基于排隊論預測的港口集裝箱裝卸岸橋數量優化配置研究

汪秉權　章正偉

摘要：根據動態規劃的基本原理，采用排隊論模型，從系統狀態轉移概率出發，統計平均排隊時間等穩態性能指標，以較高的利用率，較少的船舶在港停留時間為約束，配置優化具有合適的港口集裝箱裝卸岸橋數量。

關鍵詞：港口集裝箱岸橋；排隊論；優化；配置

港口生產設備，尤其是港口裝卸機械設備，是港口固定資產的重要組成部分，是港口生產的重要物質技術基礎。港口企業是以裝卸作業為主的企業，裝卸總成本是企業的主要生產成本。而在裝卸總成本中，裝卸機械成本所占的比重將近裝卸總成本的一半。所以，只要設法減少港口機械成本，就可以大幅度降低裝卸總成本，從而使港口企業的利潤增加，經濟效益提高。因此，既要降低裝卸機械的投資，又要保證生產任務的完成，這就要求港口企業能夠合理地確定港口裝卸機械的擁有量，同時通過科學合理的港機管理體制嚴格具體的管理措施，努力保證港機的完好率，提高港機的利用率，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，其生產率的大小和配置的數量共同決定船舶的服務時間，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量優化配置研究。

1、岸橋作業過程

岸橋將集卡上的集裝箱自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，即：

2、岸橋生產率程序原理

1、岸橋生產率仿真計算原理：

任務箱是指卸船作業中的待卸箱或裝船作業中的待裝箱。

1）任務箱底面高于障礙物上表面轉2），否則轉3）；

2）海側起升距離等于安全余量：

3）海側起升距離等于障礙物上表面與任務箱底面高度差加安全余量：

4）依據任務箱位置和各速度參數計算裝卸作業時間，然后，所有任務任務完成轉7），否則轉5）；

5）該倍位任務完成轉6），否則判斷任務箱位置轉1）；6）岸橋整機移動到下一倍位，判斷任務箱位置轉1）；7）根據總作業箱數和作業時間輸出作業周期的均值和平均生產率，算法結束。

3、寧波北侖岸橋生產率仿真計算實例

寧波北侖集裝箱碼頭五期某岸橋尺寸參數和速度參數見表1。

裝卸設計船型：船寬18m，堆高4層，吃水3m；平均水位：12～13m

則該岸橋在設計平均水位裝載設計船型的生產數據如下：

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

這罩的輔助作業時間是指旋鎖脫開和鎖緊時間，對位時間，以及吊具旋轉時間之和。一般旋鎖脫開時間3s，鎖緊時間5s，對位時間10-15S，吊具全程旋轉時間10-30S。寧波北侖五期集裝箱碼頭的岸橋在實際作業過程中，輔助作業時間集中在35S左右，故正常作業情況下，平均生產率約25TUE/h，與其標稱的生產一致。

4、基于排隊論預測的岸橋數量配置

岸橋數量的選擇是以港口吞吐量為目標，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-碼頭岸橋數量；p-岸橋利用率；

T-碼頭年營運天數；Q-岸橋生產率（TEU偽）。

從上式可以看出岸橋生產率、岸橋數量和利用率共同決定著港口的吞吐量。上一章已經證明早在利用率達到100%之前，船舶的排隊現象就會達到不可允許的程度。所以泊位岸線一定時，港口吞吐量的擴大主要依靠提高泊位通過能力來擴大吞吐量即通過配置具有一定生產率的岸橋數量來滿足需求。如果岸橋配置的數量太多，裝卸能力過剩，必然會增大港口裝卸設備的初始投資。因利用率低，空閑時間過長所帶來的浪費會降低港口的經濟效益。反之，如果裝卸設備配置的不足，則可能導致船舶在港停泊時間過長，排隊現象嚴重，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量配置實例

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

由上述信息可知泊位數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循環時間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。

表中數據表明，隨著岸橋數量的增加，泊位利用率和船舶預期排隊時間降低，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，由于各設備性能均具有較好的指標岸橋數量配置2臺，船舶平均逗留時間不到2天，已經具有一定競爭力。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35-40萬TEU。

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

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。岸橋數量配置3個，船舶平均逗留時間不到2d，已經具有一定的競爭力。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32萬TEU。

比較表4-3和表4-5可知服務時間延長4小時，排隊時間迅猛增加。泊位利用率越高，排隊時間對服務時間的變動越敏感。經上述分析，建議漢陽港集裝箱碼頭投產時岸橋配置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5～10萬標箱的提升空間。

6、本章小結

本章對岸橋生產率進行了具體的研究，分析岸橋作業過程，然后詳細介紹了岸橋生產率的計計算原理，并編程實現計算全過程。最后依據岸橋裝卸能力配置岸橋數量，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量配置。