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入口通道尺寸对集装箱码头泊位的影响
摘要
本文探讨了在对一个新的集装箱码头进行总体规划时，入口通道尺寸对集装箱码头泊位的影响，以避免港口未来绩效可能出现的瓶颈。因此，首先开发了一个基于交互流程的模拟模型来模拟集装箱码头操作，尤其是入口通道处的船舶操作。然后进行了一系列的模拟实验，其中考虑了具有不同数量的泊位和入口通道的几十个集装箱码头来再现微观、随机、实时的环境。最后，仿真结果表明泊位占有率取决于入口通道尺寸，并且由于相同的港口服务水平，更多的泊位，双向通信信道和较少的信道进行时间拥有更高的泊位占有率。因此，在总体规划阶段确定泊位容量时，应当量化入口通道尺寸，特别是非常长的单向通道对泊位占用的影响，此外，本文提供的分析和仿真模型可以帮助港口当局和规划者在实践中实现协调的总体设计。
1.引言
沿海入口通道，连接着航道与海港，是船只安全高效地进出港口的航行通道，近来，港口船舶数量和规模的快速增加，极大的减少了港口时间，这导致了入口通道的更大的压力。甚至世界上的沿海入口通道，尤其是特别长的单向通道，都已经出现瓶颈并且必须扩大规模来提升港口绩效。例如，休斯顿船舶航道定期扩大，以适应越来越大船舶，宽度从400英尺增加到530英尺，深度从40英尺增加到45英尺。广州港集团计划投资4.84亿美元，来将深水区航道扩展为大型船舶的双向航道，并且大约41.38英里的航道将扩大到421码宽，55英尺深，因此，为了避免入口通道阻碍港口未来的发展，在总体规划阶段，通道尺寸对泊位占有率的影响应该被探讨。
在规划集装箱码头时，一个重要的考虑因素是提供充分的集装箱年度处理能力。根据中国海运总布置规范，泊位占有率，是设施利用率的衡量标准，是估计集装箱码头能力的重要参数，所以，对于港口规划者来说，确定合适的泊位占有率是很关键的。然而，在估计集装箱码头的泊位占有率时，主要的问题是许多因素都必须考虑到，例如，显然包括泊位的数量，集装箱船舶的到达和泊位的服务时间，入口通道和港口提供的可接受的服务水平。因此，因素的数量和它们的多样性，将泊位占有率的选择和泊位能力的计算变为一项很复杂的任务。联合国贸易与发展会议指出泊位占有率取决于船舶到达的概率分布，泊位的服务时间以及泊位数量。在那之后，大多数研究都集中探讨入口因素对泊位占有率的影响，并且选择平均等待时间与平均服务时间的比例作为在总体规划阶段决定泊位占有率的衡量标准。例如，贸发会议建议应用M/EK/S序列（M指服从马尔科夫分布或随机分布的到达时间，Ek指服从厄尔兰分布的泊位服务时间，S代表泊位数量）来推断泊位占有率，泊位数量和平均等待时间/平均服务时间之间的联系。Chaudhry,Templeton,Radmilovich,Jovanovich和Thoresen应用多通道队列系统来决定泊位占有率，泊位数量，集装箱数量和其它船舶运行绩效方面的AWT/AST比例Yang和Wei通过M/E/S队列得出相似的联系并且为中国集装箱码头泊位占有率提出了建议。一般说来，在一些条件下，海运码头的队列系统能够被很好地分析评估，然而，随着数据和队列配置变得更加复杂，研究者必须借助仿真，例如越来越多的处理船舶链路规划的研究。传统上，船舶链路是港口操作管理上最关键的方面之一，直到现在，对于船舶泊位链路规划的仿真模型已经被考虑分配在入境船只的停泊位置和调度码头起重机，码头作业，铁路线路和拥堵水平，运输设备和其与处理设备的相互作用上。为了提高港口的竞争力，船舶泊位链路操作的主要任务是给入境的船舶分配限定的泊位，来减少船舶的等待时间。因此Dragovic研究了关于队列中船舶平均数量的增长和平均消耗的时间在指定优先级时的影响。Wanke使用仿真作为研究工具，测试了不同的泊位分配策略和队列优先级对船舶链路规划绩效的影响，Kia调查了计算机模拟在评估集装箱码头的处理技术及其对港口能力影响方面的作用，Wu使用电脑仿真模型来获得大窑湾集装箱码头在船只到达服从随机分布时的泊位占有率，Hartmann侧重于集装箱船到港和码头占有率。这些研究者提供了有价值的信息和洞察力来看待如何描述船舶到达和泊位服务的随机特征的方法论，如何评估港口服务水平，以及如何模拟船舶泊位链路操作。然而，上述的研究者对于船舶泊位链路操作包括了停泊位置，集装箱堆场，入口通道却不被作为该系统一个重要部分考虑，平均船舶等待时间，作为港口绩效的重要衡量标准，被这些研究者定义为免费泊位的等待时间（即船舶到达和等待时间的平均差异），实际上，应该表明的是等待时间不仅仅是由船舶占有率造成的，还和入口通道系统额占有率有关。
因此，在总体规划阶段，在确定集装箱泊位占有率时，入口通道尺寸的影响应该被评估，以避免港口未来绩效可能出现的瓶颈，因此在这片文章中，我们模拟船舶通过入口通道进出港，而用Java实现了一个基于仿真模型对船舶操作的过程交互，并进行了一系列的模拟实验，其中考虑了数十个拥有不同数量泊位和通道尺寸的集装箱码头来再现微观，随机，实时的环境。
这片文章的概括如下，第二节，我们更详细地描述了船舶占有率，港口绩效和入口通道尺寸之间的联系，第三节实施入口通道中船舶操作的模拟模型，第四节描述了包括设计集装箱船舶，集装箱码头和入口通道尺寸特征的模拟实验的安排，第五节提供了仿真结果，并且探讨了入口通道尺寸对于泊位占有率的影响，第六节作了总结说明。
2.问题描述
2.1泊位容量和泊位占有率
泊位容量通常指每年可从船舶卸货和装载到泊位集装箱的最大数量，而船舶服务水平不低于普遍接受的水平。在中国，规划者必须遵循海港总平面设计规范，来确定n-DWT泊位Pt在总体规划阶段的容量，泊位容量的表达式是:
p=nqc.p1.K1.K2(1-K3).K4
其中Pt是n-DWT泊位的泊位容量（n是泊位吨数，即可停泊船舶的最大吨数），是预期的泊位占有率，如果被要求的服务水平能够达到，则确定泊位占有率，G是从设计船上装载与卸载的集装箱的数量，T是一年的365天，td是一天的24小时，tg是日常工作时间的数量，是在22h到24h内的取值，tf是集装箱处理辅助操作以及停泊和非停泊的总时间，在3h至5h内取值，nqc是为所计划船舶服务的码头起重机的数量，p1是码头起重机的设计效率，K1是40rsquo;和20rsquo;集装箱的比例，K2，K3是由码头起重机和集装箱重新同步操作引起的处理效率的降低系数; K4是使用新的高效码头起重机产生的处理效率的乘积系数，推荐值在1.05和1.25之间; p是每类集装箱船的设计集装箱处理效率（TEU / h），取决于nqc，p1，K1，K2，K3和K4。
如MPTRC所述，在计算泊位容量时，G和K1应该来自于港口统计的数据，如果没有可获得的数据，每个设计船的G值建议为Gmax和Gmin之间的随机值（见表1），K1为1.1和1.9之间的值，其他参数（包括nqc，p1，K2和K3）的再评价值也在表1中给出，这些参数摘自MTPRC（2014）。因此，一旦其他参数的值根据终端统计或MTPRC（2014）估算，泊位占有率是决定泊位容量的关键，港口容量取决于泊位数量nbth，和泊位占有率rho;（即，nbthrho;，其被称为港口容量系数）。
在平均等待时间/平均服务时间比（AWT / AST）的基础上定义和计算泊位占用已经成为惯例。可接受的等待时间水平通常决定了允许的泊位占用率（Warwar，1980）。在集装箱码头，等待时间和服务时间之间10%的比例是能接受的。
表格1 MTPRC（2014）中每类设计集装箱船所需的规格和泊位资源。
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设计集装箱船* |
泊位资源 |
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Tonnage DWT (t) |
Container capacity (TEU) |
G (TEU) |
nqc |
p1 (Container/h) |
K2 (%) |
K3 (%) |
|||||||||||||
|
Min |
Max |
Gmin |
Gmax |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
Max |
||||||||
|
10,000 |
701 |
1050 |
200 |
1000 |
1 |
2 |
20 |
25 |
85 |
95 |
0 |
5 |
|||||||
|
20,000 |
1051 |
1900 |
300 |
1200 |
|||||||||||||||
|
30,000 |
1901 |
3500 |
600 |
1500 |
2 |
3 |
25 |
30 |
80 |
90 |
7 |
||||||||
|
50,000 |
3501 |
5650 |
800 |
2500 |
3 |
4 |
|||||||||||||
|
70,000 |
5651 |
6630 |
2000 |
3000 |
30 |
35 |
75 |
90 |
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