（机械工程专业论文）港口散货系统改造与方案研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 1 9 8 0 年以后，我国港口大宗散货吞吐量急剧增加，促使港口装卸工艺和装 卸设备都发生了很大的变化，港口散货作业系统的建设和改造成为必然。张家 港港散货系统的改造正是顺应这一形势，在研究与实践紧密结合的基础上所作 的。本文拟通过对此改造做全面的分析与理论研究，找出系统应用存在的主要 问题，阐述系统改造的方案和内容以及取得的成果，提出进一步改造的构想， 提升港口综合通过能力，适应港口发展的需要。 文章将对港口市场的发展状况作出分析，采用定性分析与定量分析相结合 的方法，对张家港港散货吞吐量作出预测。将详细分析港口原作业系统的装卸 设备、装卸工艺及通过能力，找出存在的主要问题，提出系统改造的要求。 本文将重点研究系统改造涉及的各个单元，对各单元的不同需要不同特点 作了分析，分别对卸船设备、转运及输送设备、堆场存取能力、装船及分流工 艺等环节进行方案分析，继而提出具体的改造方案。 介绍门机机械及电气控制系统改造、斗轮堆取料机机械及液压系统改造、 落驳系统工艺流程改造以及散货筛分工艺改造等系统单元改造实施项目及其取 得的成果，指出未来发展方向。 本文的研究是对港口散货系统改造建设工程如何进行方案分析、方案决 策、及方案实施的一次学术实践和创新。它对同类型工程改造建设项目具有相 当的借鉴作用。相关项目的实施将对提高张家港港散货公司的综合通过能力， 提高港口市场战略地位，促进地区及行业经济发展有较强的现实意义。 关键词：散货系统预测改造 茎堡堡三查堂堡主兰堡笙奎 a b s t r a c t a f t e r1 9 8 0 ，t h ep o r tl a r g ea m o u n tr a p i di n c r e a s eo fb u l kc a r g oo f h a n d l i n gc a p a c i t y i no h l r c o u n t r ym a k e sc a r g oh a n d l i n gt e c h n o l o g ya n d h s n d l i n ge q u i p m e n t o fp o r th a v eo c c u r r e dg r e a tc h a n g e a tt h es a m e t i m e ，t r a n s f o r m a n d t h ec o n s t r u c t i o n o ft h e s y s t e m o fb u l k c a r g o b e c o m ei n e v i t a b l e o p e n i n g t b i s s i t u a t i o n ，t h e t r a n s f o r mo f z h a n g j i a g a n gp o r t ss y s t e mo fb u l kc a r g oa n di t sr e s e a r c ho n l yc o m p l y w i t ha n dm a k e t h i sp a p e rw i l l a p p i y e x i s t e n t p r o b l e mt h r o u g hd o i n g o v e r a l la n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hf o rt h i st r a n s f o r mt of i n d o u tt h em a i ni s s u e si n o p e r a t i n g t h es y s t e m ，e l a b o r a t et h es c h e m e t h a t s y s t e mr e f o r m sa n d c o n t e n ta sw e l la st h e a c c o m p l i s h m e n t t h a t o b t a i n s ，p u t f o r w a r dt h e p r o m o t i o np o r tc o m p r e h e n s i v ec a r r y i n g c a p a c i t y a n d c o n c e p t i o n t h a tr e f o r m e d f u r t h e r ，t o f i ti nw i t ht h e n e e d so fp o r td e v e l o p m e n t a r t i c l ew i i im a k ea n a l y s i sf o rp o r tm a r k e td e v e l o p m e n tc o n d i t i o n ， w i t ht h em e t h o dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ，f o r o p e n i n gz h a n g j i a g a n gp o r t s b u l k c a r g oh a n d l i n g c a p a c i t y m a k e f o r e c a s t i tw i i ia n a l y z ei nd e t a i lt h e m a j o rp r o b l e mo ft h ep o r t s o r i g i n a ls y s t e m o nt h e h a n d l i n ge q u i p m e n t ，h a n d l i n gt e c h n o l o g ya n d c a r r y i n gc a p a c i t y ，f i n do u tt h em a i np r o b l e m sa n dp u tf o r w a r dr e f o r m s r e q u i r e m e n t t h is p a p e r w i 1 1 b e k e y t o s t u d y t h et r a n s f o r ms c h e m eo nt h e s y s t e m a t i c u n i tt h a ti sc o n c e r n e dw i t ha n dn e e d sf o r s a t i s f y i n g o n e a c hu n i t d e s i g n p a r t f o ru n l o a d s h i pe q u i p m e n t ，t r a n s f e r a n d t r a n s p o r te q u i p m e n t ，t h ea c c e s sa b i l i t yo fs t o r a g ey a r d ，s h i p m e n ta n d a - s s i g n r e d u n d a n t t e c h n o l o g y a n ds o o n ，t h e r e s e a r c hw i l lm a k e o p t i m i z a t i o na n a l y s i s ，a n dc a r r yo u tt h et r a n s f o r ms c h e m e w i l li n t r o d u c ei t se n f o r c e m e n to ft h e p r o j e c t se x t r e m e l y 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o m p l i s h m e n t ，a n dp o i n to u tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa na c a d e m i cp r a c t i c eo fe n f o r c e m e n t f o r t h ep o r t s y s t e mo fb u l kc a r g ot r a n s f o r mc o n s t r u c t io np r o j e c th o w t o c a r r yo u ts c h e m ea n a l y s i s ，s c h e m ed e c i s i o na n ds c h e m e i n n o v a t i o n 。 i th a sc o n s i d e r 曲l er e f e r e n c ew i t ha c t u a lm e a n i n gf o rs a m e t y p e p r o j e c t s i no t h e rp o r t s t h ee n f o r c e m e n to fr e l a t e dp r o j e c t sw o u l d r a is e p o r tm a r k e ts t r a t e g i cp o s i t i o n a s r a i s i n g t h e c o m p r e h e n s i v e c a r r y i n g c a p a c i t y o ft h e s y s t e m a n d p r o m o t e a r e aa n d p r o f e s s i o n e c o n o m i cd e v e l o p m e n t i th a sm o r es t r o n gr e a l i s t i cm e a n i n g k e y w o r d ： b u l kc a r g os y s t e m ，f o r e c a s t ，t r a n s f o r m i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究的现实意义 2 0 0 1 年5 月，交通部颁布了交通行业有关政策。强调要规范运输市场， 促进统一开放、竞争有序的运输市场的建立和完善，使运输服务向规范化优质 化方向发展，引导企业拓展现代物流功能，提高市场竞争力。鼓励交通科学技 术从传统技术向以信息技术为主的高新技术方向发展，提高交通基础设施和运 输装备的整体技术水平，促进产业升级。推进“科教兴交”战略的全面实施， 以提高运输效率和效益为中心，以建立技术创新体系为重点，促进行业整体技 术水平的提高。 同时强调，加大港口技术改造力度，发挥现有设施能力，坚持新建与技 术改造并举的港口发展方针，遵循港口能力与城市功能协调发展的原则，以资 源和船型变化为依据，加大技术改造力度，提高港口通过能力，提高对新货 种、新工艺以及船舶大型化的适应能力。重点鼓励矿石煤炭等大宗散货泊位自 动控制及信息管理系统的改造，中小通用型泊位和内河港口的技术改造，提高 专业化水平。鼓励开发港口生产作业优化与自动控制技术。鼓励采用新技术、 新工艺、新设备，以提高装卸效率、保障安全和降低货损为目标，不断提高装 卸工艺水平。 张家港港散货系统的改造和研究正是在这样的背景下展开的。 张家港港位于长江下游南岸，地处苏州市原沙洲县境内，经长江水系沟 通长江各港，经南北水系沟通苏北以及苏锡常地区，是我国长江下游地区重要 的水路运输口岸。 张家港港1 9 6 9 年始建，1 9 8 2 年对外开放，随着华东地区工农业的迅速 发展，上海港的运输任务已达到饱和程度，张家港港作为分流港，将分流部分 江海联运的物资及苏锡常地区的物资。按当时预计张家港港货运量会大幅度增 1 武汉理工大学硕士学位论文 长，附近地区煤炭用量相当可观，预计1 9 9 0 年民用煤将达到3 7 8 万吨，大部 分是大同、阳泉煤，部分是内蒙、陕西煤。这些可以通过秦皇岛、青岛、连云 港装船直达张家港，缓解上海港的压力，也可以缓解津沪铁路的压力。“3 在此基础上，经过分析论证，国家把张家港港二期工程列为交通建设重 点项目。散货装卸系统码头深水泊位及内河港池是其中的重要组成部分，港口 于1 9 9 3 年投产并成立散货装卸公司。 张家港港散货装卸系统自投产以后，在一段时期内发挥了预期的作用。 随着社会环境所发生的深刻变化，突显出来的情况包括以下几个方面： ( 1 ) 货源货种的变化 近年来国家加大了经济结构的调整力度，小钢铁厂逐渐关闭，大中型钢 铁企业，具备了一定的承受能力，提高了对进口铁矿的需求，铁矿石的货源比 重大幅度上升，并逐年递增。同时，京杭大运河通航能力的提高，使煤炭市场 受到挤占，比重下降。 ( 2 ) 装卸工艺的变化 随着市场竞争越趋激烈，港口从单纯的装卸、堆存，走向装卸、输送、 堆存、转运、加工等多重工艺联动的格局，对于港口提高装卸效率，缩短船舶 在港停泊时间，降低营运成本提出了更高的要求。 ( 3 ) 服务职能的变化 国际多式联运和全球综合物流的发展，要求港口的服务职能必须拓展， 要求不断延伸服务项目，才能保住市场份额。 ( 4 ) 管理机制的变化 随着我国各项体制改革的深入，改革所形成的市场竞争氛围，促使企业 的软硬件建设达到新的要求。 ( 5 ) 总体市场变化 随着国家经济发展，可拓展市场越来越广阔，强大而有效的货物通过能 力是进一步拓展市场的基本保证。 从以上事实出发，张家港港散货系统的改造，是竞争和发展的需要，切 合了形势和政策的要求。针对它所做的研究具有很强的现实意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 散货系统的改造是一项系统工程，进行全面而科学的研究，可以很大程 度上避免工程改造的盲目性，给予工作的实施提供依据和指导。 散货系统的改造是一揽子工程的决策，对改造工程进行定性定量的分析 研究，对于企业追求经济效益，把握发展机遇，能提供有力的保障。 1 2 行业发展状况与研究动态 我国大宗散货的吞吐量在1 9 9 7 年就达到了4 亿吨，近年来更是逐年大幅 度增长。与之相适应，散货系统的装备水平也有了明显提高。 ( 1 ) 装卸堆存水平秦煤一期就有了英国串联式翻车机，效率达到 3 6 0 0 t h ，秦煤三、四期更是采用了三联式翻车机效率达4 8 6 0 t h 。效率达 6 0 0 0 t h 的高效装船机己在日照港投入使用。斗轮堆取料机则从1 0 0 0 t h 到 5 0 0 0 t h 都分别被采用。我国自行研制的1 6 0 0 t h 斗轮卸船机接卸进口铁矿石 达到国际先进水平，另外有桥式抓斗卸船机效率最高可达3 1 5 0 t h ，还有 2 0 0 t h 到1 2 0 0 t h 的悬链斗卸船机使用效果也很不错。 ( 2 ) 自动化水平我国大型散货机械上单机p l c 控制已普遍采用。一般 在中控室均设有系统模拟屏，可以对系统实行实时控制、自动报警、自动停 机，自动启动等。在电气传动方面是由直流向交流变频调速方向发展，且具取 代趋势。 ( 3 ) 计算机模拟技术交通部水运科学研究所已建立了计算机模拟实验 室，并与加拿大等国家的研究咨询机构合作，用面向对象的a u d i t i o n 模拟语 言，开发出煤码头动画模拟模型，并已应用于天津港煤码头的规划设计之中。“ 码头操作系统模拟模型除了可为新建码头的规划设计提供决策依据外， 还可以为现有码头系统的经营状况进行评估，找出改进措施，为老码头的技术 改造提供决策依据。 由此可见，行业的发展变化相当迅速。在新工艺、新设备、新技术得到 应用的同时，理论的研究也有不同程度的发展。 ( 1 ) 物流理念的认识与提高 武汉理工大学硕士学位论文 物流业既不属于生产方也不属于消费方，它是第三方。物流业的一个显著 特征是不具有产品的所有权。港口对于所通过货物本身不具有所有权，同时港 口又是货物流通高度集中的中心环节，因此，作为物流的中心节点，港e l 是大 有可为的。”。 现代物流的快速化，要求港口装卸系统高效快速地完成货物流通，对港口 设备性能、效率、保障、信息化控制、工艺优化等方面提出了更高要求。 现代物流的低成本特点，要求港口企业业务经营模式多样化，服务功能规 范化，作业流程柔性化，从而降低供应链上游环节中的成本，打破物流设施所 占面积和物流线路问题等制约生产能力扩大的“瓶颈”，拓展产品分类、包 装、加工等准产品增殖业务，迎合现代物流的低成本要求。 ( 2 ) 预测决策理论的发展与应用 决策是指选择决定行动目标和行动方案的活动。 决策按主体分类有集体决策和个人决策，按范围分有宏观决策和微观决 策，按频率分有常规决策和非常规决策，按对问题的了解程度分有确定型决 策、风险型决策和不确定型决策。3 决策技术是决策者在决策过程中所采用的手段、方法和组织程序的总和。 可以分为经验决策和科学决策。以个人经验、个人决断为主导方法的传统决策 技术是经验决策的基点和显著特征。科学决策则是运用现代决策手段和方法， 依靠智囊机构和健全的程序进行的决策。 现代决策吸收了自然科学和社会科学的最新成果，包括运筹学、排队论、 线性规划、库存论、心理学等等，形成了对复杂经济问题的计量化决策方法， 极大地提高了决策效率。 除了上述分类，另外还有预测技术、多目标决策、多级决策、群决策、模 糊决策、灰色决策、决策模拟、可拓决策、计算机辅助决策等等常用的决策技 术方法。 就港口企业经营战略决策而言，港口吞吐量的预测是十分关键的。 目前可供使用的预测方法很多，基本上可以分为定性和定量两大类。定性 的主要有德尔菲法、市场调查法、主观概率法等等，定量的有因果分析法、时 4 武汉理工大学硕士学位论文 间序列法等。 定量预测主要是指应用数学模型进行预测。按其基本依据不同可划分为三 类：一是时间序列外推模型，如单纯外推法、趋势外推法、迭代外推法、移动 平均法、指数平滑法等；二是因果外推模型，如一元线性回归、多元线性回 归、相关分析、非线性回归、累计预测等；三是因果关系模型，如状态空间模 型、马尔科夫模型、投入产出模型、系统动力学模型等等。“1 基于神经网络的时间序列预测模型是一种新型的预测方法，是以时间序列 信息为输入输出要素，以人工神经网络为数学模型的预测方法。 人工神经网络是生理学上的真实人脑神经的结构和功能的，以及若干基本 特性的某种理论抽象和模拟而构成的一种信息处理系统。按网络结构可分为 前馈型和反馈型。本文将就前馈型b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 神经网络作吞吐 量预测的应用研究。 ( 3 ) 技术改造与现代设备管理 技术改造是在技术进步的前提下，在企业现有基础上用先进技术改造落后 技术，用先进工艺和装备取代落后的工艺和装备，实现以内涵为主的扩大再生 产。 技术改造具有以下几个特征： 1 ) 技术改造是对已有的生产能力追加各种新的技术因素，以提高生产水 平和经济效益，如固定资产的更颓改造、产品工艺的更新改造和新材料的应用 等等。 2 ) 技术改造是对现有企业的生产工艺、工程设施和技术装备进行的技术 更新。在技术改造中，要尽量利用现有的厂房和生产设施，尽量减少土建工 程。 3 ) 技术改造不同于设备大修，大修是企业维修简单再生产的一种手段， 其本身并没有新的技术含量。技术改造则是用新的技术装备更新改造现有的技 术装备，使之提高到一个新的技术水平。 现代设备的大型化使生产高度集中，因设备故障造成的损失远高于小型设 各，设备的高速化也将给企业生产带来一些技术经济方面的问题，如驱动装置 5 武汉理工大学硕士学位论文 的能耗相应增大，对设备的材质及自动化程度要求较高：连续化和自动化使得 设备的复杂程度提高、出现故障的环节和增多，给设各维修工作带来困难。 现代设备管理是以设备为中心的一系列技术经济和组织工作的总称。它的 重要性表现在：为企业建立正常的生产秩序；为企业安全生产和环境保护提供 保障：有利于提高企业的经济效益：有利于企业的技术进步。0 3 因此，张家港港散货系统的改造将集中体现行业形势与政策的要求，物流 理念的高速化低成本要求的贯彻，新理论新技术的应用，包括预测技术、机电 一体化技术、优化设计技术、投资决策方法、装卸工艺优化等，以及现代设备 管理的要求。 1 3 研究的主要内容与解决的主要问题 课题涉及企业决策、生产、经营、技术、服务诸多方面，本文将就吞吐 量预测作深入研究，着重进行张家港港散货市场分析，作业系统分析，系统改 造单元方案研究，以及方案实施的阐述与论证。 主要解决三大问题： ( 1 ) 定性分析定量预测张家港港散货市场需求，力求获得准确的吞吐量 预测值。 ( 2 ) 分析论证单元改造优化方案，力求取得最佳经济效益。 ( 3 ) 阐述单元改造内容，力求取得系统的成功的实践经验。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章市场分析及基于神经网络的预测模型的应用 2 1 市场构成状况 ( 1 ) 张家港港近年来吞吐量变化及分析 表1( 单位：万吨) 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 吞吐量8 7 8 1 0 8 01 1 2 81 3 6 31 5 7 62 0 2 52 1 5 4 排名 7655444 由上表看，近年来，张家港港吞吐量在长江港口中所处地位已逐步提 高，并稳居长江港口前四名，成为了名副其实的千万吨级港口，港口地位的提 高及吞吐量的大幅度增长，大大提升了港口在腹地市场的影响力。同时，随着 国民经济的快速发展，国际国内贸易的日趋活跃，长江周边港口也取得了迅猛 发展，竞争也日趋激烈，时时刻刻影响着张家港港的发展。散货吞吐量的快速 增长则无疑对张家港港成为长江中等港口起着相当大的作用。 ( 2 ) 张家港港散货吞吐量在港口吞吐量中的比例及分析 表2( 单位：万吨) 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 散货吞 1 0 3 61 8 6 31 6 6 42 6 4 82 1 8 43 4 5 55 0 5 0 吐量 比例 1 1 81 7 21 4 71 9 41 3 91 7 12 3 4 ( ) 根据上表可以看出，近年来张家港港散货吞吐量大体上呈逐年递增趋 势，其在港口吞吐量的比例也日益提高，成为港口不可忽视的重要货种。 ( 3 ) 备货种吞吐量分布情况 7 武汉理工大学硕士学位论文 表3( 单位：万吨) 嗵种 年度 散货钢材木材化肥粮食 1 9 9 51 0 3 6 9 3 03 2 54 3 o2 5 7 1 9 9 61 8 6 32 0 1 03 3 64 1 91 8 2 1 9 9 71 6 6 41 8 4 o9 7 。33 1 43 6 7 1 9 9 82 6 4 81 3 0 。21 2 6 7 7 73 9 7 1 9 9 92 1 8 41 5 2 62 4 7 15 62 7 8 2 0 0 03 4 5 52 8 1 02 8 6 42 82 9 7 2 0 0 15 0 5 01 9 4 03 3 8 06 o2 1 0 从上袁可以看出，近年来港口吞吐量总体呈逐年递增趋势，但除了散货 和木材外，其他货种如钢材、化肥、粮食等货种，由于受诸多因素影响，量的 起伏变化较大，存在着许多不确定的状态，给港口的生产经营带来了一些不定 的影响，而其中散货则处于平稳上升的趋势。因此，从规避港口企业经营风 险，增强抗风险能力而言，散货无疑应成为港口企业今后发展的长期稳定的货 种来考虑，成为支撑张家港港的拳头货种之一。 2 2 市场发展的定性分析 前些年中国煤炭产量大幅度上升，出现供大于求现象，有关部门适时对 煤炭工业进行了较大幅度的结构调整，取得了明显成效，煤炭销售价格也回升 到了合理的价位，销售总量持续增长。 就相关行业煤炭需求而言，我国电力工业保持快速增长态势，成为我国 国民经济发展出现重大转机的标志。同时，我国社会用电增长仍将稳步提高， 而地方重工业也有了恢复性发展。 煤炭作为石油替代能源，消费量出现增长。石油价格随着国际社会的动 荡而出现前所未有的大幅度上升，导致很多依赖于能源的产业纷纷从使用石油 b 武汉理工大学硕士学位论文 转为使用煤炭，尤其是一些既可使用石油又可使用煤炭作为燃料的电厂则尽可 能转向了煤炭。 随着国民经济的发展尤其是苏、锡、常地区是工业经济高速发展的地 区，腹地电厂、钢厂所激发的煤炭市场需求将持续增长。但由于1 9 9 7 年起京 杭运河得到整治，扩大了通航能力，连接津浦、陇海两条铁路大动脉，年通过 能力达到了2 5 0 0 万吨。这样京杭大运河，以及沿海北煤南运量的增长，伴随 着海进江煤炭量的上升，将给长江沿线的煤炭运量带来巨大的竞争压力。因 此，预计将会有一个稍低于全国煤炭运量增长的增长幅度。 2 0 0 0 年亚洲经济复苏和全球经济走强带动了全球钢铁产量创纪录的增 长，世界矿石贸易活动趋于活跃，铁矿石海运量比1 9 9 9 年增长了近1 0 ，达 到4 5 5 亿吨。 随着世界海运量的增加，干散货船队规模在不断扩大，并保持大型化的 发展趋势，一方面船舶平均载重吨不断提高，由1 9 8 6 年的3 8 7 8 3 载重吨，增 长到2 0 0 1 年初的4 6 4 7 1 载重吨：另一方面大吨位船舶比重明显提高，1 0 万吨 级以上散货船所占的载重吨比重在进一步增加。 随着世界经济的复苏，随着“控制总量、调整结构、提高效益”方针得 到贯彻，钢材市场逐渐开始好转，国内钢铁工业经营发展势头良好，促进了近 年来进口铁矿石的大幅度增长。国内钢材消费活跃，价升量增。钢铁产量增长 快，进口铁矿石同步增长。国家实行宏观调控，淘汰落后设备，关闭效益差的 小钢厂，使大型钢厂的生产能力得到发挥。而我国经济效益好的钢铁企业均 与有效采用进口高品位铁矿石分不开。钢铁企业调整产品结构，扩大出口作为 主要任务，不断提高产品档次和技术档次，对铁矿石的品位要求越来越高，刺 激了进口铁矿石需求的增加。 长江沿线地区钢铁企业众多，有宝钢、上钢、梅钢、马钢、武钢及其它 地方钢铁企业，钢铁产量约占全国的1 3 。区内铁矿资源十分紧缺，是全国自 产矿保证程度最低的地区，因此也是外贸进口矿石量最大的地区。2 0 0 0 年该 地区外贸进口铁矿石4 0 1 0 9 万吨，占全国的5 7 3 。由于大部分钢铁企业沿 江建设的特点以及江海航道条件的差异，决定了本地区外贸进口矿石水水中转 9 武汉理工大学硕士学位论文 的运输方式。目前，长江沿线钢厂所需铁矿石大部分在宁波北仑港中转。2 0 0 0 年宁波港接卸2 3 3 9 9 万吨，占华东及长江沿线地区外贸矿总进口量的 5 8 3 。大型矿砂船在宁波港部分减载后进入长江运至宝钢码头，在宁波港卸 载的矿石再由2 万吨级左右二程船运到南京、南通、镇江、张家港、上海等港 口。随着长江口航道条件的改善，外贸矿减载直达进江运输量也在逐年增 加，在宁波港中转量与减载直达进江量之比约为6 ：4 。武钢、马钢等南京以 上钢厂还需在上述港口二次中转，再由2 0 0 0 3 0 0 0 吨级江驳运至各钢厂。 随着市场经济秩序的建立，各钢厂把加强内部管理，降本增效作为主要 手段，为了降低综合运输成本，考虑采用“一船两卸”的方案，这对长江下游 五港提高装卸效率、缩短船舶在港停泊时间、降低船舶营运成本，提出了更高 要求。 可以看到张家港港散货市场已经发生了深刻的变化，这对港口企业顺应 潮流，求得生存和发展提出了课题。 2 3 基于神经网络的预测模型对于吞吐量的预测 市场需求与散货系统的实际通过能力之间的矛盾是影响企业经济效益的 最直接的因素。了解市场需求，预测市场前景，是为了确定散货系统将来时刻 应该具有的实际通过能力。 预测的方法有多种，根据张家港港的散货吞吐量的历史数据，可以采用 基于时间序列的预测方法。本文采用人工神经网络的技术，对张家港港散货市 场的前景作出预测。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是一种模仿人类神经系统 的数学模型，是由大量的处理单元( 神经元，即网络节点) 组成的高度并行的非 线性动力学系统。目前神经网络模型有两大类：一类是以h o p f i e l d 网络模型 为代表的反馈模型；另一类是以b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 为典型代表的以多层 感知器为基础的误差反向传播前馈模型。 ( 1 ) 基本理论 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 最基本的三层b p 神经网络结构及组成网络的神经元模型如图1 所示。所 采用的前馈b p 算法是一种有监督的学习算法，网络训练过程由学习信号前馈 和误差信号反馈两部分组成。 委蓬 x 1 图1b p 网络结构和神经元模型 学习信号前馈过程： 如图1 所示，在网络输入层输入一组数据，则隐含层和输出层的输出值 分别为 x ：= ，( 毛十巳) d ( 1 ) 儿：，( 妻工；+ 吼) j - l ( 2 ) 式中x 。输入层节点i 的输入值，i = 1 ，2 ，r l ： x 。隐含层节点j 的输出值，j = l ，2 ，q ； y - 输出层节点k 的输出值，k = 1 ，2 ，m ： w 。一输入层与隐含层节点的连接权值； w ，广_ 隐含层与输出层节点的连接权值； 0j 隐含层节点的阈值； 0 - 输出层节点的阈值。 开始时，给w mw ”0 j 、0 t 分别赋予 一1 ，+ 1 区间的随机数。f 为 作用函数，常用s i g m o i d 型函数f ( x ) = 1 ( 1 + x ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 误差信号反馈过程： 设网络训练过程中第p 。个样本的第k 个单元的输出值为y ”。，期望输出值 为t p l 。，则 偏差为 廓。= 去( 彳1 一y p ) 2 ( 3 ) 总偏差为 e = ( 彳1 一y f ) 2 ( 4 ) 式中卜样本总数； i t r 一输出单元总数。 b p 算法的误差准则是通过学习调整权系数w 。( w 。为图l 中任意两个神经 元之间的连接权系数) ，使e ，。小于e 来满足要求。 采用梯度法，对每个w 。的修正值为 一毫叩薏 ( 5 ) 式中n 步长或称作学习速率，取值范围为( 0 。1 ) 。 丝= p p i = i ；薏。k = u w 一叩p p l - 1 ；固2 o “u w 口 ( 6 ) 梯度法使e 向减小的方向变化，直至ae 一0 为止，最终稳定到一个 解，但并不保证是全局最小解。为了避免陷入局部极小解，可引入动量a 以 改进算法，以加速收敛和防止振荡。 n 印+ 1 ) = 一毫，7 毒+ a ( n ) ( 7 ) ( 7 ) 式中，取值范围为( 0 ，1 ) 。 由此可见，b p 网络的运算过程，实际上就是确定各输入值的权值的过 武汉理工大学硕士学位论文 程。 ( 2 ) 实际问题及网络结构 已知要素为张家港港从1 9 9 2 年至2 0 0 1 年的散货吞吐量( 万吨) 分别 是：0 ，1 4 5 ，4 7 3 ，1 0 3 6 ，1 8 6 3 ，1 6 6 4 ，2 6 4 8 ，2 1 8 6 ，3 4 5 5 ，5 0 5 0 。 要求预测2 0 0 2 年乃至2 0 0 3 年的吞吐量。因此是个多个输入单个输出的结 构，考虑到输入节点过少会使网络容错能力下降，而历史数据又比较少，因此 采用6 个输入节点，一个隐层较多个隐层节点，单个输出的结构，这样就有了 四个完整学习实例集。也就是采用连续6 年的吞吐量历史值，作为网络结构的 输入向量，采用一个隐层，设1 8 个隐层节点，单个输出的形式，即网络结构 为6 + 1 8 1 。 网络结构如图： 输入节点隐层节点输出节点 输a x i 连接权值w i j 连接权值u j 输出y 图2网络图 由于网络的输入量取值应有x i 0 ，1 ，i = l ，2 ，6 ，按照网络 映射理论应该对输入向量进行归一化处理，方法有将吞吐量值都除以一个足够 大数使所有样本值都小于l ，本文采用提高量值单位为千万吨的做法，经归一 化处理后得到的实例集表如下： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表4( 单位：千万吨) x x l kx 2 kx 3 kx 4 kx 5 kx 6 ky k * 10 0 0 0 00 0 1 4 50 0 4 7 30 1 0 3 60 1 8 6 30 1 6 6 40 2 6 4 8 20 0 1 4 50 0 4 7 30 1 0 3 60 1 8 6 30 1 6 6 40 2 6 4 80 2 1 8 6 30 0 4 7 30 1 0 3 60 1 8 3 60 1 6 6 40 2 6 4 8o 2 1 8 60 3 4 5 5 40 1 0 3 60 1 8 6 30 1 6 6 40 2 6 4 80 2 1 8 60 3 4 5 50 5 0 5 0 表中k 为实例集序号，x i k 为第k 个实例集的输入向量，y k * 为对应的期 望值。 ( 3 ) 运算关系及学习过程 输入节点的传递函数采用线性函数f ( x ) = x 。隐层节点的传递函数采用 s i g m o i d 型的双曲正切函数t h ( x ) = ( e 1 一e 1 ) ( e 1 + e 1 ) 。双曲正切函数的图形是关 于原点对称的，当输入x = o 时，输出f ( x ) = 0 。与预测要求保持一致。误差反 向传播过程需要使用传递函数的导数为t h ( x ) = 一4 ( e + e 1 ) 2 。 有关变量设置为： 输入向量：x i k 输入层至隐层的连接权矩阵为： w i j 。 隐层节点的阈值表示为阈值向量：q j 隐层至输出层的连接权表示为权向量：u j 输出节点的阈值为：r 运算关系和步骤如下： a 、 计算各隐层节点输入量( 输入节点的传递函数：f ( x ) = x ) a j k = w i j 牛x i k q ji = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6j = 1 ，2 ，3 ”1 8 b 、计算隐层各节点输出量( 传递函数为：双曲正切函数) 一b j k = t h ( a j k )j = 1 ，2 ，3 1 8 其中：t h ( x ) = ( e 1 一e 1 ) ( e 。+ e 1 ) c 、计算输出节点输入量 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 c k = e u j * b j k rj = l ，2 ，3 1 8 d 、 计算输出节点输出量( 传递函数为：双曲正切函数) y k = t h ( c k ) e 、计算隐层m 个节点至输出节点的连接权的修正量 6k = 一( y k 一y k ) 木f ( c k ) = 一( y k 冰一y k ) * t h ( c k ) u j = r 1 1 女6k 木b j kj = l ，2 ，3 1 8 其中：t h ( x ) = - 4 ( e 1 + e 1 ) 2 r 1 1 为学习效率 f 、 计算输入层1 1 个节点至隐层m 个节点的连接权的修正量 6j k = f ( a j k ) 水u j * 6 k = t h ( h j k ) 木u j * 6kj = l ，2 ，3 1 8 w i j 2n 2 木6 j k * x i k i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6j = l ，2 ，3 1 8 其中：r 1 2 为学习效率 g 、修改连接权值分布 w i j 2 w i j + w i ji = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6j = l ，2 ，3 1 8 u j = o j + u jj = l ，2 ，3 1 8 其中步骤a 、b 、c 、d 是正向传播过程，e 、f 、g 是误差反向传播过程。 ( 4 ) 相关程序段 武汉理工大学硕士学位论文 正向传播c + + 程序： c a c u z 0 f o r ( j = o ：j 1 8 ：j + + ) f o r ( i = o ：i 6 ：i + 十) a i j = w i 儿j * a x i + k b d j = b d j + ae i j ： ) d j = b d j 卜q j ： b j = t a n h ( d j ) ： c d k = c d k + u j b j ： ) c k = c d k - r ： y k = t a n h ( c k ) ： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 反向传播c + + 程序： d e t k = d e k * 4 p o w ( e x p ( c k ) + e x p ( 一c k ) ，2 ) ： f o r ( j = 0 ：j 1 8 ：j + + ) d e t u j = a t l * d e t k 坫 j ： s u m u = s u m u + u j ： ) f o r ( j = o ：j 1 8 ：j + + ) u j = u j + d e t u j ： d e t e j k = d e t k * s u m u * 4 p o w ( e x p ( d j ) + e x p ( 一d j ) ，2 ) ) f o r ( i = o ：i 6 ：i + + ) f o r ( j = o ：j 1 8 ：j + + ) d e t w i j = a t 2 枣d e t e j k * a x i + k ： w i j = w i j + d e t w i j ： ) ) ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 算法框图 曰 图3算法框图 ( 6 ) 运算结果 如果学习实例越多，或增加新的学习实例更新网络记忆的知识，那么， 时序预测模型获得的知识越可靠，预测精度越高。 本文只提供了四个完整实例集，因而采用知识更新的方法来提高模型预 测精度。并且将允许误差设定得较严格。如果模型能很好地收敛，最终实例集 的输出就将逼近下一年的实际吞吐量。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 在网络的学习过程中，连接权值和阈值初始化是随机设置的。随机设置 的初始化权值和闽值对网络学习过程是有影响的。同时网络结构本身也会存在 一定的精度误差。因而采用不同的随机初始化值对网络独立地训练1 0 次，采 用取均值的方法来消除这些方面的影响。 表5( 单位：千万吨) g ， 56 y 10 6 1 4 9 70 7 1 8 1 2 y 20 6 0 7 8 7 o 7 1 0 9 2 y 30 6 1 5 9 7o 7 1 8 6 7 y 40 6 1 4 9 8o 7 1 3 1 1 y 50 6 0 5 7 70 7 1 5 9 0 y 60 6 1 2 6 90 7 1 4 4 1 y 7o 6 1 5 9 5o 7 1 7 4 5 y 80 6 1 3 9 80 7 2 2 1 9 y 90 6 0 4 2 70 7 0 8 8 9 y 1 00 5 9 9 8 40 7 0 4 8 0 一o 6 1 0 6 30 7 1 4 4 5 y k 表中k 为新增实例集号，y 1 至y i o 为各预测值，五为所求平均值。 因此得到张家港港散货吞吐量2 0 0 2 年预测值为6 1 0 6 3 万吨。同时将 2 0 0 2 年的预测值作为新实例加入，得到2 0 0 3 年的吞吐量预测值为7 1 4 4 5 万 吨。在本文完稿时已经得到2 0 0 2 年的实际值为6 1 8 万吨，可见该模型还是具 有相当好的预测精度的。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章张家港港散货系统分析 3 1 系统构成 ( 1 ) 规模 张家港港散货作业系统是国家七五建设重点工程项目，设计吞吐量为 4 3 0 万吨，其中煤炭进口1 5 0 万吨，矿石6 5 万吨，疏运方式为水路水路 ( 内河) ，水路一陆路两种，共有一个2 5 万吨级的深水码头，1 6 个内河 港池泊位。 ( 2 ) 工艺 该系统具有四大功能，即卸船、装驳、堆场储存、筒仓储存。 存在六条出口工艺流程： 1 ) 船一卸船机一d s l d s 2 一d s 3 一d s 4 a d s 5 一d s 6 一d s 7 一装船机一驳 2 ) 船一卸船机一d s l 一d s 2 一d s 3 一d s 4 b d s 5 一d s 6 一d s 7 一装船机一驳 3 ) 船一卸船机一d s l 一d s 2 一d s 3 一d s 4 a d s 9 一装船机一驳 4 ) 场一斗轮堆取料机一d s 4 a d s 5 一d s 6 一d s 7 一装船机一驳 5 ) 场一斗轮堆取料机一d s 4 b d s 5 一d s 6 一d s 7 一装船机一驳 6 ) 场一斗轮堆取料机一d s 4 a d s 9 一装船机一驳 按照整个工艺系统的要求，卸船工艺选用2 台5 4 0 t h 带斗门机，装船工 艺选用4 台4 0 0 t h 连续装船机，可回转作业用于内河港驳装驳，堆存工艺选 用两台1 2 5 0 t h 的斗轮堆取料机，水平运输采用带宽为1 2 米，效率为 1 2 0 0 t h 的固定带式输送机。 全部生产工艺采用中央控制，对卸船、装驳、取料、堆料等作业实行自 动化、半自动化控制 ( 3 ) 系统设备配置 a 、带斗门机2 台 2 n 武汉理工大学硕士学位论文 b 、斗轮堆取料机4 台 c 、带式输送机8 台 d 、装船机4 台 e 、供电系统1 套