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数据、模型与决策 案例分析报告

秦皇岛港煤炭泊位吞吐量 最大化时靠泊船型分布

学生姓名： 张宇 学 号：S13125100018 年 级：2013秋MBA

燕山大学MBA教育中心

1 案例简介

本案例针对港口现有泊位的硬件限制条件，分析港口目前生产现状及相关数据和资料，利用线性规划理论，通过建立全港所有煤炭泊位的年度装船生产数学模型，并应用计算机EXCEL软件对该线性规划问题进行求解，进而获得较为理想化的泊位靠泊船型数据分布，来指导实际生产中的靠泊计划安排以及与装船生产有关的其他作业。 2 秦皇岛港简介

秦皇岛港位于我国环渤海西岸，京、津、唐经济区的东侧。它北依燕山，南临渤海，港口长年不冻、不淤，水深、浪小，地理位置优越，是我国乃至世界上最大的煤炭中转港口。根据国家能源政策、产业政策和能源运输布局，秦皇岛港被确定为国家级煤炭主枢纽港，是“三西”煤炭基地的主要出海口岸。一直以来煤炭吞吐量占全国沿海港口下水煤炭总量的半壁江山。曾被李鹏同志称为“国民经济的一颗重要棋子”，也被温家宝总理称为“国家经济的晴雨表”。改革开放以来，秦皇岛港不断发展壮大，吞吐量逐年攀升。2001年，该港煤炭吞吐量首次突破1亿吨，经过几年努力，于2006年，煤炭吞吐量突破2亿吨，2011年完成煤炭吞吐量2.52亿吨，占全港总吞吐量的90%，煤炭在秦皇岛港的货源结构中的一直占据着绝对重要战略地位。

秦皇岛港早在1898年就被清政府辟为商埠，以运输外运开滦煤为主。开港不久即成为开滦煤矿的主要出海口。1960年8月，秦皇岛港自己建设的八、九号码头竣工投产，这是港口解放后建设的第一座煤炭码头。1983年7月，与京秦铁路相配套的秦皇岛港煤码头一

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期工程建成投产，形成了晋煤外运、北煤南运的一条水上大通道。1985年，建成了年吞吐量为2000万吨的煤二期码头。1989年，又建成了年吞吐量为3000万吨的煤三期码头，使秦港一举成为世界最大的煤炭中转码头，1997年，年吞吐量3000万吨的煤四期码头建成投产。与此同时，国家先后投资60多亿元，建成了秦皇岛至“煤都”大同的运煤铁路专线。这样，就形成了以秦皇岛港为枢纽和龙头的、我国北煤南运系统工程。2006年4月，设计能力达5000万吨的煤五期工程顺利投产，该码头工艺流程先进、自动化程度高，堪称世界一流，煤五期码头投产使秦皇岛港煤炭运输能力达到1.93亿吨。随着秦皇岛港西港东迁的战略实施， 2013年6月份以后八、九号码头停产，正式退出煤炭中转历史舞台，现在秦皇岛港还有四个煤炭公司共20个煤炭专业化装船泊位。年装运煤炭实际通过能力在2.4亿吨以上。 3 所要研究的问题

在港口日常生产组织管理活动中，靠泊计划安排是一项非常关键的工序，科学合理地指泊、靠泊能够使得装卸生产井然有序，各种人与物的资源也都能得到充分的利用，相反，拍脑门式的安排靠泊计划则会导致生产组织混乱，资源浪费、效率低下，甚至还会带来其他安全和质量方面的事故发生。

但是，实际工作中安排船舶靠泊计划是受很多方面因素限制的。比如说船舶的到港顺序、商务手续是否办妥、场地货物数量是否充足、后续到车情况、装卸工艺流程是否冲突、码头泊位以及港池航道以及天气等各方面的限制。本案例是想分析在现有秦皇岛港20个煤炭泊

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位的现有硬件条件下，一年中什么样的靠泊船形分布结构能使得所有泊位的吞吐量完成达到最大，也就是在吞吐量达到最大时都靠泊了那些船形。这样我们就可以在日常的靠泊计划安排时知道什么样的船型搭配能够完成更多的吞吐量，同时在某些限制条件改变后我们知道该如何进行相应的计划调整。港口的码头泊位等硬件设施一旦建成则相对固定，但是货主租用船舶的航运市场上各种船型是丰富的，可以说是相对的没有限制条件的，只要满足装卸港以及航行航道适航即可。因此港口可以根据自己泊位最大化吞吐量船型结构特点，有目标的指导货主在租船时进行选择对港口更适合的船型。便于港口进行最大化目标的生产安排。 4 问题分析

秦皇岛港现在下设二、六、七、九四个煤炭作业公司，共有20个煤炭专用装船泊位（泊位数据见表一），其中所有20个泊位均可靠泊1-4.5万吨船型船舶；可靠泊4.5-7万吨船型船舶的有13个泊位；可靠泊7万吨及以上船型船舶的有5个泊位。需要强调的是，任何一个可靠泊大型船的泊位均可靠泊小型船舶，而只能靠泊小型船舶的泊位则不能靠泊大型船舶。举例来讲，能靠泊10万吨级船舶的泊位也可以靠泊5万吨、2万吨等小吨级船舶，而只能靠泊4.5万吨以下船型的泊位则不能靠泊4.5万吨及以上的大吨级船舶（各船型可靠泊泊位关系见图一）。

在泊位吨级满足的前提下，各船舶是可以靠泊任一泊位的。不同船型船舶在进出港时间、等排压舱水时间、开工准备以及结束等时间

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都是不同的，而且不同吨级泊位以及同一泊位装不同船型船舶的装船效率也是不同的，所以不同船型船舶靠泊不同吨级泊位的作业时间是不同的（各船型船舶的作业时间情况见表二）。 图一：各船型相对应的可靠泊位示意图

表一：秦皇岛港现有煤炭泊位情况表

煤炭作业公司 泊位 泊位吨级(万吨) 历史年最大装船能力(万吨) 200 5 201 5 二公司 202 5 5176 203 5 204 5 301 10 六公司 302 3.5 5128 303 3.5 704 3.5 705 3.5 706 10 七公司 7723 707 5 708 3.5 709 5 901 5 902 10 903 10 九公司 7698 904 10 905 3.5 906 3.5 合计 20个 25725 备注：表中3.5万吨级泊位可靠泊载重吨位4.5万吨以下的船型船舶；5万吨级

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泊位可靠泊载重吨4.5-7万吨之间的船型船舶；10万吨级泊位可靠泊7万吨及以上的船型船舶。各公司历史年最高装船完成数据不是同一年发生的，全港年煤炭吞吐量历史最高完成记录是2011年的2.52亿吨。

表二：各船型船舶各种平均作业时间及效率

平均单船航次装载量(万吨/艘) 平均单船等平均单船排水及其他进出港时辅助作业时间（小时/间（小时/艘） 艘） 平均单船靠泊不同泊位作业效率（吨/小时） 3.5万5万吨10万吨级级泊吨级泊位 位 泊位 1-4.5 2.5 4 4 2000 2500 2500 4.5-7 5.5 4.5 6 2500 3000 7万吨及以上 7.5 5 7 3500 备注：表中船型分类是根据秦皇岛港实际到港船舶主流船型划分的；平均单船装载量按照设计最大装载量计算，也就是假设每艘船实际装载重量等于其最大装载量。

船型(万吨) 根据表二数据，我们可以计算出不同船型船舶在靠泊不同吨级泊位时的总平均作业时间（如表三所示）。 表三：各船型船舶靠泊不同吨级泊位平均总时间

靠泊不同泊位平均总时间（小时/艘） 船型(万吨) 3.5万吨级泊位 1-4.5 4.5-7 7万吨及以上 5万吨级泊位 10万吨级泊位 18.25 —— —— 18 30.5 —— 18 28.83 33.4 备注：各船型船舶靠泊不同吨级泊位平均总时间=平均进出港时间+平均排水及其他辅助作业时间+平均装载量/平均作业效率

5 建立数学模型

港口希望尽量挖掘码头泊位的最大潜力，假设锚地各类型船舶齐全，数量充足而且码头泊位始终处于适合作业状态，寻找出在现有船型基础上当全部泊位吞吐量最大化时候的各种船型的分布结构。

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把1-4.5、4.5-7、7万吨及以上船舶用Ci (i=1,2,3)来表示；对应Ci的平均载重吨用Gi (i=1,2,3)表示；把3.5、5、10万吨级泊位用Bj (j=1,2,3)表示； Ci靠泊不同吨级泊位Bj的平均作业总时间用Tij (i=1,2,3；i=1时，j=1,2,3;i=2时,j=2,3;i=3时,j=3)表示，全年Ci靠泊Bj的装船完成艘次用Xij (i=1,2,3；i=1时，j=1,2,3;i=2时,j=2,3;i=3时,j=3)来表示。

则全港全年煤炭吞吐量为Z=?G1X1j+?G2X2j+

j?1j?233?GX3j?333j

由于每个泊位全年的时间是固定的365*24=8760（小时），为了计算方便，我们先满足大型船靠泊大泊位的要求，然后大泊位如有空档的话安排靠泊次大型船舶，以此类推可建立年最大化吞吐量数学模型如下：

maxZ=2.5*(X11+X12+X13)+ 5.5*(X22+X23)+7.5*X33

?33.4*X33?5*8760?30.5*X?28.83*X?33.4X?13*8760222333???18.25*X11?7*8760s..t? ?18*X12?30.5*X22?8*8760?18*X13?28.83*X23?33.4*X33?5*8760???X11,X12,X13,X22,X23,X33?0

6 利用EXCEL求解

上述数学模型目标函数和约束条件均为线形，因而是一个线性规划模型，应用Excel软件的线性规划求解功能，对上述模型进行迭代求解计算，其结果及其分析数据如表4-表7所示。

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表4：秦皇岛港煤炭泊位吞吐量最大化问题

秦皇岛港煤炭吞吐量最大化问题 x11 x12 x13 x22 x23 x33 目标函数系数 2.5 2.5 2.5 5 5 7.5 左端求和 符号 右端项 约束条件1 0 0 0 0 0 33.4 43800 <= 43800 约束条件2 0 0 0 30.5 28.83 33.4 113880 <= 113880 约束条件3 18.25 0 0 0 0 0 61320 <= 61320 约束条件4 0 18 0 30.5 0 0 70080 <= 70080 约束条件5 0 0 18 0 28.83 33.4 43800 <= 43800 最优解 决策变量 最优值 x11 x12 x13 x22 x23 x33 3360.0 0.0 0.0 2297.7 0.0 1311.4 29723.9

表5：运算结果报告

目标单元格 (最大值) 单元格 名称 $B$15 最优值 可变单元格 单元格 $B$13 $C$13 $D$13 $E$13 $F$13 $G$13 约束 单元格 $B$13 $C$13 $D$13 $E$13 $F$13 $G$13

初值 终值 29723.85393 29723.85393 初值 终值 3360 3360 0 0 0 0 2297.704918 2297.704918 0 0 1311.377246 1311.377246 单元格值 3360 0 0 2297.704918 0 1311.377246 7

名称 x11 x12 x13 x22 x23 x33 整数 约束 约束 约束 约束 约束 约束 名称 x11 x12 x13 x22 x23 x33 公式 状态 型数值 $B$13>=0 未到限制值 3360 $C$13>=0 到达限制值 0 $D$13>=0 到达限制值 0 $E$13>=0 未到限制值 2297.704918 $F$13>=0 到达限制值 0 $G$13>=0 未到限制值 1311.377246

$H$5 $H$6 $H$7 $H$8 $H$9 约束条件1 左端求和 约束条件2 左端求和 约束条件3 左端求和 约束条件4 左端求和 约束条件5 左端求和 43800 $H$5<=$J$5 到达限制值 113880 $H$6<=$J$6 到达限制值 61320 $H$7<=$J$7 到达限制值 70080 $H$8<=$J$8 到达限制值 43800 $H$9<=$J$9 到达限制值 0 0 0 0 0

表6：敏感性报告

可变单元格 单元格 名称 $B$13 $C$13 $D$13 $E$13 $F$13 $G$13 约束 单元格 终值 递减成本 0 0 0 0 0 0 目标式系数 2.5 2.5 2.5 5 5 7.5 允许的增量 0 0.163934426 0.173430454 0 0 0 允许的减量 2.5 1.00E+30 1.00E+30 0 0 0 x11 3360 x12 0 x13 0 x22 2297.704918 x23 0 x33 1311.377246 名称 终值 阴影价格 约束限制值 允许的增量 允许的减量 43800 113880 61320 70080 43800 0 43800 1.00E+30 9.55E-09 1.00E+30 61320 9.55E-09 70080 9.55E-09 0 $H$5 约束条件1 左端求和 43800 0.051120444 $H$6 约束条件2 左端求和 113880 0 $H$7 约束条件3 左端求和 61320 0.136986301 $H$8 约束条件4 左端求和 70080 0.163934426 $H$9 约束条件5 左端求和 43800 0.173430454

表7：极限值报告

单元格 目标式名称 值 $B$15 最优值 29723.85393 单元格 变量名称 $B$13 $C$13 $D$13 $E$13 $F$13 $G$13 x11 x12 x13 x22 x23 x33 值 下限极限 目标式结果 上限极限 目标式结果 3360 0 0 2297.704918 0 1311.377246 0 21323.85393 3360 29723.85393 0 29723.85393 0 29723.85393 0 29723.85393 0 29723.85393 0 18235.32934 2297.704918 29723.85393 0 29723.85393 0 29723.85393 0 19888.52459 1311.377246 29723.85393

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7 结果分析

从计算结果可知，在现有泊位装船、靠泊条件以及现有船型分布的 条件下，使秦皇岛港煤炭泊位吞吐量最大化的船型以及相对应的靠泊泊位方案是：全年7个3.5万吨级全部靠泊1-4.5万吨级船舶3360艘次;8个5万吨级全部靠泊4.5-7万吨级船舶2297.7艘次; 5个10万吨级全部靠泊7万吨级及以上船型船舶1131.4艘次;也就是说每个泊位都应该全部靠泊与自己吨级相符合的船型,不能靠泊低于泊位吨级能力的小型船舶,这样可以实现全部泊位年煤炭吞吐量最大值29723.8万吨。也就是说，港口在安排船舶靠泊计划的时候，应该尽可能的做到大泊位靠大船，才能带来吞吐量的最大化。一旦小船靠泊了大泊位，就会造成隐性的效率丧失。

秦皇岛港在2011年曾完成煤炭吞吐量2.5亿吨最高值，当年秦皇岛港的泊位基本上不存在因后续没有船可靠的情况，只是船型结构有时候不是本案例计算的理想状态，存在大泊位因没有合适大船型船舶而不得不靠泊小船型船舶的情况。2.52亿吨历史年最高煤炭吞吐量记录距本案例计算最大值尚差4523.8万吨，主要是由于当年有750多小时的恶劣天气封航因素以及码头泊位、取装设备维修等因素造成的。另外一个港口的整体通过能力不仅收装卸船通过能力限制，还受装卸车、场地以及其他多方面能力影响，每种因素之间还存在互相促进或限制等较复杂的关系。

8 总结建议

通过本案例计算可知，要想增加秦皇岛港的煤炭吞吐量，在其他

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条件满足的情况下，可以通过提高船型吨级的方式，这样虽然增加了平均每艘船作业时间，但是可以相对的压缩其他非作业辅助时间的比重；亦可想办法压缩各种非生产性辅助作业时间来提高作业时间比重；还可以通过技术更新改造等手段提高泊位装船效率。

总之，通过科学的研究与分析，秦皇岛港的煤炭吞吐量能力还是有潜力可挖的，这就需要港口管理部门加强数据分析在日常管理中的应用，通过客观有效手段，使港口生产经营不断向前发展进步。

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条件满足的情况下，可以通过提高船型吨级的方式，这样虽然增加了平均每艘船作业时间，但是可以相对的压缩其他非作业辅助时间的比重；亦可想办法压缩各种非生产性辅助作业时间来提高作业时间比重；还可以通过技术更新改造等手段提高泊位装船效率。

总之，通过科学的研究与分析，秦皇岛港的煤炭吞吐量能力还是有潜力可挖的，这就需要港口管理部门加强数据分析在日常管理中的应用，通过客观有效手段，使港口生产经营不断向前发展进步。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/elga.html