关于集装箱码头装卸设备的选型与优化的研究.docx
《关于集装箱码头装卸设备的选型与优化的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于集装箱码头装卸设备的选型与优化的研究.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
关于集装箱码头装卸设备的选型与优化的研究
关于集装箱码头装卸设备的选型与优化的研究
吴志昂
（浙江海洋学院东海科学技术学院，C09物流1，091320103）
2012.10.26
[摘要]虽然在实际工作中，增加泊位机械数量以提高泊位通过能力相对于堆场扩容来说较为容易，但是设备的配置和装卸工艺是系统工程，如果自身配置不科学，与外围环境不协调，一味靠增加设备数量也是不能解决问题的。
设备配置的日趋合理、装卸工艺上的每一个进步，从根本上说都是对系统更进一步的认知和落实，所包容的系统由小到大，由简单到复杂，解决系统协调的思想越开拓，采用的方法越科学。
[关键词]集装箱装卸设备优化
绪论
近年来，随着我国经济的高速发展，特别是在我国加入WTO和全球经济一体化的形势下，集装箱运输在我国以至全世界范围内均空前高速发展，第五、第六代集装箱大型船舶已成为世界远洋干线运输的主要船型，由此对集装箱码头的要求越来越迫切。
第一章集装箱码头装卸设备的选型
我国专业化集装箱码头建设最早从1979年的天津港开始，20多年来经历了跨越式过程，目前已发展到20多个集装箱枢纽港。
尤其是1998年以来，我国集装箱运输事业更是发展迅猛，全国各主要港口都在不遗余力的加快码头建设，以满足日益增长的业务需要。
主要表现在：
“九五”期间利用外资建港，引进先进的装卸设备，提高了集装箱码头装卸效率，加速了港口专业化和现代化进程；我国众多集装箱码头建设规模、高效先进的设备和流转运输效率及科学管理水平已呈高速增长的良性循环状态；各港注重加强装卸设备和装卸技术的先进性，集装箱装卸设备逐年更新换代，装卸工艺机械化程度逐年提高，设备种类和系统配套逐步完善；港口信息化管理水平提高，一些码头配备的管理系统具有自动进行作业设备分派、集装箱装卸作业顺序安排、船舶计划和配载、堆场计划、车辆和集装箱跟踪等功能，且各部门之间实现了EDI。
然而，我国的集装箱码头只采用极其成熟的技术、设备和作业工艺，这样降低了风险，但也在很大程度上制约了码头作业效率的进一步提高。
我国主要集装箱大港，如上海、深圳、青岛、天津、宁波和广州等堆场设备大多采用轮胎龙门吊。
近20年来，这种作业方式虽然取得了丰富的使用和管理经验，但其它作业方式如轨道吊、高架桥吊方式或者上述两种设备混合作业等都有其可取的优越性。
因此，在我国集装箱码头建设和管理上，是借鉴国外的经验，还是具有创新精神、突破传统，开创出一条新的工艺模式，这是摆在所有港口码头经营者和管理者面前的一个亟待解决的重要问题。
1.1码头装卸设备的选型研究
有了以上研究工作的基础，在集装箱码头建设初期确定装卸工艺类型、明确设备投资规模，或在码头运营发展期随着吞吐量的增长需要添置设备，提高生产能力时，都不可避免地需要对装卸设备进行选型研究，使采购的设备符合码头生产需要。
设备的选型原则必须满足生产适用、技术先进、经济合理的要求。
评价设备选型的好坏一般从适用性、前瞻性、舒适性、经济性、生产效率等几个方面进行考核。
适用性是指设备的主要技术参数，即设备作业能力，必须在运行的使用环境内安全可靠地满足设备服务对象的要求；前瞻性是指选择设备必须留有裕量，保证在若干年内仍然能够适用，不被淘汰；舒适性则是根据现代人机工程学的要求，设备的操作性能必须满足人体舒适要求，方便操作与维修，降低操作人员的疲劳程度；经济性也就是设备的采购及运行成本必须合理，环保与节能，以及标准化、系列化；生产效率方面必须与生产线上的其它设备和设施相匹配，并且追求效率的最大化。
在选择设备制造商的时候，其售后服务及备件供应能力也应该给予充分考虑。
1.2岸边装卸设备的选型分析
专业化的集装箱码头大都采用岸桥作为岸边装卸设备，而岸桥的选型首先必须在码头基础的承载能力以内满足其作业船舶的要求。
在岸桥主要技术参数的选择上，额定起重量、外伸距、后伸距、起升高度、整机高度、宽度、整机重量、轮压等尤为重要，必须满足其适用性要求。
1.额定起重量：
考虑装卸货物的重量，这里主要是集装箱，当然还有舱盖板，或者一些重大件杂货；以及是否采用双箱吊具。
目前岸桥的额定起重量多为45t～65t（吊具下）。
2.外伸距：
考虑船宽、船上装载集装箱的列数、码头前轨与前沿的距离、码头护舷的宽度等等。
3.后伸距：
从船舶上吊下的舱盖板常常放在岸桥的后伸距下，所以后伸距必须满足这一要求，还要考虑车辆通行的问题。
4.起升高度：
分为轨上起升高度和轨下的两部分。
主要与船舶高度、甲板上堆高、舱内堆高、潮差等因素有关。
海天码头1#－5#岸桥起升高度都不超过32m，已无法胜任超巴拿马船型的装卸任务。
5.整机高度和宽度，主要影响起重机的运输，或者码头上方有航空限高等要求，以及必须作业相邻贝位的集装箱。
6.整机重量和轮压则必须满足码头面的承载能力。
岸桥设备的运动参数（起升、小车、大车、俯仰机构运行速度等）以及作业循环时间则是直接反映了它的作业效率，因此在选型时也应给予慎重考虑。
现在的岸桥越来越高大，为了保证高效率作业，运行速度也越来越快。
ZPMC已经可以把小车运行速度提高到350m/min，起升速度180/90m/min。
岸桥结构、机构布置形式、以及电气控制系统和起重机管理系统的好坏，在一定程度上都会影响设备的可靠性、维修性和作业效率。
岸桥供电一般都采用高压上机。
目前国内大型集装箱码头比较多采购吊具下额定起重量65t、外伸距65m的双箱型岸桥，其价格大约在5000万元/台上下。
在现实生产中，一艘超巴拿马船舶经常需要4～5台岸桥同时进行装卸作业。
1.3水平运输设备的选型分析
国内集装箱码头几乎都采用龙门吊或轨道吊装卸工艺，所以水平运输设备都选用了集装箱拖挂车。
采购集装箱拖挂车主要考虑的参数有牵引能力、运行速度、最小转弯半径等。
目前可供选择的拖车主要有机械传动的高速牵引车与液力传动的低速牵引车两种，可以根据码头规模对其进行技术经济性进行比较后做出合理选择。
另外油耗和轮胎消耗对拖挂车将来的运行成本影响很大，在选型时也应该给予充分考虑。
目前，国产的高速牵引车价格在20万元/台，进口的低速码头专用拖车到岸价为60万元/台，半挂车每部5～7万元。
1.4堆场装卸设备的选型分析
其实，目前对集装箱码头装卸工艺和配套设备的研究大多是在堆场装卸设备上做文章。
而堆场装卸设备的选择，很大程度上要取决于码头堆场的面积、布局和生产组织模式，以及今后的生产规模。
下面只讨论大规模集装箱码头的情况。
通过前面的分析，我们知道，跨运车虽然生产效率高，但是存在堆存率低、维修成本高等缺点，管理和使用它都不会容易做到顺利和稳定，所以国内集装箱码头几乎都采用龙门吊作为堆场装卸设备。
在轮胎式龙门吊和轨道式龙门吊的选择上，主要考虑是否需要转场作业、码头初期投资、码头堆场布局和供电情况等。
龙门吊的选型参数主要有额定起重量、跨距（轨距）、堆高能力、运动速度、轮压等。
1.额定起重量：
考虑装卸集装箱的重量，一般为吊具下41t。
目前，有些集装箱作业量较大的码头也开始采用配有双箱吊具的龙门吊，那么它的起重量就必须达到65t。
2.跨距（轨距）：
国内使用的轮胎式龙门吊一般为23.47m的跨距，可跨6排集装箱和一个拖挂车通道。
马士基旗下的码头则喜欢采用24.60m跨距的龙门吊，可跨7排箱和一个拖挂车通道。
轨道式龙门吊的轨距则没有那么固定，但一般采用30m和33m的比较多。
根据码头堆场布置需要，海天码头在确定冷藏箱堆场使用的轨道吊时就选用了50m的轨距。
3.堆高能力：
最早的龙门吊堆高只有“堆三过四”，仅比跨运车高一层。
现在，“堆五过六”已经非常流行了，在一些箱量大、泊位纵深短的集装箱码头甚至采用了“堆六过七”的类型。
4.运动速度：
龙门吊的运行速度除大车外都比岸桥来的小，可参考前面的论述。
5.轮压：
必须能满足码头面承载的要求。
另外，设备的电气控制系统、起重机管理系统、无线数据传输系统等都是现在采购设备应该考虑的问题。
如果采用自动化堆场模式运作，那么轨道吊实现起来会比轮胎式龙门吊要容易，并且稳定。
ZPMC等港机制造商也推出了利用GPS定位系统对龙门吊进行自动纠偏、定位等功能。
第二章集装箱码头装卸设备的优化
2.1码头装卸设备的优化配置
码头装卸设备的配备数量，应以满足码头的通过能力为前提。
如果集装箱专用码头前沿采用桥吊装卸船，那么码头通过能力也就取决于桥吊的生产率。
集装箱码头年通过能力可按下式计算：
（4.1）
式中：
Qp——泊位年通过能力（箱/年）；
Qa——桥吊的平均生产率（箱/小时）；
T——泊位营运日历天数，取T＝365天；
a——泊位可用系数，除去不良天气，取a＝0.9；
b——装卸利用系数，考虑船舶到港不平衡性、靠泊等辅助作业，取b＝0.3；
t——每昼夜时间，t＝24小时；
n——桥吊的数量。
堆场的年通过能力，也就是堆存能力，可按下式进行计算：
（4.2）
式中：
Qd——年堆存能力（箱/年）；
S——最大堆存量（箱）；
T——堆场营运日历天数，取T＝365天；
C——堆存高度系数；
D——平均堆存天数，取D＝7～10天。
这其中，堆场的最大堆存量、高度系数与所采用的工艺方式有关。
以上两个公式可以大致框算出一个集装箱码头的年生产能力，在后面的实例分析中将会用到它们。
港口的通过能力也遵循“木桶理论”。
集装箱码头装卸系统是由船舶、装卸设备、堆场、疏运四大部分多环节组成的综合系统，如果某个环节的能力不足，就会导致港口通过能力下降到该环节的能力水平。
组成码头装卸系统的各个环节中相关因素很多，而且这些因素大多是随机的，一般的规划方法和预测方法难以充分描述该系统复杂的动态过程。
目前，较为科学的方法是应用计算机对集装箱码头装卸系统进行模拟研究。
在全面调查了解码头装卸系统作业过程和营运调度模式的基础上，分析研究组成系统的主要环节及各种环节中的主要影响因素，确定计算机模拟的系统模型。
收集有代表性的历史数据进行整理分析，并经过计算机处理，得出有关的数学模型。
系统可以模拟分析不同参数组合下的装卸系统营运情况，供科学规划设计和可行性研究作定量分析使用。
2.2影响码头装卸设备配置数量的因素
码头装卸设备是码头作业系统和物流系统中关键的一环。
设备本身的作业能力和效率、堆场面积和布局、道路设置和车流管理、作业流程调度、设备配比等都会影响码头作业效率和通过能力。
码头装卸设备配备数量与码头的其它运作条件、年吞吐量、操作水平、管理方法以及服务水平密切相关。
2.3集装箱码头综合成本模型
通过以上的分析，我们知道，在设计规划集装箱码头或对其进行运营管理时，装卸设备的配备数量及选型是工艺设计或管理中一个十分重要的问题。
如果装卸设备配备的数量太多，装卸能力过大，必然会增大港口的投资。
而因利用率低，空闲时间过长所带来的浪费也会降低港口的经济效益。
反之，如果装卸设备配置不足，可导致船舶在港的停泊时间过长，排队现象严重，损害船运公司及货主的利益，由此也会影响港口的信誉，削弱其在港口运输市场中的竞争力。
所以，码头装卸设备的配置应兼顾港口与船运公司的双方利益，使其达到“既满足需要，又不造成浪费”的最佳投资水平。
下面的集装箱码头综合成本模型是以港、航双方的综合成本最小为目标，确定集装箱最佳装卸设备数量的计算方法及装卸设备数量与泊位通过能力之间的相互关系。
在港口生产过程中伴随着装卸作业的进行带来大量的营运性成本。
为简单起见，仅对与港口建设规模有直接关系的四部分成本加以研究。
令C表示这些成本之和，并称之为综合成本，则有：
（4.3）
式中：
——泊位日均成本（万元/天）；
——装卸设备日均成本（万元／天）；
——人工日均成本（万元／天）；
——船舶停时日均成本（万元／天）。
图4-1集装箱码头综合成本曲线
下面分别介绍各项成本费用的计算方法。
1.泊位成本
泊位成本主要包括两部分，泊位的初期建设费用及码头营运期间对泊位设施的维护费，所以在计算泊位日均成本
时，对建设费用应考虑折旧年限的因素。
（4.4）
式中：
b——泊位数；
cbu——平均每个泊位的建设费用（万元／泊位）；
cbm——平均每个泊位的年维护费（万元／泊位）；
fy——年利率；
N——泊位折旧年限。
在这里，为了简便计算，泊位建设费用采用直线法计提折旧，所以在图4-1中Cb曲线是一条水平直线。
2.装卸设备成本
为了方便计算分析，按集装箱码头装卸作业特点，定义一台岸边起重机配合以一定数量的水平运输设备及堆场起重机组成一条装卸作业线。
至于水平运输设备、堆场设备配置的数量可根据岸边起重机的台时效率、堆场的布置及集装箱水陆运集疏港比例等因素来决定。
因不同类型设备在价格折旧年限及动力消耗方面有较大差别，所以计算装卸设备日均成本Cr时应分别给予考虑。
若每台岸边起重机日均成本为fm1，则有：
（4.5）
式中：
cf1——平均每台岸边起重机的价格（万元/台）；
N1——岸边起重机的折旧年限；
Q——码头年装卸集装箱数量（TEU）；
nld——平均每个泊位配置岸边起重机台数（台／泊位）；
cml——岸边起重机平均装卸一箱所耗的动力费及设备维修费。
同理，每台水平运输设备的日平均成本fm2和堆场起重机的日均成本fm3，可类似于（4.5）式进行计算，则装卸设备的日均成本Cr可用下式表示。
（4.6）
式中：
nsp——每条作业线上水平运输设备的台数；
nmx——每条作业中堆场起重机的台数。
3.人工成本
对于人工成本，仅参考直接参与装卸作业人员的工资、奖金、福利等费用，将每条作业线中的司机及装卸工人组成一个作业班组，并以一个班组一天的费用作为人工成本计算的基本单位。
当然，每个作业班组的人数应考虑出勤率的影响。
日均人工成本Cl由下式表示：
（4.7）
式中：
3——表示码头每天分三班作业；
cll——每个班组的日工资（万元/班）。
以上装卸成本同作业线的数量和码头年装卸的集装箱量成正比例增长，所以在图4-1中呈一斜率大于1的直线。
4.船舶停时成本
以船舶在港停时费作为航运公司的支出成本。
所以，为了求得船舶在港停时的日均成本就必须知道船舶的平均在港停时Ts（主要包括船舶平均在泊时间T及平均在锚地等待时间W两部分）。
T的计算公式为：
（4.8）
式中：
G——平均计算船型的载箱量（TEU），可按各种到港船型比例加权平均；
Fd——船舶的实际装卸箱率，也是根据统计数据得来；
el——每台岸边起重机平均装/卸一箱所需的时间（小时/TEU）；
f1——工作天影响系数，f1=365/泊位年工作天；
dt——码头每天营运小时；
at——每条船平均辅助作业时间（小时）；
f——干扰系数，当一条船使用nld（nld＞1）台岸边起重机进行装卸作业时，其间势必会产生一定程度的干扰。
有资料说明，这种干扰可表示为指数形式，即nldf。
当然，干扰系数0＜f≤1。
对于船舶的平均排队时间W，目前多采用排队论（QueueTheory）中的M/M/b模型或M/EK/b模型进行计算，其中第一项M表示船舶到港服从泊松分布，第二项M或EK表示船舶到港服从负指数分布或K阶爱尔朗分布，第三项代表泊位数。
如果取泊位的平均服务率μ=1/T，则船舶的平均到达率λ为：
（4.9）
对于M/M/b模型来说，船舶在锚地平均等待时间W为：
（4.10）
式中：
（4.11）
同时规定
，因为只有这样才不会出现无限队列的情况。
船舶平均在港时Ts为两项之和，即：
（4.12）
而平均在港的船舶数量ns为：
由于目前在数学理论上对M/Ek/b模型尚未彻底解决，所以该模型的船舶平均等待时间WE多采用经验公式来近似计算。
（4.13）
式中K为船舶在泊时间服从爱尔朗分布的阶数，一般可取为2～3。
所以M/Ek/b模型的船舶平均在港停时Ts为：
（4.14）
而船舶平均在港船数ns为：
在求得了船舶平均在港停时Ts之后，利用下式便可计算出船舶在港停时的日均成本Cs。
（4.15）
式中：
Css——计算船型的停时费（万元/艘天）。
至此，通过公式（4.3）～（4.15），介绍了集装箱码头综合成本模型的全部内容，它涉及了许多参数，计算麻烦，尤其是综合成本模型在工程优化设计中的应用是建立在对综合成本模型进行大量试验的基础上，其计算工作量十分可观，所以综合成本模型的计算机程序化是十分必要的。
第三章结论
本文通过对集装箱码头装卸设备使用现状和装卸工艺类型的分析，重点研究了如何合理确定集装箱码头装卸设备配置数量的分析方法，下面给出本文主要结论和下一步研究工作方向。
6.1本文结论
利用综合成本模型对码头生产能力和设备配置情况研究，可以较好的反映了码头现在的处境。
模型计算结果，能够使我们更加深刻地认识码头装卸成本的构成，从而在平时生产中重视对装卸设备成本的控制。
做到合理确定装卸设备的拥有量，努力保证设备完好率，提高利用率，以最合理的成本换取最大的效益。
再者，可以使我们明白改进的工作途径和方向，为如何提高码头竞争力的决策工作提供方向和依据。
总结一下，通过以上集装箱码头装卸设备配置的研究和讨论，引伸出下面二个基本结论：
1.“循序渐进”，装卸设备的投资是一个动态的过程，其配备的规模要与码头实际生产任务的要求相吻合；
2.“因地制宜”，通过科学、合理的管理方式来尽可能提高设备的利用率，是实现港口装卸设备优化配置，降低运营成本的有效途径。
参考文献
[1]龙前.集装箱码头设备工程管理.北京：
人民交通出版社，2000
[2]唐一弘.我国大型集装箱码头装卸工艺模式选择的探讨.水运工程，2001，4：
25～26
[3]黄宏瑛.浅谈集装箱码头生产和管理的影响因素.集装箱化，2001，2
[4]H.Jula，C.I.Liu，P.A.Ioannou.Design,Analysis,Simulation,andEvaluationofAdvancedContainerTerminals，2002
[5]RikThomas.Nicenameshameaboutthepace.CargoSystems，2003，4：
19～20
[6]孙军.我国集装箱运输发展政策的思考.世界海运，2005，3：
17～19
[7]管彤贤.21世纪集装箱机械的技术进步.中国港口，2003，1
[8]徐如雪.集装箱厂的建设对宁波港集装箱运输的影响.集装箱化，2005，6：
13～
升级会员 