散货码头堆场规划方法研究综述

樊小波

(武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063)



散货码头堆场规划方法研究综述

樊小波

(武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063)

堆场规划一直是散货码头重点考虑的问题，为了系统地概括散货码头堆场规划方法的研究现状和最新进展，采用系统综述方法对近几年的主要研究进行了归纳和分析，并从堆场的两种形式入手，即露天堆场和封闭堆场，分析了不同形式堆场的已有分配方法和最新的堆场智能化现状，最后提出几点研究建议。

散货码头；堆场规划；露天堆场；封闭堆场；堆场智能化

随着我国经济与贸易的不断发展，煤炭、矿石等大宗散货交易量也越来越大，水运成为其最主要的运输方式。堆场是散货码头陆域中所占面积最大的部分，承担着货物水路运输、铁路运输、公路运输等不同运输方式之间相互转换的堆存任务。当前，散货码头有限的资源配置、机械设备和堆场面积已跟不上日益增长的散货量，又由于我国有限的海岸线和土地资源，因此，仅靠扩大码头堆场面积来提高码头的堆存能力，从长远发展的角度看是不现实的。码头管理者应从自身现有资源着手，在原有占地面积的基础上提高土地使用率。

1 散货码头现状

与国外发展领先的港口相比，我国散货码头对堆场的利用率和散货供应链整体意识都比较低。以煤炭供应链为例，澳大利亚的纽卡斯尔港将火车、港口和船舶看作是一个供应链整体，通过合理的堆场、装卸设备和船舶的调度，达到供应链整体效率和利益的最大化。然而，我国煤炭供应链的火车、港口和船舶三者是分开的，更多是以每个节点为中心，考虑自身的效益。以煤炭运输为例，没有在港口发出需求通知时火车就直接按照自己的计划把原煤从煤矿运输到港口，火车到达港口时提醒管理者接收货物，卸货时管理者也只是根据自身的经验为煤炭分配堆存位置，并没有提前做好货物分配计划，使得堆场分配不合理，且出现煤堆移跺的现象。这既增加了煤炭的库存持有成本，又占用了稀缺的堆场资源，导致堆场利用率低下，因此对我国煤炭为代表的散货码头来说，采用合理的堆场规划方法已迫在眉睫。

2 堆场功能

堆场面积是码头陆域面积最主要的组成部分，其功能主要体现在以下4个方面：

(1)货物集散。码头是水路和陆路运输的交点，同一批出口货物的来源和到港时间可能不同，这些货物就需要在码头集中后再装船，同一批进口货物的去处和离港时间也可能不同，需要在码头将货物分散到各个客户，因此码头成了货物水路运输和陆路运输之间的必经集散地。

(2)调节缓冲。货流和运输工具通常具有不平衡性，到港的货物及其到港时间、船舶到港时间、装卸工作分配等，都使得船货之间不可能是无缝衔接，堆场可以截断各种运输工具之间的衔接，起到了一定的调解缓冲作用。

(3)处理货物。在进行货物交接时，交接双方需在堆场对货物进行清理检查、计量验收、包装、拆包和重组，进出口的货物还需经过各种检验、海关监督和检查，损坏的货物也需要在堆场进行处理。

(4)配煤功能。其是煤炭码头特有的功能，需要出口的煤炭通常由几种不同的原煤配制而成，配煤过程就需要在码头的堆场内完成。

3 堆场规划方法

随着人类对环保与能源问题认识的不断加深，码头堆场形式也逐渐由开放式向封闭式的储装方式转变，目前我国散货码头堆场的形式可分为露天堆场和封闭堆场[1]。其中，露天堆场中以露天条形堆场为主，是传统的堆场形式，发展较成熟，但环保能力较差；筒仓是封闭堆场中一种新兴的散货码头装卸工艺，其环保、安全、配煤的优势突出。货物存储的安全性、货物储运对环境的影响、堆场场地的利用率及建设堆场所需的工程造价等[2]都会影响堆场建设的形式。笔者针对这两类堆场形式及热度较高的智慧港口分别展开研究。

3.1 条形堆场规划方法

3.1.1 数学模型和算法

若将散货在堆场上的位置和堆取时间放在一张二维坐标图上，则会形成如图1所示的散货时空图。横轴表示散货占据堆场的时间，包括其堆垛时间、停留时间和装载时间；纵轴表示条形堆场，长方形的位置代表散货占据堆场的位置。

图1 散货时空图

BOLAND等[3]研究澳大利亚纽卡斯尔港的煤炭调度方案，在煤炭时空图的基础上提出3种堆场规划方法：①基于船舶预到达时间的贪婪算法，选取有最小船舶预到达时间的位置来尽快开始煤炭的堆取；②基于船舶预到达时间和煤堆开始装载时间的贪婪算法，选取最小的两者权重和；③基于结构算法的整数规划。SAVELSBERGH等[4]提出树搜索算法，在时空图上搜索出可用的场地、可用的取料机能力和避免取料机冲突3个区域，叠加后便可找到煤堆最早可行堆垛时间所在的点。上述算法都需经过计算实验，结果表明，数学模型和算法能提高堆场利用率和减少船舶等待时间。

另外，LIM等[5]基于启发式算法构建堆场分配问题的关键邻域搜索模型；王煜等[6]按照煤炭自身的特性、船舶需求、堆场管理方法和作业设备的特征，选择堆场分配策略相关规则，构建基于知识工程的煤炭码头堆场分配模型；张洋等[7]通过层次分析法对散货码头中的关键决策因素进行权重分析，建立基于模糊多目标决策的综合评判数学模型；杨晓旭[8]在研究堆场规划的同时，考虑到堆场、泊位、装船机，构建了大宗干散货港口装卸作业系统集成调度模型。

综上所述，解决堆场分配问题的算法思路主要从可用的堆场区域内按照合理的规则，一步步搜索出最优的煤堆位置。而数学模型的建立是在另一种方法的基础之上或经过其他方法的处理，根据不同的目标建立不同的模型。

3.1.2 仿真模型

刘园香等[9-11]提出将条形堆场细分为连续的、有一定容量的小矩形网格，由于每个网格的状态分为占用或空闲两种，这样船舶的进出港、火车的进出港和一次简单散货进出都会导致一定数量的网格状态发生改变。堆场网格化后，可实时量化模拟堆场货堆的大小、位置及数量的变化，并利用仿真来模拟整个智能搜索最合适堆场占用空间的过程；黄国梁[12]对散货码头物流系统进行建模与仿真分析；张小亚[13]对散货矿石码头物流系统进行仿真分析；李正[14]开展了面向对象的散货码头装卸系统计算机模拟研究，上述研究均以Petri网建模理论为基础，结合Witness或Flexsim等仿真软件建立系统的仿真模型，模拟大型散货码头装卸工艺系统的运作过程；梁国枝[15]使用Extendsim建立煤炭码头调度的决策支持系统以分析最优决策；王铎[16]应用Witness建立港口煤炭堆场作业系统流程的仿真模型，对堆取料机作业时间进行优化；张海红[17]基于Witness系统仿真平台，建立了矿石码头装卸系统的仿真模型和数学优化模型。

综上所述，仿真建模方法主要应用在以下4个方面：①模拟码头堆场或整个系统的状态；②寻找已建立的港口系统存在的瓶颈和问题；③改进不足之处；④比较不同管理策略或分配策略的优劣性。

3.1.3 理论研究

有些学者从理论上研究操作方法与分配原则来提高堆场利用率。根据以往煤炭输出数据资料，将周转率较高的煤炭种类堆放在靠近皮带一侧的堆位上；根据煤炭疏运量，重新规划煤炭储存位置，合理安排各种煤炭的储存堆数，将经常同时装卸出港的煤炭安排在不同取料机的堆位上，便于安排装船作业，加快周转速度，并设置一定的安全库存，以应对突发状况的发生[18]。堆场的合理布局和使用对提高堆场利用率有着重要的作用，踪锋等[19]总结了堆场货位合理布局的基本原则，量化分析横向连接、纵向连接和同类并堆，用数学公式表示堆场利用情况。为了实现矿石专用堆场一体化物流服务的管理与控制系统，降低物流成本，需要在管理和操作方式、连接通讯网络、取料作业等方面进行不断改进[20]。

3.2 筒仓规划方法

刘力卓等[21]以秦皇岛港煤五期堆场为研究对象，根据秦皇岛港的实际煤炭吞吐量，得到采用条形堆场和筒仓群的堆场利用面积，发现筒仓的单位煤炭存储面积远远小于条形堆场，认为将堆场建设成筒仓形式具有重要的现实意义。因此散货港口开始逐渐尝试采用筒仓群，黄骅港于2012年底完成筒仓群的建设，是世界上首例采用筒仓群代替露天堆场的一个煤炭专用码头[22]。

筒仓煤炭调度和传统煤炭调度有所区别，在配煤问题上，每座筒仓底部都会配备活化给料机，从而达到精确配煤的目的[23]。白栋材[24]系统地介绍了黄骅港筒仓集群的智能取装系统，包括码头构架、煤炭取装算法和给料算法等，实践证明该系统能很好地适应筒仓调度。然而筒仓储煤存在安全隐患，火灾爆炸时有发生，为此马海深等[25]探讨了引起煤炭高温的原因，并提出了多种解决对策。

若将堆场建设成筒仓群的形式，则会带来一个新的问题：如何确定筒仓的容量和数量，使之满足码头的预定通过能力。李云军等[26]利用仿真模拟给出了答案，即在一个有确定泊位数量、年通过能力和配煤比例等的码头环境下，建立筒仓调度的仿真模型，通过改变筒仓的数量和容量，得到适应该码头的最佳筒仓数量和容量。煤炭入场后，则要考虑如何安排筒仓的堆放位置。孟杰毅[27]同样选择建立仿真模型，分析传统的固定筒仓模型和柔性的分配模型两种煤炭入仓方案的优劣性；而唐颖[28]则根据不同的煤炭进仓和出仓策略建立仿真模型，分析不同策略结合下对码头各项评价指标的影响。在煤炭从筒仓装载到车辆上的过程中，利用煤矿筒仓定量称重智能快装系统[29]，可实现煤矿煤场筒仓装载的定量化、自动化、智能化和网络化，提高装车的精度和速度。

3.3 智慧港口

如今物联网技术越来越成熟，应用的领域也越来越广泛，码头也不例外。智慧港口是借助物联网、传感网、云计算和决策分析优化等技术手段进行透彻感知、广泛连接及深度计算物理运行核心系统的各项关键信息，使物与物、物与人、人与人，以及港口物流的各种资源和各个参与方可以更广泛地互联互通，形成技术集成、综合应用、高端发展的现代化、网络化及信息化的现代港口[30]。堆场是码头的重要组成部分，智慧港口的发展意味着煤炭堆场也将更加智能化。然而，我国散货码头、集装箱码头的港口国际化和信息化水平与发达国家相比存在较大差距[31]。

总体来说，智慧港口拥有4种能力：自我感知能力、预测趋势能力、决策选择能力和执行控制能力。这4种能力相互连接形成一个完整流程：智慧港口会自动生成最优的作业方案，然后通过自动控制系统精准自动完成，利用其感知能力可以随时传递作业情况，预测和决策能力随时可以优化和改进作业方式，以达到最优资源利用率和最优生产效率的管理目标[32]。

针对煤炭堆场的信息化，柏昌顺[33]提出一个堆场智能化管理系统的结构，利用互联网，在煤炭堆存规则、作业数据库、堆场状态的动态展示、运作堆场管理系统等方面融入自己的思考与想法。赵轶华[34]则以港口散杂货疏运系统的主要业务为出发点，结合RFID等物联网技术对传统的堆场管理流程进行优化。GIS是传统地理信息科学与现代计算机技术相结合的完美产物，可用于设计港口散货堆场管理系统，使得港口信息高度可视化，可快速检索、定位和统计港区内目标数据信息[35]，有效地提高管理人员对港区作业实时监控的效率[36]。

4 建议

综上所述，学者对散货码头堆场规划的研究少于集装箱码头的研究，为此，笔者提出应加强散货码头堆场规划研究，并对散货码头堆场调度的研究方向提出以下几点建议：

(1)强化堆场智能化的研究方向。在信息化的时代，互联网和物联网已成为主流，将信息技术应用到码头堆场是十分必要的，如RFID技术与红外线感应技术等。结合煤炭码头的实际情况，不仅要考虑智能堆场的结构、使用何种技术，还要将每种技术的使用落到实处，以找到最优的分配堆场的算法和规则。

(2)重视封闭堆场的研究。因为人们越来越重视环保问题，传统的露天堆场已不能满足环保的需求，筒仓将逐渐被广泛使用，以筒仓为突破口，使用算法模型或仿真模型，研究筒仓的建立、分配及使用等方面，具有前瞻性，符合码头发展的趋势。

(3)开展露天堆场和封闭堆场同时使用的研究。大型的煤炭码头一般使用露天堆场，但有时会遇到对煤的纯度或配煤精度要求较高的情况，这种情况下，采用封闭堆场最为合适，随着码头吞吐量的不断增加，将露天堆场改造成封闭堆场会提高单位面积的利用率，此时，则需要研究同时采用露天堆场和封闭堆场应该遵循何种分配规则。有了研究结果作支持，煤炭码头可进行堆场的合理调整，在科学的理论指导下提高码头使用效率。

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FAN Xiaobo:Postgraduate; School of Logistics Engineering, WUT, Wuhan 430063,China.

Research Review of Yard Planning of Bulk Terminals

FANXiaobo

Yard planning is the problem that bulk terminals need to have key consideration. In order to generalize the research status and recent developments about bulk terminals yard planning methods, the paper use systematic review method to summarize and analyze the research methods of yard planning in recent years. The paper mainly consider the two forms of the yard: open yard and enclosed yard, and analyzing the existing allocation of different forms of the yard, and the latest intelligent yard. Finally, the paper provides a few comments of future research and views.

bulk terminals; yard planning; open yard; enclosed yard; intelligent yard

2095-3852(2016)05-0597-05

A

2016-03-15.

樊小波(1993-)，女，浙江丽水人，武汉理工大学物流工程学院硕士研究生.

国家自然科学青年基金项目(71501152).

U658.3 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.017