集中进出港条件下的天津港拖轮整体作业能力分析

杜 明

(天津港股份有限公司科技设备部,天津 300461)

拖轮作业是船舶到港挂靠和离港起航过程中必不可少的一个环节.不仅船舶的靠泊和离泊过程需要拖轮的协助,对于船型较为庞大的船舶来说,其进港和出港过程并不能依靠船舶本身的动力,而必须由拖轮引航进出.因此,拖轮作业是影响船舶在港停留时间的一个重要因素.港口必须保证其所拥有的拖轮能够满足船舶进出港的需要,否则,港口的营运效率将受到直接制约,既不利于吸引更多的船舶挂靠,也会造成港口的经济效益的降低.

从满足港口作业需要的角度出发,一些学者就港口拖轮的配置问题进行了研究.熊军魁[1]预测了天津港的吞吐量和到达船型,并通过仿真得到了能够满足数年后港口需求的拖轮配置方案;其后,熊军魁[2]又针对天津港拖轮功率小和使用率低的问题,提出了改造自有拖轮和租用大功率拖轮等的解决方案.类似地,在对吞吐量和到港船型进行预测的基础上,吴旭填[3]建立了基于经济指标的拖轮配置方案评价体系,并且对广州港的拖轮配置进行了优化;陆海波[4]从总功率需求和拖轮船队结构两方面出发,提出了宁波港拖轮配置的优化方案;王欢[5]则建立了拖轮船队结构的动态规划模型,并提出了针对上海港未来5年的最优拖轮购置方案.此外,杨志华[6]将数据库与仿真结合,建立了拖轮配置方案的仿真模型,并且以模糊综合评判法对所得的拖轮配置方案进行了评价.

然而,即使港口已经按照优化后的拖轮配置方案对目前的拖轮数量和结构进行了调整,在实际的拖轮作业过程中,拖轮不足的情况仍然时有发生.以天津港为例,2008年,天津港集团公司曾和上海海事大学联合,对天津港区的作业船舶配置进行了综合研究,并对港区目前的拖轮配置进行了调整,然而在某些调度时段中,大功率拖轮的作业能力仍显不足,以下几种情况仍有发生:

(1)某些船舶的出港护航作业提前结束.按照规定[7],船舶的出港护航作业必须在船舶离开新港主航道之后结束,然而若目前时段大功率拖轮作业能力相对不足,护航拖轮往往在船舶到达新港主航道后不久即离开船舶,以求尽快执行下一任务.在这种情况下,船舶不得不依靠自身动力离开主航道,从而对航道的航行安全产生威胁.

(2)某些船舶的靠泊或离泊作业所使用的拖轮功率或数量无法满足作业的要求.船舶对靠泊和离泊作业中所需拖轮的功率和数量有一定的要求,然而,在符合功率要求的拖轮数量暂时不足的情况下,为了保证计划的按时完成,该作业可能由不符合功率要求的拖轮参与完成,从而对船舶的靠离泊安全埋下了隐患.

(3)某些船舶的实际出港时间晚于计划.在拖轮能力极度紧张的情况下,某些船舶的靠泊或离泊作业因为无法及时安排拖轮而无法按时完成.一旦如此,不仅后续的进出港计划将被打乱,港口还将支付给船方高昂的滞期费,这对港口的经济效益将造成极为不利的影响.

由以上3种情况可以看出,仅考虑拖轮总体配置方案的优化方式虽然能够使港口拖轮的作业能力在较长的一段时间内基本满足船舶进出港的需求,但却并不能保证“拖轮作业能力不满足船舶进出港要求”这种情况不会出现.因此,本着杜绝这两种情况的目的,本文结合天津港的航道条件、水文条件和进出港方式,对天津港的拖轮作业过程进行深入研究,分析这两种情况出现的原因,并通过仿真进行验证.

1 天津港港区拖轮的作业分析

在我国的大部分港口,拖轮参与的港作作业种类主要有协助靠泊、协助离泊、协助移泊、护航进港和护航出港这5种.由于不同港口的航道和水文条件不同,其拖轮作业方式会有些许的区别.

1.1 天津港区的航道、泊位和锚地分布

天津港区的航道主要由新港主航道和北航道两部分组成,如图1所示.其中新港主航道长约16 000 m,航道口在图中16+000位置;北航道长约7 000 m,在主航道的9+000位置与主航道相接.港区的泊位数量超过60个,沿航道两侧分布;拖轮集结地两处,分别处于图中的2个菱形位置.

图1 天津港区航道和泊位分布图Fig.1 Scattergram of channels and berths in Tianjin Port Zone

天津港目前共有6处锚地[8],位置如图2所示.其中1号～4号锚地的平均水深为13 m,5号锚地水深在10～13 m,6号锚地水深在1～18 m,专门停靠大型船舶.

1.2 拖轮作业时长分析

图2 天津港锚地分布图Fig.2 Scattergram of anchorage areas in Tianjin Port

如前所述,拖轮在港作业(简称港作)可以分为协助靠泊、协助离泊、协助移泊、进港护航和出港护航这5种.然而,护航,尤其是进港护航,与其他作业存在较大的区别.王明世[9]以上海港为例,专门讨论了船舶护航作业与船舶进出港计划的关系,并指出了护航对整个港区的作业的连续性和物流效率的影响.以下按照天津港目前的航道、泊位和锚地分布,从时间的角度对天津港区的5种拖轮作业方式进行比较.

在协助靠泊作业过程中,拖轮首先花费一段时间驶向作业泊位附近的港池,待进港船舶和作业拖轮到齐后,拖轮与船舶带缆连接,由拖轮协助船舶靠泊码头,然后拖轮解缆离开,作业完成.由航道和锚地分布可知,拖轮为到达作业港池所需行驶的距离上限约为3 000 m.假设拖轮的行驶速度为13 kn[7],拖轮系缆、助泊和解缆各自花费5min.若假设船舶总是先于拖轮到达港池,则可以估算拖轮协助靠泊作业所需要的时间上限tL1=22.5 min.

协助离泊的作业过程与协助靠泊较为类似.在这种作业过程中,拖轮首先花费一段时间驶向作业泊位,待作业拖轮到齐后,拖轮与船舶带缆连接,由拖轮协助船舶离开码头进入航道,然后拖轮解缆离开,作业完成.因此,可以类似地估算得到拖轮协助离泊作业所需要的时间上限tL2=22.5 min.

拖轮的协助移泊作业可以视为一次连续的离泊和靠泊过程.拖轮首先花费一段时间驶向作业泊位,待作业拖轮到齐后,拖轮与船舶带缆连接,由拖轮协助船舶离开码头进入航道,驶向下一泊位,然后由拖轮协助船舶靠泊码头,最后拖轮解缆离开.由于移泊的目的多为修船、为其他船舶腾位置或者换到附近的泊位装货,因此其在前后泊位之间的行驶距离一般不会很长.假设这段距离的长度上限为4 000 m,移泊过程中船舶的行驶速度为8 kn[7],其他参数不变的情况下,可以估算得到拖轮协助移泊作业所需要的时间上限tL3=43.7 min.

出港护航的作业过程较为简单.在船舶的离泊作业结束,船舶到达主航道后,若该船需要护航出港,则会留下1条参与离泊的拖轮拖引船舶驶向航道口,直到其到达新港主航道16+000位置处,该拖轮离开,护航任务结束.由图2可知,出港护航的行程上限为 16 000 m,假设护航过程中船舶的行驶速度为8 kn[7],其他参数不变的情况下,可以估算出港护航所需要的时间上限tL4=64.2 min.

进港护航是大船和外籍船进入天津港必须经历的拖轮作业过程.拖轮从港区出发,驶向船舶所在锚地,找到需要护航的船舶,系缆结束后开始拖引,并保证在该船的进港动态开始前,船舶可以到达新港航道口.由图2可以得到航道口到6处锚地的距离,如表2所示.假设拖轮驶向锚地的速度为20 kn,由锚地驶回航道口的速度为10 kn,拖轮到航道口的距离为10 000 m,且拖轮在锚地寻找船舶、引航员登船以及系缆等等作业过程一共花费30 min,则可以得到拖轮到各个锚地执行护航任务所需要的大致时间,如表1所示.

由表1可见,拖轮的5种作业方式所需要的时间长度存在明显差异,如图3所示.

表1 到不同锚地的进港护航时间估计值列表Tab.1 List of estimated entering convoy time values to different anchorage areas

图3 各种拖轮作业类型所需要的时间长度对比Fig.3 Time-scale comparisons among various tugboat operational types

从以上的分析可以看出,在拖轮的各种港作类型中,进港护航所需要的时间明显多过其他作业类型,这可能对拖轮的总体作业能力造成沉重的负担.

2 进港护航作业对拖轮总作业能力的影响分析

受航道水深和宽度的限制,天津港只允许某些船舶在主航道内单向通航[7],且对其允许进港和允许出港的时间段进行了划分.按此规定,船舶大多集中进出天津港,且集中进港和集中出港的时段不断交替到达,由此形成了天津港船舶的动态进出特点.受此影响,拖轮的港区作业也存在动态性的特点.

2.1 天津港的动态进出港特点分析

按照规定[7],天津港只有在下列情况下允许船舶在主航道内单向通航:

(1)万吨级船舶的无动力拖带、长度超过200 m船舶的无动力拖带和宽度超过30 m船舶的无动力拖带;

(2)宽度大于等于40 m的船舶,无论其是否可以以自身动力进出港口;(3)宽度大于30 m,载运危险品的船舶;

(4)船长或引航员提出单向航行申请的船舶.

天津港的单向航行时段则按照表2所示的时间区段划分.

受到船舶动态进出港特点的影响,拖轮的港区作业也呈现出动态性的特点.协助靠泊作业集中在进港动态时间段,协助离泊和出港护航作业集中在出港动态时间段.此外,对那些计划于下一进港时段进港的需要护航的船舶,其护航拖轮一般在本进港时段结束前派出,以保证船舶能够按时到达航道口.这种情况一经发生,本动态的拖轮作业能力将直接受到影响.若下时段需要护航的进港任务较多,则本动态极易出现拖轮能力暂时不足的情况.

2.2 进港护航作业的条件和影响分析

按照规定[7],对于下列情况,天津港要求拖轮进行引航作业:

(1)载重10万t及以上的船舶;

(2)吃水16 m及以上的船舶;

(3)载重3万t以上的油轮;

(4)宽度超过30 m,载运危险品的船舶;

(5)拖带长度超过200 m或拖带宽度超过40 m的船舶;

(6)外国籍船舶;

(7)申请引航的船舶.

此外,不同的船舶对于护航拖轮的功率要求也不同.参考拖轮港作的一般功率配对规则,不同的船舶的护航拖轮功率要求如表3所示.

表2 天津港区动态时段表Tab.2 List of dynamic time-slots in Tianjin Port

表3 天津港拖轮分配规则表Tab.3 List of tugboat allocation rules in Tianjin Port

由以上的分析,结合1.1中有关锚地的描述,可以得到以下2点:

(1)除外国籍船舶或申请引航船舶外,护航作业所需的拖轮至少功率应具有2 490 kW.

(2)由于需要护航的船舶一般停在4号或6号泊位,因此拖轮执行一次进港护航任务大致需要2～3 h.

因此,即使在拖轮配置能够满足港区作业的一般需求,在某个进出港动态时段中,若下一时段的护航作业数量较多,则本出港动态极易出现2 940 kW以上拖轮能力暂时缺乏的情况.并且,由于派往其他港区作业的拖轮同样必须符合如表3所示的功率要求,因此,由护航拖轮的提前派出所造成的拖轮能力缺乏,往往不能通过港区的剩余空闲拖轮进行弥补.

3 对进港护航和拖轮作业的仿真

为了探寻某时段的港区拖轮作业能力与下一时段进港护航作业数量的关系,必须采用一种合适的方法.直接分析拖轮的作业数据是一种较为直接的方法,然而这种方法可能并不合适,其主要原因:

(1)拖轮作业数据记录的相当多数动态中,需要进行的拖轮作业并没有到达港区拖轮总作业能力上限,因此拖轮作业数据中的很多信息对本文拖轮作业总能力的分析意义不大.

(2)为了按计划完成任务,即使本动态拖轮的港区作业数量已经超过拖轮的总作业能力,拖轮调度员也会通过一些不符合规定的做法,使得这些作业也能够按照计划完成.因此由分析作业数据得到的拖轮总作业能力存在不准确的可能性.

基于以上考虑,本文采用了仿真的方法,以寻找下一动态的护航作业与本动态拖轮作业能力之间的关系.

3.1 拖轮作业仿真系统以及实验设定

本文所采用的仿真系统来自于上海海事大学与天津港合作的项目“天津港船舶发展规划与优化配置综合研究”,该项目已于2008年8月顺利结题.该仿真系统是在天津港的航道和泊位特点基础上,严格按照港区作业规定和项目目标开发的,能够完全地体现天津港船舶动态进出港的特点.其部分系统界面如图4所示.

系统采用2006年的船舶到达数据,此外系统中的拖轮等级和数量按照表4配置.

参数设定完毕后,本文在固定每个动态进港护航任务数量的基础上,将仿真时间设定为1年进行实验,在固定每个动态进港护航任务数量的前提下,不断增加港作任务的数量,直到观察到有任务不能在动态时间内完成为止,此时完成的任务数量即可以认为是这种情况下港区作业的能力上限;然后,逐步增加每个动态的进港护航任务数量,以观察港作能力上限的变化,从而总结出进港护航作业影响拖轮总作业能力的一般规律.

3.2 对港区拖轮作业的仿真分析

由于大功率拖轮的任务不能由小功率拖轮代为完成,因此本文首先对需要3 675 kW以上功率的拖轮作业任务进行仿真,然后再以同样的方法对需要2 940 kW以上功率的拖轮作业任务进行仿真.每次仿真运行2 190个进出港动态,仿真结果如表5和表6所示.

图4 拖轮仿真系统界面图(主航道部分)Fig.4 Tugboat simulation system interface(main channel)

表4 仿真系统拖轮分布表Tab.4 List of tugboat distributions of simulation system

表5 3 675 kW以上的拖轮作业仿真结果Tab.5 Operational simulation results of 3 675 kW-above tugboats

表6 2 940 kW以上的拖轮作业仿真结果Tab.6 Operational simulation results of 2 940 kW-above tugboats

图5 总拖轮作业能力变化趋势Fig.5 Trends on overall tugboat operational ability

表5中,Njhnext表示下一动态需要3 675 kW以上拖轮的进港护航作业数量.注意表5仅仅针对3 675 kW以上拖轮进行统计.

图5给出了不同的下一动态进港任务数条件下总拖轮作业能力的变化曲线.

由以表5和图5中的内容,大致可以得出以下结论:

(1)对天津港区拖轮作业来说,下一动态的进港护航任务数量对本动态的总拖轮作业能力是存在影响的;下一动态的进港护航任务越多,本动态的总拖轮作业能力越低.

(2)对于3 675 kW以上的拖轮来说,其总作业能力Ar和下一动态进港任务数量Njhnext的关系可以大致表示为

相应地,3 675 kW以上的拖轮计算式为

4 结论和展望

本文在全面分析天津港区的航道、泊位布置和拖轮作业过程的基础上,针对港区拖轮作业过程中难免会出现拖轮总作业能力暂时无法满足港作需求这一问题进行了分析,探讨了下一动态进港护航数量与本动态港区拖轮总作业能力之间的关系,并通过仿真实验对二者的关系进行了进一步验证.仿真实验结果证明,这二者确实存在影响,并且这两者间大致具有线性的数量关系.这为本文所研究的问题提供了科学的解释.

近年来,天津港区一直在进行航道建设.2010年5月,天津港复式航道三期工程日前已顺利完工[10],主航道由原来的315 m拓展到420 m,水深也达到19.5 m左右.通航条件的改善,可能会使护航规则产生一定的变化,但是进港护航任务对拖轮总作业能力的影响依然存在.因此,在复式航道的基础上对这二者的关系进行进一步的研究,是本文下一步可以进行的工作.

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