闸口是集装箱码头物流系统的重要组成部分,特别是对闸口进出型码头而言,闸口的布局、通过能力及通过效率直接影响码头物流系统的作业能力和作业效率。随着集装箱吞吐量的不断增长,码头闸口的优化配置已成为业内共同关注的重要问题。
1. 闸口业务内容及作业系统的特点
1.1 闸口业务内容
闸口日常业务以集卡为对象可分为集卡进场业务和集卡出场业务。集卡进场业务主要包括送箱集卡进场(重车进场)和提箱集卡进场(空车进场),集卡出场业务主要包括提箱集卡出场(重车出场)和送箱集卡出场(空车出场)。
闸口日常业务以集装箱为对象可分为集装箱进场业务和集装箱出场业务。集装箱进场业务主要包括出口重箱进场、出口空箱进场和中转箱进场等,集装箱出场业务主要包括进口重箱出场、进口空箱出场、退关箱出场、中转箱出场和超期箱疏运等。
1.2闸口作业系统的特点
1.2.1 闸口作业系统是随机服务系统
闸口作业系统的随机性主要表现在以下3个方面:(1)集卡到达码头闸口的时间具有随机性;(2)到达闸口的集卡数量及时间分布具有随机性;(3)外集卡的作业时间具有随机性。
1.2.2闸口作业系统是排队系统
集卡到达闸口的随机性及闸口提供服务的随机性导致闸口作业具有不平衡性。在闸口作业系统中,l条通道同时只能进出1辆集卡,当集卡到港频率大于闸口通道的作业频率时,就会发生集卡排队等待作业的情况,此时需要确定集卡作业次序。根据闸口生产作业的特点,实践中一般遵循 先到先服务 的原则。
1.2.3 闸口作业系统是离散事件系统
闸口作业系统的状态变化仅在时间的离散时刻发生,呈突变状态,属于随机的离散事件系统,其动态特性可用离散状态方程来描述,主要包括集卡到达进场闸口、集卡进入闸口进场通道排队、集卡接受进场闸口服务、集卡驶入码头堆场、集卡进入堆场作业系统、集卡到达出场闸口、集卡进入闸口出场通道排队、集卡接受出场闸口服务、作业结束、集卡离开码头等事件。
2.闸口设置方式
闸口设置主要取决于4个因素,即码头吞吐能力、闸口进出箱量占码头吞吐量的比例、码头堆场布局以及码头集疏运道路布局等。前2个因素决定闸口规模和车道数,后2个因素决定闸口位置。
2.1单闸口设置方式
单闸口设置方式常见于中小型码头、多用途码头以及以中转业务为主的大中型全集装箱码头,这些码头的共同特点是闸口进出箱量不大。某些大中型码头受外围集疏运路网或陆域地形的限制,也采用单闸口设置方式。单闸口的进场车道和出场车道设在一起,中间车道可根据进出车流量大小改为进场或出场车道。
按照监控方式的不同(分散监控或集中监控),单闸口可分为一道一室式(即1条通道配1个监控室)、单闸中岛式(见图1)和单闸边岛式(见图2)等3种形式。此外,配备先进自动化监控系统的集装箱码头通常将闸口监控室与生产中心控制室合并在一起,从而实现真正意义上的 无人闸口 。
某些港口为满足海关监管要求,在码头进出场闸口的基础上,加设海关进场监管闸口或出场监管闸口,形成双进场闸(见图3)或双出场闸(见图4)。
2.2多闸口设置方式
目前大中型集装箱码头普遍采用多闸口设置方式。多闸口码头的特点是后方集疏运以陆运方式为主,中转比例较小,闸口进出箱量很大。
多闸口可分为进出分离式、一进多出式和多进多出式等3种形式,通常根据堆场布局和码头外的路网情况确定闸口具体形式。目前国内新建的拥有3~5个泊位的中型码头(岸线总长l 200~2 000 m,年吞吐能力300万~500万TEU)大多采用进出分离式双闸口。
3. 闸口车道数的确定
集装箱码头闸口车道数的确定可采用以下4种方法:规范经验公式法、基于历史数据的经验公式法、运筹学M/M/C排队模型计算法和基于系统模型的优化仿真法。
3.1 规范经验公式法
在规划设计新码头或缺乏码头历史数据的情况下,可采用交通运输部第一航务工程勘察设计院编制的《海港工程设计手册》中的规范经验公式计算闸口车道数,即
式中:N为闸口车道数;Qh为码头年吞吐量,TEU;Kb为水路和铁路集装箱占码头年吞吐量的比例,%;Kbv为集卡到港不平衡系数;Pd为每条车道的平均通行效率,辆/h;qc为集卡平均载箱量,TEU/辆;Tyk为闸口年作业时间,d;Td为闸口日作业时间,h。
3.2基于历史数据的经验公式法
基于历史数据的经验公式法以港口自身特点和闸口历史数据为基础计算码头闸口车道数,具有明显的针对性,可应用于闸口扩建、新建闸口设计和码头日常业务中。该方法的核心思想是,闸口车道数应与码头最大吞吐能力及闸口高峰车流量相匹配,计算公式为
Ngl =TNa/TNpl
式中:Ngl为闸口车道数;TNa为高峰时段内每小时闸口最大通过量,辆;TNpl为平均每条车道每小时的通过量,辆。
TNpl =60/m
式中:m为平均每辆集卡通过闸口所需的时问,min。
TNa=(TNmd Pvpd Fpkd)/Hpk
式中:TNmd为闸口日最大通过量,辆;Pvpd为高峰时段通过量占全天通过量的比例,%;Fpkd为日不平衡系数;Hpk为日高峰时间,h。
TNmd=((Cytd/FTEU Pgh)/12 Fpkm)/Dpkm
式中:Cytd为码头年吞吐能力,TEU;FTEU为标准箱换算率;Pgh为闸口年通过能力占码头年吞吐能力的比例,%;Fpkm为月不平衡系数;Dpkm为高峰月日历天数,d。
3.3运筹学M/M/C排队模型计算法
根据目标码头吞吐量、各航线班期及收发箱作业量,推算高峰日外集卡的平均到达率l,辆/min;根据目标码头的闸口操作模式,确定闸口进场箱和出场箱的平均操作效率m,辆/min。国内外大量研究资料表明,外集卡到达码头闸口时间服从泊松分布,闸口作业时间服从负指数分布。运用运筹学中的排队论,建立合适的M/M/C排队模型,闸口车道数C应满足C>l/m。
3.4基于系统模型的优化仿真法
A码头闸口有X条进场车道和Y条出场车道。在第j天的第i时间段(通常1 h为1个时间段,每天24个时间段)开通xij条进场车道和yij条出场车道,第j天的闸口作业量为Qj。运用系统建模,确定该工作日各时间段开放的进场车道数和出场车道数,并使开放的车道总数Nj最小。假设每辆集卡只接受1次服务,且先到先服务。约束条件如下:
(1)各时问段的车道利用率为P,且20% P 70%;
(2)1 i 24,且i为整数;
(3)1 xij X,且xij为整数;
(4)l yij Y,且yij为整数;
(5)各车道最大瞬间排队长度Lmax 6。
系统目标方程为
Nj=min( xij+ yij)
根据上述系统模型,运用专业的仿真系统(如Witness)和进化优化算法(如遗传算法、粒子群算法等),可快速计算目标方程的最优解,得出仿真结果。
4.闸口车道的功能设置
4.1单一功能车道
单一功能车道一般适用于进场闸口和出场闸口相互独立的码头。进场闸口设置重箱进场、空箱进场和空车进场等3种车道,出场闸口设置重箱出场、空箱出场和空车出场等3种车道。
利用上文介绍的方法,分别以码头出口吞吐量和进口吞吐量为基础,计算进场车道数和出场车道数。
4.2双向多功能车道
双向多功能车道的设置方法如下:
(1)分别以码头出口吞吐量和进口吞吐量为基础,按单一功能车道数的计算方法,计算最大进场车道数和最大出场车道数;
(2)以码头总吞吐量为基础,计算闸口最大总车道数;
(3)将最大出场车道数与最大进场车道数相加,减去闸口最大总车道数,得到双向多功能车道数。
5.提高闸口通过能力的方法
5.1 采用专业计算机管理系统
闸口信息管理主要解决信息采集和交换的准确性和及时I生问题,包括3项关键技术,即闸口进出场预约、堆场箱位指定以及集装箱、货物和集卡信息的采集交换。其中,堆场箱位指定主要涉及码头内部业务流程,可控度高,比较容易解决;其他2项技术涉及码头外部企业、客户和口岸监管环境,可控度低,解决方案较多。
5.1.1 闸口进出场预约
应用闸口进出场预约系统,可有效消除码头作业的不平衡性,实现海侧船舶作业与陆侧堆场作业的协调和平衡,增强作业预控能力,降低码头堆场作业的运行成本,缩短外集卡的等候时间,提高服务水平。闸口进出场预约主要有3种解决方案,即柜台预约、电话预约和网上预约等,其中网上预约的方案较好。
5.1.2集装箱、货物和集卡信息的采集交换
集装箱、货物和集卡信息的采集交换主要有4种解决方案:纸质单证手工录入、集成电路(IC)卡或无线射频识别(RFID)卡闸口读取、码头外部用户网络预录、港外预录点预录后通过电子数据交换(EDI)系统发送给码头。后3种方案主要通过减少闸口实时信息录入量的方式来提高闸口作业效率。目前第2种方案使用较多,但总的来看,第3种和第4种方案更好,可在确保准确性的同时,最大限度地提高信息录入效率。
5.2配备先进的数据和信息采集设备
集装箱码头闸口主要核对以下3种信息:箱号箱型、集卡车号和箱体状况。目前比较成功的信息实时自动采集方案是基于光学字符识别(OCR)技术的自动识别系统。为提高系统识别的准确率,通常将摄像系统与图像抓拍系统结合使用。
5.3设置停车缓冲区
为解决码头闸口秩序混乱的问题,可在闸口与堆场之间设置停车缓冲区。以集卡进场为例,业务流程如下:
(1)外集卡在闸口完成箱检后,将相关单证交给闸口监控室的业务人员录入,有条件的码头可通过EDI系统、IC卡或RFID卡将预先录入的信息直接读入系统中。
(2)信息不完整、信息错误、箱体损坏或无堆场计划的集卡直接进入停车缓冲区,由区内单证室协调办理进场手续;在闸口办理完毕进场手续的其他集卡同样进入停车缓冲区,等候进场指令。
(3)收到进场指令后,司机领取 堆场位置 小票,进入堆场。
本方案对闸口车流实施分步控制,可最大限度地确保闸口畅通,有效改善作业环境和作业秩序,实现船舶作业与外集卡作业的平衡控制。
6.结束语
闸口设置是否合理将直接影响集装箱码头陆侧系统的作业效率。只有在作业过程控制和系统优化理论的指导下,深入分析闸口作业系统的特点,采用科学方法确定其合理配置,充分利用计算机管理系统和先进科技手段,才能有效提高闸口作业系统的效率和闸口通过能力,促进对码头生产的精细化管理。