自動化集裝箱碼頭箱區(qū)作業(yè)仿真分析

宓為建+楊小明+舒帆

自動化集裝箱碼頭依靠裝卸設備的聯(lián)動實現(xiàn)堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)，典型的裝卸設備為自動化軌道式集裝箱龍門起重機（Automated Rail-MountedContainer Gantry Crane，ARMG）。按照ARMG的尺寸，分為穿越式ARMG裝卸工藝和對等式ARMG裝卸工藝。兩者的共同點在于均僅由ARMG完成堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)；不同點在于，穿越式ARMG可以全堆場行走，但其匹配方式過于嚴苛，作業(yè)情況不理想；對等式ARMG作業(yè)有明顯的海陸側分工，不可避免地帶來海陸側任務交互時的翻箱作業(yè)，影響堆場裝卸效率。本文提出梭車式自動化集裝箱碼頭概念，并對傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)及新型有梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)進行仿真分析。由于穿越式ARMG裝卸工藝已被證明作業(yè)效果不理想，本文提到的無梭車系統(tǒng)指的是對等式ARMG裝卸工藝系統(tǒng)。

1 無梭車系統(tǒng)箱區(qū)作業(yè)能力

傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)布局如圖1所示。在該類自動化集裝箱碼頭箱區(qū)：進口箱通常放置在海側箱區(qū)前端H區(qū)，然后由場橋A搬運至B區(qū)，再由場橋B搬運至C區(qū)等待提箱；出口箱一般放置在陸側箱區(qū)前端E區(qū)，然后由場橋B搬運至B區(qū)，再由場橋A搬運至A區(qū)等待裝船。由于2臺場橋不能相互穿越，進出口箱需要經多次轉運才能到達理想位置。

圖1 傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)布局

傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側裝卸效率仿真結果如圖2所示。西班牙TTI自動化碼頭的箱區(qū)長度為，岸橋平均裝卸效率為36～40自然箱/h，則其箱區(qū)海側裝卸效率為18～20自然箱/h，與箱區(qū)長度為的仿真數(shù)據(jù)相近。當堆場箱區(qū)長度為時，在不同場橋大車速度下的無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側裝卸效率分別下降為16.0自然箱/h，16.8自然箱/h和17.9自然箱/h，無法滿足岸橋作業(yè)要求。

圖2 傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側裝卸效率仿真結果

2 有梭車系統(tǒng)箱區(qū)作業(yè)能力

配備1輛梭車的系統(tǒng)箱區(qū)布局如圖3所示。在該類自動化集裝箱碼頭箱區(qū)，卸船時，進口箱被跨運車放置在梭車上，由梭車運至C區(qū)，再由場橋B卸至C區(qū)；提箱時，場橋B將進口箱從C區(qū)直接轉運至E區(qū)集卡上，或場橋A將A區(qū)或B區(qū)的進口箱放置在梭車上，由梭車轉運至E區(qū)，等待場橋B裝車。集港過程與提箱過程相反，裝船過程與卸船過程相反。

圖3 配備1輛梭車的系統(tǒng)箱區(qū)布局

2.1 配備高速場橋方案

配備1輛梭車和2臺/min高速場橋方案的總調度規(guī)則是：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，如果梭車在可用狀態(tài)，則優(yōu)先使用梭車，否則直接使用場橋。場橋與梭車同時充當堆場內水平運輸工具的角色。

某箱區(qū)長度為，有72個貝位，配備高速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果如圖4所示，其裝卸效率較高。當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為21.8自然箱/h，平均陸側裝卸效率為15.4自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為20.9自然箱/h，平均陸側裝卸效率為15.3自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖4 配備高速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果

配備高速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果如圖5所示，其與有平臺系統(tǒng)具有基本相當?shù)难b卸效率。當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為21.8自然箱/h，平均陸側裝卸效率為16.3自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為20.8自然箱/h，平均陸側裝卸效率為15.6自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖5 配備高速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果

由圖4和圖5可知，在高速場橋的配合下，當梭車可用時，優(yōu)先選用梭車，當梭車不可用時，立即啟用高速場橋；因此，平臺配置對碼頭裝卸效率影響不大。

2.2 配備低速場橋方案

配備1輛梭車和2臺/min低速場橋方案的總調度規(guī)則是：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，如果梭車在可用狀態(tài)，則優(yōu)先使用梭車，否則直接使用場橋。場橋與梭車同時充當堆場內水平運輸工具的角色。

某箱區(qū)長度為，有72個貝位，配備低速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果如圖6所示，其裝卸效率較低。當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為16.9自然箱/h，平均陸側裝卸效率為11.1自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為15.8自然箱/h，平均陸側裝卸效率為11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖6 配備低速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果

配備低速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果如圖7所示，其與有平臺系統(tǒng)具有基本相當?shù)难b卸效率。當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為18.0自然箱/h，平均陸側裝卸效率為11.3自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側裝卸效率為15.5自然箱/h，平均陸側裝卸效率為11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖7 配備低速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結果

由圖6和圖7可知，該方案下雖然有無平臺的裝卸效率差別不大，但是其總體裝卸效率偏低，無法滿足岸橋36～40自然箱/h的作業(yè)效率要求。

2.3 以梭車為主、低速場橋為輔方案

如前所述，若將梭車和低速場橋同時作為堆場內水平運輸設備，則低速場橋將對系統(tǒng)裝卸效率產生較大影響，從而導致碼頭整體作業(yè)能力較低。因此，調整系統(tǒng)總調度規(guī)則為：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，將梭車作為主要水平運輸設備，低速場橋負責箱區(qū)內部裝卸作業(yè)。在此規(guī)則下，以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側裝卸效率仿真結果如圖8所示。可見，在有平臺的情況下，箱區(qū)海側裝卸效率為19～20自然箱/h，能夠滿足岸橋作業(yè)要求。由于梭車為箱區(qū)水平運輸設備，因此，有無平臺對箱區(qū)海側裝卸效率影響較大。

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側

裝卸效率仿真結果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果見表1?？梢姡谛洞鳂I(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設吊具自重，能耗與起升物質量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉運至C區(qū)和將進口箱轉運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側

裝卸效率仿真結果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果見表1?？梢?，在卸船作業(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設吊具自重，能耗與起升物質量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉運至C區(qū)和將進口箱轉運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側

裝卸效率仿真結果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果見表1。可見，在卸船作業(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設吊具自重，能耗與起升物質量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉運至C區(qū)和將進口箱轉運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）