熱帶地區鐵水聯運物流系統港口堆場容量計算

陳啟振

山東港通工程管理咨詢有限公司

1 引言

中國礦產資源產量與生產需求量不匹配現象突出，每年需要進口約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、拉丁美洲等欠發達國家礦產資源豐富，但因基礎設施落后導致礦產資源無法大規模連續開采。近年來，在“一帶一路”倡議合作平臺下，國際合作環境日益改善，海外投資有了一定的保障，企業更有意愿投資自建運礦鐵路、港口等基礎設施，形成企業專營專運的鐵路、港口、船舶運輸物流體系，實現礦石大規模出運。熱帶地區氣候條件特殊，此類海外項目運營模式明顯不同于國內港口，中國規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]。結合非洲幾內亞某鋁土礦鐵水聯運項目，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自主投資建設且專營專運，鐵路運輸進港量為4 000萬t/年，裝卸工藝設計包含火車卸車、堆場堆取料、碼頭裝船和水平運輸4個環節，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。工藝設備包含3臺雙車翻車機、3臺斗輪堆取料機、2臺裝船機、19條帶式輸送機和10座轉運站，并在Z03和Z05轉運站分別預留1個進料接口和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

幾內亞沿海地區為熱帶季風氣候，只有雨季和旱季2個季節，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產生不同程度的影響，根據幾內亞類似項目和已建碼頭運營生產經驗，綜合評估7 月、8月、9月、10月雨季降雨對港口裝船作業的影響，分別為旱季月份的80%、50%、50%、80%，對鐵路運輸的影響均為90%。若將雨季月份折算成旱季月份，則每年港口裝船實際作業時間為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港量和港口裝船出運量作為離散樣本，通過累計樣本參數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為進港大于出港時的累計差值量，萬t；E2為出港大于進港時的累計差值量；萬t；Pi為礦石鐵路運輸月度進港量，萬t；Qi為礦石裝船月度出港量，萬t。

各月礦石進出港量差值見表1。

表1 各月礦石進出港量差值計算表

根據表1計算結果，以雨季開始為計算起始時間，當雨季結束時，堆場的礦石存量達到最大值264萬t，此存量恰好用來補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取料安全作業最小料堆厚度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中，鐵路、港口、船舶等設備設施均屬企業專營專運，但實際系統受自然條件、設備數量和質量、運營操作模式等客觀因素的影響，會導致單位時間火車運輸進港量不均衡、單位時間港口裝船出運量不均衡、港口裝卸設備作業時間不均衡以及港口裝卸設備故障率和停機檢修時間不均衡等。因此，實際堆場所需容量應在累計差值法計算值的基礎上乘以各因素影響不均衡系數，各因素影響不均衡系數用綜合影響不均衡系數替代，則綜合影響系數是取決于各因素的函數，數學表達式為：

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，受單位時間火車運輸進港量不均衡、單位時間進港船舶數量不均衡、港口裝卸設備作業時間不均衡以及港口裝卸設備故障率和停機檢修時間不均衡等因素的影響；α為火車運輸進港量影響不均衡數；β為港口裝船出運量影響不均衡數；γ為完成1個離散單元，系統平均作業時間影響不均衡數；δ為系統中裝卸和運輸設備質量及故障停機檢修時間影響不均衡數；ζ為其他因素影響不均衡數。

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裝卸轉化成離散的基本單元在各環節生產活動。當樣本參數足夠大時，單位時間火車運輸進港卸車量、單位時間裝船出運量、各主要裝卸生產環節平均作業時間、設備故障率及檢修時間等隨機變量均符合某一統計學規律。基于以上原理，建立離散事件流程進行仿真模擬，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仿真軟件，具有強大的數據統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、任務執行類實體、網絡節點、傳送帶模塊等，其中固定資源類實體有發生器、暫存區、處理器、吸收器等；任務執行類實體有任務執行器、叉車、起重機等。該軟件可以利用C++語言創建和修改部件以及控制部件的行為活動。Flexsim模型中主要實體設置見表2。

建模后進行仿真模擬，仿真時間設為5年(1 825天)，統計暫存區2(堆場)在仿真時間序列內的實體單元數量變化值，然后等效轉化成堆場儲料量變化，某一次仿真時間序列內的堆場儲料量變化見圖2。

表2 Flexsim建模實體表達

圖2 某一次仿真時間序列內的堆場儲料量變化圖

進行多次仿真模擬，統計出每年雨季開始時堆場儲料量初始值和雨季結束前后的最大值，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

根據表3計算結果，初始值為-23.4～53.6萬t，初始值代表上一個雨季和旱季結束后堆場貨物累存量，負值代表裝船出運大于鐵運進港量，堆場需要提前儲存的量，正值代表鐵運進港大于裝船出港量，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為1.06～1.18，本項目綜合影響不均衡系數取1.1，則實際計算堆場所需容量為337萬t。

4 結語

針對熱帶地區企業投資建設并專營專運的鐵水聯運物流系統項目，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活動進行簡化，基于Flexsim建立仿真模型進行模擬分析，得出綜合影響不均衡系數的取值范圍，利用綜合影響不均衡系數法，即可計算具有此類特征項目的堆場所需容量值。