第4章 码头及码头平面设计

∴
nw, s −1 − nw, s
cb > > nw, s − nw, s +1 cs
在上述公式的推导过程中利用了级数求和公式 ∞ ∞ a i 1 a i −1 1 ( ) = 和 ∑i ⋅ ( ) = ∑ a a 2 S i =0 i =0 S 1− (1 − ) S S 因此在计算中必须保证 S > a 的条件。
注意到ρs≤1恒成立，得港口最少泊位数为:
S min = Q = nb RN
来自百度文库
4.1 港口规模确定 ü
船舶到达分布 船舶到达港口是随机的。 但有规律——按某种概率分布到达港口 泊松流——相继到达的两艘船舶的间隔时间 T服从指数分布 概率密度：
λ e − λ t f (t ) = 0
t >0 t ≤0
s ∞
ρs =
泊位被利用的天数之和 泊位的全部天数之和
=
∑ nF + ∑ sF
n =0 n
∑ sF
n =0
∞
n = s +1 n
n
=
N ∑ nPn + Ns ∑ Pn
n =0
s
∞
Ns ∑ Pn
n =0
∞
n = s +1
∞ 1 s = (∑ nPn + s ∑ Pn ) s n =0 n − s +1
4.1 港口规模确定 ü
船舶占泊时间分布 船舶占泊时间——从靠泊到离开的总时间 T ，一般服从指 数分布或者2阶爱尔兰分布。 k 阶爱尔兰分布:
(kµ ) k k −1 − kµ t t e f (t ) = (k − 1 )! 0
(k µ t ) n −k µ t ∑ n! n= 0 F (t ) = 1 − e 0
港口泊位数优化：考虑港、船、客货各方面的因素，使 得客货在港口转运的总费用最省。
ü
S优应满足的条件(只考虑港、船因素) 以cb表示每泊位每天的营运费用（元/泊·日） cs 表示每船在港一天所需费用（元/艘·日） 在时段N天内船舶总费用为（港口有S个泊位）
C s = cb N S + c s N ns
ρS = λ /μS=0.35， TW =0.092 → T在港 =4.092天
• 提高效率： λ = 0.35，S= 2， Tb =2，
ρS = λ /μS=0.35， TW =0.28 → T在港 =2.28天
4.2 减少船舶在港时间的措施
▲ 管理措施---泊位组 把可以统一进行装卸的一些泊位组织在一起统一调度管 理，称为泊位组。 例： 设某港有相同的两个区，A、B，各有4个泊位，装卸能力为 μ=0.25艘/泊-天（Tb=4天），每区的船舶平均到港率λ =0.7艘/ 日，按M/M/S模型计算时有： •两区独立： λ=0.7，S=4， Tb =4，
k −1
t >0 t ≤0 t >0 t ≤0
μ ——平均装卸船率
4.1 港口规模确定
k 阶爱尔兰分布
4.1 港口规模确定 ü
排队理论的应用(只介绍M/M/S/∞ 排队模型的结果) 第一，船舶按泊松流到达港口； 第二，船在港装卸占泊时间服从指数分布； 第 三 ，船一 到 港， 只要 有空 闲 泊位 就 必 须 停 靠 ， 不得 等 待 特 定泊位， 并 按 先 到 先 靠 的 原 则 进 行排队 ， 不得 插 队； 第四， 当 船舶 足 够 多 时， 不论 排队多 长，船舶 不得 中 途离港。
ns ——港口有 S 个泊位时平均在港口的船舶数
4.1 港口规模确定
泊位数 S 不同就导致 Cs 的变化，泊位数优化就是取 S 值使 得 Cs 最小，即
C s +1 > C s
C s −1 > C s
将 Cs 的表达式代入整理得 S优应满足的条件为：
cb ns −1 − ns > > ns − ns +1 cs
4.1 港口规模确定
▲
影响泊位数 S 的主要因素
ü ü ü
港口吞吐量Q ， 旅客、货物； 船型及其周转量； 装卸效率的高低。
确定港口规模主要解决两方面的问题： 泊位的大小——来港船型 泊位的多少——吞吐量、船舶数量、装卸效率等
▲
港口泊位数估算 现行规范建议粗略地用下式估计港口的泊位数
4.1 港口规模确定
方法：调整 S 值使上式得到满足——试算 关键：给定 S 后如何计算平均在港船舶数
ü
有关泊位参数的概率表达 设：S ——港口泊位数 Pn——有 n 艘船在港的概率 Fn——N 天内有 n 艘船在港的天数，Fn=NPn
泊位利用率ρs
4.1 港口规模确定
ρs就是泊位利用的天数与泊位总天数的比值。
设有n艘船在港则： n≤S 时，泊位利用的天数即为船天数 nFn,有空泊位,无船待泊 n＞S 时，泊位全部被占用，泊位利用天数为SFn，有船待泊
第四章
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
码头及码头平面设计
港口规模确定 减少船舶在港时间 码头布置型式 港口陆域尺度 码头陆域布置
4.1 港口规模确定
4.1 港口规模确定
港口规模一般包括： Ø 码头建筑物长度(各类泊位的数量)； Ø 水域面积(调头水域、航道、港池、锚地等)； Ø 防波堤长度； Ø 仓库、堆场、停车场等面积； Ø 办公楼、机修间、机械库等生产辅助建筑物规模； Ø 铁路、道路的数量和等级； Ø 港区供水、供电、供油等 Ø 生活辅助设施规模； Ø ……. 码头是港口营运的中心，港口其它设施必须与码头相适应， 也就是说，港口规模取决于码头规模即各类泊位数的多少。
4.按合理泊位数建设时船舶的平均等待时间。
0.65＞0.28＞0.21
S=8
4.2 减少船舶在港时间的措施 ▲ 增加港口设施 增建码头泊位、提高泊位装卸效率
4.2 减少船舶在港时间的措施
例：设某港口原有泊位S=2， λ =0.35艘/天， Tb =1/μ= 4天， 根据计算： TW =3.844天，与Tb 接近，很不合理。为改善这种状 态，提出以下两方案比选： ①增建2个泊位，装卸能力不变（泊位数增加一倍） ②改进装卸工艺，装卸能力提高一倍， Tb =2天 用M/M/S模型计算： • 增建泊位： λ = 0.35，S = 4， Tb = 4，
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式
• 堤内式布置：沿防波堤内侧布置码头 一般可节省投资，尤其是斜坡式防波堤更为明显
连云港港
4.3 码头布置型式
位-日，船舶艘天费cs=45000 c 元/船舶-日，船舶平均载货量
取N=365天，试： 1.写出货物换装总费用表达式； 2.导出最优泊位数应满足的条件；
cb 3.计 合 )； n算 − 泊位数 nw, s > (按M/M/S/∞模型> nw, s − nw, s +1 w, s −1 理 cs + i ⋅ cG ⋅ ξ / N
∞
n, s
≡1
s −1
P0, s
a a = + n =0 n! ( s − 1)!( s − a )
s −1
∑
n
4.1 港口规模确定
有了Pn,s 就很容易求得
n w, s =
Q
a s +1 ( s − 1)!( s − a )
2
P0, s
ns = nb + nw = a + nw
上海外高桥港区
4.3 码头布置型式
上海外高桥港区
4.3 码头布置型式
• 挖入式：码头港池在向岸的陆地一侧开挖而成 以往多用于河港或河口港，60年代以来也见于海港 小河船集疏，但不占深水岸线，海船运输。
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式
• 岛式及栈桥式： 一般为开敞式码头，不设防波堤，用于大型散货船、油 船、液体化工船，解决船舶的吃水问题 码头远离岸边，与岸边无陆域连接 油码头 —— 输油管埋在水底
ρS = λ /μS=0.7， TW / Tb =0.357 → TW =1.428天
•两区合并： λ=1.4，S=8， Tb =4，
ρS = λ /μS=0.7， TW / Tb =0.113 → TW =0.452天
4.2 减少船舶在港时间的措施
▲管理措施---速遣 速遣是将几个泊位的设备集中使用，使某些船只迅速离港 的调度方式，例如：港口有两个泊位，刚巧两艘船同时到达 两艘船同时作业(Tb=4天)
M/M/S/∞ 排队条件：
4.1 港口规模确定
据排队论可得到有 n 艘船舶在港的概率为
Pn , s
an P0 , s , 0≤n≤s n! = an n≥s n − s P0 , s , s! s
P0,s——有S个泊位时，无船在港（n=0）的概率，可由下 列恒等式求得
∑P
n =0
4.1 港口规模确定
平均装卸船数
nb = 所考虑时段内装卸船舶 的总船天数 时段的总天数
=
∑ nF + ∑ sF
n =0 n n = s +1
s
∞
n
N
s ∞ n =0 n = s +1
= ∑ nPn + s ∑ Pn = S ⋅ ρ s
平均等待船数
nw =
n = s +1 ∞
∑ (n − s) F
S： Q ——港口吞吐量
Q S= P
P ——泊位通过能力；可按下式估计
Nξ P= αt
α ——泊位系数1.2~1.5；
1 N P = ⋅ ⋅ξ α t
t ——船舶平均占泊时间（日/艘）； N ——考虑时段的天数； ξ ——船舶平均装卸量（吨/艘）。
4.1 港口规模确定
▲
泊位数优化 S 太多→港口设施经常出现闲置，造成投资浪费 S 太少→许多船舶、旅客排长队等待，给船、客带来损失
船舶1
船舶2 两艘船都在4天后离港
两艘船分别作业，装卸设备集中使用(Tb=2天)
船舶1
船舶2
有一艘船在2天后离港，并且未增加另一艘船的在港时间
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式 码头——供船舶停靠的水工建筑物 泊位——船舶停靠所占用的空间，具有三个要素： 长度：占用的码头岸线长度 宽度：占用的水域宽度——与码头宽度不同 深度：停泊船舶需要的水深 ▲ 码头分类 按贸易：内贸、外贸 按用途：客运、货运、客货兼用、工作船码头 按货种：件杂货、集装箱、油、干散货、渔码头、…… 按布置：顺岸、突堤、挖入式、堤内式、岛式
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式
4.3 码头布置型式
▲ 码头平面布置 • 突堤式：码头岸线与自然岸线成较大角度或垂直 优：占岸线短，需建防波堤时，堤的长度短，便于管理 缺：阻碍水流，占水域大 突堤式码头广泛用于海港中
青岛港
大连港东西港区
4.3 码头布置型式
• 顺岸式：码头岸线与自然岸线基本平行 优缺点与突堤式码头对应，顺岸式码头广泛用于河港
4.1 港口规模确定
船舶的平 均 等 待时间是 人们极为关注 的港口参 数， 可 根据平 均等待的船舶数求得。
∴
nw, s = λTw, s
⇒
Tw, s
a s +1 1 = ⋅ P0, s 2 λ ( s − 1)!( s − a )
4.1 港口规模确定
▲
其它排队模型 M/E2/S/∞ 排队模型 ——船舶到港为泊松分布 占泊时间为二阶爱尔兰分布 E2/E2/S/∞ 排队模型 ——船舶到港和占泊时间为二阶爱尔兰分布
N
n
=
n = s +1
∑ (n − s ) P
∞
n
4.1 港口规模确定
港口吞吐量 Q 设：平均一个泊位的日装卸量为 R (t/泊·日) 则： Q =R · 泊位被利用的天数
= RNS ⋅ ρ s = RN (∑ nPn +
n =0
s
n = s +1
∑ sP )
n
∞
不难看出以上各量有如下关系：
Q nb = s ⋅ ρ s = = a, a 称为船流密度 RN
在 t 时段内到达港口 n 艘船舶的概率：
(λ t ) n Pn = n!
λ ——船舶的平均到达率
e
−λ t
n = 0,1,2, L
4.1 港口规模确定
大量统计资料表明，多数港口的船舶到达服从泊松分布，如 图是我国某港口1996年2301艘到港船舶的统计资料，从图中可 看出该港的船舶到达基本上服从泊松分布，在港口系统规划 中，船舶的到达通常按泊松流考虑。
注意：各排队模型的差别很大， 选取的模型必须符合港口实际。
例题
4.1 港口规模确定
某港口件杂货作业区2020年的预测吞吐量为Q=1500万吨，设 计装卸能力R=8000吨/泊位-日，设泊位营运费cb=16000元/泊
b i nC n nw − > >n −ξ w, s −1 = cw ,N s S +c Nn + N w, s c n , s +1 s b s s G s 现率i=8%， 365 ξ=16000吨，货物平 均 价格 c =3500 元 / 吨 ， 现 金贴 cs + i ⋅ cG G⋅ ξ / N