（武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

1 引言

港口作業(yè)過(guò)程中拖輪作業(yè)是必不可少的環(huán)節(jié)，貨船的進(jìn)港、移泊、出港都需要拖輪的輔助。港口經(jīng)營(yíng)是為了安全、高效地實(shí)現(xiàn)到港船舶的裝卸任務(wù)，保證航運(yùn)物流的順暢運(yùn)行，從而獲得經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。拖輪資源是目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，拖輪資源不足會(huì)增加貨船的在港等待時(shí)間，從而出現(xiàn)壓港現(xiàn)象，導(dǎo)致港口的裝卸生產(chǎn)作業(yè)停滯，增加了貨船的在港費(fèi)用，使港口服務(wù)質(zhì)量降低，削弱港口的競(jìng)爭(zhēng)力；拖輪資源過(guò)剩導(dǎo)致拖輪利用率降低，港口運(yùn)營(yíng)成本增加。港口拖輪資源的合理配置是港口經(jīng)營(yíng)取得成功的重要保證。

單停泊基地的拖輪作業(yè)模式限制了港口規(guī)模的擴(kuò)大，多停泊基地能有效解決拖輪單停泊基地拖輪空駛增大的問(wèn)題。通過(guò)研究找出多停泊基地下的拖輪配置方案，以達(dá)到提高港口服務(wù)質(zhì)量、減少貨船在港時(shí)間、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高港口競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

拖輪資源對(duì)于港口運(yùn)營(yíng)有十分重要的作用，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了研究。熊軍魁[1]通過(guò)定性分析我國(guó)港口發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合天津港實(shí)際情況為解決拖輪配置相關(guān)問(wèn)題提出建議；王歡[2]、陸海波[3]運(yùn)用定量和定性相結(jié)合的方法，分別以上海港和寧波港為例，分析了影響拖輪配置的相關(guān)因素，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型求解出相應(yīng)的拖輪配置策略；劉志雄等[4]、楊志華[5]利用離散事件仿真技術(shù)，對(duì)港口拖輪作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真建模，運(yùn)用多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同拖輪配置方案的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而找出較優(yōu)的拖輪配置方案，為合理配置拖輪提供決策依據(jù)；這些學(xué)者主要集中在單停泊基地的拖輪配置研究。劉志雄[6]首先提出了針對(duì)多停泊基地拖輪作業(yè)模式調(diào)度問(wèn)題的研究；王巍等[7]、徐奇等[8]對(duì)多停泊基地的不同作業(yè)模式下調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行建模和優(yōu)化研究；劉志雄[9]、何濤等[10]、王伯恩[11]、談鵬[12]則運(yùn)用優(yōu)化方法對(duì)拖輪調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。根據(jù)已有研究文獻(xiàn)，目前針對(duì)多停泊基地拖輪作業(yè)配置問(wèn)題的研究還十分缺乏。

本文通過(guò)eM-plant建立三種模式下的港口拖輪作業(yè)仿真系統(tǒng)，結(jié)合某港口實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)，分析不同實(shí)驗(yàn)下的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，為不同拖輪作業(yè)模式下的拖輪配置提供決策依據(jù)，通過(guò)橫向比較為港口拖輪作業(yè)模式的選擇提供決策支持。

2 港口拖輪作業(yè)過(guò)程分析

港口作業(yè)各階段的順利進(jìn)行是實(shí)現(xiàn)港口運(yùn)營(yíng)目標(biāo)的重要保證，港口作業(yè)從貨船進(jìn)港開(kāi)始，一般貨船進(jìn)港后首先在錨地等待辦理相關(guān)進(jìn)港手續(xù)，然后在拖輪的協(xié)助下通過(guò)航道到達(dá)碼頭進(jìn)行相應(yīng)的裝卸作業(yè)（碼頭作業(yè)可能涉及到在多個(gè)碼頭間作業(yè)，需要拖輪協(xié)助作業(yè)，這一過(guò)程稱為移泊），碼頭作業(yè)完成后由拖輪輔助貨船駛離碼頭，最后貨船自行離開(kāi)港口。圖1為港口的一般作業(yè)過(guò)程。

圖1 港口作業(yè)過(guò)程

貨船進(jìn)入港口到貨船離開(kāi)港口，需要拖輪服務(wù)的主要有三個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）進(jìn)港。船舶到達(dá)港口航道需要拖輪對(duì)其輔助作業(yè)使其進(jìn)入預(yù)先安排的泊位進(jìn)行裝（卸）作業(yè)。

（2）移泊。當(dāng)貨船裝卸貨物種類較多需要在多個(gè)碼頭進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于貨輪不能自行在碼頭間移動(dòng)，需要拖輪作業(yè)輔助實(shí)現(xiàn)。

（3）出港。貨輪碼頭作業(yè)完成后需要在拖輪的幫助下離開(kāi)泊位進(jìn)入航道。

貨船進(jìn)入港口只要需要在碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)，就必需有拖輪輔助作業(yè)過(guò)程，有的貨船只有進(jìn)港、出港作業(yè)環(huán)節(jié)，而有的貨船可能有進(jìn)港、移泊、出港三個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，一般情況下調(diào)度中心在接到貨船的服務(wù)請(qǐng)求后都需要根據(jù)貨船的船長(zhǎng)或噸位安排相應(yīng)馬力的一艘或幾艘拖輪為其提供服務(wù)，以保證港口的正常運(yùn)作。

3 港口拖輪作業(yè)仿真建模

3.1 系統(tǒng)描述

貨船作為流動(dòng)實(shí)體進(jìn)入系統(tǒng)，由拖輪協(xié)助進(jìn)行進(jìn)港作業(yè)，進(jìn)港作業(yè)完成后在碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)，然后根據(jù)貨船是否需要進(jìn)行移泊作業(yè)分別在拖輪協(xié)助下進(jìn)行移泊作業(yè)或出港作業(yè)，如果貨船需要進(jìn)行移泊作業(yè)則到達(dá)另一碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)后再進(jìn)行出港作業(yè)，出港作業(yè)完成后流動(dòng)實(shí)體退出系統(tǒng)。港口拖輪作業(yè)仿真系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

拖輪作業(yè)主要在進(jìn)港、移泊、出港三個(gè)環(huán)節(jié)。貨船進(jìn)入系統(tǒng)后到達(dá)進(jìn)港作業(yè)層，根據(jù)自身屬性（貨船船長(zhǎng)）進(jìn)入相應(yīng)的作業(yè)區(qū)，觸發(fā)服務(wù)請(qǐng)求，調(diào)度中心根據(jù)現(xiàn)有拖輪資源作出反應(yīng)，如果有滿足要求的拖輪資源，則分配給請(qǐng)求的作業(yè)區(qū)進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)；如果拖輪資源不能滿足要求則反饋到作業(yè)區(qū)，貨船在該作業(yè)區(qū)排隊(duì)等候直至有滿足要求的拖輪資源為其提供服務(wù)。移泊和出港的拖輪作業(yè)機(jī)制與進(jìn)港拖輪作業(yè)機(jī)制相同。

圖2 港口拖輪作業(yè)仿真系統(tǒng)功能模塊圖

兩個(gè)停泊基地下不允許交叉作業(yè)情況和單停泊基地相似，區(qū)別在于每個(gè)停泊基地的拖輪作業(yè)范圍變小，每個(gè)停泊基地只接受服務(wù)范圍內(nèi)的作業(yè)區(qū)的服務(wù)請(qǐng)求并為其提供服務(wù)。對(duì)于兩個(gè)停泊基地允許交叉作業(yè)情況下，拖輪基地也劃分相應(yīng)的服務(wù)范圍，但是當(dāng)一個(gè)停泊基地不能滿足所屬范圍的作業(yè)區(qū)的服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，可以將服務(wù)請(qǐng)求傳遞給另一個(gè)停泊基地，如果另一個(gè)停泊地有滿足要求的拖輪資源時(shí)則為其提供服務(wù)。港口拖輪作業(yè)系統(tǒng)仿真流程如圖3所示。

圖3 港口拖輪作業(yè)系統(tǒng)仿真流程圖

3.2 系統(tǒng)目標(biāo)

運(yùn)營(yíng)成本和服務(wù)水平是評(píng)價(jià)港口作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)好壞的主要依據(jù)。拖輪利用率直接影響著港口的運(yùn)營(yíng)成本，貨船在港時(shí)間是評(píng)價(jià)港口服務(wù)水平的主要指標(biāo)。

對(duì)于兩個(gè)停泊基地的拖輪作業(yè)系統(tǒng)目標(biāo)描述如下：假設(shè)用i（i=1,2）表示停泊基地，j（j=1,2,3,4）表示每個(gè)停泊基地的拖輪類型，Nij表示第i個(gè)基地第j種類型拖輪的數(shù)量。進(jìn)港貨船數(shù)量用k（k=1,2,...,K）表示，每艘貨船所需拖輪服務(wù)時(shí)間為T(mén)K，每艘貨船在港時(shí)間為tk，仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為t。U為拖輪平均利用率，W為貨船平均在港時(shí)間。

3.3 仿真模型介紹

根據(jù)上述對(duì)港口拖輪作業(yè)系統(tǒng)的分析，建立了三種模式下的港口拖輪作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。以兩個(gè)停泊基地限制交叉作業(yè)模式為例對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，系統(tǒng)主要包括貨船進(jìn)港模塊、進(jìn)港作業(yè)模塊、碼頭作業(yè)模塊、移泊作業(yè)模塊、出港作業(yè)模塊和貨船出港模塊。

貨船進(jìn)港模塊主要是根據(jù)分析的數(shù)據(jù)模擬貨船的產(chǎn)生并設(shè)置記錄相關(guān)貨船信息，包括貨船產(chǎn)生的時(shí)間間隔、貨船類型、貨船進(jìn)行裝卸作業(yè)的碼頭等。進(jìn)港作業(yè)模塊由緩存區(qū)、進(jìn)港作業(yè)層以及控制程序組成，該模塊是根據(jù)進(jìn)港貨船的船長(zhǎng)、作業(yè)碼頭等信息使貨船進(jìn)入相應(yīng)的作業(yè)場(chǎng)所并發(fā)送拖輪協(xié)助作業(yè)請(qǐng)求完成拖輪作業(yè)過(guò)程。

碼頭作業(yè)模塊是表示貨船的裝卸作業(yè)，在此模型中通過(guò)設(shè)置作業(yè)時(shí)間來(lái)表示這一過(guò)程，碼頭作業(yè)完成后需要判斷貨船是否需要移泊，如果移泊則進(jìn)入移泊作業(yè)層，否則進(jìn)行出港作業(yè)。移泊作業(yè)模塊和進(jìn)港作業(yè)模塊功能相同，只是它表示的是貨船在不同碼頭間移動(dòng)時(shí)的拖輪作業(yè)過(guò)程，移泊作業(yè)模塊包括移泊后的裝卸作業(yè)過(guò)程。出港作業(yè)模塊和進(jìn)港作業(yè)模塊的設(shè)置及功能相似，它表示的是貨船從碼頭到航道口的拖輪作業(yè)過(guò)程。貨船出港模塊表示貨船在港作業(yè)完成后出港的過(guò)程，意味該艘貨船的仿真過(guò)程結(jié)束。

模型中還包含程序控制對(duì)象，用于設(shè)置各個(gè)模塊的相關(guān)屬性和記錄用于系統(tǒng)目標(biāo)計(jì)算的數(shù)據(jù)。由各模塊組成的兩個(gè)停泊基地限制交叉作業(yè)的港口拖輪作業(yè)仿真模型如圖4所示。單停泊基地和兩個(gè)停泊基地交叉作業(yè)模式的仿真模型大體相同，只是在拖輪資源的調(diào)用策略上有所差異。

4 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.1 仿真數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)某港口歷史數(shù)據(jù)分析得到在建模過(guò)程中需要設(shè)置的一些參數(shù)，如：貨船類型分布、進(jìn)港時(shí)間間隔分布、碼頭作業(yè)時(shí)間分布等。表1為某港口拖輪作業(yè)報(bào)表部分?jǐn)?shù)據(jù)。

從表1可以看出港口作業(yè)系統(tǒng)中，貨船的到達(dá)和到達(dá)的類型都是隨機(jī)的，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得到貨船進(jìn)港時(shí)間間隔符合參數(shù)λ=1/27的負(fù)指數(shù)分布，到港貨船類型不符合標(biāo)準(zhǔn)分布，故仿真過(guò)程中采用經(jīng)驗(yàn)分布。

拖輪配置的主要依據(jù)是貨船的船長(zhǎng)或噸位，通常一艘貨船有多種拖輪配置方案，如何有效為到港貨輪配置拖輪，不僅影響拖輪的利用效率，還關(guān)系到港口運(yùn)營(yíng)的順暢進(jìn)行，是港口拖輪作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)已有文獻(xiàn)的研究，引用如下的貨船拖輪配置原則：

表1 某港口拖輪作業(yè)報(bào)表（部分）

（1）100m以下：3 200馬力（以上）×1艘；

（2）100m至200m：3 200馬力（以上）×2艘；

（3）200m至250m：3 200馬力（以上）×2艘；

（4）250m至300m：3 400馬力（以上）×2艘；

（5）300m以上：4 000馬力（以上）×2艘。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)主要是運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，在盡可能真實(shí)的模擬實(shí)際運(yùn)行狀況條件下得出不同拖輪作業(yè)模式下合適的拖輪配置決策。同時(shí)，在相同拖輪配置情況下對(duì)三種模式下的運(yùn)行效果進(jìn)行比較，為港口擴(kuò)大規(guī)模選擇運(yùn)行模式提供決策依據(jù)。

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)器進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將拖輪利用率和貨船在港時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)輸出，各種類型拖輪的數(shù)量作為輸入，觀察不同輸入條件下的輸出結(jié)果。單停泊基地的多級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，共有144次仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)序號(hào)從EXP001到EXP144。

多停泊基地輸出同單停泊基地相同，輸入變量值則為兩個(gè)停泊基地四種拖輪類型的八個(gè)輸入變量。多停泊基地多級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，共有256次仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)序號(hào)從EXP001到EXP256。

表2 單停泊基地多級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表3 多停泊基地多級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

單停泊基地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，多停泊基地限制交叉作業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，多停泊基地允許交叉作業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，三種模式下拖輪配置總數(shù)為16艘的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

充分考慮港口經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，在考慮經(jīng)營(yíng)成本的同時(shí)保證服務(wù)質(zhì)量，以此為原則選擇運(yùn)行結(jié)果中拖輪利用率和貨船在港時(shí)間都處于比較合理狀態(tài)的拖輪配置方案。貨船的最小在港時(shí)間為2天9小時(shí)47分鐘，不考慮在港時(shí)間情況下拖輪利用率可達(dá)50%。

對(duì)于單停泊基地可選擇拖輪配置總數(shù)為17艘時(shí)的拖輪配置方案，拖輪平均利用率為40.1%，貨船平均在港時(shí)間最小為2天11小時(shí)14分，具體配置為3 200馬力拖輪5艘、3 400馬力拖輪5艘、4 000馬力拖輪4艘、5 000馬力拖輪3艘；對(duì)于兩個(gè)停泊基地限制交叉模式下同樣可選擇拖輪總體配置為17艘拖輪的配置方案，拖輪平均利用率為40.1%，貨船平均在港時(shí)間最小為2天11小時(shí)44分，具體配置為停泊基地1中3 200馬力拖輪2艘、3 400馬力拖輪3艘、4 000馬力拖輪2艘、5 000馬力拖輪2艘；拖輪基地2中四種類型拖輪均為4艘。此上兩種模式如果想進(jìn)一步提高拖輪利用率節(jié)省成本，可選擇總體拖輪配置為16艘的拖輪配置方案，貨船平均在港時(shí)間會(huì)有所增加。

圖5 單停泊基地多級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖6 多停泊基地限制交叉作業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 多停泊基地允許交叉作業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 拖輪配置總數(shù)為16艘的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于兩個(gè)停泊基地允許交叉作業(yè)模式，可選擇拖輪總體配置為16艘的拖輪配置方案，拖輪平均利用率為42.6%，貨船平均在港時(shí)間最小為2d12h29min，具體拖輪配置為停泊基地1中3 200馬力拖輪2艘、3 400馬力拖輪2艘、4 000馬力拖輪3艘、5 000馬力拖輪1艘，停泊基地2中3 200馬力拖輪2艘、3 400馬力拖輪3艘、4 000馬力拖輪2艘、5 000馬力拖輪2艘。

當(dāng)三種模式的拖輪配置總量都為16艘時(shí)，由于貨船進(jìn)港時(shí)間間隔和類型都相同且數(shù)據(jù)量較大，它們所需的拖輪服務(wù)時(shí)間大致相同，由上述公式可知它們的拖輪平均利用率相等且都為42.6%；由于多停泊基地減少了拖輪空駛時(shí)間，采取相同拖輪調(diào)度規(guī)則對(duì)單停泊基地和多停泊基地的影響不同，單停泊基地模式下貨船最短平均在港時(shí)間為2d15h22min，兩個(gè)停泊基地限制交叉作業(yè)模式下貨船最短平均在港時(shí)間為2d14h28min，兩個(gè)停泊基地允許交叉作業(yè)模式下貨船最短平均在港時(shí)間為2d12h29min。相同條件下多停泊基地拖輪作業(yè)模式優(yōu)于單停泊基地拖輪作業(yè)模式，多停泊基地允許交叉拖輪作業(yè)模式優(yōu)于多停泊基地限制交叉拖輪作業(yè)模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

拖輪配置是港口生產(chǎn)的重要組成部分，其決定著港口經(jīng)營(yíng)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)對(duì)港口拖輪作業(yè)系統(tǒng)分析運(yùn)用eM-plan仿真軟件分別對(duì)港口三種拖輪作業(yè)模式進(jìn)行仿真建模，以拖輪利用率和貨船在港時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)多級(jí)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行縱橫向分析，分析三種模式的優(yōu)劣以及每種模式下的拖輪配置，為港口的發(fā)展規(guī)劃和拖輪配置提供決策支持。

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