煤炭码头泊位优化调度研究

 

1.1 论文研究背景 

港口是一个国家对外开放的窗口，是综合运输通道上的一个重要的节点，是国内外贸易往来的重要枢纽。1978 年改革开放以后，中国港口进入了高速发展期。新世纪伊始，全国掀起了新一股港口建设和发展的热潮。随着国家将港口管理权限下放，沿江沿海城市纷纷提出“以港立市”、“国际化大港口”等口号，许多港口出台了宏伟的发展计划。港口的建设数量、规模、吞吐量以惊人速度增长，中国港口格局初步形成，并且跻身世界港口大国的行列。2003 年是中国港口具有重要意义的一年，港口集装箱吞吐量远远领先于世界增长速度，总量达到 4800 万 TEU，超过美国，跃居世界第一。同年，港口完成货物吞吐量 26 亿吨，一举跃居世界第一。2005 年上海港货物吞吐量达到 4.43 亿吨，同比增长 16.7﹪，首次超过新加坡港，成为世界第一大港。2010 年年末，上海港全年货物吞吐量达到 6.5 亿吨，连续四年收获世界第一；集装箱吞吐量突破 2900 万 TEU，也首次超过新加坡港，荣登世界首位。直到 2010 年年底，中国已拥有沿海亿吨大港 22 个，成为世界上拥有亿吨港口最多的国家。回首 2001 年，全球集装箱吞吐量排名前十位的港口中，中国大陆仅有上海港和深圳港名列其中。而到 2008 年，中国大陆港口已经占据了“半壁江山”，它们分别是上海港、深圳港、广州港、宁波-舟山港、青岛港。事物的质变是由量变引起的，当量变达到一定程度时,就会发生质变。以中国港口发展而言，量的积累已经达到了一个惊人的程度，港口的吞吐量不断高增长。但是，吞吐量并不是港口追求的最终目标，世界大港不等同世界强港。要建设世界强港，必然要面临港口功能拓展、港口可持续发展、港口产业规划等命题。只有这样，中国的港口才能实现从量变到质变，从世界大港迈向世界强港。 

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1.2 论文研究的目的和意义

煤炭是我国经济发展的重要基础能源之一，煤炭港口是煤炭在运输过程中的重要中转站。由于煤炭的特点，煤炭港口一直在向专业化和大型化转变。如何提高煤炭港口装卸作业效率、减少船舶在港时间已成为近年来煤炭港口面临的普遍问题。本文通过运用运筹学的混合整数规划模型，对研究对象煤炭港口的泊位等港口资源进行优化配置。本文的研究目的是通过建立船舶在港最短时间模型，在作业过程中对港口资源进行合理的调度，从而提高煤炭港口的装卸作业效率，进一步提高港口的服务水平。近年来，随着我国港口的快速发展，港口行业之间的竞争日趋激烈。为了使港口更具有竞争力，各大港口纷纷想方设法提高自身的装卸作业效率。提高煤炭港口的装卸作业效率的方法主要有两个方面：第一个是增加港口的资源，包括泊位、堆场空间、装卸设备等；第二个是对现有的港口资源进行合理的有效的调度。对于一个已建港口而言，泊位、堆场空间相对固定，装卸设备也不能无限的增加，因为这关系到技术参数和成本的问题。所以对现有的港口资源进行合理的调度，从而提高装卸作业效率，已成为当下煤炭港口的主要研究。港口调度是保证港口生产企业的生产计划组织实施而进行的一系列指挥、协调、控制、监督等活动的总称。港口调度工作的质量直接影响到港口装卸的效率，做好港口调度工作是港口生产企业成功的关键所在。 

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第二章 相关研究文献综述 

 

2.1 煤炭概述 

煤的主要化学成分为固定碳、挥发物（一氧化碳、氢、氮、磷、硫、沼气等）及灰分等。煤的种类通常以含挥发物和固定碳的多少，可分为褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤四类。 煤的特性主要是会产生可燃性爆炸气体、自燃性、自热性与冻结性等。 煤炭的运输和积载应使用适合装运煤炭的交通工具。在装煤之前还应彻底清扫交通工具，严禁把易燃物和爆炸物品与煤同装；不一样煤种不能混装；煤与锰矿石不能混装；煤炭也不可与含硫矿石、铝盐、氨酸钾混装；不可把温度达 35℃以上的煤炭装进运输工具。 为了防止煤冻结，冬季待卸煤的含水量不可超过 5％。防止煤冻结的防冻剂有食盐、生石灰、石墨、氯化钙等。由于使用防冻剂来防冻，不仅费用很高，而且因加入不可燃烧物质以后，会增加煤的灰分和降低煤炭质量。所以要防止煤的冻结，最好的方法是控制煤的含水量。 严禁在通风口附近或可能积聚煤气的地方使用明火和吸烟。工作人员在进入运输工具时应佩戴防毒面具并且需要有专人陪同，时刻注意安全。在运输过程中应时常对煤炭进行表面通风，及时排除可燃、有毒、易爆炸气体。在运输过程中每天应按时测温，当温度达到 40℃至 45℃时，要增加测温次数。当温度达 60℃时要采取更加有效的通风办法。温度若再升高，还需往煤里注入蒸汽或者二氧化碳气。 

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2.2 港口调度问题

针对港口调度问题，国内外许多学者都进行了深入的探讨，但由于从整体优化的角度来分析问题较为复杂，所以国内外学者一般都从各作业环节的优化来进行研究，主要有泊位调度、岸桥调度、堆场内资源优化等方面。近年来，泊位分配的研究已经从单独研究泊位调度转变为泊位-岸桥联合调度，这种研究是把泊位-岸桥看成一个整体，他们之间相互影响、相互制约，这样更符合码头的实际情况。泊位调度是指港口为到港船舶安排指定的泊位使其可以停靠。泊位是港口资源的一个重要组成部分，对港口的装卸作业效率有重要的影响，国内外许多学者都开展了对港口泊位调度的研究，并且取得了显著的成果。 Imai（1997）等针对泊位调度问题，提出了动态分配模型以及静态分配的启发式算法，并使用拉格朗日松弛法对模型进行了求解，建立起基于船舶优先服务权的码头泊位分配模型，证明了使用拉格朗日松弛法不能在规定时间内寻找问题的最优解，并最终使用遗传算法求解问题[1]。Harris（2008）构建了改良煤炭港口生产力的仿真模型。运用精益生产的理念，通过建立 12 种仿真模型，对泊位和驳船等设备设施进行优化配置[2]。Monaco（2007）等以船舶总在港时间最短为目标，建立起连续泊位动态分配模型，最终对动态分配模型进行求解[3]。Lai 和Shih（1992）针对泊位分配问题提出了启发式算法，考虑了在不同标准下的不同的分配方案[4]。 国外的学者大多都是针对国外的某些港口的特定情况展开泊位调度问题的研究，并在此基础上建立模型，其中的约束条件、目标函数与国内港口的实际情况有一定的差别。 刘光（2008）将到港全部船舶总在港时间最短为目标，建立起码头泊位作业模型，并使用多目标粒子群算法求解模型[5]。杨海东（2007）把船舶进港顺序一共分为九种，并以这九种进港顺序作为泊位分配的先决条件，同时以全部船舶在港时间最短为目标，求得最优的船舶进港次序以及泊位的利用和分配，并且对此进行了模拟分析[6]。张燕涛（2005）在离散的泊位前提下建立模型，以所有船舶总在港时间最短为目标，并使用遗传算法求解模型[7]。黄晓鸣和徐小义（1996）用排队论的方法计算港口最佳的泊位数量，用于评估码头泊位的建设情况[8]。陈俊豪和孙士寅（1988）使用线性规划中的“运输问题”及其特例“分配问题”，对泊位调度问题进行深入探讨，提出了泊位调度的目标，并由此确定相应的约束条件，将泊位分配的问题转变成单目标线性规划问题[9]。

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第 3 章 煤炭码头基本设施及装卸作业流程简介 ......... 12 

3.1 煤炭码头及特点 .... 12 

3.1.1 煤炭装卸特点 .... 12 

3.1.2 煤炭码头布局特点 ........... 13 

3.2 煤炭码头基本设施........ 14 

3.3 煤炭码头装卸作业工艺与实务 .......... 18 

第 4 章 考虑潮汐因素的煤炭码头优化调度模型 ......... 22 

4.1 影响煤炭码头泊位调度的因素分析 ......... 22 

4.2 潮汐变化特点及其对码头作业的影响 ..... 26 

4.3 船舶在港停时 ........ 26

4.4 XX 煤炭码头泊位能力分析 ........ 27

4.5 XX 煤炭码头泊位调度存在问题分析 ....... 28 

4.6 模型基本假设条件........ 29

4.7 考虑潮汐因素的泊位优化调度模型 ......... 31 

第 5 章 基于 XX 煤炭码头的算例分析 .... 33 

5.1 XX 煤炭码头概况 .......... 33 

5.2 进港船舶数据 ........ 33 

5.3 船舶入泊时间窗 .... 35

5.4 基于 Cplex 的算例分析 ....... 38 

 

第五章 基于 XX 煤炭码头的算例分析 

 

5.1 XX 煤炭码头概况 

煤炭码头前沿岸线总长度为 527 米，拥有两个 3.5 万吨级的泊位，设计底标高-12.5 米，核准 7 万吨级靠泊能力。码头前沿较狭窄，主要用于安放卸船岸机。由于规模和对卸船效率的要求问题，采用的是间歇式卸船设备。码头经常需要进行煤炭过驳作业，所以在码头前沿有排放过驳皮带机。前沿卸船皮带 3 条，码头生产流程共 1274 条。 煤炭堆场由大片夯实的平地组成，形状为长条型，宽度约为堆存机械臂长的两倍左右。堆场以两块为一组，分别安排在高架皮带机的两侧，高架皮带机上行走的堆存机械可同时在两侧作业。堆场一共分为 0-9 号堆场，堆存量约为 70 万吨。 煤炭码头使用的大型装卸机械主要有带斗桥吊、皮带机、斗轮堆取料机、装卡机、装船机等等，流动机械主要有斗车、推扒机、挖掘机等等。 煤炭码头配备喷洒除尘系统、污水再处理系统、通信等配套设施，建立了比较完整的电子现场监控、货运业务、生产流程控制、物资仓库管理、设备管理、办公自动化等计算机管理系统。考虑到吃水相差不大的大船要求的靠泊水深相差不大，论文选取了某月的潮汐表，并选取了吃水分别为 13.2 米，13 米，12.8 米，12.5 米，10.8 米，10.5米，10.4 米，10 米的大船作为计算的对象，其中吃水 10.8 米以下（包含 10.8米）的大船在本月的任何时段都可以靠泊。在时间窗中，如果大船在对应时间可以靠泊，以“1”作为标记，不可以靠泊就以“0”作为标记。  

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结论

 

随着中国经济的快速发展，国内港口的竞争日趋激烈。论文基于这个背景，阐述了提高装卸作业效率，缩短船舶在港停时对于港口的重要性。 当前国内外学术界对于港口调度的研究集中在泊位调度、装卸机调度、堆场内资源优化、各环节集成优化等方面，而较少涉及到讨论在潮汐作用影响下的泊位调度。论文首先介绍了煤炭港口的装卸资源以及装卸作业流程，接着分析了影响港口作业效率的因素。 XX 煤炭码头是位于珠江边的一个专业煤炭码头，在到港船舶大型化发展的趋势影响下，潮汐作用已成为提升码头业务能力的关键因素。论文通过分析中国沿海潮汐分布特点，指出 XX 煤炭码头属于不规则半日潮港，一天 24 小时以内分别有两个高潮和两个低潮。对于满载的大船来说，一般的安全靠泊水深必须要超过大船吃水的 10﹪。所以当大船的吃水超出了这个范围，大船只能在锚地抛锚等待，直到潮水提供了足够的水深才能靠泊码头，即特定的时间窗口。论文利用了潮汐的一些特性来简化问题。首先，高潮发生在一个已知的时间频率（TF）约12 小时，因此，论文假设 TF 为常数；其次，由于大船的卸货时间比其可行的系泊时间长得多，因此，论文近似地把一条大船在每个高潮时期的可行系泊时间作为一个固定的时间点。结合以上假设，论文所考虑的问题就是在一定的时间间隔TF 内的一系列固定的系泊时间的泊位分配问题。

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参考文献(略)