杜 明

(天津港股份有限公司科技設(shè)備部,天津 300461)

拖輪作業(yè)是船舶到港掛靠和離港起航過程中必不可少的一個環(huán)節(jié).不僅船舶的靠泊和離泊過程需要拖輪的協(xié)助,對于船型較為龐大的船舶來說,其進(jìn)港和出港過程并不能依靠船舶本身的動力,而必須由拖輪引航進(jìn)出.因此,拖輪作業(yè)是影響船舶在港停留時間的一個重要因素.港口必須保證其所擁有的拖輪能夠滿足船舶進(jìn)出港的需要,否則,港口的營運效率將受到直接制約,既不利于吸引更多的船舶掛靠,也會造成港口的經(jīng)濟(jì)效益的降低.

從滿足港口作業(yè)需要的角度出發(fā),一些學(xué)者就港口拖輪的配置問題進(jìn)行了研究.熊軍魁[1]預(yù)測了天津港的吞吐量和到達(dá)船型,并通過仿真得到了能夠滿足數(shù)年后港口需求的拖輪配置方案;其后,熊軍魁[2]又針對天津港拖輪功率小和使用率低的問題,提出了改造自有拖輪和租用大功率拖輪等的解決方案.類似地,在對吞吐量和到港船型進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上,吳旭填[3]建立了基于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的拖輪配置方案評價體系,并且對廣州港的拖輪配置進(jìn)行了優(yōu)化;陸海波[4]從總功率需求和拖輪船隊結(jié)構(gòu)兩方面出發(fā),提出了寧波港拖輪配置的優(yōu)化方案;王歡[5]則建立了拖輪船隊結(jié)構(gòu)的動態(tài)規(guī)劃模型,并提出了針對上海港未來5年的最優(yōu)拖輪購置方案.此外,楊志華[6]將數(shù)據(jù)庫與仿真結(jié)合,建立了拖輪配置方案的仿真模型,并且以模糊綜合評判法對所得的拖輪配置方案進(jìn)行了評價.

然而,即使港口已經(jīng)按照優(yōu)化后的拖輪配置方案對目前的拖輪數(shù)量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整,在實際的拖輪作業(yè)過程中,拖輪不足的情況仍然時有發(fā)生.以天津港為例,2008年,天津港集團(tuán)公司曾和上海海事大學(xué)聯(lián)合,對天津港區(qū)的作業(yè)船舶配置進(jìn)行了綜合研究,并對港區(qū)目前的拖輪配置進(jìn)行了調(diào)整,然而在某些調(diào)度時段中,大功率拖輪的作業(yè)能力仍顯不足,以下幾種情況仍有發(fā)生:

(1)某些船舶的出港護(hù)航作業(yè)提前結(jié)束.按照規(guī)定[7],船舶的出港護(hù)航作業(yè)必須在船舶離開新港主航道之后結(jié)束,然而若目前時段大功率拖輪作業(yè)能力相對不足,護(hù)航拖輪往往在船舶到達(dá)新港主航道后不久即離開船舶,以求盡快執(zhí)行下一任務(wù).在這種情況下,船舶不得不依靠自身動力離開主航道,從而對航道的航行安全產(chǎn)生威脅.

(2)某些船舶的靠泊或離泊作業(yè)所使用的拖輪功率或數(shù)量無法滿足作業(yè)的要求.船舶對靠泊和離泊作業(yè)中所需拖輪的功率和數(shù)量有一定的要求,然而,在符合功率要求的拖輪數(shù)量暫時不足的情況下,為了保證計劃的按時完成,該作業(yè)可能由不符合功率要求的拖輪參與完成,從而對船舶的靠離泊安全埋下了隱患.

(3)某些船舶的實際出港時間晚于計劃.在拖輪能力極度緊張的情況下,某些船舶的靠泊或離泊作業(yè)因為無法及時安排拖輪而無法按時完成.一旦如此,不僅后續(xù)的進(jìn)出港計劃將被打亂,港口還將支付給船方高昂的滯期費,這對港口的經(jīng)濟(jì)效益將造成極為不利的影響.

由以上3種情況可以看出,僅考慮拖輪總體配置方案的優(yōu)化方式雖然能夠使港口拖輪的作業(yè)能力在較長的一段時間內(nèi)基本滿足船舶進(jìn)出港的需求,但卻并不能保證“拖輪作業(yè)能力不滿足船舶進(jìn)出港要求”這種情況不會出現(xiàn).因此,本著杜絕這兩種情況的目的,本文結(jié)合天津港的航道條件、水文條件和進(jìn)出港方式,對天津港的拖輪作業(yè)過程進(jìn)行深入研究,分析這兩種情況出現(xiàn)的原因,并通過仿真進(jìn)行驗證.

1 天津港港區(qū)拖輪的作業(yè)分析

在我國的大部分港口,拖輪參與的港作作業(yè)種類主要有協(xié)助靠泊、協(xié)助離泊、協(xié)助移泊、護(hù)航進(jìn)港和護(hù)航出港這5種.由于不同港口的航道和水文條件不同,其拖輪作業(yè)方式會有些許的區(qū)別.

1.1 天津港區(qū)的航道、泊位和錨地分布

天津港區(qū)的航道主要由新港主航道和北航道兩部分組成,如圖1所示.其中新港主航道長約16 000 m,航道口在圖中16+000位置;北航道長約7 000 m,在主航道的9+000位置與主航道相接.港區(qū)的泊位數(shù)量超過60個,沿航道兩側(cè)分布;拖輪集結(jié)地兩處,分別處于圖中的2個菱形位置.

圖1 天津港區(qū)航道和泊位分布圖Fig.1 Scattergram of channels and berths in Tianjin Port Zone

天津港目前共有6處錨地[8],位置如圖2所示.其中1號～4號錨地的平均水深為13 m,5號錨地水深在10～13 m,6號錨地水深在1～18 m,專門?？看笮痛?

1.2 拖輪作業(yè)時長分析

圖2 天津港錨地分布圖Fig.2 Scattergram of anchorage areas in Tianjin Port

如前所述,拖輪在港作業(yè)(簡稱港作)可以分為協(xié)助靠泊、協(xié)助離泊、協(xié)助移泊、進(jìn)港護(hù)航和出港護(hù)航這5種.然而,護(hù)航,尤其是進(jìn)港護(hù)航,與其他作業(yè)存在較大的區(qū)別.王明世[9]以上海港為例,專門討論了船舶護(hù)航作業(yè)與船舶進(jìn)出港計劃的關(guān)系,并指出了護(hù)航對整個港區(qū)的作業(yè)的連續(xù)性和物流效率的影響.以下按照天津港目前的航道、泊位和錨地分布,從時間的角度對天津港區(qū)的5種拖輪作業(yè)方式進(jìn)行比較.

在協(xié)助靠泊作業(yè)過程中,拖輪首先花費一段時間駛向作業(yè)泊位附近的港池,待進(jìn)港船舶和作業(yè)拖輪到齊后,拖輪與船舶帶纜連接,由拖輪協(xié)助船舶靠泊碼頭,然后拖輪解纜離開,作業(yè)完成.由航道和錨地分布可知,拖輪為到達(dá)作業(yè)港池所需行駛的距離上限約為3 000 m.假設(shè)拖輪的行駛速度為13 kn[7],拖輪系纜、助泊和解纜各自花費5min.若假設(shè)船舶總是先于拖輪到達(dá)港池,則可以估算拖輪協(xié)助靠泊作業(yè)所需要的時間上限tL1=22.5 min.

協(xié)助離泊的作業(yè)過程與協(xié)助靠泊較為類似.在這種作業(yè)過程中,拖輪首先花費一段時間駛向作業(yè)泊位,待作業(yè)拖輪到齊后,拖輪與船舶帶纜連接,由拖輪協(xié)助船舶離開碼頭進(jìn)入航道,然后拖輪解纜離開,作業(yè)完成.因此,可以類似地估算得到拖輪協(xié)助離泊作業(yè)所需要的時間上限tL2=22.5 min.

拖輪的協(xié)助移泊作業(yè)可以視為一次連續(xù)的離泊和靠泊過程.拖輪首先花費一段時間駛向作業(yè)泊位,待作業(yè)拖輪到齊后,拖輪與船舶帶纜連接,由拖輪協(xié)助船舶離開碼頭進(jìn)入航道,駛向下一泊位,然后由拖輪協(xié)助船舶靠泊碼頭,最后拖輪解纜離開.由于移泊的目的多為修船、為其他船舶騰位置或者換到附近的泊位裝貨,因此其在前后泊位之間的行駛距離一般不會很長.假設(shè)這段距離的長度上限為4 000 m,移泊過程中船舶的行駛速度為8 kn[7],其他參數(shù)不變的情況下,可以估算得到拖輪協(xié)助移泊作業(yè)所需要的時間上限tL3=43.7 min.

出港護(hù)航的作業(yè)過程較為簡單.在船舶的離泊作業(yè)結(jié)束,船舶到達(dá)主航道后,若該船需要護(hù)航出港,則會留下1條參與離泊的拖輪拖引船舶駛向航道口,直到其到達(dá)新港主航道16+000位置處,該拖輪離開,護(hù)航任務(wù)結(jié)束.由圖2可知,出港護(hù)航的行程上限為 16 000 m,假設(shè)護(hù)航過程中船舶的行駛速度為8 kn[7],其他參數(shù)不變的情況下,可以估算出港護(hù)航所需要的時間上限tL4=64.2 min.

進(jìn)港護(hù)航是大船和外籍船進(jìn)入天津港必須經(jīng)歷的拖輪作業(yè)過程.拖輪從港區(qū)出發(fā),駛向船舶所在錨地,找到需要護(hù)航的船舶,系纜結(jié)束后開始拖引,并保證在該船的進(jìn)港動態(tài)開始前,船舶可以到達(dá)新港航道口.由圖2可以得到航道口到6處錨地的距離,如表2所示.假設(shè)拖輪駛向錨地的速度為20 kn,由錨地駛回航道口的速度為10 kn,拖輪到航道口的距離為10 000 m,且拖輪在錨地尋找船舶、引航員登船以及系纜等等作業(yè)過程一共花費30 min,則可以得到拖輪到各個錨地執(zhí)行護(hù)航任務(wù)所需要的大致時間,如表1所示.

由表1可見,拖輪的5種作業(yè)方式所需要的時間長度存在明顯差異,如圖3所示.

表1 到不同錨地的進(jìn)港護(hù)航時間估計值列表Tab.1 List of estimated entering convoy time values to different anchorage areas

圖3 各種拖輪作業(yè)類型所需要的時間長度對比Fig.3 Time-scale comparisons among various tugboat operational types

從以上的分析可以看出,在拖輪的各種港作類型中,進(jìn)港護(hù)航所需要的時間明顯多過其他作業(yè)類型,這可能對拖輪的總體作業(yè)能力造成沉重的負(fù)擔(dān).

2 進(jìn)港護(hù)航作業(yè)對拖輪總作業(yè)能力的影響分析

受航道水深和寬度的限制,天津港只允許某些船舶在主航道內(nèi)單向通航[7],且對其允許進(jìn)港和允許出港的時間段進(jìn)行了劃分.按此規(guī)定,船舶大多集中進(jìn)出天津港,且集中進(jìn)港和集中出港的時段不斷交替到達(dá),由此形成了天津港船舶的動態(tài)進(jìn)出特點.受此影響,拖輪的港區(qū)作業(yè)也存在動態(tài)性的特點.

2.1 天津港的動態(tài)進(jìn)出港特點分析

按照規(guī)定[7],天津港只有在下列情況下允許船舶在主航道內(nèi)單向通航:

(1)萬噸級船舶的無動力拖帶、長度超過200 m船舶的無動力拖帶和寬度超過30 m船舶的無動力拖帶;

(2)寬度大于等于40 m的船舶,無論其是否可以以自身動力進(jìn)出港口;(3)寬度大于30 m,載運危險品的船舶;

(4)船長或引航員提出單向航行申請的船舶.

天津港的單向航行時段則按照表2所示的時間區(qū)段劃分.

受到船舶動態(tài)進(jìn)出港特點的影響,拖輪的港區(qū)作業(yè)也呈現(xiàn)出動態(tài)性的特點.協(xié)助靠泊作業(yè)集中在進(jìn)港動態(tài)時間段,協(xié)助離泊和出港護(hù)航作業(yè)集中在出港動態(tài)時間段.此外,對那些計劃于下一進(jìn)港時段進(jìn)港的需要護(hù)航的船舶,其護(hù)航拖輪一般在本進(jìn)港時段結(jié)束前派出,以保證船舶能夠按時到達(dá)航道口.這種情況一經(jīng)發(fā)生,本動態(tài)的拖輪作業(yè)能力將直接受到影響.若下時段需要護(hù)航的進(jìn)港任務(wù)較多,則本動態(tài)極易出現(xiàn)拖輪能力暫時不足的情況.

2.2 進(jìn)港護(hù)航作業(yè)的條件和影響分析

按照規(guī)定[7],對于下列情況,天津港要求拖輪進(jìn)行引航作業(yè):

(1)載重10萬t及以上的船舶;

(2)吃水16 m及以上的船舶;

(3)載重3萬t以上的油輪;

(4)寬度超過30 m,載運危險品的船舶;

(5)拖帶長度超過200 m或拖帶寬度超過40 m的船舶;

(6)外國籍船舶;

(7)申請引航的船舶.

此外,不同的船舶對于護(hù)航拖輪的功率要求也不同.參考拖輪港作的一般功率配對規(guī)則,不同的船舶的護(hù)航拖輪功率要求如表3所示.

表2 天津港區(qū)動態(tài)時段表Tab.2 List of dynamic time-slots in Tianjin Port

表3 天津港拖輪分配規(guī)則表Tab.3 List of tugboat allocation rules in Tianjin Port

由以上的分析,結(jié)合1.1中有關(guān)錨地的描述,可以得到以下2點:

(1)除外國籍船舶或申請引航船舶外,護(hù)航作業(yè)所需的拖輪至少功率應(yīng)具有2 490 kW.

(2)由于需要護(hù)航的船舶一般停在4號或6號泊位,因此拖輪執(zhí)行一次進(jìn)港護(hù)航任務(wù)大致需要2～3 h.

因此,即使在拖輪配置能夠滿足港區(qū)作業(yè)的一般需求,在某個進(jìn)出港動態(tài)時段中,若下一時段的護(hù)航作業(yè)數(shù)量較多,則本出港動態(tài)極易出現(xiàn)2 940 kW以上拖輪能力暫時缺乏的情況.并且,由于派往其他港區(qū)作業(yè)的拖輪同樣必須符合如表3所示的功率要求,因此,由護(hù)航拖輪的提前派出所造成的拖輪能力缺乏,往往不能通過港區(qū)的剩余空閑拖輪進(jìn)行彌補.

3 對進(jìn)港護(hù)航和拖輪作業(yè)的仿真

為了探尋某時段的港區(qū)拖輪作業(yè)能力與下一時段進(jìn)港護(hù)航作業(yè)數(shù)量的關(guān)系,必須采用一種合適的方法.直接分析拖輪的作業(yè)數(shù)據(jù)是一種較為直接的方法,然而這種方法可能并不合適,其主要原因:

(1)拖輪作業(yè)數(shù)據(jù)記錄的相當(dāng)多數(shù)動態(tài)中,需要進(jìn)行的拖輪作業(yè)并沒有到達(dá)港區(qū)拖輪總作業(yè)能力上限,因此拖輪作業(yè)數(shù)據(jù)中的很多信息對本文拖輪作業(yè)總能力的分析意義不大.

(2)為了按計劃完成任務(wù),即使本動態(tài)拖輪的港區(qū)作業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過拖輪的總作業(yè)能力,拖輪調(diào)度員也會通過一些不符合規(guī)定的做法,使得這些作業(yè)也能夠按照計劃完成.因此由分析作業(yè)數(shù)據(jù)得到的拖輪總作業(yè)能力存在不準(zhǔn)確的可能性.

基于以上考慮,本文采用了仿真的方法,以尋找下一動態(tài)的護(hù)航作業(yè)與本動態(tài)拖輪作業(yè)能力之間的關(guān)系.

3.1 拖輪作業(yè)仿真系統(tǒng)以及實驗設(shè)定

本文所采用的仿真系統(tǒng)來自于上海海事大學(xué)與天津港合作的項目“天津港船舶發(fā)展規(guī)劃與優(yōu)化配置綜合研究”,該項目已于2008年8月順利結(jié)題.該仿真系統(tǒng)是在天津港的航道和泊位特點基礎(chǔ)上,嚴(yán)格按照港區(qū)作業(yè)規(guī)定和項目目標(biāo)開發(fā)的,能夠完全地體現(xiàn)天津港船舶動態(tài)進(jìn)出港的特點.其部分系統(tǒng)界面如圖4所示.

系統(tǒng)采用2006年的船舶到達(dá)數(shù)據(jù),此外系統(tǒng)中的拖輪等級和數(shù)量按照表4配置.

參數(shù)設(shè)定完畢后,本文在固定每個動態(tài)進(jìn)港護(hù)航任務(wù)數(shù)量的基礎(chǔ)上,將仿真時間設(shè)定為1年進(jìn)行實驗,在固定每個動態(tài)進(jìn)港護(hù)航任務(wù)數(shù)量的前提下,不斷增加港作任務(wù)的數(shù)量,直到觀察到有任務(wù)不能在動態(tài)時間內(nèi)完成為止,此時完成的任務(wù)數(shù)量即可以認(rèn)為是這種情況下港區(qū)作業(yè)的能力上限;然后,逐步增加每個動態(tài)的進(jìn)港護(hù)航任務(wù)數(shù)量,以觀察港作能力上限的變化,從而總結(jié)出進(jìn)港護(hù)航作業(yè)影響拖輪總作業(yè)能力的一般規(guī)律.

3.2 對港區(qū)拖輪作業(yè)的仿真分析

由于大功率拖輪的任務(wù)不能由小功率拖輪代為完成,因此本文首先對需要3 675 kW以上功率的拖輪作業(yè)任務(wù)進(jìn)行仿真,然后再以同樣的方法對需要2 940 kW以上功率的拖輪作業(yè)任務(wù)進(jìn)行仿真.每次仿真運行2 190個進(jìn)出港動態(tài),仿真結(jié)果如表5和表6所示.

圖4 拖輪仿真系統(tǒng)界面圖(主航道部分)Fig.4 Tugboat simulation system interface(main channel)

表4 仿真系統(tǒng)拖輪分布表Tab.4 List of tugboat distributions of simulation system

表5 3 675 kW以上的拖輪作業(yè)仿真結(jié)果Tab.5 Operational simulation results of 3 675 kW-above tugboats

表6 2 940 kW以上的拖輪作業(yè)仿真結(jié)果Tab.6 Operational simulation results of 2 940 kW-above tugboats

圖5 總拖輪作業(yè)能力變化趨勢Fig.5 Trends on overall tugboat operational ability

表5中,Njhnext表示下一動態(tài)需要3 675 kW以上拖輪的進(jìn)港護(hù)航作業(yè)數(shù)量.注意表5僅僅針對3 675 kW以上拖輪進(jìn)行統(tǒng)計.

圖5給出了不同的下一動態(tài)進(jìn)港任務(wù)數(shù)條件下總拖輪作業(yè)能力的變化曲線.

由以表5和圖5中的內(nèi)容,大致可以得出以下結(jié)論:

(1)對天津港區(qū)拖輪作業(yè)來說,下一動態(tài)的進(jìn)港護(hù)航任務(wù)數(shù)量對本動態(tài)的總拖輪作業(yè)能力是存在影響的;下一動態(tài)的進(jìn)港護(hù)航任務(wù)越多,本動態(tài)的總拖輪作業(yè)能力越低.

(2)對于3 675 kW以上的拖輪來說,其總作業(yè)能力Ar和下一動態(tài)進(jìn)港任務(wù)數(shù)量Njhnext的關(guān)系可以大致表示為

相應(yīng)地,3 675 kW以上的拖輪計算式為

4 結(jié)論和展望

本文在全面分析天津港區(qū)的航道、泊位布置和拖輪作業(yè)過程的基礎(chǔ)上,針對港區(qū)拖輪作業(yè)過程中難免會出現(xiàn)拖輪總作業(yè)能力暫時無法滿足港作需求這一問題進(jìn)行了分析,探討了下一動態(tài)進(jìn)港護(hù)航數(shù)量與本動態(tài)港區(qū)拖輪總作業(yè)能力之間的關(guān)系,并通過仿真實驗對二者的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步驗證.仿真實驗結(jié)果證明,這二者確實存在影響,并且這兩者間大致具有線性的數(shù)量關(guān)系.這為本文所研究的問題提供了科學(xué)的解釋.

近年來,天津港區(qū)一直在進(jìn)行航道建設(shè).2010年5月,天津港復(fù)式航道三期工程日前已順利完工[10],主航道由原來的315 m拓展到420 m,水深也達(dá)到19.5 m左右.通航條件的改善,可能會使護(hù)航規(guī)則產(chǎn)生一定的變化,但是進(jìn)港護(hù)航任務(wù)對拖輪總作業(yè)能力的影響依然存在.因此,在復(fù)式航道的基礎(chǔ)上對這二者的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的研究,是本文下一步可以進(jìn)行的工作.

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