數(shù)據(jù)、模型與決策案例及分析報(bào)告

1、數(shù)據(jù)、模型與決策案例分析報(bào)告秦皇島港煤炭泊位吞吐量最大化時(shí)靠泊船型分布學(xué)生姓名： 張宇 學(xué) 號(hào)： 級(jí)：2013秋mba 燕山大學(xué)mba教育中心1 案例簡(jiǎn)介 本案例針對(duì)港口現(xiàn)有泊位的硬件限制條件，分析港口目前生產(chǎn)現(xiàn)狀及相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，利用線性規(guī)劃理論，通過建立全港所有煤炭泊位的年度裝船生產(chǎn)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)excel軟件對(duì)該線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解，進(jìn)而獲得較為理想化的泊位靠泊船型數(shù)據(jù)分布，來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中的靠泊計(jì)劃安排以及與裝船生產(chǎn)有關(guān)的其他作業(yè)。2 秦皇島港簡(jiǎn)介秦皇島港位于我國環(huán)渤海西岸，京、津、唐經(jīng)濟(jì)區(qū)的東側(cè)。它北依燕山，南臨渤海，港口長年不凍、不淤，水深、浪小，

2、地理位置優(yōu)越，是我國乃至世界上最大的煤炭中轉(zhuǎn)港口。根據(jù)國家能源政策、產(chǎn)業(yè)政策和能源運(yùn)輸布局，秦皇島港被確定為國家級(jí)煤炭主樞紐港，是“三西”煤炭基地的主要出?？诎?。一直以來煤炭吞吐量占全國沿海港口下水煤炭總量的半壁江山。曾被李鵬同志稱為“國民經(jīng)濟(jì)的一顆重要棋子”，也被溫家寶總理稱為“國家經(jīng)濟(jì)的晴雨表”。改革開放以來，秦皇島港不斷發(fā)展壯大，吞吐量逐年攀升。2001年，該港煤炭吞吐量首次突破1億噸，經(jīng)過幾年努力，于2006年，煤炭吞吐量突破2億噸，2011年完成煤炭吞吐量2.52億噸，占全港總吞吐量的90%，煤炭在秦皇島港的貨源結(jié)構(gòu)中的一直占據(jù)著絕對(duì)重要戰(zhàn)略地位。秦皇島港早在1898年就被清政府辟為

3、商埠，以運(yùn)輸外運(yùn)開灤煤為主。開港不久即成為開灤煤礦的主要出海口。1960年8月，秦皇島港自己建設(shè)的八、九號(hào)碼頭竣工投產(chǎn)，這是港口解放后建設(shè)的第一座煤炭碼頭。1983年7月，與京秦鐵路相配套的秦皇島港煤碼頭一期工程建成投產(chǎn)，形成了晉煤外運(yùn)、北煤南運(yùn)的一條水上大通道。1985年，建成了年吞吐量為2000萬噸的煤二期碼頭。1989年，又建成了年吞吐量為3000萬噸的煤三期碼頭，使秦港一舉成為世界最大的煤炭中轉(zhuǎn)碼頭，1997年，年吞吐量3000萬噸的煤四期碼頭建成投產(chǎn)。與此同時(shí)，國家先后投資60多億元，建成了秦皇島至“煤都”大同的運(yùn)煤鐵路專線。這樣，就形成了以秦皇島港為樞紐和龍頭的、我國北煤南運(yùn)系統(tǒng)工

4、程。2006年4月，設(shè)計(jì)能力達(dá)5000萬噸的煤五期工程順利投產(chǎn)，該碼頭工藝流程先進(jìn)、自動(dòng)化程度高，堪稱世界一流，煤五期碼頭投產(chǎn)使秦皇島港煤炭運(yùn)輸能力達(dá)到1.93億噸。隨著秦皇島港西港東遷的戰(zhàn)略實(shí)施， 2013年6月份以后八、九號(hào)碼頭停產(chǎn)，正式退出煤炭中轉(zhuǎn)歷史舞臺(tái)，現(xiàn)在秦皇島港還有四個(gè)煤炭公司共20個(gè)煤炭專業(yè)化裝船泊位。年裝運(yùn)煤炭實(shí)際通過能力在2.4億噸以上。3 所要研究的問題在港口日常生產(chǎn)組織管理活動(dòng)中，靠泊計(jì)劃安排是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工序，科學(xué)合理地指泊、靠泊能夠使得裝卸生產(chǎn)井然有序，各種人與物的資源也都能得到充分的利用，相反，拍腦門式的安排靠泊計(jì)劃則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)組織混亂，資源浪費(fèi)、效率低下，甚至

5、還會(huì)帶來其他安全和質(zhì)量方面的事故發(fā)生。但是，實(shí)際工作中安排船舶靠泊計(jì)劃是受很多方面因素限制的。比如說船舶的到港順序、商務(wù)手續(xù)是否辦妥、場(chǎng)地貨物數(shù)量是否充足、后續(xù)到車情況、裝卸工藝流程是否沖突、碼頭泊位以及港池航道以及天氣等各方面的限制。本案例是想分析在現(xiàn)有秦皇島港20個(gè)煤炭泊位的現(xiàn)有硬件條件下，一年中什么樣的靠泊船形分布結(jié)構(gòu)能使得所有泊位的吞吐量完成達(dá)到最大，也就是在吞吐量達(dá)到最大時(shí)都靠泊了那些船形。這樣我們就可以在日常的靠泊計(jì)劃安排時(shí)知道什么樣的船型搭配能夠完成更多的吞吐量，同時(shí)在某些限制條件改變后我們知道該如何進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)劃調(diào)整。港口的碼頭泊位等硬件設(shè)施一旦建成則相對(duì)固定，但是貨主租用船舶

6、的航運(yùn)市場(chǎng)上各種船型是豐富的，可以說是相對(duì)的沒有限制條件的，只要滿足裝卸港以及航行航道適航即可。因此港口可以根據(jù)自己泊位最大化吞吐量船型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有目標(biāo)的指導(dǎo)貨主在租船時(shí)進(jìn)行選擇對(duì)港口更適合的船型。便于港口進(jìn)行最大化目標(biāo)的生產(chǎn)安排。4 問題分析秦皇島港現(xiàn)在下設(shè)二、六、七、九四個(gè)煤炭作業(yè)公司，共有20個(gè)煤炭專用裝船泊位（泊位數(shù)據(jù)見表一），其中所有20個(gè)泊位均可靠泊1-4.5萬噸船型船舶；可靠泊4.5-7萬噸船型船舶的有13個(gè)泊位；可靠泊7萬噸及以上船型船舶的有5個(gè)泊位。需要強(qiáng)調(diào)的是，任何一個(gè)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則不能靠泊大型船舶。舉例來講，能靠泊10萬噸級(jí)

7、船舶的泊位也可以靠泊5萬噸、2萬噸等小噸級(jí)船舶，而只能靠泊4.5萬噸以下船型的泊位則不能靠泊4.5萬噸及以上的大噸級(jí)船舶（各船型可靠泊泊位關(guān)系見圖一）。在泊位噸級(jí)滿足的前提下，各船舶是可以靠泊任一泊位的。不同船型船舶在進(jìn)出港時(shí)間、等排壓艙水時(shí)間、開工準(zhǔn)備以及結(jié)束等時(shí)間都是不同的，而且不同噸級(jí)泊位以及同一泊位裝不同船型船舶的裝船效率也是不同的，所以不同船型船舶靠泊不同噸級(jí)泊位的作業(yè)時(shí)間是不同的（各船型船舶的作業(yè)時(shí)間情況見表二）。圖一：各船型相對(duì)應(yīng)的可靠泊位示意圖表一：秦皇島港現(xiàn)有煤炭泊位情況表煤炭作業(yè)公司泊位泊位噸級(jí)(萬噸)歷史年最大裝船能力(萬噸)二公司20055176201520252035

8、2045六公司3011051283023.53033.5七公司7043.577237053.57061070757083.57095九公司901576989021090310904109053.59063.5合計(jì)20個(gè)25725備注：表中3.5萬噸級(jí)泊位可靠泊載重噸位4.5萬噸以下的船型船舶；5萬噸級(jí)泊位可靠泊載重噸4.5-7萬噸之間的船型船舶；10萬噸級(jí)泊位可靠泊7萬噸及以上的船型船舶。各公司歷史年最高裝船完成數(shù)據(jù)不是同一年發(fā)生的，全港年煤炭吞吐量歷史最高完成記錄是2011年的2.52億噸。表二：各船型船舶各種平均作業(yè)時(shí)間及效率船型(萬噸)平均單船航次裝載量(萬噸/艘)平均單船進(jìn)出港時(shí)間（小

9、時(shí)/艘）平均單船等排水及其他輔助作業(yè)時(shí)間（小時(shí)/艘）平均單船靠泊不同泊位作業(yè)效率（噸/小時(shí)）3.5萬噸級(jí)泊位5萬噸級(jí)泊位10萬噸級(jí)泊位1-4.52.5442000250025004.5-75.54.56250030007萬噸及以上7.5573500備注：表中船型分類是根據(jù)秦皇島港實(shí)際到港船舶主流船型劃分的；平均單船裝載量按照設(shè)計(jì)最大裝載量計(jì)算，也就是假設(shè)每艘船實(shí)際裝載重量等于其最大裝載量。根據(jù)表二數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出不同船型船舶在靠泊不同噸級(jí)泊位時(shí)的總平均作業(yè)時(shí)間（如表三所示）。表三：各船型船舶靠泊不同噸級(jí)泊位平均總時(shí)間船型(萬噸)靠泊不同泊位平均總時(shí)間（小時(shí)/艘）3.5萬噸級(jí)泊位5萬噸級(jí)泊位

10、10萬噸級(jí)泊位1-4.518.2518184.5-730.528.837萬噸及以上33.4備注：各船型船舶靠泊不同噸級(jí)泊位平均總時(shí)間=平均進(jìn)出港時(shí)間+平均排水及其他輔助作業(yè)時(shí)間+平均裝載量/平均作業(yè)效率5 建立數(shù)學(xué)模型港口希望盡量挖掘碼頭泊位的最大潛力，假設(shè)錨地各類型船舶齊全，數(shù)量充足而且碼頭泊位始終處于適合作業(yè)狀態(tài)，尋找出在現(xiàn)有船型基礎(chǔ)上當(dāng)全部泊位吞吐量最大化時(shí)候的各種船型的分布結(jié)構(gòu)。把1-4.5、4.5-7、7萬噸及以上船舶用 (i=1,2,3)來表示；對(duì)應(yīng)的平均載重噸用 (i=1,2,3)表示；把3.5、5、10萬噸級(jí)泊位用 (j=1,2,3)表示； 靠泊不同噸級(jí)泊位的平均作業(yè)總時(shí)間用

11、(i=1,2,3；i=1時(shí)，j=1,2,3;i=2時(shí),j=2,3;i=3時(shí),j=3)表示，全年靠泊的裝船完成艘次用 (i=1,2,3；i=1時(shí)，j=1,2,3;i=2時(shí),j=2,3;i=3時(shí),j=3)來表示。則全港全年煤炭吞吐量為z=+ 由于每個(gè)泊位全年的時(shí)間是固定的365*24=8760（小時(shí)），為了計(jì)算方便，我們先滿足大型船靠泊大泊位的要求，然后大泊位如有空檔的話安排靠泊次大型船舶，以此類推可建立年最大化吞吐量數(shù)學(xué)模型如下：maxz=2.5*(+)+ 5.5*(+)+7.5* 6 利用excel求解上述數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線形，因而是一個(gè)線性規(guī)劃模型，應(yīng)用excel軟件的線性規(guī)劃

12、求解功能，對(duì)上述模型進(jìn)行迭代求解計(jì)算，其結(jié)果及其分析數(shù)據(jù)如表4-表7所示。表4：秦皇島港煤炭泊位吞吐量最大化問題秦皇島港煤炭吞吐量最大化問題x11x12x13x22x23x33目標(biāo)函數(shù)系數(shù)2.52.52.5557.5左端求和符號(hào)右端項(xiàng)約束條件10000033.443800=43800約束條件200030.528.8333.4113880=113880約束條件318.250000061320=61320約束條件4018030.50070080=70080約束條件50018028.8333.443800=0未到限制值3360$c$13x120$c$13=0到達(dá)限制值0$d$13x130$d$13=

13、0到達(dá)限制值0$e$13x222297.704918$e$13=0未到限制值2297.704918$f$13x230$f$13=0到達(dá)限制值0$g$13x331311.377246$g$13=0未到限制值1311.377246$h$5約束條件1 左端求和43800$h$5=$j$5到達(dá)限制值0$h$6約束條件2 左端求和113880$h$6=$j$6到達(dá)限制值0$h$7約束條件3 左端求和61320$h$7=$j$7到達(dá)限制值0$h$8約束條件4 左端求和70080$h$8=$j$8到達(dá)限制值0$h$9約束條件5 左端求和43800$h$9=$j$9到達(dá)限制值0表6：敏感性報(bào)告可變單元格單元格

14、名稱終值遞減成本目標(biāo)式系數(shù)允許的增量允許的減量$b$13x11336002.502.5$c$13x12002.50.1639344261.00e+30$d$13x13002.50.1734304541.00e+30$e$13x222297.7049180500$f$13x2300500$g$13x331311.37724607.500約束單元格名稱終值陰影價(jià)格約束限制值允許的增量允許的減量$h$5約束條件1 左端求和438000.05112044443800043800$h$6約束條件2 左端求和11388001138801.00e+309.55e-09$h$7約束條件3 左端求和613200

15、.136986301613201.00e+3061320$h$8約束條件4 左端求和700800.163934426700809.55e-0970080$h$9約束條件5 左端求和438000.173430454438009.55e-090表7：極限值報(bào)告單元格目標(biāo)式名稱值$b$15最優(yōu)值 29723.85393單元格變量名稱值下限極限目標(biāo)式結(jié)果上限極限目標(biāo)式結(jié)果$b$13x113360021323.85393336029723.85393$c$13x120029723.85393029723.85393$d$13x130029723.85393029723.85393$e$13x222297

16、.704918018235.329342297.70491829723.85393$f$13x230029723.85393029723.85393$g$13x331311.377246019888.524591311.37724629723.853937 結(jié)果分析從計(jì)算結(jié)果可知，在現(xiàn)有泊位裝船、靠泊條件以及現(xiàn)有船型分布的 條件下，使秦皇島港煤炭泊位吞吐量最大化的船型以及相對(duì)應(yīng)的靠泊泊位方案是：全年7個(gè)3.5萬噸級(jí)全部靠泊1-4.5萬噸級(jí)船舶3360艘次;8個(gè)5萬噸級(jí)全部靠泊4.5-7萬噸級(jí)船舶2297.7艘次;5個(gè)10萬噸級(jí)全部靠泊7萬噸級(jí)及以上船型船舶1131.4艘次;也就是說每個(gè)泊位都應(yīng)

17、該全部靠泊與自己噸級(jí)相符合的船型,不能靠泊低于泊位噸級(jí)能力的小型船舶,這樣可以實(shí)現(xiàn)全部泊位年煤炭吞吐量最大值29723.8萬噸。也就是說，港口在安排船舶靠泊計(jì)劃的時(shí)候，應(yīng)該盡可能的做到大泊位靠大船，才能帶來吞吐量的最大化。一旦小船靠泊了大泊位，就會(huì)造成隱性的效率喪失。秦皇島港在2011年曾完成煤炭吞吐量2.5億噸最高值，當(dāng)年秦皇島港的泊位基本上不存在因后續(xù)沒有船可靠的情況，只是船型結(jié)構(gòu)有時(shí)候不是本案例計(jì)算的理想狀態(tài)，存在大泊位因沒有合適大船型船舶而不得不靠泊小船型船舶的情況。2.52億噸歷史年最高煤炭吞吐量記錄距本案例計(jì)算最大值尚差4523.8萬噸，主要是由于當(dāng)年有750多小時(shí)的惡劣天氣封航因素以及碼頭泊位、取裝設(shè)備維修等因素造成的。另外一個(gè)港口的整體通過能力不僅收裝卸船通過能力限制，還受裝卸車、場(chǎng)