑作业天数这一重要因素对港口服务水平的影响。

较其他货种而言，散货货种相对特殊，其装卸作业易受作业天数的影响，例如部分散货港区降水停工、天晴突击装卸等，加重了港口生产和船舶运行的不均衡性，进而引起港口服务水平的变化。因此，本文选择散货港口作为研究对象，从主要由作业天数控制的作业天数出发，运用Arena仿真软件，建立不同作业天数下沿海散货港口船舶进出港作业系统仿真模型，动态模拟船舶进出港及装卸作业全过程。通过运行仿真模型和采集数据，得到不同作业天数下的作业天数对港口服务水平的影响关系，可为提高港口竞争力及在港口规划与决策等方面提供理论依据。

1 港口散货生产作业系统仿真模型

1.1 港口服务水平

港口服务水平[2]评价指标的选取借鉴于公路、船闸和内河航道，其取值采用船舶在港平均等待时间与平均在泊作业时间的比值（S=AWT/AST）。港口服务水平是在港船舶所受服务质量的度量，同时也是港口交通状态的客观评价。港口服务水平的值越小，说明港口服务水平越好，在港船舶等待时间相对较短，港区生产状况良好，反之，说明港口服务水平差，在港船舶等待数量较多，港口堵塞情形较严重。一般认为S值控制在0.1～1.5[1]之间比较合适。

1.2 作业天数影响因素

散货港区港口作业天数主要受气象、海象和腹地经济条件的影响，其中，作业天数为主导因素。散货港区易受风、降水、雾等相关气象因素影响，主要体现在当风力大于六级船舶需立即停止装卸作业；风力小于七级时允许引航船靠近船舶及拖船强制引水；对粮食、水泥、棉花等，只要有雨即应停止装卸作业；能见度低于3级，船舶不宜在港区和航道上航行等方面。

在统计港口作业天数时，大风持续时间不足24 h，但大于12 h视为一天，不足12 h，但大于6 h计为半天；日降水量大于0.1 mm（含0.1 mm）可称为一个雨日；雾持续时间不足24 h但超过12 h即算一天，超过4 h计为半天[3]。

1.3 仿真模型

本文根据船舶到达港口后的作业历程细化为锚地待泊、船舶进港、装卸作业和船舶出港共四个子模块，如图1所示。综合考虑沿海散货港区的实际情况与服务规则，并细化气象模块对船舶进出港作业流程的影响，建立沿海散货港口作业系统仿真模型。

图1 沿海散货港口船舶进出港作业流程

其中，受作业天数控制的作业天数所在的是锚地待泊子模块，该模块构建过程为：由Create模块产生船舶实体，随后经Assign模块对船舶吨级、装卸量、船舶吃水等参数进行赋值，之后由天气模块确定当前风、雾等气象因素，扣除不可作业天数，最后由VB程序模块判断船舶实体是否允许进入航道，完成指泊流程。

2 仿真试验及结果分析

2.1 仿真参数

本仿真模型参数设置为：散货船舶到港服从泊松分布，到港时间间隔服从负指数分布[4]；航道为单线航道，通航历时取 1～3 h，进出港安全时距为15 min；各吨级泊位比例、各吨级到港船舶比例与当前现行规范及世界上现投入运营的散货船队构成比例一致，并将其定义为标准散货港区规模；不同通航历时下的散货港口其港区内各吨级泊位数量及比例均相同；潮汐为正规半日潮，潮差2 m。仿真运行时间1 a，仿真重复次数20次。

2.2 仿真结果分析

1）港口服务水平拟合分析

本文通过对沿海进口散货港区单线航道进行仿真实验，得出了我国沿海进口散货港区单线航道在达到相同航道通过能力[5]时，不同通航历时、作业天数与港口服务水平的关系如图2所示。

图2 港口服务水平与作业天数、通航历时的关系

由图2中拟合曲线可以得出港口服务水平的拟合方程为：

式中：t为作业天数，单位为d；St为港口服务水平指标；q0、A、B和C为拟合参数；td为通航历时，单位为h。

不同通航历时下拟合参数值及拟合优度见表1。

表1 港口服务水平公式拟合参数及拟合优度

由表1可以看出，判定系数R2均大于0.9，说明公式的拟合效果较好。

2）作业天数影响分析

假设τ表示和基准值下的服务水平相比较，增加或减少相应参数时对港口服务水平的影响幅度，由式(2)确定：

当τ的数值为正数时，说明所选参数值下的港口服务水平比基准值下的港口服务水平差，数值越大，港口内船舶等待时间越长，港口堵塞越严重；当τ的数值为负数，说明所选参数值下的港口服务水平比基准值下的港口服务水平好，数值越小，港口内船舶等待时间越短，港内生产状况越好。

以通航历时2 h为基准，各作业天数（t）下通航历时变化引起服务水平变动幅度（τ）如图3，通航历时为2 h时作业天数变化（Δt）引起的服务水平变动幅度（τ）如图4。

图3 通航历时变化引起服务水平变动关系

图4 作业天数变化引起的服务水平变动

由上述两图分析可知：

1）当通航历时增加时，服务水平的变动幅度（τ）的值为正数，且不断随着作业天数的提高而变大，说明通航历时的增加会引起港口服务水平的下降；反之，当通航历时的减小时，服务水平的变动幅度（τ）的值为负数，且不断随着作业天数的提高而变小，说明通航历时的减小会引起港口服务水平的上升，详见图3。

2）当通航历时一定时，作业天数的增加，服务水平的变动幅度（τ）的值为负数，且越来越小，说明作业天数的增加会引起港口服务水平的提升；反之，作业天数的减小，服务水平的变动幅度（τ）的值为正数，且越来越大，说明作业天数的减小会引起港口服务水平的降低，详见图4。

3 算例分析

以沿海某散货港区为例，港区含1万、3.5万、10万t级泊位各1个，5万t级泊位4个，潮汐为正规半日潮，潮差 2.3 m，单向航道，通航历时为1 h，船舶进出港安全时距为20 min，仿真运行时间1 a，仿真重复次数20次。仿真得到在达到一定航道通过能力下，作业天数与港口服务水平的影响关系，如图5所示。

图5 某港区作业天数与港口服务水平的关系曲线

由图5可看出，随着作业天数的增加，港口服务水平得到提升。由曲线的斜率随作业天数的增加而不断减小可知，作业天数的增加，港口服务水平的提升幅度不断减小，即航道在达到某一固定的通过能力的条件下，作业天数相对较小时，船舶等待时间相对较长，提高作业天数可大幅减小船舶等待时间而提升港口服务水平，但作业天数达到相对较高数值时，港口服务水平此时相对处于一个比较良好的状态，作业天数的增加对港口服务水平的提升幅度影响不大。