国内外港口工作可作业时间分析方法

张军，孙亚斌，钟雄华

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）

国内外港口工程项目的设计过程中，均很重视码头可作业时间的分析。可作业时间是港口掩护效果的直接指标，也是分析泊位通过能力的重要参数，对于评估港口的吞吐能力有重要意义。国内外相关规范、导则均对码头的可作业时间或可作业条件给出了要求或建议。

1 分析码头可作业时间的方法

分析码头的可作业时间，常用的指标和方法有年可作业天数、不可作业率（downtime），以及考虑船舶全过程作业的可作业率（operability）。

1.1 年可作业天数

年可作业天数是最早出现的、较常用的用于评价码头可作业时间的参数。该参数在收集工程区域多年风、浪、降雨、雾、雷暴、冰况等气象和水文资料基础上，结合相关规范允许的可作业条件，对不同船舶可在码头系泊并作业的年可作业天数进行计算[1]。因各气象水文因素出现超标的时间不一定连续，对船舶作业的影响也不尽相同，且不同的因素可能同时出现超标情况，故在计算过程中需要较多的工程经验，才能确定出合理的年可作业天数[2]。国内项目大多采用该指标。

1.2 不可作业率（downtime）

不可作业率是指将1 a中自然原因导致的不能作业时间直接相加得到的时间除以1 a的总时间得到的比率，可以针对泊位的装卸作业进行分析，也可以针对航道和操作水域进行分析。

针对泊位装卸作业进行分析，一般是通过船舶系泊研究，以船舶的运动量或受力不超标两者中较严的一个为准则[3-4]，获得装卸作业的允许风浪条件包络值，结合港址处多年气象水文时间序列（间隔1 h或3 h的记录或后报序列），计算出不满足作业条件的时间，进而得到不可作业率。笔者在西非某大型集装箱港项目设计中，结合波浪和系泊研究，得到该港口1 000 m长的集装箱码头岸线内，最大（12 000 TEU）和最小（500 TEU）船型的不可作业率均小于1%。

针对航道和操作水域的分析，往往受制于拖轮的抗风、浪性能。因此，可以拖轮的作业限制条件作为航道及操作水域的限制条件，得到航道和作业水域的不可作业率。有条件的情况下，可结合操船试验模拟拖轮在不同风、浪条件下的作业效率，并开展船舶航行时龙骨下富裕水深研究，以深入分析其对不可作业率的影响[5-6]。

不可作业率因采用多年气象水文时间序列作为基础数据，故相比于年可作业天数，可以较准确地计算不可作业时间，进而得到的不可作业率也较准确[7]。但其未考虑船舶进出港及装卸作业的连续性，对于因短期恶劣天气导致的船舶离港造成的作业时间损失会给出偏于不保守的结果。近年来国外大多数码头项目采用该指标。

1.3 考虑船舶到港全过程作业的可作业率（oper-ability）

此种可作业率将船舶进出港及装卸等作业视为一个整体过程作业进行分析。首先，需明确船舶到港各作业的工作顺序，结合拖轮及装卸设备等的能力评估各阶段作业所需要的时间；其次，通过试验研究或参考相关规范确定各阶段作业的风、浪等限制条件；再次，在多年气象水文时间序列框架内逐时分析以该时刻为起点时，考虑各阶段的限制条件，是否可完成给定船型的一定全过程作业；最后将可完成全过程作业的起点个数除以多年全部的时点个数，得到船舶全过程作业的可作业率。

船舶到港的工作顺序一般为：引水员登船寅船舶进港及靠、系泊寅装卸货及联检、公估寅船舶离泊及离港寅引水员离船[8]。

关于各阶段的耗时，引水员登船及进港、靠系泊及离泊、离港作业所需要的时间可结合港务局管理规定及实时操船试验（real-time navigation simulation）来确定。操船试验建议邀请当地的引水员参加，他们对当地的气象海况条件及港务局相关规定较为了解。装卸货物作业所耗时间，对于散货码头，需要了解装卸设备的性能和效率及台机数量，油品和LNG泊位则需要了解装卸臂的效率及船舶的装卸效率，还需要留意船、岸设备装卸能力是否匹配等问题。如笔者曾参与的北非某油气港的扩建项目中，250 000 DWT原油船的效率为14 000 t/h，但岸上输油臂的最大效率只有10 000 t/h，故分析装卸时间只能采用较小的10 000 t/h。此外对于液体散货码头，还需要考虑装卸开始效率从0达到额定效率及装卸结束时从额定效率至停机所耗时间，以及结束后的吹扫时间。对于集装箱码头，需考虑单船到港的装卸箱量、岸桥台时效率等。联检公估一般考虑3~5 h；离泊及离港过程与进港靠系泊过程类似，但离泊过程比靠泊过程简单，故耗时略短。

关于各阶段作业的限制风、浪条件，主要涉及到船舶航行及系泊作业的过程。船舶航行主要取决于拖轮的可作业波高，当有条件时，可采用操船试验来详细确定船舶在拖轮协助下进出港和港内航行时的允许风、浪条件。一般来说，对于LNG船和压载的油船，干舷高度较高，其受横风影响也较大。系泊作业的限制条件一般采用系泊试验来评估，可采用数学模型或物理模型的手段。需要注意的是，对于大型船舶，不同载度时其对风、浪的动态响应也是不同的。故一般对散货船，至少需考虑满载和压载两种工况（半载工况通常持时较短，可不予考虑），对于集装箱船舶，除满载和压载工况外，尚需考虑更为常见的半载工况。

获得各阶段作业所需时间及各阶段的限制条件后，则可以在风、浪的多年时间序列中，以任意时刻为起点，评估其在后续完成全过程作业的可行性，评估过程简要示意如表1（忽略风向、波周期、波向、港内外条件差异、流等）。作业1、2、3均可完成全过程作业，但作业4、5、6因装卸作业后期波高超标而不可完成全过程作业，故2020-01-01T00:00:00—02:00:00为满足全过程作业的起始点，须参与全过程可作业率的计算，03:00:00—05:00:00为不满足全过程作业的起始点，不参与全过程可作业率的计算。当把时间序列中所有时刻为起点的情况都进行评估后，则可以得到在该时间序列中完成全过程作业的可作业率。笔者曾参与的北非某油气港扩建项目中，即采用了全过程作业的可作业率进行可作业时间评估，通过优化平面布置改进防波堤对泊位的掩护效果，最终满足了业主对油气泊位和集装箱泊位各设计船型可作业率均不小于95%（油、所船）和85%（集装箱船）的要求，验证了防波堤对各船型全过程作业的掩护效果。

表1 码头考虑全过程作业的可作业率分析举例Table 1 Example of operability analysis considering all operation stages in the wharf

2 可作业时间分析的要点

2.1 基础数据详尽准确

无论采用年作业天数分析、不可作业率分析，还是考虑全过程作业的可作业率分析，详实的气象水文条件都是分析的重要基础。10多年前，气象水文的后报技术尚不成熟，多采用历史记录进行分析，对于没有历史记录的地区，则采用1 a或以上的现场实测记录进行分析，因观测资料获取的滞后而影响设计进度的情况时有发生。随着后报技术的日趋完善，特别是1979年以来全球逐时风、浪条件的获取变得十分便利[9]，采用经短期实测资料验证的模型计算获得三四十年长时间序列的方法变得逐渐成熟，也将会被越来越多的项目所采用。

2.2 影响船舶各阶段作业的因素分析

不同货种船舶的作业流程不同，散货船、集装箱船各有其自身的作业特点，如液体散货在装卸完毕后的吹扫程序，原油码头根据原油品质或需进行伴热输送，装卸设备的能力及其与船上装卸接口是否匹配，等等[10]。此外，不同的港口在管理程序上也有不同之处，这些都需要在全过程作业分析之前调查清楚，以获得相对准确的各阶段作业时间。

2.3 各阶段可作业标准的确定

作业标准一般需要通过系泊试验和操船试验进行确定，系泊试验中需要注意尽量采用实船资料，缆绳的选取和系泊布置不可过于激进[11]，船舶的载度需要进行合理性分析。操船试验中需对拖轮进行合理化配置，尽量使得当地的港口管理部门多参与设计过程，以便设计成果符合当地使用习惯。

3 结语

对码头可作业时间的方法和指标进行了总结分析，并指出基础气象水文数据、作业过程分析及各阶段作业标准的确定是分析可作业时间的关键点。不同的指标可在项目的不同阶段结合需要进行选取。国内项目多采用年可作业天数指标，海外项目多采用不可作业率或考虑全过程的可作业率指标。

本文主要分析的是自引水员登船至船舶离港的过程，并未考虑船舶在锚地的等候时间。对于受雷暴、降雨、冰或雾等影响明显的码头，还需将这些资料纳入可作业时间的分析中，并注意其与超标的波浪或风同时发生的情况。今后还可以结合不同船型的到港频率、航道的通航密度、堆场设备及疏运设备等作为整体来建模分析，研究港口的随机过程，结合优化目标不断调整港口设施及规模，以求港口达到最佳作业状态。