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(chǎng)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(chǎng)規(guī)劃一直是散貨碼頭重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，為了系統(tǒng)地概括散貨碼頭堆場(chǎng)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(duì)近幾年的主要研究進(jìn)行了歸納和分析，并從堆場(chǎng)的兩種形式入手，即露天堆場(chǎng)和封閉堆場(chǎng)，分析了不同形式堆場(chǎng)的已有分配方法和最新的堆場(chǎng)智能化現(xiàn)狀，最后提出幾點(diǎn)研究建議。

散貨碼頭；堆場(chǎng)規(guī)劃；露天堆場(chǎng)；封閉堆場(chǎng)；堆場(chǎng)智能化

隨著我國(guó)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(lái)越大，水運(yùn)成為其最主要的運(yùn)輸方式。堆場(chǎng)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(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸?shù)炔煌\(yùn)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(chǎng)面積已跟不上日益增長(zhǎng)的散貨量，又由于我國(guó)有限的海岸線和土地資源，因此，僅靠擴(kuò)大碼頭堆場(chǎng)面積來(lái)提高碼頭的堆存能力，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度看是不現(xiàn)實(shí)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(guó)外發(fā)展領(lǐng)先的港口相比，我國(guó)散貨碼頭對(duì)堆場(chǎng)的利用率和散貨供應(yīng)鏈整體意識(shí)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(gè)供應(yīng)鏈整體，通過(guò)合理的堆場(chǎng)、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(guó)煤炭供應(yīng)鏈的火車、港口和船舶三者是分開(kāi)的，更多是以每個(gè)節(jié)點(diǎn)為中心，考慮自身的效益。以煤炭運(yùn)輸為例，沒(méi)有在港口發(fā)出需求通知時(shí)火車就直接按照自己的計(jì)劃把原煤從煤礦運(yùn)輸?shù)礁劭?，火車到達(dá)港口時(shí)提醒管理者接收貨物，卸貨時(shí)管理者也只是根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)為煤炭分配堆存位置，并沒(méi)有提前做好貨物分配計(jì)劃，使得堆場(chǎng)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(kù)存持有成本，又占用了稀缺的堆場(chǎng)資源，導(dǎo)致堆場(chǎng)利用率低下，因此對(duì)我國(guó)煤炭為代表的散貨碼頭來(lái)說(shuō)，采用合理的堆場(chǎng)規(guī)劃方法已迫在眉睫。

2 堆場(chǎng)功能

堆場(chǎng)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(gè)方面：

(1)貨物集散。碼頭是水路和陸路運(yùn)輸?shù)慕稽c(diǎn)，同一批出口貨物的來(lái)源和到港時(shí)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(shí)間也可能不同，需要在碼頭將貨物分散到各個(gè)客戶，因此碼頭成了貨物水路運(yùn)輸和陸路運(yùn)輸之間的必經(jīng)集散地。

(2)調(diào)節(jié)緩沖。貨流和運(yùn)輸工具通常具有不平衡性，到港的貨物及其到港時(shí)間、船舶到港時(shí)間、裝卸工作分配等，都使得船貨之間不可能是無(wú)縫銜接，堆場(chǎng)可以截?cái)喔鞣N運(yùn)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(shí)，交接雙方需在堆場(chǎng)對(duì)貨物進(jìn)行清理檢查、計(jì)量驗(yàn)收、包裝、拆包和重組，進(jìn)出口的貨物還需經(jīng)過(guò)各種檢驗(yàn)、海關(guān)監(jiān)督和檢查，損壞的貨物也需要在堆場(chǎng)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(guò)程就需要在碼頭的堆場(chǎng)內(nèi)完成。

3 堆場(chǎng)規(guī)劃方法

隨著人類對(duì)環(huán)保與能源問(wèn)題認(rèn)識(shí)的不斷加深，碼頭堆場(chǎng)形式也逐漸由開(kāi)放式向封閉式的儲(chǔ)裝方式轉(zhuǎn)變，目前我國(guó)散貨碼頭堆場(chǎng)的形式可分為露天堆場(chǎng)和封閉堆場(chǎng)[1]。其中，露天堆場(chǎng)中以露天條形堆場(chǎng)為主，是傳統(tǒng)的堆場(chǎng)形式，發(fā)展較成熟，但環(huán)保能力較差；筒倉(cāng)是封閉堆場(chǎng)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(shì)突出。貨物存儲(chǔ)的安全性、貨物儲(chǔ)運(yùn)對(duì)環(huán)境的影響、堆場(chǎng)場(chǎng)地的利用率及建設(shè)堆場(chǎng)所需的工程造價(jià)等[2]都會(huì)影響堆場(chǎng)建設(shè)的形式。筆者針對(duì)這兩類堆場(chǎng)形式及熱度較高的智慧港口分別展開(kāi)研究。

3.1 條形堆場(chǎng)規(guī)劃方法

3.1.1 數(shù)學(xué)模型和算法

若將散貨在堆場(chǎng)上的位置和堆取時(shí)間放在一張二維坐標(biāo)圖上，則會(huì)形成如圖1所示的散貨時(shí)空?qǐng)D。橫軸表示散貨占據(jù)堆場(chǎng)的時(shí)間，包括其堆垛時(shí)間、停留時(shí)間和裝載時(shí)間；縱軸表示條形堆場(chǎng)，長(zhǎng)方形的位置代表散貨占據(jù)堆場(chǎng)的位置。

圖1 散貨時(shí)空?qǐng)D

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(shí)空?qǐng)D的基礎(chǔ)上提出3種堆場(chǎng)規(guī)劃方法：①基于船舶預(yù)到達(dá)時(shí)間的貪婪算法，選取有最小船舶預(yù)到達(dá)時(shí)間的位置來(lái)盡快開(kāi)始煤炭的堆?。虎诨诖邦A(yù)到達(dá)時(shí)間和煤堆開(kāi)始裝載時(shí)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(shù)搜索算法，在時(shí)空?qǐng)D上搜索出可用的場(chǎng)地、可用的取料機(jī)能力和避免取料機(jī)沖突3個(gè)區(qū)域，疊加后便可找到煤堆最早可行堆垛時(shí)間所在的點(diǎn)。上述算法都需經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型和算法能提高堆場(chǎng)利用率和減少船舶等待時(shí)間。

另外，LIM等[5]基于啟發(fā)式算法構(gòu)建堆場(chǎng)分配問(wèn)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(chǎng)管理方法和作業(yè)設(shè)備的特征，選擇堆場(chǎng)分配策略相關(guān)規(guī)則，構(gòu)建基于知識(shí)工程的煤炭碼頭堆場(chǎng)分配模型；張洋等[7]通過(guò)層次分析法對(duì)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(píng)判數(shù)學(xué)模型；楊曉旭[8]在研究堆場(chǎng)規(guī)劃的同時(shí)，考慮到堆場(chǎng)、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(chǎng)分配問(wèn)題的算法思路主要從可用的堆場(chǎng)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(guò)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(chǎng)細(xì)分為連續(xù)的、有一定容量的小矩形網(wǎng)格，由于每個(gè)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(jiǎn)單散貨進(jìn)出都會(huì)導(dǎo)致一定數(shù)量的網(wǎng)格狀態(tài)發(fā)生改變。堆場(chǎng)網(wǎng)格化后，可實(shí)時(shí)量化模擬堆場(chǎng)貨堆的大小、位置及數(shù)量的變化，并利用仿真來(lái)模擬整個(gè)智能搜索最合適堆場(chǎng)占用空間的過(guò)程；黃國(guó)梁[12]對(duì)散貨碼頭物流系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析；張小亞[13]對(duì)散貨礦石碼頭物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析；李正[14]開(kāi)展了面向?qū)ο蟮纳⒇洿a頭裝卸系統(tǒng)計(jì)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(yùn)作過(guò)程；梁國(guó)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(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)流程的仿真模型，對(duì)堆取料機(jī)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化；張海紅[17]基于Witness系統(tǒng)仿真平臺(tái)，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(gè)方面：①模擬碼頭堆場(chǎng)或整個(gè)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(wèn)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(lái)提高堆場(chǎng)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(yùn)量，重新規(guī)劃煤炭?jī)?chǔ)存位置，合理安排各種煤炭的儲(chǔ)存堆數(shù)，將經(jīng)常同時(shí)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(kù)存，以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的發(fā)生[18]。堆場(chǎng)的合理布局和使用對(duì)提高堆場(chǎng)利用率有著重要的作用，蹤鋒等[19]總結(jié)了堆場(chǎng)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(chǎng)利用情況。為了實(shí)現(xiàn)礦石專用堆場(chǎng)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(cāng)規(guī)劃方法

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

筒倉(cāng)煤炭調(diào)度和傳統(tǒng)煤炭調(diào)度有所區(qū)別，在配煤?jiǎn)栴}上，每座筒倉(cāng)底部都會(huì)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(cāng)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(shí)踐證明該系統(tǒng)能很好地適應(yīng)筒倉(cāng)調(diào)度。然而筒倉(cāng)儲(chǔ)煤存在安全隱患，火災(zāi)爆炸時(shí)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(duì)策。

若將堆場(chǎng)建設(shè)成筒倉(cāng)群的形式，則會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題：如何確定筒倉(cāng)的容量和數(shù)量，使之滿足碼頭的預(yù)定通過(guò)能力。李云軍等[26]利用仿真模擬給出了答案，即在一個(gè)有確定泊位數(shù)量、年通過(guò)能力和配煤比例等的碼頭環(huán)境下，建立筒倉(cāng)調(diào)度的仿真模型，通過(guò)改變筒倉(cāng)的數(shù)量和容量，得到適應(yīng)該碼頭的最佳筒倉(cāng)數(shù)量和容量。煤炭入場(chǎng)后，則要考慮如何安排筒倉(cāng)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(cāng)模型和柔性的分配模型兩種煤炭入倉(cāng)方案的優(yōu)劣性；而唐穎[28]則根據(jù)不同的煤炭進(jìn)倉(cāng)和出倉(cāng)策略建立仿真模型，分析不同策略結(jié)合下對(duì)碼頭各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。在煤炭從筒倉(cāng)裝載到車輛上的過(guò)程中，利用煤礦筒倉(cāng)定量稱重智能快裝系統(tǒng)[29]，可實(shí)現(xiàn)煤礦煤場(chǎng)筒倉(cāng)裝載的定量化、自動(dòng)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(lái)越成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)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(jì)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(jì)算物理運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)也將更加智能化。然而，我國(guó)散貨碼頭、集裝箱碼頭的港口國(guó)際化和信息化水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距[31]。

總體來(lái)說(shuō)，智慧港口擁有4種能力：自我感知能力、預(yù)測(cè)趨勢(shì)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(gè)完整流程：智慧港口會(huì)自動(dòng)生成最優(yōu)的作業(yè)方案，然后通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)精準(zhǔn)自動(dòng)完成，利用其感知能力可以隨時(shí)傳遞作業(yè)情況，預(yù)測(cè)和決策能力隨時(shí)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(duì)煤炭堆場(chǎng)的信息化，柏昌順[33]提出一個(gè)堆場(chǎng)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(kù)、堆場(chǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)展示、運(yùn)作堆場(chǎng)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(yùn)系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的堆場(chǎng)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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的完美產(chǎn)物，可用于設(shè)計(jì)港口散貨堆場(chǎng)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(jì)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(duì)港區(qū)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效率[36]。

4 建議

綜上所述，學(xué)者對(duì)散貨碼頭堆場(chǎng)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(qiáng)散貨碼頭堆場(chǎng)規(guī)劃研究，并對(duì)散貨碼頭堆場(chǎng)調(diào)度的研究方向提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)強(qiáng)化堆場(chǎng)智能化的研究方向。在信息化的時(shí)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(chǎng)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(shí)際情況，不僅要考慮智能堆場(chǎng)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(shí)處，以找到最優(yōu)的分配堆場(chǎng)的算法和規(guī)則。

(2)重視封閉堆場(chǎng)的研究。因?yàn)槿藗冊(cè)絹?lái)越重視環(huán)保問(wèn)題，傳統(tǒng)的露天堆場(chǎng)已不能滿足環(huán)保的需求，筒倉(cāng)將逐漸被廣泛使用，以筒倉(cāng)為突破口，使用算法模型或仿真模型，研究筒倉(cāng)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(shì)。

(3)開(kāi)展露天堆場(chǎng)和封閉堆場(chǎng)同時(shí)使用的研究。大型的煤炭碼頭一般使用露天堆場(chǎng)，但有時(shí)會(huì)遇到對(duì)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(chǎng)最為合適，隨著碼頭吞吐量的不斷增加，將露天堆場(chǎng)改造成封閉堆場(chǎng)會(huì)提高單位面積的利用率，此時(shí)，則需要研究同時(shí)采用露天堆場(chǎng)和封閉堆場(chǎng)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(chǎng)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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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(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(71501152).

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