張軍，孫亞斌，鐘雄華

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

國內(nèi)外港口工程項目的設計過程中，均很重視碼頭可作業(yè)時間的分析。可作業(yè)時間是港口掩護效果的直接指標，也是分析泊位通過能力的重要參數(shù)，對于評估港口的吞吐能力有重要意義。國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、導則均對碼頭的可作業(yè)時間或可作業(yè)條件給出了要求或建議。

1 分析碼頭可作業(yè)時間的方法

分析碼頭的可作業(yè)時間，常用的指標和方法有年可作業(yè)天數(shù)、不可作業(yè)率（downtime），以及考慮船舶全過程作業(yè)的可作業(yè)率（operability）。

1.1 年可作業(yè)天數(shù)

年可作業(yè)天數(shù)是最早出現(xiàn)的、較常用的用于評價碼頭可作業(yè)時間的參數(shù)。該參數(shù)在收集工程區(qū)域多年風、浪、降雨、霧、雷暴、冰況等氣象和水文資料基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)規(guī)范允許的可作業(yè)條件，對不同船舶可在碼頭系泊并作業(yè)的年可作業(yè)天數(shù)進行計算[1]。因各氣象水文因素出現(xiàn)超標的時間不一定連續(xù)，對船舶作業(yè)的影響也不盡相同，且不同的因素可能同時出現(xiàn)超標情況，故在計算過程中需要較多的工程經(jīng)驗，才能確定出合理的年可作業(yè)天數(shù)[2]。國內(nèi)項目大多采用該指標。

1.2 不可作業(yè)率（downtime）

不可作業(yè)率是指將1 a中自然原因?qū)е碌牟荒茏鳂I(yè)時間直接相加得到的時間除以1 a的總時間得到的比率，可以針對泊位的裝卸作業(yè)進行分析，也可以針對航道和操作水域進行分析。

針對泊位裝卸作業(yè)進行分析，一般是通過船舶系泊研究，以船舶的運動量或受力不超標兩者中較嚴的一個為準則[3-4]，獲得裝卸作業(yè)的允許風浪條件包絡值，結(jié)合港址處多年氣象水文時間序列（間隔1 h或3 h的記錄或后報序列），計算出不滿足作業(yè)條件的時間，進而得到不可作業(yè)率。筆者在西非某大型集裝箱港項目設計中，結(jié)合波浪和系泊研究，得到該港口1 000 m長的集裝箱碼頭岸線內(nèi)，最大（12 000 TEU）和最?。?00 TEU）船型的不可作業(yè)率均小于1%。

針對航道和操作水域的分析，往往受制于拖輪的抗風、浪性能。因此，可以拖輪的作業(yè)限制條件作為航道及操作水域的限制條件，得到航道和作業(yè)水域的不可作業(yè)率。有條件的情況下，可結(jié)合操船試驗模擬拖輪在不同風、浪條件下的作業(yè)效率，并開展船舶航行時龍骨下富裕水深研究，以深入分析其對不可作業(yè)率的影響[5-6]。

不可作業(yè)率因采用多年氣象水文時間序列作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故相比于年可作業(yè)天數(shù)，可以較準確地計算不可作業(yè)時間，進而得到的不可作業(yè)率也較準確[7]。但其未考慮船舶進出港及裝卸作業(yè)的連續(xù)性，對于因短期惡劣天氣導致的船舶離港造成的作業(yè)時間損失會給出偏于不保守的結(jié)果。近年來國外大多數(shù)碼頭項目采用該指標。

1.3 考慮船舶到港全過程作業(yè)的可作業(yè)率（oper-ability）

此種可作業(yè)率將船舶進出港及裝卸等作業(yè)視為一個整體過程作業(yè)進行分析。首先，需明確船舶到港各作業(yè)的工作順序，結(jié)合拖輪及裝卸設備等的能力評估各階段作業(yè)所需要的時間；其次，通過試驗研究或參考相關(guān)規(guī)范確定各階段作業(yè)的風、浪等限制條件；再次，在多年氣象水文時間序列框架內(nèi)逐時分析以該時刻為起點時，考慮各階段的限制條件，是否可完成給定船型的一定全過程作業(yè)；最后將可完成全過程作業(yè)的起點個數(shù)除以多年全部的時點個數(shù)，得到船舶全過程作業(yè)的可作業(yè)率。

船舶到港的工作順序一般為：引水員登船寅船舶進港及靠、系泊寅裝卸貨及聯(lián)檢、公估寅船舶離泊及離港寅引水員離船[8]。

關(guān)于各階段的耗時，引水員登船及進港、靠系泊及離泊、離港作業(yè)所需要的時間可結(jié)合港務局管理規(guī)定及實時操船試驗（real-time navigation simulation）來確定。操船試驗建議邀請當?shù)氐囊畣T參加，他們對當?shù)氐臍庀蠛r條件及港務局相關(guān)規(guī)定較為了解。裝卸貨物作業(yè)所耗時間，對于散貨碼頭，需要了解裝卸設備的性能和效率及臺機數(shù)量，油品和LNG泊位則需要了解裝卸臂的效率及船舶的裝卸效率，還需要留意船、岸設備裝卸能力是否匹配等問題。如筆者曾參與的北非某油氣港的擴建項目中，250 000 DWT原油船的效率為14 000 t/h，但岸上輸油臂的最大效率只有10 000 t/h，故分析裝卸時間只能采用較小的10 000 t/h。此外對于液體散貨碼頭，還需要考慮裝卸開始效率從0達到額定效率及裝卸結(jié)束時從額定效率至停機所耗時間，以及結(jié)束后的吹掃時間。對于集裝箱碼頭，需考慮單船到港的裝卸箱量、岸橋臺時效率等。聯(lián)檢公估一般考慮3~5 h；離泊及離港過程與進港靠系泊過程類似，但離泊過程比靠泊過程簡單，故耗時略短。

關(guān)于各階段作業(yè)的限制風、浪條件，主要涉及到船舶航行及系泊作業(yè)的過程。船舶航行主要取決于拖輪的可作業(yè)波高，當有條件時，可采用操船試驗來詳細確定船舶在拖輪協(xié)助下進出港和港內(nèi)航行時的允許風、浪條件。一般來說，對于LNG船和壓載的油船，干舷高度較高，其受橫風影響也較大。系泊作業(yè)的限制條件一般采用系泊試驗來評估，可采用數(shù)學模型或物理模型的手段。需要注意的是，對于大型船舶，不同載度時其對風、浪的動態(tài)響應也是不同的。故一般對散貨船，至少需考慮滿載和壓載兩種工況（半載工況通常持時較短，可不予考慮），對于集裝箱船舶，除滿載和壓載工況外，尚需考慮更為常見的半載工況。

獲得各階段作業(yè)所需時間及各階段的限制條件后，則可以在風、浪的多年時間序列中，以任意時刻為起點，評估其在后續(xù)完成全過程作業(yè)的可行性，評估過程簡要示意如表1（忽略風向、波周期、波向、港內(nèi)外條件差異、流等）。作業(yè)1、2、3均可完成全過程作業(yè)，但作業(yè)4、5、6因裝卸作業(yè)后期波高超標而不可完成全過程作業(yè)，故2020-01-01T00:00:00—02:00:00為滿足全過程作業(yè)的起始點，須參與全過程可作業(yè)率的計算，03:00:00—05:00:00為不滿足全過程作業(yè)的起始點，不參與全過程可作業(yè)率的計算。當把時間序列中所有時刻為起點的情況都進行評估后，則可以得到在該時間序列中完成全過程作業(yè)的可作業(yè)率。筆者曾參與的北非某油氣港擴建項目中，即采用了全過程作業(yè)的可作業(yè)率進行可作業(yè)時間評估，通過優(yōu)化平面布置改進防波堤對泊位的掩護效果，最終滿足了業(yè)主對油氣泊位和集裝箱泊位各設計船型可作業(yè)率均不小于95%（油、所船）和85%（集裝箱船）的要求，驗證了防波堤對各船型全過程作業(yè)的掩護效果。

表1 碼頭考慮全過程作業(yè)的可作業(yè)率分析舉例Table 1 Example of operability analysis considering all operation stages in the wharf

2 可作業(yè)時間分析的要點

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳盡準確

無論采用年作業(yè)天數(shù)分析、不可作業(yè)率分析，還是考慮全過程作業(yè)的可作業(yè)率分析，詳實的氣象水文條件都是分析的重要基礎(chǔ)。10多年前，氣象水文的后報技術(shù)尚不成熟，多采用歷史記錄進行分析，對于沒有歷史記錄的地區(qū)，則采用1 a或以上的現(xiàn)場實測記錄進行分析，因觀測資料獲取的滯后而影響設計進度的情況時有發(fā)生。隨著后報技術(shù)的日趨完善，特別是1979年以來全球逐時風、浪條件的獲取變得十分便利[9]，采用經(jīng)短期實測資料驗證的模型計算獲得三四十年長時間序列的方法變得逐漸成熟，也將會被越來越多的項目所采用。

2.2 影響船舶各階段作業(yè)的因素分析

不同貨種船舶的作業(yè)流程不同，散貨船、集裝箱船各有其自身的作業(yè)特點，如液體散貨在裝卸完畢后的吹掃程序，原油碼頭根據(jù)原油品質(zhì)或需進行伴熱輸送，裝卸設備的能力及其與船上裝卸接口是否匹配，等等[10]。此外，不同的港口在管理程序上也有不同之處，這些都需要在全過程作業(yè)分析之前調(diào)查清楚，以獲得相對準確的各階段作業(yè)時間。

2.3 各階段可作業(yè)標準的確定

作業(yè)標準一般需要通過系泊試驗和操船試驗進行確定，系泊試驗中需要注意盡量采用實船資料，纜繩的選取和系泊布置不可過于激進[11]，船舶的載度需要進行合理性分析。操船試驗中需對拖輪進行合理化配置，盡量使得當?shù)氐母劭诠芾聿块T多參與設計過程，以便設計成果符合當?shù)厥褂昧晳T。

3 結(jié)語

對碼頭可作業(yè)時間的方法和指標進行了總結(jié)分析，并指出基礎(chǔ)氣象水文數(shù)據(jù)、作業(yè)過程分析及各階段作業(yè)標準的確定是分析可作業(yè)時間的關(guān)鍵點。不同的指標可在項目的不同階段結(jié)合需要進行選取。國內(nèi)項目多采用年可作業(yè)天數(shù)指標，海外項目多采用不可作業(yè)率或考慮全過程的可作業(yè)率指標。

本文主要分析的是自引水員登船至船舶離港的過程，并未考慮船舶在錨地的等候時間。對于受雷暴、降雨、冰或霧等影響明顯的碼頭，還需將這些資料納入可作業(yè)時間的分析中，并注意其與超標的波浪或風同時發(fā)生的情況。今后還可以結(jié)合不同船型的到港頻率、航道的通航密度、堆場設備及疏運設備等作為整體來建模分析，研究港口的隨機過程，結(jié)合優(yōu)化目標不斷調(diào)整港口設施及規(guī)模，以求港口達到最佳作業(yè)狀態(tài)。