集装箱码头堆场资源配置优化与研究

1、集装箱码头堆场资源配置优化研究摘 要集装箱运输的飞速发展给港口带来了良好的发展机遇建码头或投资码头设施可以提高集装箱的通过能力 目前通过新集装箱码头较之以往面临着更激烈的竞争 营运成本越低 运作效率越高集装箱码头所处的竞争位置就越有利由于集装箱码头堆场和装卸机械占了很大部分的成本投资 它将严重影响集装箱码头的运营成本因此如何选择码头装卸机械和装卸系统优化配置集装箱码头堆场面积和堆场起重机对提高码头资源利用率降低码头运作成本提高港口竞争力具有重要的意义本文首先分析了集装箱码头的运作流程全面介绍了集装箱码头各种装卸机械的特点重点分析了集装箱码头堆场起重机应用现状和发展趋势 探讨了堆场起重机的变化特

2、点 分析了集装箱堆场的作用和不同装卸系统对堆场需求 研究了如何提高集装箱码头堆场容量然后介绍了集装箱码头一般装卸系统优缺点对集装箱码头装卸机械的选取进行了比较分析 阐述了自动化集装箱码头介绍了自动化码头装卸系统的组成对一般装卸系统和自动化装卸系统进行了比较分析并得出了相关结论最后使用成本模型研究了进口集装箱堆场每个 BAY 堆存集装箱和堆场起重机的优化配置在堆场集装箱容量确定的前提下每个BYA 堆存的集装箱数决定了堆场面积 考虑了两种不同的情况 一I种是不考虑外部集卡等待成本的情况下单个集装箱在堆场运作成本最小时每个 BAY 堆存的集装箱数和堆场起重机数 另一种是考虑了外部集卡等待成本的情况下

3、 单个集装箱在堆场运作成本和外部集卡等待成本之和最小时每个 BAY 堆存的集装箱数和堆场起重机数运用了 M/G/1 排队模型用模型对给定的算例进行了计算分析并对影响每个 BAY 堆存集装箱数和堆场起重机数最优配置的部分因素进行敏感性分析得出了相应的结论通过这种优化配置可以最大化利用码头堆场资源减少码头的运作成本提高码头的竞争力为集装箱码头的建设提供参考关键词集装箱码头堆场堆场机械 优化配置IIRESEARCH ON OPTIMIZING STORAGE RESOURCEOF CONTAINER TERMINALABSTRACTRapid development of container fre

4、ight brings ports the good future,constructing new terminal or increasing facilities can improve container terminalhandling ability. At the same time, more pressure of competition makes containerterminal reduce operation cost and increasing handling efficiency, which will letcontainer terminal advan

5、tage status. Container storage and handling equipment need abig investment, and that will affect container terminal operation cost. So it isimportant to choose handling facilities and operation system, and optimize containerstorage and handling equipment in the terminal, That can improve port compet

6、itiveability.This study , first of all, introduces the container flow in the container terminal,analyses the characteristic of all handling equipment of container terminal , discussesthe yard crane and the trend of gantry crane. And then discusses the function of yardstorage and how to improve stora

7、ge ability of container terminal. This thesisrecommends conventional container operation system and automatic operation system,and compares them to get some advice in order to how to chose operation system ofcontainer terminal.In the end, A cost model is developed for the decision making of the opti

8、mumcontainer number of the BAY and the optimum yard crane in the import containerIIIterminal. The container numbers of the BAY determines the storage area if thecontainer storaged in the yard is const. Two different cases are treated, one where thecost of only the terminal operator is minimized, and

9、 the other where the total cost ofboth the terminal operator and the customer is minimized. While for the latter case , aM/G/1 stochastic model is used . An example is analysed by using the model, andsensitivity discuss have been used about different factors which could affect theoptimum deployment

10、,and a few conclusions have been gotten. So container terminaloperator could get some advice from the thesis.Key words : Container terminal, Storage, Storage facilities, OptimizeIV上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明

11、确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名 杨军日期2005年1 月17 日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密本学位论文属于 不保密请在以上方框内打在年解密后适用本授权书学位论文作者签名杨军指导教师签名高捷日期 年 月 日日期 年 月 日上海交通大学硕士学位论文第一章1.1 研究背景集装箱码头的运作环境在不断的

12、变化绪论经济全球化和货物的集装箱化给世界集装箱带来了飞速的增长全球集装箱吞吐量 1980 年仅为 3600 万 TEU 而 2002 年达到 2.6 亿 TEU 2003 年英国海运咨询公司OSC预测 2010 年世界集装箱吞吐量将达 4.34.6 亿 TEU 集装箱吞吐量的快速增长给集装箱码头带来了前所未有的发展机遇但是船舶的大型化对深水泊位及码头设施的要求多式联运的发展使港口优势腹地不复存在港口的发展带来的环境问题货主对门到门运输和及时运输(JIT)的强烈要求等等这些问题都将使集装箱码头面临着更大挑战集装箱码头必须购买大型岸边起重机开发更大的泊位 投资码头堆场设施扩大堆场面积等措施来提高港

13、口的通过效率加快集装箱在港口的运转来满足市场需求同时集装箱港口面临着更激烈的外部竞争特别是亚太地区马来西亚丹戎帕拉帕斯港PTP以低于其竞争对手新加坡港 30%的港口收费吸引走了马士基海陆和长荣两大船公司釜山港以提供低收费和中转便利性来吸引中国大陆中转货物2001 年其中转率达到了 37% 而香港港口一直面对深圳港较低港口费用的竞争集装箱港口的竞争力取决于多方面的因素 但低的港口费用争力起决定作用高效率地装卸集装箱将对港口竞集装箱码头最主要的功能在于提供一个实体作业环境以达成将集装箱在船舶与陆地间交换的目的为使集装箱船装卸作业得以快速连续进行集装箱码头通常会在泊位后规划相当面积的地面空间用以暂时

14、堆存集装箱称为集装箱堆场就出口集装箱的托运程序而言货主必须先将集装箱送抵码头等候装入指定的船舶考虑到岸边起重机与拖车作业效率码头运营者通常会要求托运人在船舶抵港之前将集装箱送到堆场暂存以利船舶抵港时可连续将集装箱从堆场拖运至船边装船缩短船舶滞港时间为提升竞争优势并降低运营成本1发展大型化与高速化的集装上海交通大学硕士学位论文箱船已成为航运市场的发展趋势随着船舶的大型化单船在港口的集装箱装卸量已大幅增加造成码头堆场空间的需求上升不同的装卸设施对堆场面积的要求不同为了获得更高的堆场容量集装箱码头逐渐走向在现有土地资源上堆垛更多的集装箱此方式虽可有效提升堆场容量但因集装箱堆垛密度过高大幅增加了提箱装

15、船的困难度降低了堆场作业效率而且需要投入更多的堆场起重机投资加大因此如何选择正确的集装箱码头设施如何匹配码头设施和堆场面积使集装箱码头投资最优化降低码头运作成本提高码头竞争力对集装箱码头而言是一个十分重要的问题1.2 目前研究现状尽管很多集装箱码头经营人在码头投资规划初期就按照相关的集装箱码头设备配置标准和规范同时结合港口自然条件周边腹地的情况预测吞吐量以及码头装卸工艺类型来确定码头装卸机械的类型和投资规模但是总体来说目前常规的机械配备基本上还按照老一套的配备标准即:一个泊位均配备固定台数的集装箱装卸桥而1台装卸桥也相应配备固定台数的龙门起重机或跨运车然后再得出堆场容量后从堆场机械堆垛高度来确

16、定堆场面积而忽视了港口自身的特殊情况和装卸工艺的不同这种港口机械的配备根本没和集装箱堆场空间结合起来造成的结果是码头的真实能力没有得到反映堆场起重机和堆场面积配置不和谐对未来的发展形成工艺瓶颈导致资源的浪费生产能力不能得到充分的释放码头经常处于修改规划不利影响改造基础设施和更新设备这样一个循环之中给生产带来了当然在集装箱码头的实际营运中很多码头管理者还是总结了一些先进的管理经验值得其它港口借鉴如上海港集装箱码头(SCT)和大连集装箱码头正在积极地致力于码头装卸机械优化配置与调度管理信息系统的研制和开发工作目前类似的管理信息系统已经在新加坡香港釜山等集装箱港口得到广泛地使用该管理信息系统针对不同

17、的生产任务来制定相应的港机配置数量和调度方案2这样一方上海交通大学硕士学位论文面简化了港机调配的工作程序把以前完全由管理者人工做决策的工作转移给计算机来完成而另一方面通过优化配置机械拥有量与使用数量也可以提高机械利用率有效地控制装卸成本增加港口的经济效益力争实现码头装卸作业的高效化自动化一些相关的学术刊物上也发表了关于如何科学地确定集装箱码头装卸机械的拥有量合理配置装卸机械方面的文章陶其均1 通过对集装箱堆场工艺机械的主要技术参数技术性能和营运状况调查研究和介绍分析提出了轨道龙门吊和轮胎龙门吊两个比较方案季红星等2运用多目标决策理论中的线性分配法和层次分析法分析了不同运量水平下港口装卸工艺系统

18、的优选问题张新丽等5 陈策源6 ,李维娟7都在码头的投资规划中结合码头的实际情况在分析各种装卸工艺特性条件下从实践经验上给出了集装箱码头装卸机械的选型以及拥有量的确定林敦清3针对上海港集装箱码头的实际情况提出了另一种优化港机配置的思想杨静蕾4等以上海港外高桥集装箱码头为例构建了动态多级排队网络运用仿真技术来描述集装箱码头装卸系统,通过对系统输出指标的分析得出了外高桥集装箱码头的最优机械配比和最优的桥吊台数李冠声等9采用计算机仿真技术建立相应的数学模型对所需的设备条件吞吐能力瓶颈问题等进行研究提出港机管理方面的建议在港机优化模型中采用了非线性混合整数规划然后通过编制集装箱码头装卸工艺模拟软件来得

19、出港机的最佳配置规模关于集装箱码头堆场设施的研究在国外的参考文献中也有相关的阐述Roux10对一般集装箱码头和专用集装箱码头的进口集装箱的堆存能力进行研究估计了在港口发生低频率堆存拥堵时最小的堆存面积也研究了不同货物不同吞吐量时港口堆场的利用Kim12建立了成本模型来优化进口集装箱堆场中堆场起重机和堆场面积的配置Kozan13 讨论了影响多式联运集装箱码头的主要因素建立了把集装箱装卸时间和运输时间之和作为最小目标函数 来研究集装箱码头的各种机械配置 Kap Hwan Kim 等14针对韩国大型的集装箱码头堆场装卸机械的营运与使用状况提出了一种优化调度堆场装卸机械的数学方法3上海交通大学硕士学位

20、论文1.3 本文主要工作基于以上的讨论本文针对前人的研究工作和集装箱码头堆场机械配置的研究现状提出了一种优化进口集装箱码头堆场起重机和堆场面积的配置的方法集装箱码头堆场设施主要由码头堆场和堆场机械组成本文首先分析了各种集装箱码头装卸机械的特点探讨了堆场机械的发展趋势分析了如何提高集装箱码头堆场容量然后对不同装卸系统的特征进行了分析比较介绍了自动化集装箱码头对一般码头装卸系统和自动化码头装卸系统的选取进行了比较分析之后对堆场面积和堆场起重机进行了优化得出了在一定进口集装箱容量情况下堆场起重机和堆场面积的最优配置在集装箱堆存容量一定的情况下每个BAY堆存的集装箱数决定了堆场的面积机进行优化配置因此

21、本文用每个BAY堆存的集装箱数代替堆场面积以使单个集装箱在堆场的运作成本最优化与堆场起重文中分两个阶段来研究: 在不考虑货主成本的情况下对进口集装箱堆场起重机和每个BAY堆存的集装箱数进行了优化分析并用一个集装箱码头实例进行分析在考虑货主成本的情况下结合M/G/1排队模型对进口集装箱堆场起重机和每个BAY堆存的集装箱数进行优化分析并给出了集装箱码头实例为了简化计算过程解论文具体结构如下:采用了工程计算软件MATLAB6.5.1来对算例进行辅助求(1) 第2章介绍了集装箱码头装卸设施和集装箱码头堆场分析了各种装卸设施的发展趋势研究了集装箱码头堆场并分析了如何提升集装箱堆场容量(2) 第3章对集装

22、箱码头一般装卸系统和自动化系统进行了介绍4分析了选择集装箱上海交通大学硕士学位论文装卸系统应考虑的因素(3) 第4章分别在不考虑货主成本情况下和考虑了货主成本情况下对进口堆场起重机和每个BAY堆存的集装箱数进行优化配置堆场起重机的配置因素进行敏感性分析(4) 第5章给出结论5并就影响每个BAY堆存集装箱数和上海交通大学硕士学位论文第二章2.1 集装箱码头流程分析集装箱码头设施分析集装箱码头作为整个运输网络的中心基本上有三个功能1.接收托运人的货物和把货物交给货主2.从集装箱船上装卸集装箱3.暂时堆存集装箱按照货物的流向可分为进口箱和出口箱集装箱的处理活动是从集装箱船期开始的在集装箱船到达码头之

23、前集装箱船的名称主要要素在靠岸港口装卸的集装箱数到达离开时间等等即被传送到码头根据这些信息外部集卡或列车把出口集装箱运到码头堆场或直接运到码头前沿然后空驶离去或把进口集装箱运出在进出码头时外部集卡在码头大门接受检查以及单据检验在码头前沿泊位准备集装箱船的停靠为集装箱船配置岸吊确定集装箱的装卸顺序 在码头内部 集卡把进口集装箱从码头前沿运到堆场大门铁路和公路装卸区域空箱堆场直达进出口箱堆场码头内运输货运站集装箱船装卸区域图集装箱码头运作区域及运输流向Fig.2-1Operation areas of container terminal and flow of transports把出口集装箱从

24、堆场运到码头前沿进出口集装箱暂时储存在堆场6直到外部集卡上海交通大学硕士学位论文或列车把它运走或码头内部集卡将其运到码头前沿装船集装箱码头的运作区域及运输流向如上图 212.2 集装箱码头装卸机械为了有效提高集装箱码头的装卸效率缩短集装箱船在港停留时间集装箱码头采用高效专用机械设备实现装卸作业机械化整个集装箱码头机械化系统主要包括码头前沿机械2.2.1 码头前沿装卸机械水平搬运机械堆场作业机械岸边集装箱装卸机械包括集装箱装卸桥多用途门座起重机高架轮胎式起重机高塔柱轨道式起重机而较为常见的是集装箱装卸桥和多用途门座起重机在此主要介绍这两种机械(1) 集装箱装卸桥集装箱装卸桥又称岸壁集装箱起重机大

25、型集装箱码头一般采用它承担集装箱装卸船作业集装箱装卸桥沿着与码头岸线平行的轨道行走它主要由带行走机构的门架承担臂架机构的拉杆和臂架等几部分组成臂架又可分为海侧臂架陆侧臂架以及门中臂架三部分海侧臂架和陆侧臂架由门中臂架连接臂架的主要作用是承受装卸桥小车的重量小车带有升降机构而升降机构又用来承受集装箱吊具和集装箱的重量海侧臂架一般设计成为可变幅式当集装箱装卸桥在移动时为了船舶和航道的安全(2) 多用途门座起重机一般将海侧臂架仰起多用途门座起重机是港口通用件杂货门座起重机的一种变形它是为了适应船舶混装运输的需要而发展起来的主要增加了装卸集装箱的功能多用途门座起重机可按不同的需要配装不同的装卸工具(如

26、集装箱专用吊具吊钩抓斗等)7上海交通大学硕士学位论文设置相应的附加装置可进行集装箱件杂货重大件散货的装卸作业与岸边集装箱装卸桥相比多用途门座起重机的自重较轻轮压较低对码头的负荷要求低从而可安装在原有的门座机码头上使用集装箱吊具具有自动旋转装置以保持装卸作业过程中集装箱的纵轴线与码头岸线平行它具有吊具水平补偿装置以保持变幅过程中吊具与集装箱的水平状态吊具还装有偏重心调节装置以防止集装箱偏载所产生的箱体倾斜由于内河港口所处的地理位置不同于沿海港口集装箱码头一般具有集装箱吞吐量小装卸船舶载箱量小受到河岸地势限制码头陆域面积小等特点一般配置多用途门座起重机一机完成装卸水平搬运和堆码作业从而减少码头机械

27、配置量减少投资降低装卸成本多用途门座起重机在我国长江沿岸码头应用较多2.2.2 水平运输机械水平运输机械包括跨运车牵引车和底盘车(1) 跨运车如武汉港镇江港跨运车是一种专用于集装箱短途搬运和堆码的机械跨运车在工作作业时以门形车架跨在集装箱上并由装有集装箱吊具的液压升降系统吊起集装箱进行搬运和堆码该机的最大特点是机动性好可一机多用既可作码头前沿至堆场的水平运输又可作堆场的堆码搬运和装卸车作业主要缺点是价格昂贵维修费用较高驾驶员的视野有待改善(2) 牵引车和底盘车集装箱牵引车是专门用于牵引集装箱底盘车的运输车辆其本身没有装货平台不能装载集装箱通过连接器与底盘车连接牵引底盘车运输从而实现搬运作业的目

28、的底盘车是一种骨架式拖车车上装有扭锁插头8能与集装箱的角件相互锁紧上海交通大学硕士学位论文集装箱牵引车较低底盘车的特点是运行速度快 托运量大设备价格较低 营运成本把集装箱从岸边装卸桥下以低成本快速疏运出去是集装箱码头梦寐以求的在集装箱码头自动化技术还不是很完善的情况下多节拖车系统 MTSmutil-trailersystem 是最好的疏运方式 MTS 系统能以合理的费用且在不发生码头拥堵条件下允许几个集装箱同时运输多节拖车系统使用一台牵引车 同时拖挂两辆或更多的挂车牵引车和第一节挂车之间用自动连接器连接提高了效率这种码头运输方式意味着时间燃油和劳动力 考虑驾驶员和维修人员节约以及环境的改善增加

29、了运输能力更能显示出优势减少了堵塞这种运输方式在大型的集装箱码头和长距离的运输中1984 年鹿特丹港 ECT 在 Delta 码头上首次使用 MTS 运输集装箱MTS 比跨运车速度快 而且能同时运送 10 个 TEU 或 5 个 40 英尺的集装箱 ECT 也使用 MTS系统在各码头之间进行长距离的运输目前 MTS 多节拖车系统还在一些其他集装箱码头得到应用如英国 Felixstowe 港加拿大 Vancouver 港 德国汉堡 EUROKAI码头意大利 Gioia Tauro 集装箱码头等尽管 MTS 对于 ECT 集装箱码头是一种很好的运输方式但并不是每个码头都能使用这种运输方式因为多节拖

30、车需要很大的堆场面积总长度大约 80 米回转半径大约 18 米可操作性较差运转事故容易发生陆地面积很小的集装箱码头一般不会采用这种运输方式集装箱吞吐量的急剧增长造成很多码头堆场拥挤很多港口已在码头外寻找堆场釜山港出口集装箱多交往码头外部堆场 深圳港赤湾集装箱码头建设了码头外堆场而在上海洋山港集装箱从堆场到码头要经过东海大桥码头外堆场增加了码头的通过能力 但也增加了集装箱运作成本码头外堆场与码头间的运输如能采用多节拖车系统将降低集装箱码头费用9上海交通大学硕士学位论文2.2.3 堆场作业机械堆场作业机械主要有轮胎式龙门起重机轨道式龙门起重机跨运车正面吊运机和叉车(1) 轮胎式龙门起重机轮胎式龙门

31、起重机由前后两片门框和底梁组成门架支撑在橡胶充气轮胎上在货场上行走装有集装箱吊具的行走小车沿着门框横梁上的轨道行走 用以从底盘车上装卸集装箱和进行堆垛作业轮胎式龙门起重机一般跨 6 列集装箱和一个车道能堆 45 层集装箱场地利用率较高相对轨道式龙门起重机较为灵活可从一个堆场转移到另一个堆场进行作业服务面积大 但机械本身自重大 轮压较大要求特殊修建的转向点和转移道路轮胎易磨损造价较高(2) 轨道式龙门起重机轨道式龙门起重机由两片悬臂的门架组成 两侧门腿用下横梁连接 支承在行走轮轨上可在轨道上行走该机可堆 45 层集装箱可跨多列集装箱及跨一个车道因此堆存能力高堆场面积利用率高 由于结构简单操作容易

32、 便于维修保养易于实现自动化 主要缺点是要沿轨道运行灵活性较差 另外由于跨距大对底层箱提取困难故常被用于陆域不足且吞吐量大的集装箱码头为了弥补单个轨道式龙门起重机发生故障时起重机不易调动的缺陷目前一些港口采用了双轨道式龙门起重机(DRMG)作业方式(Double Rail-Mounted Gantrycrane) 双轨道式龙门起重机作业方式就是在码头 1 个集装箱堆存区布置 2 对轨距不等的轨道每对轨道上运行 1 台轨道式龙门起重机内侧轨道上运行的 RMG 轨距小高度低可以从外侧轨道上运行的 RMG 门架内通过在任何时候外侧轨道上的 RMG 都能跨过里面小的龙门起重机通过这种方法整个箱区每对龙

33、门起重机可同时连续进行作业是提高了整个设施的实用性所有的货物在任何时候都是可达的假使一台龙门起重机发生故障这种安排更重要的受影响的箱区仍可以减速作业因此2 台 RMG 均可以同时在整个堆存区范围内连续运行从而提高10上海交通大学硕士学位论文堆场作业效率 在集装箱堆垛搬运中互补德国汉堡港在 CTA 一期工程投入使用了 22 台全自动双轨道式 RMG 其中 11 台轨距 40m 另 11 台轨距 31m我国的厦门港在海沧港区的 1 5 6 号泊位的工程设计中在国内率先采用了 RTG和 RMG 的共轨作业方式这样在堆场作业设备的配置上就可以 RMG 为主辅以少量的 RTG 当任务需要时可调配机动灵活

34、的 RTG 协助作业这样的配置既能保证高效低成本又有利于环保和自动化的实现还兼具一定的灵活性随着人们对环保越来越重视(3) 跨运车共轨式 RMG 与 RTG 的应用必将越来越广泛跨运车也可作为码头堆垛机械(4) 叉车和正面吊运机前面已叙述正面吊云机和叉车是集装箱码头最常用的机械在大型集装箱码头叉车和正面吊运机经常和龙门起重机 跨运车一起使用提高码头运作的柔性和装卸的多样性在中小型港口叉车和正面吊运机会承担更多的运输装卸能力而且正面吊运机的多样性适应性几乎可承担码头上的各种工作叉车门架固定吊具只能上下移动而不能横向移动及旋转 在装卸时只有靠移动车子来对准箱位作业时行走方向必须与集装箱长度方向垂直

35、正面吊的臂架可伸缩和变幅吊具可横向移动和旋转装卸对箱时只需操作臂架和吊具而不用移动车子作业行走时方向不用与集装箱长度方向垂直可跨箱作业但堆垛高度逐层降低堆垛重量逐层减小2.3 集装箱码头装卸设施使用状况和发展趋势2.3.1 集装箱码头装卸设施集装箱码头装卸机械是码头固定资产主要投资部分装卸机械价格昂贵只有在急需时集装箱码头才会考虑配备码头装卸设施图 2-2 为 2002 年世界码头在岸边集装箱装卸起重机 STS多用途门座起重机 MHC11轮胎式龙门起重机 RTG上海交通大学硕士学位论文轨道式龙门起重机RMG跨运车SC叉车FLT正面吊运机RS牵引车Terminal tractor拖车(Trailer)9 种码头装卸机械投资费用图在所有码头装卸机械中岸边集装箱装卸桥价格最昂贵是