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        散貨碼頭堆場規(guī)劃方法研究綜述

        2016-11-11 09:31:06樊小波
        關(guān)鍵詞:港口研究

        樊小波

        (武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

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        散貨碼頭堆場規(guī)劃方法研究綜述

        樊小波

        (武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

        堆場規(guī)劃一直是散貨碼頭重點考慮的問題,為了系統(tǒng)地概括散貨碼頭堆場規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展,采用系統(tǒng)綜述方法對近幾年的主要研究進(jìn)行了歸納和分析,并從堆場的兩種形式入手,即露天堆場和封閉堆場,分析了不同形式堆場的已有分配方法和最新的堆場智能化現(xiàn)狀,最后提出幾點研究建議。

        散貨碼頭;堆場規(guī)劃;露天堆場;封閉堆場;堆場智能化

        隨著我國經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易的不斷發(fā)展,煤炭、礦石等大宗散貨交易量也越來越大,水運成為其最主要的運輸方式。堆場是散貨碼頭陸域中所占面積最大的部分,承擔(dān)著貨物水路運輸、鐵路運輸、公路運輸?shù)炔煌\輸方式之間相互轉(zhuǎn)換的堆存任務(wù)。當(dāng)前,散貨碼頭有限的資源配置、機(jī)械設(shè)備和堆場面積已跟不上日益增長的散貨量,又由于我國有限的海岸線和土地資源,因此,僅靠擴(kuò)大碼頭堆場面積來提高碼頭的堆存能力,從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度看是不現(xiàn)實的。碼頭管理者應(yīng)從自身現(xiàn)有資源著手,在原有占地面積的基礎(chǔ)上提高土地使用率。

        1 散貨碼頭現(xiàn)狀

        與國外發(fā)展領(lǐng)先的港口相比,我國散貨碼頭對堆場的利用率和散貨供應(yīng)鏈整體意識都比較低。以煤炭供應(yīng)鏈為例,澳大利亞的紐卡斯?fàn)柛蹖⒒疖?、港口和船舶看作是一個供應(yīng)鏈整體,通過合理的堆場、裝卸設(shè)備和船舶的調(diào)度,達(dá)到供應(yīng)鏈整體效率和利益的最大化。然而,我國煤炭供應(yīng)鏈的火車、港口和船舶三者是分開的,更多是以每個節(jié)點為中心,考慮自身的效益。以煤炭運輸為例,沒有在港口發(fā)出需求通知時火車就直接按照自己的計劃把原煤從煤礦運輸?shù)礁劭?,火車到達(dá)港口時提醒管理者接收貨物,卸貨時管理者也只是根據(jù)自身的經(jīng)驗為煤炭分配堆存位置,并沒有提前做好貨物分配計劃,使得堆場分配不合理,且出現(xiàn)煤堆移跺的現(xiàn)象。這既增加了煤炭的庫存持有成本,又占用了稀缺的堆場資源,導(dǎo)致堆場利用率低下,因此對我國煤炭為代表的散貨碼頭來說,采用合理的堆場規(guī)劃方法已迫在眉睫。

        2 堆場功能

        堆場面積是碼頭陸域面積最主要的組成部分,其功能主要體現(xiàn)在以下4個方面:

        (1)貨物集散。碼頭是水路和陸路運輸?shù)慕稽c,同一批出口貨物的來源和到港時間可能不同,這些貨物就需要在碼頭集中后再裝船,同一批進(jìn)口貨物的去處和離港時間也可能不同,需要在碼頭將貨物分散到各個客戶,因此碼頭成了貨物水路運輸和陸路運輸之間的必經(jīng)集散地。

        (2)調(diào)節(jié)緩沖。貨流和運輸工具通常具有不平衡性,到港的貨物及其到港時間、船舶到港時間、裝卸工作分配等,都使得船貨之間不可能是無縫銜接,堆場可以截斷各種運輸工具之間的銜接,起到了一定的調(diào)解緩沖作用。

        (3)處理貨物。在進(jìn)行貨物交接時,交接雙方需在堆場對貨物進(jìn)行清理檢查、計量驗收、包裝、拆包和重組,進(jìn)出口的貨物還需經(jīng)過各種檢驗、海關(guān)監(jiān)督和檢查,損壞的貨物也需要在堆場進(jìn)行處理。

        (4)配煤功能。其是煤炭碼頭特有的功能,需要出口的煤炭通常由幾種不同的原煤配制而成,配煤過程就需要在碼頭的堆場內(nèi)完成。

        3 堆場規(guī)劃方法

        隨著人類對環(huán)保與能源問題認(rèn)識的不斷加深,碼頭堆場形式也逐漸由開放式向封閉式的儲裝方式轉(zhuǎn)變,目前我國散貨碼頭堆場的形式可分為露天堆場和封閉堆場[1]。其中,露天堆場中以露天條形堆場為主,是傳統(tǒng)的堆場形式,發(fā)展較成熟,但環(huán)保能力較差;筒倉是封閉堆場中一種新興的散貨碼頭裝卸工藝,其環(huán)保、安全、配煤的優(yōu)勢突出。貨物存儲的安全性、貨物儲運對環(huán)境的影響、堆場場地的利用率及建設(shè)堆場所需的工程造價等[2]都會影響堆場建設(shè)的形式。筆者針對這兩類堆場形式及熱度較高的智慧港口分別展開研究。

        3.1 條形堆場規(guī)劃方法

        3.1.1 數(shù)學(xué)模型和算法

        若將散貨在堆場上的位置和堆取時間放在一張二維坐標(biāo)圖上,則會形成如圖1所示的散貨時空圖。橫軸表示散貨占據(jù)堆場的時間,包括其堆垛時間、停留時間和裝載時間;縱軸表示條形堆場,長方形的位置代表散貨占據(jù)堆場的位置。

        圖1 散貨時空圖

        BOLAND等[3]研究澳大利亞紐卡斯?fàn)柛鄣拿禾空{(diào)度方案,在煤炭時空圖的基礎(chǔ)上提出3種堆場規(guī)劃方法:①基于船舶預(yù)到達(dá)時間的貪婪算法,選取有最小船舶預(yù)到達(dá)時間的位置來盡快開始煤炭的堆取;②基于船舶預(yù)到達(dá)時間和煤堆開始裝載時間的貪婪算法,選取最小的兩者權(quán)重和;③基于結(jié)構(gòu)算法的整數(shù)規(guī)劃。SAVELSBERGH等[4]提出樹搜索算法,在時空圖上搜索出可用的場地、可用的取料機(jī)能力和避免取料機(jī)沖突3個區(qū)域,疊加后便可找到煤堆最早可行堆垛時間所在的點。上述算法都需經(jīng)過計算實驗,結(jié)果表明,數(shù)學(xué)模型和算法能提高堆場利用率和減少船舶等待時間。

        另外,LIM等[5]基于啟發(fā)式算法構(gòu)建堆場分配問題的關(guān)鍵鄰域搜索模型;王煜等[6]按照煤炭自身的特性、船舶需求、堆場管理方法和作業(yè)設(shè)備的特征,選擇堆場分配策略相關(guān)規(guī)則,構(gòu)建基于知識工程的煤炭碼頭堆場分配模型;張洋等[7]通過層次分析法對散貨碼頭中的關(guān)鍵決策因素進(jìn)行權(quán)重分析,建立基于模糊多目標(biāo)決策的綜合評判數(shù)學(xué)模型;楊曉旭[8]在研究堆場規(guī)劃的同時,考慮到堆場、泊位、裝船機(jī),構(gòu)建了大宗干散貨港口裝卸作業(yè)系統(tǒng)集成調(diào)度模型。

        綜上所述,解決堆場分配問題的算法思路主要從可用的堆場區(qū)域內(nèi)按照合理的規(guī)則,一步步搜索出最優(yōu)的煤堆位置。而數(shù)學(xué)模型的建立是在另一種方法的基礎(chǔ)之上或經(jīng)過其他方法的處理,根據(jù)不同的目標(biāo)建立不同的模型。

        3.1.2 仿真模型

        劉園香等[9-11]提出將條形堆場細(xì)分為連續(xù)的、有一定容量的小矩形網(wǎng)格,由于每個網(wǎng)格的狀態(tài)分為占用或空閑兩種,這樣船舶的進(jìn)出港、火車的進(jìn)出港和一次簡單散貨進(jìn)出都會導(dǎo)致一定數(shù)量的網(wǎng)格狀態(tài)發(fā)生改變。堆場網(wǎng)格化后,可實時量化模擬堆場貨堆的大小、位置及數(shù)量的變化,并利用仿真來模擬整個智能搜索最合適堆場占用空間的過程;黃國梁[12]對散貨碼頭物流系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析;張小亞[13]對散貨礦石碼頭物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析;李正[14]開展了面向?qū)ο蟮纳⒇洿a頭裝卸系統(tǒng)計算機(jī)模擬研究,上述研究均以Petri網(wǎng)建模理論為基礎(chǔ),結(jié)合Witness或Flexsim等仿真軟件建立系統(tǒng)的仿真模型,模擬大型散貨碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的運作過程;梁國枝[15]使用Extendsim建立煤炭碼頭調(diào)度的決策支持系統(tǒng)以分析最優(yōu)決策;王鐸[16]應(yīng)用Witness建立港口煤炭堆場作業(yè)系統(tǒng)流程的仿真模型,對堆取料機(jī)作業(yè)時間進(jìn)行優(yōu)化;張海紅[17]基于Witness系統(tǒng)仿真平臺,建立了礦石碼頭裝卸系統(tǒng)的仿真模型和數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。

        綜上所述,仿真建模方法主要應(yīng)用在以下4個方面:①模擬碼頭堆場或整個系統(tǒng)的狀態(tài);②尋找已建立的港口系統(tǒng)存在的瓶頸和問題;③改進(jìn)不足之處;④比較不同管理策略或分配策略的優(yōu)劣性。

        3.1.3 理論研究

        有些學(xué)者從理論上研究操作方法與分配原則來提高堆場利用率。根據(jù)以往煤炭輸出數(shù)據(jù)資料,將周轉(zhuǎn)率較高的煤炭種類堆放在靠近皮帶一側(cè)的堆位上;根據(jù)煤炭疏運量,重新規(guī)劃煤炭儲存位置,合理安排各種煤炭的儲存堆數(shù),將經(jīng)常同時裝卸出港的煤炭安排在不同取料機(jī)的堆位上,便于安排裝船作業(yè),加快周轉(zhuǎn)速度,并設(shè)置一定的安全庫存,以應(yīng)對突發(fā)狀況的發(fā)生[18]。堆場的合理布局和使用對提高堆場利用率有著重要的作用,蹤鋒等[19]總結(jié)了堆場貨位合理布局的基本原則,量化分析橫向連接、縱向連接和同類并堆,用數(shù)學(xué)公式表示堆場利用情況。為了實現(xiàn)礦石專用堆場一體化物流服務(wù)的管理與控制系統(tǒng),降低物流成本,需要在管理和操作方式、連接通訊網(wǎng)絡(luò)、取料作業(yè)等方面進(jìn)行不斷改進(jìn)[20]。

        3.2 筒倉規(guī)劃方法

        劉力卓等[21]以秦皇島港煤五期堆場為研究對象,根據(jù)秦皇島港的實際煤炭吞吐量,得到采用條形堆場和筒倉群的堆場利用面積,發(fā)現(xiàn)筒倉的單位煤炭存儲面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于條形堆場,認(rèn)為將堆場建設(shè)成筒倉形式具有重要的現(xiàn)實意義。因此散貨港口開始逐漸嘗試采用筒倉群,黃驊港于2012年底完成筒倉群的建設(shè),是世界上首例采用筒倉群代替露天堆場的一個煤炭專用碼頭[22]。

        筒倉煤炭調(diào)度和傳統(tǒng)煤炭調(diào)度有所區(qū)別,在配煤問題上,每座筒倉底部都會配備活化給料機(jī),從而達(dá)到精確配煤的目的[23]。白棟材[24]系統(tǒng)地介紹了黃驊港筒倉集群的智能取裝系統(tǒng),包括碼頭構(gòu)架、煤炭取裝算法和給料算法等,實踐證明該系統(tǒng)能很好地適應(yīng)筒倉調(diào)度。然而筒倉儲煤存在安全隱患,火災(zāi)爆炸時有發(fā)生,為此馬海深等[25]探討了引起煤炭高溫的原因,并提出了多種解決對策。

        若將堆場建設(shè)成筒倉群的形式,則會帶來一個新的問題:如何確定筒倉的容量和數(shù)量,使之滿足碼頭的預(yù)定通過能力。李云軍等[26]利用仿真模擬給出了答案,即在一個有確定泊位數(shù)量、年通過能力和配煤比例等的碼頭環(huán)境下,建立筒倉調(diào)度的仿真模型,通過改變筒倉的數(shù)量和容量,得到適應(yīng)該碼頭的最佳筒倉數(shù)量和容量。煤炭入場后,則要考慮如何安排筒倉的堆放位置。孟杰毅[27]同樣選擇建立仿真模型,分析傳統(tǒng)的固定筒倉模型和柔性的分配模型兩種煤炭入倉方案的優(yōu)劣性;而唐穎[28]則根據(jù)不同的煤炭進(jìn)倉和出倉策略建立仿真模型,分析不同策略結(jié)合下對碼頭各項評價指標(biāo)的影響。在煤炭從筒倉裝載到車輛上的過程中,利用煤礦筒倉定量稱重智能快裝系統(tǒng)[29],可實現(xiàn)煤礦煤場筒倉裝載的定量化、自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化,提高裝車的精度和速度。

        3.3 智慧港口

        如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越成熟,應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛,碼頭也不例外。智慧港口是借助物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、云計算和決策分析優(yōu)化等技術(shù)手段進(jìn)行透徹感知、廣泛連接及深度計算物理運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息,使物與物、物與人、人與人,以及港口物流的各種資源和各個參與方可以更廣泛地互聯(lián)互通,形成技術(shù)集成、綜合應(yīng)用、高端發(fā)展的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化及信息化的現(xiàn)代港口[30]。堆場是碼頭的重要組成部分,智慧港口的發(fā)展意味著煤炭堆場也將更加智能化。然而,我國散貨碼頭、集裝箱碼頭的港口國際化和信息化水平與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距[31]。

        總體來說,智慧港口擁有4種能力:自我感知能力、預(yù)測趨勢能力、決策選擇能力和執(zhí)行控制能力。這4種能力相互連接形成一個完整流程:智慧港口會自動生成最優(yōu)的作業(yè)方案,然后通過自動控制系統(tǒng)精準(zhǔn)自動完成,利用其感知能力可以隨時傳遞作業(yè)情況,預(yù)測和決策能力隨時可以優(yōu)化和改進(jìn)作業(yè)方式,以達(dá)到最優(yōu)資源利用率和最優(yōu)生產(chǎn)效率的管理目標(biāo)[32]。

        針對煤炭堆場的信息化,柏昌順[33]提出一個堆場智能化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),利用互聯(lián)網(wǎng),在煤炭堆存規(guī)則、作業(yè)數(shù)據(jù)庫、堆場狀態(tài)的動態(tài)展示、運作堆場管理系統(tǒng)等方面融入自己的思考與想法。趙軼華[34]則以港口散雜貨疏運系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)為出發(fā)點,結(jié)合RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)的堆場管理流程進(jìn)行優(yōu)化。GIS是傳統(tǒng)地理信息科學(xué)與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的完美產(chǎn)物,可用于設(shè)計港口散貨堆場管理系統(tǒng),使得港口信息高度可視化,可快速檢索、定位和統(tǒng)計港區(qū)內(nèi)目標(biāo)數(shù)據(jù)信息[35],有效地提高管理人員對港區(qū)作業(yè)實時監(jiān)控的效率[36]。

        4 建議

        綜上所述,學(xué)者對散貨碼頭堆場規(guī)劃的研究少于集裝箱碼頭的研究,為此,筆者提出應(yīng)加強散貨碼頭堆場規(guī)劃研究,并對散貨碼頭堆場調(diào)度的研究方向提出以下幾點建議:

        (1)強化堆場智能化的研究方向。在信息化的時代,互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)已成為主流,將信息技術(shù)應(yīng)用到碼頭堆場是十分必要的,如RFID技術(shù)與紅外線感應(yīng)技術(shù)等。結(jié)合煤炭碼頭的實際情況,不僅要考慮智能堆場的結(jié)構(gòu)、使用何種技術(shù),還要將每種技術(shù)的使用落到實處,以找到最優(yōu)的分配堆場的算法和規(guī)則。

        (2)重視封閉堆場的研究。因為人們越來越重視環(huán)保問題,傳統(tǒng)的露天堆場已不能滿足環(huán)保的需求,筒倉將逐漸被廣泛使用,以筒倉為突破口,使用算法模型或仿真模型,研究筒倉的建立、分配及使用等方面,具有前瞻性,符合碼頭發(fā)展的趨勢。

        (3)開展露天堆場和封閉堆場同時使用的研究。大型的煤炭碼頭一般使用露天堆場,但有時會遇到對煤的純度或配煤精度要求較高的情況,這種情況下,采用封閉堆場最為合適,隨著碼頭吞吐量的不斷增加,將露天堆場改造成封閉堆場會提高單位面積的利用率,此時,則需要研究同時采用露天堆場和封閉堆場應(yīng)該遵循何種分配規(guī)則。有了研究結(jié)果作支持,煤炭碼頭可進(jìn)行堆場的合理調(diào)整,在科學(xué)的理論指導(dǎo)下提高碼頭使用效率。

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        [33] 柏昌順.煤炭中轉(zhuǎn)碼頭堆場智能化管理研究[J].浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015,11(1):7-10.

        [34] 趙軼華.基于物聯(lián)網(wǎng)的港口散雜貨疏運系統(tǒng)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

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        [36] 安小剛,張澍寧.基于GIS技術(shù)的港口散貨堆場管理系統(tǒng)研究[J].港口裝卸,2011(2):31-33.

        FAN Xiaobo:Postgraduate; School of Logistics Engineering, WUT, Wuhan 430063,China.

        Research Review of Yard Planning of Bulk Terminals

        FANXiaobo

        Yard planning is the problem that bulk terminals need to have key consideration. In order to generalize the research status and recent developments about bulk terminals yard planning methods, the paper use systematic review method to summarize and analyze the research methods of yard planning in recent years. The paper mainly consider the two forms of the yard: open yard and enclosed yard, and analyzing the existing allocation of different forms of the yard, and the latest intelligent yard. Finally, the paper provides a few comments of future research and views.

        bulk terminals; yard planning; open yard; enclosed yard; intelligent yard

        2095-3852(2016)05-0597-05

        A

        2016-03-15.

        樊小波(1993-),女,浙江麗水人,武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院碩士研究生.

        國家自然科學(xué)青年基金項目(71501152).

        U658.3 DOI:10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.017

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