陳啟振

山東港通工程管理咨詢有限公司

1 引言

中國礦產(chǎn)資源產(chǎn)量與生產(chǎn)需求量不匹配現(xiàn)象突出，每年需要進(jìn)口約11億t鐵礦、1.2億t鋁土礦、3 200萬t錳礦、2 200萬t銅礦。非洲、拉丁美洲等欠發(fā)達(dá)國家礦產(chǎn)資源豐富，但因基礎(chǔ)設(shè)施落后導(dǎo)致礦產(chǎn)資源無法大規(guī)模連續(xù)開采。近年來，在“一帶一路”倡議合作平臺下，國際合作環(huán)境日益改善，海外投資有了一定的保障，企業(yè)更有意愿投資自建運礦鐵路、港口等基礎(chǔ)設(shè)施，形成企業(yè)專營專運的鐵路、港口、船舶運輸物流體系，實現(xiàn)礦石大規(guī)模出運。熱帶地區(qū)氣候條件特殊，此類海外項目運營模式明顯不同于國內(nèi)港口，中國規(guī)范基于貨物平均堆存期計算堆場所需容量的方法已不適用于此類項目[1]。結(jié)合非洲幾內(nèi)亞某鋁土礦鐵水聯(lián)運項目，探索港口堆場所需容量計算方法。

2 裝卸工藝布置

本項目位于非洲幾內(nèi)亞，鋁土礦自礦山開采、鐵路運輸、港口裝卸和船舶運輸均是企業(yè)自主投資建設(shè)且專營專運，鐵路運輸進(jìn)港量為4 000萬t/年，裝卸工藝設(shè)計包含火車卸車、堆場堆取料、碼頭裝船和水平運輸4個環(huán)節(jié)，形成卸車裝船直取、卸車堆料和取料裝船3個工藝流程，工藝流程見圖1。工藝設(shè)備包含3臺雙車翻車機(jī)、3臺斗輪堆取料機(jī)、2臺裝船機(jī)、19條帶式輸送機(jī)和10座轉(zhuǎn)運站，并在Z03和Z05轉(zhuǎn)運站分別預(yù)留1個進(jìn)料接口和2個出料接口。

圖1 工藝流程圖

3 堆場所需容量計算

3.1 累計差值法計算堆場所需容量

幾內(nèi)亞沿海地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，只有雨季和旱季2個季節(jié)，7月至10月為雨季，降雨量約占全年的90%；11月至次年6月為旱季，干旱少雨。降雨對鐵路運輸和港口裝卸作業(yè)產(chǎn)生不同程度的影響，根據(jù)幾內(nèi)亞類似項目和已建碼頭運營生產(chǎn)經(jīng)驗，綜合評估7 月、8月、9月、10月雨季降雨對港口裝船作業(yè)的影響，分別為旱季月份的80%、50%、50%、80%，對鐵路運輸?shù)挠绊懢鶠?0%。若將雨季月份折算成旱季月份，則每年港口裝船實際作業(yè)時間為10.6個月，平均月運量約377萬t；每年鐵路運輸實際作業(yè)時間為 11.6 個月，平均月運量約345萬t。

將每月的鐵路運輸進(jìn)港量和港口裝船出運量作為離散樣本，通過累計樣本參數(shù)差值計算堆場所需容量，計算公式為：

E1=∑(Pi-Qi)Pi>Qi

(1)

E2=∑|(Pi-Qi)|Pi

(2)

E=max(E1,E2)

(3)

式中，E為計算堆場所需容量，萬t；E1為進(jìn)港大于出港時的累計差值量，萬t；E2為出港大于進(jìn)港時的累計差值量；萬t；Pi為礦石鐵路運輸月度進(jìn)港量，萬t；Qi為礦石裝船月度出港量，萬t。

各月礦石進(jìn)出港量差值見表1。

表1 各月礦石進(jìn)出港量差值計算表

根據(jù)表1計算結(jié)果，以雨季開始為計算起始時間，當(dāng)雨季結(jié)束時，堆場的礦石存量達(dá)到最大值264萬t，此存量恰好用來補(bǔ)充旱季鐵路運輸不足裝船出港量。考慮實際運營情況，雨季開始時，堆場儲料量應(yīng)包含堆場不清底量和至少富余2天的裝船量之和，堆場不清底量按照斗輪堆取料機(jī)取料安全作業(yè)最小料堆厚度0.5 m計算，約20萬t；2天的裝船量約27萬t，則雨季開始時，堆場儲料量應(yīng)不少于47萬t。項目計算的堆場所需容量為311萬t。

3.2 堆場所需容量仿真分析

3.2.1 影響因素分析及函數(shù)建立

雖然在礦山開采、鐵路運輸、港口裝船以及海上運輸整個物流鏈系統(tǒng)中，鐵路、港口、船舶等設(shè)備設(shè)施均屬企業(yè)專營專運，但實際系統(tǒng)受自然條件、設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量、運營操作模式等客觀因素的影響，會導(dǎo)致單位時間火車運輸進(jìn)港量不均衡、單位時間港口裝船出運量不均衡、港口裝卸設(shè)備作業(yè)時間不均衡以及港口裝卸設(shè)備故障率和停機(jī)檢修時間不均衡等。因此，實際堆場所需容量應(yīng)在累計差值法計算值的基礎(chǔ)上乘以各因素影響不均衡系數(shù)，各因素影響不均衡系數(shù)用綜合影響不均衡系數(shù)替代，則綜合影響系數(shù)是取決于各因素的函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ek=Kmax(E1,E2)

(4)

K=f(α,β,γ,δ,ζ)

(5)

式中，Ek為堆場所需容量，萬t；K為綜合影響不均衡系數(shù)，受單位時間火車運輸進(jìn)港量不均衡、單位時間進(jìn)港船舶數(shù)量不均衡、港口裝卸設(shè)備作業(yè)時間不均衡以及港口裝卸設(shè)備故障率和停機(jī)檢修時間不均衡等因素的影響；α為火車運輸進(jìn)港量影響不均衡數(shù)；β為港口裝船出運量影響不均衡數(shù)；γ為完成1個離散單元，系統(tǒng)平均作業(yè)時間影響不均衡數(shù)；δ為系統(tǒng)中裝卸和運輸設(shè)備質(zhì)量及故障停機(jī)檢修時間影響不均衡數(shù)；ζ為其他因素影響不均衡數(shù)。

將1列火車載貨量8 000 t和1艘駁船載貨量7 500 t作為基本計算單元，可以使散貨港口連續(xù)裝卸轉(zhuǎn)化成離散的基本單元在各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動。當(dāng)樣本參數(shù)足夠大時，單位時間火車運輸進(jìn)港卸車量、單位時間裝船出運量、各主要裝卸生產(chǎn)環(huán)節(jié)平均作業(yè)時間、設(shè)備故障率及檢修時間等隨機(jī)變量均符合某一統(tǒng)計學(xué)規(guī)律?；谝陨显恚㈦x散事件流程進(jìn)行仿真模擬，即可確定堆場所需容量。

3.2.2 仿真模擬

Flexsim是一款離散事件系統(tǒng)仿真軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能和三維顯示效果[2]。Flexsim實體庫包含固定資源類實體、任務(wù)執(zhí)行類實體、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、傳送帶模塊等，其中固定資源類實體有發(fā)生器、暫存區(qū)、處理器、吸收器等；任務(wù)執(zhí)行類實體有任務(wù)執(zhí)行器、叉車、起重機(jī)等。該軟件可以利用C++語言創(chuàng)建和修改部件以及控制部件的行為活動。Flexsim模型中主要實體設(shè)置見表2。

建模后進(jìn)行仿真模擬，仿真時間設(shè)為5年(1 825天)，統(tǒng)計暫存區(qū)2(堆場)在仿真時間序列內(nèi)的實體單元數(shù)量變化值，然后等效轉(zhuǎn)化成堆場儲料量變化，某一次仿真時間序列內(nèi)的堆場儲料量變化見圖2。

表2 Flexsim建模實體表達(dá)

圖2 某一次仿真時間序列內(nèi)的堆場儲料量變化圖

進(jìn)行多次仿真模擬，統(tǒng)計出每年雨季開始時堆場儲料量初始值和雨季結(jié)束前后的最大值，并計算出差值，列出4次仿真模擬的年際堆場儲料量典型值見表3。

表3 4次仿真模擬年際堆場儲料量典型值/萬t

根據(jù)表3計算結(jié)果，初始值為-23.4～53.6萬t，初始值代表上一個雨季和旱季結(jié)束后堆場貨物累存量，負(fù)值代表裝船出運大于鐵運進(jìn)港量，堆場需要提前儲存的量，正值代表鐵運進(jìn)港大于裝船出港量，堆場累存量。差值即堆場所需容量為280.4～311.5萬t。綜合影響不均衡系數(shù)為1.06～1.18，本項目綜合影響不均衡系數(shù)取1.1，則實際計算堆場所需容量為337萬t。

4 結(jié)語

針對熱帶地區(qū)企業(yè)投資建設(shè)并專營專運的鐵水聯(lián)運物流系統(tǒng)項目，給出了港口堆場所需容量計算理論和計算方法。采用離散單元法對港口裝卸作業(yè)活動進(jìn)行簡化，基于Flexsim建立仿真模型進(jìn)行模擬分析，得出綜合影響不均衡系數(shù)的取值范圍，利用綜合影響不均衡系數(shù)法，即可計算具有此類特征項目的堆場所需容量值。