CN105844363A

CN105844363A - 一种减少油码头主航道通过成本的方法

Info

Publication number: CN105844363A
Application number: CN201610202465.4A
Authority: CN
Inventors: 封学军; 金鑫; 苏静; 张艳; 王伟; 蒋柳鹏; 杨义林
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明公开了一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：包括以下步骤：S01，选取多个符合条件的避让区位置，建立多个避让区选址方案，其中包括不增建避让区的选址方案，即沿主航道离港的方案；S02，针对各个选址方案分别建立仿真模型，输出时间参数；S03，通过输出的时间参数，对各个选址方案进行经济分析，计算各个选址方案的综合通过成本C，选择综合通过成本C最低的选址方案。本发明提供的一种减少油码头主航道通过成本的方法，通过仿真模型及经济分析，确定各个避让区选址方案的综合通过成本，选择综合通过成本最低的方案为最优方案，以最大限度地降低船舶通过成本，提升原油港区航道通过能力。

Description

一种减少油码头主航道通过成本的方法

技术领域

本发明涉及一种减少油码头主航道通过成本的方法，属于航运交通技术领域。

背景技术

中国经济持续快速发展，工业化和城镇化进程不断加速，直接带动了原油、煤炭、矿石等大宗原材料的需求，使中国港口的大宗散货业务呈快速增长趋势，其中原油需求量极为巨大。而我国原油生产量与消费量之间存在差距，且缺口逐年拉大，原油供需矛盾日益突出，不得不通过增加进口来满足原油供求平衡问题。

考虑原油泊位资本和知识密集型特点以及巨大的沉没成本，如何在现有泊位基础上，在成本可控范围内通过提升技术手段和管理效率增加繁忙港口的通过能力已成为行业发展的迫切要求。而航行作业系统作为油码头生产作业系统中的关键环节，往往是优化的主要的关注点。

一般来说，浚深航道和拓宽航道至船舶双向通行是提升主航道通过能力的有效方案，但对于目前的油码头普遍不适用。这是因为油码头服务的油轮多为VLCC(巨型油轮verylarge crude carrier)或ULCC(超巨型油船ultra large crude carrier)，与之配套的主航道即使按照单向通行设计也会超过360米，无论浚深或是拓宽航道，疏浚成本都是巨大的。

目前提出的增建避让区的设想，旨在缓解由于进出港船舶不能同时使用航道而造成的船舶压港，进而提高航道通过能力，降低通过成本。然而，这种紧挨航道的避让区形式不能作为一种常规方案：过小的回转直径使得大型船舶无法自主驶入避让区，需要几艘拖轮辅助才能完成这一操作，难度很大，尤其对于油轮，对安全性的要求更高。因此，如何选取避让区以及合理的设计避让区的形式以提升原油港区航道通过能力已成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种减少油码头主航道通过成本的方法，该法通过仿真模型及经济分析，确定各个避让区选址方案的综合通过成本，选择综合通过成本最低的方案为最优方案，以最大限度地降低船舶通过成本，提升原油港区航道通过能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，选取多个符合条件的避让区位置，建立多个避让区选址方案，其中包括不增建避让区的选址方案，即沿主航道离港的方案；所述避让区为两端均连通主航道的副航道；

S02，针对各个选址方案分别建立仿真模型，输出时间参数；

S03，通过输出的时间参数，对各个选址方案进行经济分析，计算各个选址方案的综合通过成本C，选择综合通过成本C最低的选址方案。

S01中所述避让区的选址条件有两点，一为靠近主航道但不影响主航道船舶的正常通行；二为选择水深条件良好的水域以减少疏浚成本。

所述仿真模型的输入要素包括船舶类型、港口布局、自然条件和海事规则；所述仿真模型的输出结果包括船舶进港延误时间和船舶离港延误时间。

所述港口布局包括锚地位置、主航道长度和回旋水域；所述自然条件包括潮汐、强风、大雾和强浪；所述海事规则包括沿避让区离港的海事规则和沿主航道离港的海事规则。

所述综合通过成本C的计算方法如下：

C＝C_p+C_t+C_o (1)

式(1)中，C_p代表码头成本现值，单位为万元；C_t代表油轮成本现值，单位为万元；C_o为原油机会成本现值，单位为万元；

C_{p} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{p, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (2)

式(2)中，代表第j_y年的码头成本，单位为万元；i代表社会折现率；r代表物价平均增长率，取值为中国过去n_y年来的平均通货膨胀率；n_y代表规划期；

C_{p, j_{y}} = C_{p, j_{y}, t m} + C_{p, j_{y}, c m} + C_{p, j_{y}, w} + C_{p, j_{y}, f} - - - (3)

式(3)中，代表第j_y年的码头维护成本，单位为万元，代表第j_y+1年的码头维护成本，单位为万元；代表第j_y年的航道维护成本，单位为万元；代表第j_y年的人员工资，单位为万元，代表第j_y+1年的人员工资；代表第j_y年的码头运营燃物料成本，单位为万元；

C_{p, j_{y}, f} = c_{p, j_{y}, f} \times T_{j_{y}} - - - (4)

式(4)中，代表第j_y年每万吨油卸载所需要的码头运营燃物料成本，单位为万元/万吨，代表第j_y年的原油吞吐量，通过预测得到；代表第j_y+1年的每万吨油卸载所需要的码头运营燃物料成本；

C_{t} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{t, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (5)

式(5)中，代表第j_y年的油轮成本，单位为万元；

C_{t, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} C_{t, j_{y}, j_{t}} - - - (6)

式(6)中，代表第j_y年的船型j_t的油轮成本，单位为万元；

C_{t, j_{y}, j_{t}} = c_{t, j_{y}, j_{t}, b} \times t_{j_{y} j_{t}, b} + c_{t, j_{y}, j_{t}, n} \times t_{j_{y} j_{t}, n} - - - (7)

式(7)中，代表第j_y年的船型j_t的油轮停泊时每小时的成本，单位为万元/小时，代表第j_y+1年的船型j_t的油轮停泊时每小时的成本，单位为万元/小时；代表第j_y年的船型j_t的油轮平均停泊时间，单位为小时，由仿真模型输出结果；代表第j_y年的船型j_t的油轮航行时每小时的成本，单位为万元/小时，代表第j_y+1年的船型j_t的油轮航行时每小时的成本，单位为万元/小时；代表第j_y年的船型j_t的油轮航行时间，单位为小时，n_t代表船舶类型，共有n_t种船型且数量比一定；1≤j_t≤n_t；

t_c＝l_c/v_c (8)

式(8)中，t_c代表船型j_t的油轮通过主航道的时间；l_c代表主航道全长；v_c代表油轮平均行驶速度，设各种船型油轮在主航道的平均行驶速度均为v_c；

t_{j_{t}} = l_{j_{t}} / v_{j_{t}} - - - (9)

式(9)中，代表油轮从第j_t个锚地行驶到登船点的时间；代表第j_t个锚地与登船点的距离；锚地的位置与油轮船型一一对应；锚地总数量为n_t，其中1≤j_t≤n_t；代表油轮在锚地与登船点之间行驶的平均速度；

C_{o} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{o, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (10)

式(10)中，代表第j_y年原油的机会成本，单位为万元；

C_{o, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} c_{o, j_{y}} T_{j_{y}, j_{t}} t_{o, j_{y}, j_{t}} - - - (11)

c_{o, j_{y}} = \frac{S_{o, j_{y}} \times i}{365 \times 24} - - - (12)

式(11)～(12)中，代表第j_y年单吨原油每小时的机会成本，单位为万元/(小时·万吨)；代表第j_y年船型j_t的油轮输送的原油量，单位为万吨；代表第j_y年船型j_t的油轮输送的原油的平均在港时间，单位为小时，由仿真模型输出；代表第j_y年单万吨原油价格，单位为万元；代表第j_y+1年单万吨原油价格，单位为万元。

第j_t种船型油轮的载重吨为其实际载油量以及到港时间间隔服从概率分布，可通过历史数据拟合得出，每种船型到港时间间隔均值由规划期内吞吐量预测值和实际载油量均值以及各船型油轮的数量比反推得到。

所述仿真模型中，参考码头所处地域近几年的水文气象资料，设定强风、大雾和强浪在一年中的出现的频数分别为f_uh,f_uf,f_uw，强风、大雾和强浪的持续时间均为1天且随机分布在一年中。

所述仿真模型中，根据港口所在区域水文气象资料确定潮汐特征值，生成水深-时间函数h(t)。

所述登船点即为主航道入口。

本发明提供的一种减少油码头主航道通过成本的方法，通过仿真模型及经济分析，确定各个避让区选址方案的综合通过成本，选择综合通过成本最低的方案为最优方案，以最大限度地降低船舶通过成本，提升原油港区航道通过能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中船舶沿主航道离港的流程图；

图3为本发明中船舶沿避让区离港的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～图3所示，一种减少油码头主航道通过成本的方法，包括以下步骤：

步骤一，选取避让区位置

避让区在港区位置的选址应注意以下两点：

1.避让区的选址宜靠近主航道，但不能影响主航道船舶的正常通行；

2.避让区宜选择水深条件良好的水域以减少疏浚成本。

选址的过程中可同时列举多个选址方案，其中包括不增建避让区的原方案。

避让区是指临近主航道的一块锚地，当进出港油轮就单向航道的使用权上发生冲突的时候，双方同时进入主航道：离港油轮先进入避让区避让，待进港油轮通过后，离港油轮再驶离避让区进入主航道离港，其具体形式见图1。

步骤二：针对各个方案建立仿真模型输出时间参数

对各方案建立仿真模型，仿真模型的输入要素包括船舶、港口布局、自然条件、海事规则等。模型的输出结果主要是船舶进港延误、船舶离港延误等。

1.油轮进出港流程

油轮进港后在锚地等待进港，满足进港条件后，航行至登船点等待引航，待引航员登船后，船舶通过主航道驶入港池完成靠泊作业后开始装卸。船舶装卸完毕后在泊位等待出港，满足离港条件后，船舶在回旋水域完成离泊作业。对于原始方案(不增建避让区)，油轮直接驶入主航道离港。对于增建避让区的方案，此时需判断是否有是影响其离港的油轮，如果没有，则直接驶入主航道离港；如果有，油轮进入避让区避让进港油轮，满足离港条件后再离港。

2.仿真模型输入要素

1)船舶

因为不同类型的油轮在到港数量、载油量、待泊锚地、受自然条件的约束等方面有较大差别，因此在模型中需要生成不同船型的油轮数据。参考曾在油码头装卸油轮的历史资料，设模型中需要考虑n_t种船型，数量比一定。其中第j_t种(1≤j_t≤n_t)船型油轮的载重吨为其实际载油量以及到港时间间隔服从某种概率分布，可通过历史数据拟合得出，每种船型到港时间间隔均值由规划期内吞吐量预测值和实际载油量均值以及各船型油轮的数量比反推得到。另外，船型j_t油轮的平均卸载速度为总卸载所需时间为其中包括船型j_t油轮卸载前后的准备时间和净卸载时间净卸载时间

2)港口布局

锚地：锚地供油轮候潮、待泊、联检及避风使用，也是油轮进港的起点，其在港区的位置由具体功能以及服务船型决定。设原油港区锚地的位置与油轮船型一一对应，其总数量为n_t，其中第j_t个(1≤j_t≤n_t)锚地与登船点的距离为行驶的平均速度为故从锚地行驶到登船点的时间

一般登船点距离主航道的入口有一定的距离，但这个距离与主航道全长相比可以忽略不计，处于简化模型的考虑，认为登船点即为主航道的入口。

主航道：主航道是船舶进出港的必经之路。设主航道全长为l_c，各种船型油轮在主航道的平均行驶速度相同，均为v_c，因此油轮通过主航道的时间t_c＝l_c/v_c(8)。

回旋水域：回旋水域是油轮在靠泊或离泊时掉头转向所需的水域。一般来说，在回旋水域中油轮关闭主机，在拖轮辅助下完成回旋操作。设船型j_t油轮的靠离泊时间为

3)自然条件约束

影响油轮航行装卸的极端水文气象条件包括：强风，大雾以及强浪。模型中，参考码头所处地域近几年的水文气象资料，设定这些情况在一年中的出现的频数分别为f_uh，f_uf，f_uw，每种情况的持续时间为1天且随机分布在一年中。

一般来说，主航道的水深条件不能满足大型油轮全天候进港需求，需乘潮进港。所以潮汐因素对码头的通过能力有较大影响。根据港口所在区域水文气象资料确定潮汐特征值(水深-时间函数)从而生成水深-时间函数h(t)。

另外，横流、雷暴天气也是影响系统通过能力的外部因素，考虑这些影响的边际性，故在模型中不予以考虑。

4)海事规则

海事规则是港口属地海事管理部门规定的船舶在码头装卸航行需要遵守的规则。一般来说海事规则会因码头布置形式、船舶装卸货品以及油轮船型的不同而有所不同。主要包括：

(1)保证油轮在回旋水域的靠、离泊作业在白天：

船舶在回旋水域的靠、离泊作业比较复杂，需要多艘拖轮辅助完成。尤其对于大型油轮，在夜间作业会增加操作的难度、降低操作的安全性。

(2)保证油轮在主航道中航行的全程有足够的富裕水深：

船型j_t的进港油轮在刚到达登船点和刚通过主航道的2个时间点，水深要满足海事规则：

h (T N O W + t_{j_{t}}) > {kd}_{j_{t}} - - - (13)

h (T N O W + t_{j_{t}} + t_{c}) > {kd}_{j_{t}} - - - (14)

h(t)：时刻t对应的航道水深函数，单位：米；

TNOW：仿真时钟当前值，单位：小时；

k：安全系数；

d_jt：船型j_t的进港油轮吃水，单位：米。

此外，油轮在主航道航行的全程都满足海事规则，所以下面的表达式也需要满足：

(\begin{matrix} h^{'} (T N O W + t_{j_{t}}) > 0. A N D . h^{'} (T N O W + t_{j_{t}} + t_{c}) > 0 \\ . O R . \\ h^{'} (T N O W + t_{j_{t}}) < 0. A N D . h^{'} (T N O W + t_{j_{t}} + t_{c}) < 0 \\ . O R . \\ h^{'} (T N O W + t_{j_{t}}) > 0. A N D . h^{'} (T N O W + t_{j_{t}} + t_{c}) < 0 \\ . O R . \\ (h^{'} (T N O W + t_{j_{t}}) < 0. A N D . h^{'} (T N O W + t_{j_{t}} + t_{c}) > 0) . A N D . (h_{l o w e s t} > {kd}_{j_{t}}) \end{matrix}) - - - (15)

h_lowest：一个潮汐周期的最小水深，单位：米。

(3)对于单向通行设计的主航道要保证没有相向行驶的油轮。

(4)油轮之间需要保持一定的安全距离。

(5)油轮的进出港占用航道需要遵循一定的优先级顺序。

步骤三：对各方案进行经济分析，选择最优方案

结合仿真模型的输出结果计算各方案在规划期内的综合通过成本。以综合通过成本为指标比选各个方案的经济性，认为综合通过成本最低的方案即为最优方案。

综合通过成本C是考虑港方、船方以及货方的基本涵盖了原油在油码头接卸的所有成本。他的组成部分包括码头成本C_p、油轮成本C_t以及原油的机会成本C_o。码头成本主要是码头运营成本，其中码头运营成本由码头维护成本、航道维护成本、人员工资、码头运营燃物料成本4部分组成。油轮成本是指油轮通过港区、完成装卸总共支付的成本。原油机会成本是指货方因原油延迟发挥其经济效益所支付的成本。

仿真模型采用的经济分析方法为现值分析法，规划期为n_y。为了更为精确的评估建设方案的经济性，我们还考虑了物价增长这一要素，计算方法见下：

C＝C_p+C_t+C_o (1)

C：综合通过成本现值，单位：万元；

C_p：码头成本现值，单位：万元；

C_t：油轮成本现值，单位：万元；

C_o：原油机会成本现值，单位：万元。

1.码头成本现值C_p

C_{p} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{p, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (2)

第j_y年的码头成本，单位：万元；

i：社会折现率；

r：物价平均增长率，可取中国过去n_y年来的平均通货膨胀率；

C_{p, j_{y}} = C_{p, j_{y}, t m} + C_{p, j_{y}, c m} + C_{p, j_{y}, w} + C_{p, j_{y}, f} - - - (3)

第j_y年的码头维护成本，单位：万元，

第j_y年的航道维护成本，单位：万元，可认为航道每隔几年进行一个维护性疏浚；

第j_y年的人员工资，单位：万元，

第j_y年的码头运营燃物料成本，单位：万元；

C_{p, j_{y}, f} = c_{p, j_{y}, f} \times T_{j_{y}} - - - (4)

第j_y年每万吨油卸载所需要的码头运营燃物料成本，单位：万元/万吨，

2.油轮成本现值

C_{t} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{t, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (5)

第j_y年的油轮成本，单位：万元；

C_{t, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} C_{t, j_{y}, j_{t}} - - - (6)

第j_y年的船型j_t的油轮成本，单位：万元；

C_{t, j_{y}, j_{t}} = c_{t, j_{y}, j_{t}, b} \times t_{j_{y}, j_{t}, b} + c_{t, j_{y}, j_{t}, n} \times t_{j_{y} j_{t}, n} - - - (7)

第j_y年的船型j_t的油轮停泊时每小时的成本，单位：万元/小时，

第j_y年的船型j_t的油轮平均停泊时间，单位：小时，由仿真软件输出结果；

第j_y年的船型j_t的油轮航行时每小时的成本，单位：万元/小时，

第j_y年的船型j_t的油轮航行时间，单位：小时，

3.原油成本

C_{o} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{o, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (10)

第j_y年原油的机会成本，单位：万元；

C_{o, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} c_{o, j_{y}} T_{j_{y}, j_{t}} t_{o, j_{y}, j_{t}} - - - (11)

c_{o, j_{y}} = \frac{S_{o, j_{y}} \times i}{365 \times 24} - - - (12)

第j_y年单吨原油每小时的机会成本，单位：万元/(小时·万吨)；

第j_y年单万吨原油价格，单位：万元，

第j_y年船型j_t的油轮输送的原油量，单位：万吨；

第j_y年船型j_t的油轮输送的原油的平均在港时间，单位：小时，由仿真软件输出；

计算各方案的综合通过成本，认为综合通过成本最小的方案即为最优方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S02，针对各个选址方案分别建立仿真模型，输出时间参数；

2.根据权利要求1所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：S01中所述避让区的选址条件有两点，一为靠近主航道但不影响主航道船舶的正常通行；二为选择水深条件良好的水域以减少疏浚成本。

3.根据权利要求1所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述仿真模型的输入要素包括船舶类型、港口布局、自然条件和海事规则；所述仿真模型的输出结果包括船舶进港延误时间和船舶离港延误时间。

4.根据权利要求3所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述港口布局包括锚地位置、主航道长度和回旋水域；所述自然条件包括潮汐、强风、大雾和强浪；所述海事规则包括沿避让区离港的海事规则和沿主航道离港的海事规则。

5.根据权利要求1所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述综合通过成本C的计算方法如下：

C＝C_p+C_t+C_o (1)

C_{p} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{p, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (2)

C_{p, j_{y}} = C_{p, j_{y}, t m} + C_{p, j_{y}, c m} + C_{p, j_{y}, w} + C_{p, j_{y}, f} - - - (3)

C_{p, j_{y}, f} = c_{p, j_{y}, f} \times T_{j_{y}} - - - (4)

C_{t} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{t, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (5)

式(5)中，代表第j_y年的油轮成本，单位为万元；

C_{t, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} C_{t, j_{y}, j_{t}} - - - (6)

式(6)中，代表第j_y年的船型j_t的油轮成本，单位为万元；

C_{t, j_{y}, j_{t}} = c_{t, j_{y}, j_{t}, b} \times t_{j_{y}, j_{t}, b} + c_{t, j_{y}, j_{t}, n} \times t_{j_{y}, j_{t}, n} - - - (7)

t_c＝l_c/v_c (8)

t_{j_{t}} = l_{j_{t}} / v_{j_{t}} - - - (9)

C_{o} = Σ_{j_{y} = 1}^{n_{y}} \frac{C_{o, j_{y}}}{{(1 + i)}^{j_{y} - 1}} - - - (10)

式(10)中，代表第j_y年原油的机会成本，单位为万元；

C_{o, j_{y}} = Σ_{j_{t} = 1}^{n_{t}} c_{o, j_{y}} T_{j_{y}, j_{t}} t_{o, j_{y}, j_{t}} - - - (11)

c_{o, j_{y}} = \frac{S_{o, j_{y}} \times i}{365 \times 24} - - - (12)

6.根据权利要求5所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：第j_t种船型油轮的载重吨为其实际载油量以及到港时间间隔服从概率分布，可通过历史数据拟合得出，每种船型到港时间间隔均值由规划期内吞吐量预测值和实际载油量均值以及各船型油轮的数量比反推得到。

7.根据权利要求4所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述仿真模型中，参考码头所处地域近几年的水文气象资料，设定强风、大雾和强浪在一年中的出现的频数分别为f_uh,f_uf,f_uw，强风、大雾和强浪的持续时间均为1天且随机分布在一年中。

8.根据权利要求4所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述仿真模型中，根据港口所在区域水文气象资料确定潮汐特征值，生成水深-时间函数h(t)。

9.根据权利要求5所述的一种减少油码头主航道通过成本的方法，其特征在于：所述登船点即为主航道入口。