港口作業(yè)中吞吐能力與作業(yè)設(shè)備配置優(yōu)化研究

港口作業(yè)中吞吐能力與作業(yè)設(shè)備配置優(yōu)化研究

中共中央、國務(wù)院從各個方面出發(fā)，確定了建設(shè)洋山港的重大戰(zhàn)略決策。但在2005年深水港區(qū)建成投產(chǎn)之前,上海港現(xiàn)有集裝箱碼頭如何才能滿足迅速增長的箱量需求,是我們迫切需要研究的課題。這對集裝箱碼頭作出合理的投資決策、研究裝卸設(shè)備的最優(yōu)配比、探討提高效率的途徑,早日把上海港建成具有先進水平的現(xiàn)代化集裝箱碼頭是十分重要的。為此,我們以外高橋集裝箱港區(qū)為背景,研究集裝箱碼頭的吞吐能力與裝卸設(shè)備配置優(yōu)化問題。我們應(yīng)用系統(tǒng)的思想,計算機仿真技術(shù),建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對2001~2005年集裝箱以每年10%~30%速度遞增所需要的設(shè)備條件、吞吐能力、瓶頸問題、管理問題等進行了探索,從而對提高集裝箱裝卸效率進行全面的診斷與分析,提出了有益的建議。本篇簡要地介紹了研究的基本思路與總體框架。一、港口裝卸設(shè)備優(yōu)化的研究思路研究立足于外高橋一期~四期集裝箱碼頭的整體,通過對港口裝卸設(shè)備配置優(yōu)化、港口吞吐能力分析和港口裝卸設(shè)備投資優(yōu)化研究這三個突出問題的分析,將系統(tǒng)思想緊密結(jié)合到研究中去。主要內(nèi)容與方法如下:1.隨機性仿真港口裝卸系統(tǒng)是一個多級排隊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),用多級排隊網(wǎng)絡(luò)的理論與方法描述港口裝卸系統(tǒng),可以更加真實地反映系統(tǒng)的實際。此外,港口裝卸是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。例如港口的服務(wù)臺數(shù)目就是非確定型的、動態(tài)的。研究的難點在于對隨機多級排隊系統(tǒng)的動態(tài)模擬。例如在港口裝卸系統(tǒng)中,牽引車將集裝箱運至堆場返回后才能再次裝貨,即作為一級服務(wù)臺的牽引車數(shù)目是不斷變化的,而且船舶配載、集裝箱尺寸、堆場距離、翻箱率等均具有很大的隨機性,所以對該復(fù)雜系統(tǒng)的仿真有一定難度。研究用仿真模型分析上述動態(tài)排隊網(wǎng)絡(luò)的行為,并經(jīng)過仿真實驗證明了算法的有效性和實用性,從而對港口裝卸系統(tǒng)的性能、響應(yīng)和能力進行了模擬研究。2.對港口裝卸過程的數(shù)據(jù)仿真港口裝卸設(shè)備的合理配置直接影響裝卸效率,在整個港口規(guī)劃中占有舉足輕重的作用。港口裝卸設(shè)備配置優(yōu)化模型以隨機過程理論與統(tǒng)計理論為基礎(chǔ),建立了反映港口裝卸過程的11個事件的模塊,通過大量的計算機仿真,診斷出當(dāng)前碼頭的設(shè)備配比尚未達到最優(yōu)狀態(tài),提出了橋吊、龍門吊和集卡的最優(yōu)配比與最優(yōu)設(shè)備數(shù)。在該優(yōu)化模型中,還進行了不同情況水平下的最優(yōu)配置分析,得到不同工藝與不同管理水平下的最佳設(shè)備數(shù)、以及最優(yōu)設(shè)備配比。在該最優(yōu)配置下,較大地提高裝卸效率,同時可以更好地發(fā)揮設(shè)備的潛力,節(jié)省有限的資源。3.接枝層基礎(chǔ)港口吞吐能力分析對港口規(guī)劃十分重要,它是港口規(guī)劃的基礎(chǔ)之一,同時通過吞吐能力估算與分折還找到港口的瓶頸。建立港口裝卸能力模擬模型與改善管理水平下裝卸能力模擬模型,估算出外一期與外二期的吞吐能力及其制約因素。4.研究方法和模型設(shè)備投資優(yōu)化,是在滿足需求量約束和資源約束條件下,求出使得外一期~外四期設(shè)備總投資最小化的滿意的設(shè)備投資方案。該模型的特點,是將外一期~外四期作為一個系統(tǒng)進行統(tǒng)籌的、動態(tài)的考慮。我們建立的港口裝卸設(shè)備投資優(yōu)化模型是一個非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型。由于港口問題的隨機性、動態(tài)性與復(fù)雜性,該模型有一定難度,具有劃新性。模型的目標(biāo)函數(shù)是總投資的凈現(xiàn)值最小,模型的約束條件包括滿足2001年~2005年10%和20%遞增率下的需求約束、各碼頭最大橋吊數(shù)約束、設(shè)備配比最優(yōu)約束、年增橋吊數(shù)約束、整數(shù)約束,以及非負約束。模型運行后得到了2001年至2005年滿足集裝箱增長需求的分碼頭、分年度的最優(yōu)設(shè)備投資方案。研究成果對于上海港的投資決策具有較大的借鑒意義。5.管理問題的對策與建議對影響裝卸設(shè)備配比、吞吐能力、碼頭生產(chǎn)效率的管理因素進行了定量研究,提出關(guān)于管理問題的對策與建議,其中包括關(guān)于加大信息系統(tǒng)投資力度的建議、關(guān)于進一步改善管理水平的建議、關(guān)于改善口岸環(huán)境的建議、關(guān)于引進新技術(shù)與新工藝的建議等。這些建議對港口未來發(fā)展是十分及時和有益的。6.研究港口裝卸系統(tǒng)的動態(tài)模擬模型運用離散事件仿真系統(tǒng)的原理,編制界面友好的集裝箱碼頭裝卸工藝模擬軟件,并用VB6.0語言編程實現(xiàn),為研究港口裝卸系統(tǒng)的行為提供了具有可操作性與直觀性的工具。我們在研究過程中提出了用多級排隊網(wǎng)絡(luò)描述港口裝卸系統(tǒng)的思路,并通過對隨機多級排隊網(wǎng)絡(luò)的模擬研究港口裝卸系統(tǒng)的性能;建立了集裝箱碼頭多級排隊網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模擬模型,并在此基礎(chǔ)上建立了集裝箱碼頭裝卸設(shè)備配置優(yōu)化模型;以系統(tǒng)思想研究港口吞吐能力與裝卸設(shè)備配置問題,提出了最優(yōu)設(shè)備配比與管理水平相關(guān)的觀點,并以上海外高橋集裝箱碼頭為例,對不同管理水平下的吞吐量和最優(yōu)設(shè)備配比進行了定量研究;并建立了以模擬模型輸出結(jié)果為輸入數(shù)據(jù)的動態(tài)非線性整數(shù)規(guī)劃模型,并在此基礎(chǔ)上建立了多碼頭裝卸設(shè)備投資優(yōu)化模型。運用該模型,得到了上海外高橋四個集裝箱碼頭以整體最優(yōu)為目標(biāo)的分年度、分碼頭的設(shè)備投資方案。二、節(jié)省裝備和對策1.外一期、外期裝卸機械集卡配比仿真結(jié)果表明:現(xiàn)在設(shè)備配備比尚未達到最佳狀態(tài)(指2000年);不同的橋吊數(shù)下,橋吊、龍門吊、集卡之間的合理配比是不同的,隨著橋吊數(shù)量的增加,龍門吊的配比呈下降趨勢,集卡配比基本不變;在現(xiàn)有的管理水平下,外一期、外二期的裝卸機械合理配備比分列為1:3.54:6和1:346:6。提高堆場管理水平降低翻箱率,提高船舶配載的均衡性,水平運輸由面向作業(yè)線改為面向作業(yè)面,橋吊、龍門吊、集卡之間的合理配比等是提高船時效率的有效途徑。2.橋吊配比及影響以900m集裝箱碼頭為對象,橋吊配備數(shù)分別由6至13臺,龍門吊、集卡以合理的配比進行仿真。仿真結(jié)果顯示船時效率隨著橋吊數(shù)量增加而上升,當(dāng)橋吊增加到一定數(shù)量后,船時效率增長數(shù)趨緩,再增加橋吊就不經(jīng)濟了。因此,認為900m碼頭橋吊的配備量為11~12臺較為合適。3.配置比的確定以碼頭長度、船舷大小、橋吊寬度及集卡作業(yè)環(huán)境等因素,確定碼頭所允許橋吊配備的最大數(shù)為13臺,并分別以2000年的實際配備比和優(yōu)化后的合理的配備比配備龍門吊和集卡。通過仿真得出:在2000年配備比下,900m碼頭最大能力為223萬TEU;在優(yōu)化后的合理配備比下,能力為251萬TEU;在達到上述吞吐量時,1000TEU以下的船舶平均占用泊位時間為一潮水,1000TEU以上的船舶占用時間為二潮潮水,泊位利用率為62%。4.20橋吊的年、月間比設(shè)備投資對策是以滿足上海港2001年的630萬TEU基礎(chǔ)上分別年遞增15%和20%,其所有增量由外高橋碼頭承擔(dān)及目前外高橋碼頭配備36臺橋吊的情況下,總投資凈現(xiàn)值最小的設(shè)備投資方案。通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,采用非線性整數(shù)規(guī)劃理論方法,集裝箱增量分別以5%~20%計算,求出2002~2005年分碼頭分年度設(shè)備投資方案。(1)以箱量年遞增15%方案計算,2002年至2004年現(xiàn)有橋吊數(shù)量可以滿足增量的需求,但為了滿足2005年增量的需求,于2004年末應(yīng)在外高橋碼頭上增加5臺橋吊。至2005年外高橋集裝箱碼頭的橋吊總數(shù)達到41臺。(2)以箱量年遞增20%方案計算,2002年、2003年現(xiàn)有36臺橋吊能滿足增量的需求,但于2003年末需增加4臺,于2004年末,需增加11臺。這樣可以滿足2004年和2005年箱量增長的需求。至2005年外高橋集裝箱碼頭的橋吊臺數(shù)達到51臺。(3)龍門吊、集卡的配備臺數(shù)按橋吊與龍門吊、集卡的配備比增加,即按1:3.50:5.5配備。(集卡目前是面對作業(yè)線情況下的配比,考慮到今后逐步過渡到面對作業(yè)面的運輸方式,可暫按1:5.0配備)三、集裝箱運輸?shù)墓芾砼c信息研究該課題研究過程中,通過對翻箱率、船舶配載的均衡性狀況、水平運輸、集卡的應(yīng)用面、橋吊的配備量及與龍門吊、集卡的配備比與碼頭能力、船時效率的相關(guān)性研究,發(fā)現(xiàn)這些問題是影響碼頭能力和船時效率的重要因素,而這四個因素中的前三個因素均與管理水平、信息系統(tǒng)密切相關(guān)。管理問題與高質(zhì)量信息系統(tǒng)的建立問題,已成為集裝箱碼頭未來發(fā)展的兩大“軟件”制約因素。為了充分發(fā)揮集裝箱碼頭的潛力,提高企業(yè)的經(jīng)濟效益,應(yīng)該重視集裝箱運輸?shù)墓芾砗托畔⑾到y(tǒng)的研究。為此,提出以下8個具體的研究課題:(1)集裝箱碼頭信息系統(tǒng)研究;(2)堆場管理軟件與配載軟件研究;(3)集卡面向作業(yè)線改為面向作業(yè)面的研究;(4)裝卸同時進行所需的技術(shù)、工藝、車輛行駛路徑、信息交流、通訊與管理的研究;(5)堆場合理使用及缺口對策研究;(6)改善口岸環(huán)境研究;(7)車輛最優(yōu)路徑研究;(8)引進新技術(shù)、新工藝研究。集裝箱碼頭系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng),研究過程中采用多級排隊網(wǎng)絡(luò)描述與模擬集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)。多級排隊的理論方法是國際較前沿的研究課題,其理論和方法尚未成熟。國外已有理論將排隊網(wǎng)絡(luò)問題簡化為若干獨立的單級排隊問題,但它僅適用于顧客到達流為泊松分布、服務(wù)時間分布為負指數(shù)