新型梭車式自動化集裝箱碼頭仿真分析

宓為建+楊小明+舒帆

天津港自動化集裝箱碼頭關(guān)鍵技術(shù)研究團隊在分析國際上已有自動化集裝箱碼頭方案特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合效率和能耗情況，提出新型梭車式堆場裝卸工藝方案。本文對該方案進行仿真分析，以論證其可行性。

1 仿真模型建立

1.1 仿真系統(tǒng)基本模塊組成

以盡可能反映實際生產(chǎn)情況為開發(fā)原則，按照參數(shù)化設(shè)計思想建立自動化集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)。如圖1所示，仿真系統(tǒng)主要包括仿真輸入、生產(chǎn)控制、仿真驅(qū)動、仿真評價四大模塊。

圖1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1 仿真輸入模塊

仿真輸入模塊的主要功能是對仿真系統(tǒng)進行定義，主要涉及以下3個方面內(nèi)容。（1）碼頭平面布局定義。碼頭平面布局的主要參數(shù)有箱區(qū)大小、箱區(qū)方向、道路設(shè)置、岸橋及場橋軌道設(shè)置、岸邊樁位設(shè)置等。（2）設(shè)備配置定義。設(shè)備配置定義包括岸橋、場橋、跨運車和梭車數(shù)量確定及其參數(shù)設(shè)置。設(shè)備參數(shù)主要有：跨運車在各種工況下的運行速度、提放集裝箱時間；岸橋在空載及重載情況下的平均作業(yè)時間、水平移動速度和加速度；場橋作業(yè)高度、水平移動速度和加速度、 吊具在空載及重載情況下的起升速度及加速度；梭車在不同載荷情況下的水平運輸速度。（3）概率分布定義。概率分布定義主要包括：船舶到達(dá)時間分布模型確定；外集卡提箱和集港到達(dá)時間分布模型確定；各類型船舶到達(dá)概率分布模型確定；各類型船舶裝卸箱量概率分布模型確定。

1.1.2 生產(chǎn)控制模塊

生產(chǎn)控制模塊的主要功能是制訂碼頭作業(yè)計劃以及發(fā)布和執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。該模塊主要涉及以下幾個方面內(nèi)容：（1）靠泊計劃，即確定船舶計劃靠泊泊位、計劃靠泊時間、預(yù)計離泊時間、各類型船舶裝卸箱量和計劃開工路數(shù)等；（2）裝卸計劃，主要包括進出口箱裝卸箱區(qū)策劃及自動選位，中轉(zhuǎn)箱裝卸箱區(qū)策劃及自動選位，疏港、裝船提箱計劃；（3）任務(wù)發(fā)布，包括跨運車、場橋和梭車的作業(yè)任務(wù)發(fā)布；（4）設(shè)備調(diào)度，包括岸橋、場橋、跨運車和梭車的作業(yè)調(diào)度；（5）路徑選擇，即為跨運車確定最優(yōu)作業(yè)路徑；（6）設(shè)備作業(yè)，包括對岸橋、場橋、跨運車水平移動和起升作業(yè)的控制以及對梭車水平移動的控制等。

1.1.3 仿真驅(qū)動模塊

仿真驅(qū)動模塊的主要功能是根據(jù)設(shè)定的仿真步長，推動仿真過程中各類事件的發(fā)生。該模塊主要涉及以下3個方面內(nèi)容：（1）推進步長，涉及船舶預(yù)報、船舶到達(dá)、岸橋和場橋水平移動和外集卡到達(dá)，并根據(jù)事件發(fā)生頻率分為，，和；（2）船舶到達(dá)，即在仿真時間跳過間隔步長時，按照相關(guān)概率分布生成船舶實體及船舶裝卸箱量等；（3）外集卡到達(dá)，即在仿真時間跳過間隔步長時，按照相關(guān)概率分布生成外集卡實體及外集卡提送集裝箱信息等。

1.1.4 仿真評價模塊

仿真評價模塊可以在設(shè)定的時間或事件范圍內(nèi)，對事件的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并輸出系統(tǒng)評價結(jié)果。該模塊涉及以下幾個方面內(nèi)容：（1）評價碼頭整體作業(yè)能力，輸出碼頭在特定時間范圍內(nèi)的集裝箱吞吐量；（2）評價碼頭服務(wù)水平，如船舶作業(yè)時間、外集卡平均在場時間等；（3）評價碼頭設(shè)備作業(yè)效率，包括岸橋、場橋、跨運車和梭車的作業(yè)效率；（4）評價碼頭能耗，包括碼頭在一段時間內(nèi)的總體能耗情況以及相關(guān)設(shè)備平均能耗情況；（5）比較在不同設(shè)備配置情況下的碼頭整體作業(yè)情況；（6）評價在不同碼頭布局及設(shè)備配置情況下的水平運輸設(shè)備排隊擁堵情況。

1.2 仿真模型構(gòu)建

1.2.1 碼頭總體布局

天津港自動化集裝箱碼頭設(shè)計岸線長，可同時靠泊1艘10萬噸級集裝箱船及1艘7萬噸級集裝箱船。岸邊配置8臺雙小車岸橋，裝卸船舶時每臺岸橋配置2～3輛跨運車，跨運車在碼頭前沿作業(yè)時可自由超車。碼頭前沿布置8條寬4.1 m的裝卸作業(yè)車道、6條寬的快速車道。

碼頭有14個垂直于岸線的自動化作業(yè)箱區(qū)，長，每個箱區(qū)布置10排箱位，共72個貝位。同時，每個箱區(qū)內(nèi)配置2臺自動化軌道式集裝箱龍門起重機（Automated Rail-Mounted Container Gantry Crane，ARMG）、1臺用于后方提箱和集港的固定吊和2條梭車軌道。每條梭車軌道上配置1輛梭車及3個轉(zhuǎn)承平臺（箱區(qū)端部2個，尾部1個）。每個箱區(qū)端部預(yù)留3個40英尺集裝箱裝卸作業(yè)箱位。

碼頭后方配置6條寬6 m的車道，其中，靠近箱區(qū)的4條車道主要用于外集卡倒車及等待，另外2條為快速同行車道。碼頭后方設(shè)置9個進港閘口和4個出港閘口。

1.2.2 船舶及外集卡到達(dá)規(guī)律

通過分析天津港近年船舶到達(dá)比例情況并綜合考慮未來船舶大型化趨勢，假設(shè)各船型到達(dá)比例及平均裝卸量如表1所示，由此計算出平均單艘船舶裝卸量期望值為。

表1 各船型到達(dá)比例及平均裝卸量

根據(jù)設(shè)計年集裝箱吞吐量可計算出年平均到達(dá)船舶艘次為881.19艘；根據(jù)碼頭年作業(yè)天數(shù)，可計算出船舶平均到達(dá)間隔時間為。

負(fù)指數(shù)分布適用于排隊系統(tǒng)中服務(wù)對象的到達(dá)間隔時間。假設(shè)船舶到達(dá)時間間隔規(guī)律服從均值 為9.39 h的負(fù)指數(shù)分布，即

f （x）=exp

外集卡到達(dá)時間服從三角形分布，即

f （x）=

外集卡集港時間從船舶到達(dá)前96 h開始至船舶到達(dá)前結(jié)束，集港高峰期在船舶到達(dá)前，因此，a= 96 h，b= 33 h，c= 12 h。外集卡提箱時間從船舶離港后開始至船舶離港后第10天結(jié)束，提箱高峰期在船舶離港后第4天，因此，a=0 d，b=4 d，c=10 d。

2 仿真流程分析

2.1 卸船作業(yè)流程

卸船任務(wù)指令發(fā)布后，岸橋?qū)⒓b箱卸至裝卸車道，跨運車自動尋找作業(yè)任務(wù)。在確定作業(yè)任務(wù)及裝卸車道后，跨運車通過快速車道駛近裝卸點，逐漸并入裝卸車道取箱。取箱后，跨運車以運行距離最短原則行駛至目的箱區(qū)端部。若目的箱位靠近箱區(qū)端部，則跨運車直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)；若目的箱位遠(yuǎn)離箱區(qū)端部，則需要預(yù)約梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺，待有可用轉(zhuǎn)承平臺后將集裝箱卸至該平臺，繼續(xù)尋找下一任務(wù)。

梭車在接到卸船任務(wù)指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務(wù)指定集裝箱已經(jīng)在轉(zhuǎn)承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務(wù)指定集裝箱未到轉(zhuǎn)承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務(wù)指令后，判斷是否已經(jīng)在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋?qū)⒓b箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務(wù)指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)；若目的貝位遠(yuǎn)離箱區(qū)端部，則場橋?qū)⒓b箱卸至在接到裝船任務(wù)指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺。

跨運車在接到裝船任務(wù)指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)或梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺，并且無設(shè)備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋?qū)⒓b箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設(shè)備之間的相互配合、轉(zhuǎn)承平臺的預(yù)約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復(fù)雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當(dāng)靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預(yù)約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺。梭車在接到集港任務(wù)指令后，行駛至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達(dá)目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達(dá)裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務(wù)指令后移動到目的貝位，提取目標(biāo)集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉(zhuǎn)承平臺，固定吊負(fù)責(zé)將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設(shè)備配置方案用數(shù)字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示?？梢?，“35-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當(dāng)前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達(dá)到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設(shè)備作業(yè)具有一定的靈活性：當(dāng)設(shè)備故障導(dǎo)致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設(shè)備調(diào)配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設(shè)計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）?？梢姡寒?dāng)允許抽調(diào)后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內(nèi)設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數(shù)量最少的運輸設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數(shù)量的場內(nèi)設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋?qū)?yīng)2個箱區(qū)，因此場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導(dǎo)致場內(nèi)大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達(dá)到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預(yù)先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現(xiàn)較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負(fù)擔(dān)。

3.4.2 自動導(dǎo)引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝實現(xiàn)碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設(shè)備配置參數(shù)，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導(dǎo)引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設(shè)備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導(dǎo)引車的直線行走最高速度為/s，轉(zhuǎn)彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導(dǎo)引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結(jié)果見表5?？梢?，水平運輸設(shè)備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導(dǎo)引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

梭車在接到卸船任務(wù)指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務(wù)指定集裝箱已經(jīng)在轉(zhuǎn)承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務(wù)指定集裝箱未到轉(zhuǎn)承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務(wù)指令后，判斷是否已經(jīng)在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋?qū)⒓b箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務(wù)指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)；若目的貝位遠(yuǎn)離箱區(qū)端部，則場橋?qū)⒓b箱卸至在接到裝船任務(wù)指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺。

跨運車在接到裝船任務(wù)指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)或梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺，并且無設(shè)備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋?qū)⒓b箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設(shè)備之間的相互配合、轉(zhuǎn)承平臺的預(yù)約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復(fù)雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當(dāng)靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預(yù)約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺。梭車在接到集港任務(wù)指令后，行駛至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達(dá)目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達(dá)裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務(wù)指令后移動到目的貝位，提取目標(biāo)集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉(zhuǎn)承平臺，固定吊負(fù)責(zé)將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設(shè)備配置方案用數(shù)字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示。可見，“35-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當(dāng)前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達(dá)到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設(shè)備作業(yè)具有一定的靈活性：當(dāng)設(shè)備故障導(dǎo)致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設(shè)備調(diào)配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設(shè)計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）?？梢姡寒?dāng)允許抽調(diào)后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內(nèi)設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數(shù)量最少的運輸設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數(shù)量的場內(nèi)設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋?qū)?yīng)2個箱區(qū)，因此場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導(dǎo)致場內(nèi)大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達(dá)到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預(yù)先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現(xiàn)較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負(fù)擔(dān)。

3.4.2 自動導(dǎo)引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝實現(xiàn)碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設(shè)備配置參數(shù)，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導(dǎo)引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設(shè)備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導(dǎo)引車的直線行走最高速度為/s，轉(zhuǎn)彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導(dǎo)引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結(jié)果見表5?？梢?，水平運輸設(shè)備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導(dǎo)引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

梭車在接到卸船任務(wù)指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務(wù)指定集裝箱已經(jīng)在轉(zhuǎn)承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務(wù)指定集裝箱未到轉(zhuǎn)承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務(wù)指令后，判斷是否已經(jīng)在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋?qū)⒓b箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務(wù)指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)；若目的貝位遠(yuǎn)離箱區(qū)端部，則場橋?qū)⒓b箱卸至在接到裝船任務(wù)指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺。

跨運車在接到裝船任務(wù)指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉(zhuǎn)區(qū)或梭車道端部轉(zhuǎn)承平臺，并且無設(shè)備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋?qū)⒓b箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設(shè)備之間的相互配合、轉(zhuǎn)承平臺的預(yù)約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復(fù)雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當(dāng)靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預(yù)約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺。梭車在接到集港任務(wù)指令后，行駛至梭車道尾部轉(zhuǎn)承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達(dá)目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達(dá)裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務(wù)指令后移動到目的貝位，提取目標(biāo)集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉(zhuǎn)承平臺，固定吊負(fù)責(zé)將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設(shè)備配置方案用數(shù)字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設(shè)備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示?？梢?，“35-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當(dāng)前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現(xiàn)的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達(dá)到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設(shè)備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設(shè)備作業(yè)具有一定的靈活性：當(dāng)設(shè)備故障導(dǎo)致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設(shè)備調(diào)配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設(shè)計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）?？梢姡寒?dāng)允許抽調(diào)后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內(nèi)設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數(shù)量最少的運輸設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設(shè)備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數(shù)量的場內(nèi)設(shè)備，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋?qū)?yīng)2個箱區(qū)，因此場內(nèi)作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導(dǎo)致場內(nèi)大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達(dá)到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預(yù)先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現(xiàn)較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負(fù)擔(dān)。

3.4.2 自動導(dǎo)引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝實現(xiàn)碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設(shè)備配置參數(shù)，即岸橋設(shè)計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導(dǎo)引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設(shè)備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導(dǎo)引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導(dǎo)引車的直線行走最高速度為/s，轉(zhuǎn)彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導(dǎo)引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結(jié)果見表5?？梢姡竭\輸設(shè)備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導(dǎo)引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）