基于系統(tǒng)仿真的集裝箱港區(qū)岸橋集卡配置

唐國磊,張 冉，彭 云，周 勇

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

基于系統(tǒng)仿真的集裝箱港區(qū)岸橋集卡配置

唐國磊,張 冉，彭 云，周 勇

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

集裝箱船舶大型化促使雙40英尺岸橋不斷投入使用，然而我國現(xiàn)行規(guī)范對于面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)規(guī)劃期的集卡配置數(shù)量尚未給出推薦取值。基于系統(tǒng)仿真理論，考慮集裝箱港區(qū)雙40英尺岸橋的作業(yè)特點(diǎn)，以大連某大型集裝箱港區(qū)為例，利用VISSIM仿真軟件建立了包括碼頭前沿、堆場以及港區(qū)大門在內(nèi)的集裝箱港區(qū)陸域微觀交通系統(tǒng)仿真模型。通過運(yùn)行仿真模型獲得仿真結(jié)果，分析配備了雙40英尺岸橋的大型自動(dòng)化集裝箱港區(qū)內(nèi)部交通運(yùn)行規(guī)律，得到了大連某大型集裝箱港區(qū)的雙40英尺岸橋平均裝卸效率與集卡配置數(shù)量間的關(guān)系，給出了該港區(qū)的在規(guī)劃期的集卡配置建議，為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)在規(guī)劃期的集卡配置提供經(jīng)驗(yàn)與參考。

交通運(yùn)輸工程；集裝箱港區(qū)；雙40英尺岸橋；集卡配置；交通系統(tǒng)仿真

0 引 言

受全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展影響，沿海港口集裝箱業(yè)務(wù)量呈高速增長態(tài)勢，“馬士基.邁克-凱尼.穆勒”號集裝箱船投入亞歐航線的運(yùn)營，宣告世界集裝箱運(yùn)輸正式進(jìn)入18 000 TEU時(shí)代。為了與船舶大型化趨勢相適應(yīng)，國內(nèi)部分大型集裝箱港區(qū)，如上海港洋山港區(qū)，開始陸續(xù)引入雙40英尺岸橋用于碼頭前沿裝卸作業(yè)。理論上，雙40英尺岸橋因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)裝卸兩個(gè)40英尺的集裝箱，其單臺(tái)裝卸效率應(yīng)較普通岸橋高50%以上，然而實(shí)際使用情況并不理想[1]，其中一個(gè)重要原因就是港內(nèi)集卡數(shù)量配置合理性不足，導(dǎo)致水平運(yùn)輸系統(tǒng)與雙40英尺岸橋的有效銜接、協(xié)調(diào)作業(yè)存在問題。集裝箱碼頭的集卡問題主要包括兩個(gè)方面，一是運(yùn)營期的集卡調(diào)度，二是規(guī)劃期的集卡配置。國外學(xué)者主要側(cè)重于碼頭運(yùn)營期的集卡優(yōu)化調(diào)度和策略研究。L.H.LEE等[2]基于混合整數(shù)規(guī)劃、遺傳算法和最小費(fèi)用流建立了數(shù)學(xué)模型，對集裝箱中轉(zhuǎn)樞紐港的車輛調(diào)度算法進(jìn)行了研究；X.LI等[3]考慮車輛行駛時(shí)間和路徑選擇的隨機(jī)性，對港內(nèi)車輛路徑問題進(jìn)行了研究；D.LEE等[4]基于啟發(fā)式算法，將集卡調(diào)度和堆場分配兩大問題結(jié)合起來進(jìn)行了研究；此外，還有部分學(xué)者提出了集卡預(yù)約制度、內(nèi)部集卡共用制度等有利于提高港口運(yùn)營效率的集卡策略[5-6]。國內(nèi)學(xué)者對于集卡配置的研究更為重視，且研究與我國工程實(shí)際更為切合。劉德鵬[7]基于進(jìn)化論-遺傳算法建立港內(nèi)集卡配置仿真模型，在保持岸橋利用率變化不大的條件下，以集卡服務(wù)時(shí)間最小為優(yōu)化目標(biāo)，得到了合理的集卡配置數(shù)量；楊靜蕾等[8]以上海港外高橋集裝箱碼頭為例，通過構(gòu)建一個(gè)包括錨地、泊位、橋吊、龍門吊和集卡的動(dòng)態(tài)多級排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，分析得到外高橋集裝箱碼頭的最優(yōu)機(jī)械配比和最優(yōu)的橋吊臺(tái)數(shù)；張少凱等[9]通過建立集裝箱港口作業(yè)仿真模型，分析了新舊不同工藝下港口裝卸設(shè)備配置對港口作業(yè)的影響，為不同策略下裝卸設(shè)備數(shù)量配置提供了參考依據(jù)。對于配備雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)，現(xiàn)有研究較少，僅有的少量研究主要集中于運(yùn)營期的集卡調(diào)度優(yōu)化算法問題[10-11]，缺乏相應(yīng)系統(tǒng)仿真模型的建立，也缺乏在規(guī)劃期對集卡進(jìn)行合理配置的建議。

在分析雙40英尺岸橋裝卸作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以大連某大型集裝箱港區(qū)為例，利用VISSIM仿真軟件建立了面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)陸域微觀交通系統(tǒng)仿真模型。通過運(yùn)行該系統(tǒng)仿真模型，分析配備了雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)內(nèi)部交通運(yùn)行規(guī)律，得到了大連某大型集裝箱港區(qū)的雙40英尺岸橋平均裝卸效率與集卡配置數(shù)量間的關(guān)系，給出了該港區(qū)在規(guī)劃期的集卡配置建議。為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)規(guī)劃期間如何合理配置集卡提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 雙40英尺岸橋裝卸作業(yè)特點(diǎn)

雙40英尺岸橋與目前常用的單40英尺岸橋的差別主要在于，雙40英尺岸橋擁有兩套獨(dú)立的起吊裝置，兩吊具同步協(xié)調(diào)控制，每次作業(yè)可以同時(shí)起吊2個(gè)40英尺集裝箱。單40英尺岸橋一次吊裝作業(yè)循環(huán)中僅需2次對箱，而雙40英尺岸橋需要操作人員進(jìn)行4次對箱[12]。因此，如圖1，雙40英尺岸橋一次吊裝作業(yè)循環(huán)比單40英尺岸橋多出兩次對位、兩次鎖緊與兩次脫鉤時(shí)間。

圖1 雙40英尺岸橋單次吊裝作業(yè)Fig.1 One lifting operation of twin 40 feet quay crane

與普通單40英尺岸橋相比，雙40英尺岸橋裝卸作業(yè)時(shí)碼頭前沿的交通情況更加復(fù)雜。一方面，由于港內(nèi)集卡配置數(shù)量增多和單次吊裝作業(yè)時(shí)間延長，雙40英尺岸橋下的集卡排隊(duì)等待長度更長，對在碼頭前沿位于岸橋后方的集卡駛離碼頭前沿產(chǎn)生了較大的干擾；另一方面，單個(gè)岸橋下作業(yè)點(diǎn)數(shù)量由一個(gè)增加為兩個(gè)，導(dǎo)致港內(nèi)集卡需要在碼頭前沿進(jìn)行更為復(fù)雜的換道行駛，產(chǎn)生了較大的變道干擾。兩方面的干擾交織影響，對水平運(yùn)輸系統(tǒng)與雙40英尺岸橋的協(xié)調(diào)作業(yè)產(chǎn)生了較大的不利影響，進(jìn)而也影響了雙40英尺岸橋裝卸效率的充分發(fā)揮。

2 系統(tǒng)仿真建模

以大連市某集裝箱港區(qū)為原型，構(gòu)建面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)陸域微觀交通系統(tǒng)仿真模型，并依據(jù)雙40英尺岸橋裝卸工藝和實(shí)際情況設(shè)置集卡在港內(nèi)的行駛路徑、參數(shù)分布與性能參數(shù)等。該系統(tǒng)仿真模型實(shí)現(xiàn)了港內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)和交通運(yùn)行的整體性建模，建立了完整的運(yùn)輸?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)，不僅能夠從宏觀層面反映港內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)過程中集卡的路徑選擇，而且能夠從微觀層面有效地模擬集卡在港區(qū)內(nèi)部跟馳、換道、超車等微觀交通特性。

2.1 模型路網(wǎng)建立

雙40英尺岸橋集卡的配置一方面應(yīng)與具體集裝箱港區(qū)的陸域布置和作業(yè)線布置相適應(yīng)，另一方面還應(yīng)與集裝箱港區(qū)的港內(nèi)道路布置實(shí)際情況相匹配，本文以大連市某集裝箱港區(qū)為例，其平面布置如圖2，碼頭前沿雙40英尺岸橋下作業(yè)點(diǎn)布置如圖3。

圖2 集裝箱港區(qū)平面布置Fig.2 Container terminal plane layout

圖3 雙40英尺岸橋下作業(yè)點(diǎn)布置Fig.3 Operation points layout under twin 40 feet quay cranes

大連市某集裝箱港區(qū)的碼頭岸線長為1 200 m，陸域縱深800 m，碼頭前沿配備雙40英尺岸橋15臺(tái)，堆場區(qū)配備輪胎式龍門起重機(jī)66臺(tái)。該港區(qū)內(nèi)主要包括“四橫四縱”8條主干道，1條岸橋下作業(yè)通道和66條場橋下作業(yè)通道(一個(gè)場橋?qū)?yīng)1條作業(yè)通道)。8條主干道均為雙向六車道。岸橋下作業(yè)通道為單向八車道，作業(yè)通道居中隔離開，分為兩個(gè)方向相同的四車道作業(yè)通道。同時(shí)，為了保證集卡在岸橋下具有較高的通行效率，雙40英尺岸橋下作業(yè)點(diǎn)錯(cuò)位布置。

2.2 模型基本設(shè)置

2.2.1 行駛路徑與參數(shù)分布

根據(jù)雙40英尺岸橋的裝卸工藝設(shè)置集卡行駛路徑：港外集卡從港區(qū)大門駛?cè)牒螅栏髯宰鳂I(yè)計(jì)劃駛向相對應(yīng)的重箱、空箱或冷藏箱堆場，在場橋下排隊(duì)等候吊裝作業(yè)，完成吊裝作業(yè)后駛離港區(qū)大門；港內(nèi)集卡從港內(nèi)集卡停車場(位于港區(qū)大門附近)出發(fā)，駛向碼頭前沿，在岸橋下排隊(duì)等候吊裝作業(yè)，完成一次吊裝作業(yè)循環(huán)后隨機(jī)駛向?qū)?yīng)的重箱、空箱或冷藏箱堆場，在相應(yīng)堆場的場橋下排隊(duì)等候吊裝作業(yè)，完成吊裝作業(yè)后重新駛向碼頭前沿。

調(diào)研得到，集卡在場橋處的裝卸作業(yè)時(shí)間服從正態(tài)分布，平均值120 s，標(biāo)準(zhǔn)差5 s。雙40英尺岸橋在碼頭前沿的裝卸工藝較為復(fù)雜，本研究采用VISSIM自帶的VAP模塊，通過感應(yīng)信號控制，實(shí)現(xiàn)集卡抵達(dá)雙40英尺岸橋作業(yè)點(diǎn)前的放行控制，放行后，集卡駛?cè)腚p40英尺岸橋作業(yè)點(diǎn)開始吊裝。目前雙40英尺岸橋完成一次吊裝作業(yè)用時(shí)的調(diào)研數(shù)據(jù)并不充分，因此，對雙40英尺岸橋單次吊裝作業(yè)用時(shí)為80，100，120，140，160 s展開5組平行試驗(yàn)，分別進(jìn)行不同集卡數(shù)量配置時(shí)的港區(qū)陸域微觀交通仿真。

根據(jù)歷史調(diào)研數(shù)據(jù)，港外集卡抵達(dá)港區(qū)大門的到港時(shí)間分布基本符合泊松分布，且港區(qū)入港閘口的通過能力為240 輛/小時(shí)。

2.2.2 集卡性能與駕駛行為參數(shù)

集卡在港內(nèi)行駛的目標(biāo)車速為25～30 km/h，其主要性能參數(shù)如表1。為客觀反映實(shí)際交通運(yùn)行狀況，需正確標(biāo)定模型中的駕駛行為參數(shù)。選用的跟車模型為Wiedemann 74模型，橫向運(yùn)動(dòng)規(guī)則選用自由車道選擇，即允許車輛在任何車道上超車，經(jīng)校正后集卡的跟車行為參數(shù)和變道行為參數(shù)的標(biāo)定值如表2[13]。

表1 集卡主要性能參數(shù)

表2 集卡主要駕駛行為參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

通過運(yùn)行大連某集裝箱港區(qū)的陸域微觀交通系統(tǒng)仿真模型，模型的運(yùn)行狀況基本反映了配備雙40英尺岸橋的大型自動(dòng)化集裝箱港區(qū)的交通系統(tǒng)運(yùn)行客觀規(guī)律：進(jìn)行單個(gè)大型船舶裝卸時(shí)，堆場的大型化與港區(qū)管理的自動(dòng)化使得由裝卸該船舶引起的堆場交通壓力得到了較大程度的分散，與此相應(yīng)，雙40英尺岸橋作業(yè)點(diǎn)布置與裝卸工藝更加復(fù)雜，集卡不可避免的在碼頭前沿集中使得碼頭前沿成為裝卸該大型船舶時(shí)的交通瓶頸區(qū)。

以雙40英尺岸橋的平均裝卸效率作為判斷依據(jù)，岸橋單次吊裝作業(yè)用時(shí)T為80，100，120，140，160 s時(shí)，雙40英尺岸橋平均裝卸效率P與每個(gè)岸橋平均配置集卡數(shù)量n的關(guān)系如圖4。

圖4 平均配置集卡數(shù)量與雙40英尺岸橋平均裝卸效率關(guān)系Fig.4 Relationship between average number of configured trucks and average handling effiency of twin 40 feet quay cranes

可以明顯看出，對于該集裝箱港區(qū)：

1)隨著每個(gè)岸橋平均配置集卡數(shù)量的增多，雙40英尺岸橋的平均裝卸效率將逐漸增大，到達(dá)峰值后，岸橋平均裝卸效率變化不再明顯。

2)當(dāng)平均每個(gè)雙40英尺岸橋配置港內(nèi)集卡數(shù)量≤8個(gè)時(shí)，岸橋平均裝卸效率隨著集卡配置數(shù)量增多提高較快；當(dāng)平均每個(gè)雙40英尺岸橋配置港內(nèi)集卡數(shù)量≥12個(gè)時(shí)，隨著集卡配置數(shù)量增多，岸橋裝卸效率變化不大。因此，對于大連某配備了雙40英尺岸橋的大型自動(dòng)化集裝箱港區(qū)，若每個(gè)岸橋平均配備集卡數(shù)量12個(gè)左右，能夠基本滿足水平運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)集卡的實(shí)時(shí)調(diào)度需求，若每個(gè)岸橋平均配備集卡數(shù)量<8個(gè)時(shí)，可以認(rèn)為集卡的配置數(shù)量無法滿足使用需求。

3)雙40英尺岸橋單次吊裝作業(yè)用時(shí)為80，100，120，140，160 s時(shí)，每個(gè)岸橋平均配置集卡數(shù)量達(dá)到16，14，12，12，10個(gè)，岸橋平均裝卸效率分別達(dá)到峰值68.1，57.5，44.8，43.5，38.7箱/小時(shí)。因此，隨著雙40英尺岸橋操作經(jīng)驗(yàn)日益豐富，操作人員操作水平更加純熟，岸橋裝卸計(jì)劃更加完備，岸橋單次吊裝作業(yè)時(shí)間將逐漸減少，此時(shí)，可以根據(jù)港區(qū)實(shí)際情況適當(dāng)為每個(gè)岸橋平均增配集卡2～4個(gè)。

目前，國內(nèi)僅有上海港等少數(shù)集裝箱港口配備了雙40英尺岸橋。在現(xiàn)有裝卸需求下，上海港單個(gè)雙40英尺岸橋平均配置集卡數(shù)量約為8～12個(gè)(單次吊裝作業(yè)用時(shí)約為90～120 s)，仿真結(jié)果誤差較小，具有一定的參考意義。

4 結(jié) 語

通過分析雙40英尺岸橋裝卸作業(yè)特點(diǎn)，以大連某集裝箱港區(qū)為例，利用VISSIM仿真軟件建立了包括碼頭前沿、堆場以及港區(qū)大門在內(nèi)的面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)陸域微觀交通系統(tǒng)仿真模型，利用該仿真模型展開了雙40英尺岸橋單次吊裝用時(shí)分別為80，100，120，140，160 s的5組平行仿真試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，對于大連某配備了雙40英尺岸橋的大型自動(dòng)化集裝箱港區(qū)，每個(gè)岸橋平均配備集卡數(shù)量12個(gè)左右時(shí)，能夠基本滿足水平運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)集卡的實(shí)時(shí)調(diào)度需求，集卡數(shù)量<8個(gè)時(shí)，可以認(rèn)為集卡的配置數(shù)量無法滿足調(diào)度使用需求；同時(shí)，隨著雙40英尺岸橋操作經(jīng)驗(yàn)日益豐富，可以根據(jù)港區(qū)實(shí)際情況適當(dāng)為每個(gè)岸橋平均增配集卡2～4個(gè)。對于面向雙40英尺的集裝箱碼頭集卡配置研究取得一定進(jìn)展，為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)集卡配置提供了經(jīng)驗(yàn)與參考，對于配備了雙40英尺岸橋的集裝箱港區(qū)規(guī)劃具有借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 朱漢容)

Simulation-Based Trucks Allocation for Quay Cranes in Container Terminals

TANG Guolei，ZHANG Ran，PENG Yun，ZHOU Yong

(Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China)

Twin 40 feet quay cranes are used to improve handling efficiency in container terminals. However, the recommended value of container trucks quantity is not given in national norms for the planned port area equipped with 40 feet quay cranes . Based on the operating characteristics of the twin 40 feet quay cranes, a microscopic traffic simulation model was built for a container terminal with twin 40 feet quay cranes in Dalian to address the trucks allocation problem. Operations in container terminal apron, yard and port gate area were included in this model. By running the simulation model, the traffic operation rule in container terminals with twin 40 feet quay cranes and the relationship between container trucks allocation quantity and the average handling efficiency of twin 40 feet quay cranes can be observed. Lastly, the recommended optimal quantity of container trucks allocated are provided , which can provide experience and reference for planning of container terminals to be equipped with twin 40 feet quay cranes.

traffic and transportation engineering；container terminals；twin 40 feet quay cranes；trucks allocation；traffic simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.16

2015-11-24；

2016-01-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279026；51309049；51579035)

唐國磊(1980—)，男，山東煙臺(tái)人，副教授，博士,主要從事港口規(guī)劃、港口系統(tǒng)仿真優(yōu)化方面的研究。E-mail：tangguolei@dlut.edu.cn。

U651

A

1674-0696(2017)02- 091- 04