基于二流理論的自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)路網(wǎng)布置評(píng)價(jià)方法研究

管政霖 周 強(qiáng) 梁孝誠 辛永寶

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

全自動(dòng)集裝箱碼頭堆場箱區(qū)一般采取垂直岸線布置，堆場與碼頭前沿裝卸船車輛及后方集疏運(yùn)車輛之間的交接作業(yè)在箱區(qū)兩端進(jìn)行，集裝箱垂直岸線擺放在堆場箱位上[1].這種堆場布置方式使得碼頭所有的集疏運(yùn)車輛都在堆場陸側(cè)后方的一條行車道上行駛，裝卸箱的作業(yè)區(qū)或裝卸道緊靠行車道，集疏運(yùn)卡車在臨近目標(biāo)箱區(qū)時(shí)要減速停車去完成裝卸集裝箱的任務(wù)，車輛之間相互影響、相互干擾，其道路的通行質(zhì)量對集裝箱碼頭的作業(yè)效率有著重要的影響，一直是港口規(guī)劃設(shè)計(jì)者和運(yùn)營管理者最關(guān)心的工程技術(shù)問題之一.韓保爽等[2]參考國外進(jìn)港閘口布置形式，提出多級(jí)閘口布置新模式對進(jìn)港外集卡進(jìn)行分流，緩解集疏運(yùn)交通壓力；劉廣紅等[3-4]則借鑒城市單向交通理念，對集疏運(yùn)交通組織進(jìn)行設(shè)計(jì)，使港內(nèi)形成交通循環(huán)，優(yōu)化交通條件.但目前對自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)路網(wǎng)的研究仍較少且都是從交通組織的角度，針對路網(wǎng)本身性能的分析仍處于空白.

基于交通工程的二流理論，文中分析了全自動(dòng)集裝箱碼頭路網(wǎng)形態(tài)對集疏運(yùn)交通服務(wù)質(zhì)量的影響，建立了基于二流理論的碼頭陸域集疏運(yùn)交通流模型，提出了一種箱區(qū)垂直布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)路網(wǎng)布置評(píng)價(jià)方法，通過系統(tǒng)仿真初步獲得了相關(guān)參數(shù).

1 自動(dòng)化集裝箱碼頭陸域集疏運(yùn)交接的兩種工藝

1.1 集疏運(yùn)卡車倒車式交接工藝

圖1為倒車式交接工藝及平面布置，堆場末端布置有倒車裝卸區(qū)，集卡倒車后，集裝箱自然形成為堆場集裝箱擺放方向[5].

圖1 倒車式交接工藝與平面布置

工藝過程為：集疏運(yùn)卡車行駛到目標(biāo)箱區(qū)，然后倒車進(jìn)入裝卸交接區(qū)，交接裝卸完成后，卡車駛?cè)胄熊嚨离x開.由于該工藝需要增設(shè)倒車區(qū)，故占用碼頭面積較大.當(dāng)然，車的駛?cè)腭偝鲂熊嚨酪矔?huì)影響行車道車流.優(yōu)點(diǎn)是單獨(dú)設(shè)立的倒車裝卸區(qū)減小了車輛裝卸對行車道的影響，且裝卸設(shè)備不需再把集裝箱旋轉(zhuǎn)90°.

1.2 集疏運(yùn)卡車順靠式交接工藝

圖2為順靠式交接工藝及平面布置，交接裝卸道緊靠行車道.工藝過程為：集疏運(yùn)卡車行駛到目標(biāo)箱區(qū)交接裝卸道，交接裝卸完成后，卡車駛?cè)胄熊嚨离x開.由于集裝箱的位置方向與堆場箱區(qū)方向不一致，交接起重機(jī)需要將集裝箱旋轉(zhuǎn)90°才能進(jìn)入堆場.顯然，由于交接裝卸道緊靠行車道，卡車的駛?cè)腭偝鲂熊嚨佬枰獪p速、加速、變道和修正車頭方向，影響行車道車流.如果堆場垂直箱區(qū)寬度過窄，還會(huì)影響相鄰箱區(qū)的集疏運(yùn)卡車進(jìn)入裝卸道.

圖2 順靠式交接工藝與平面布置

以上兩種交接工藝都會(huì)影響集疏運(yùn)道路通行質(zhì)量，影響程度需要進(jìn)行深入分析，才能確定最佳的行車道數(shù)量，設(shè)計(jì)合理的平面布置.

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭陸域集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 基于二流理論的碼頭集疏運(yùn)交通流模型

二流理論將交通流中的車輛分為運(yùn)行和停止兩類，后者包括臨時(shí)裝卸貨、臨時(shí)上下客、紅綠燈、交通擁堵等.對于自動(dòng)化集裝箱碼頭陸域集疏運(yùn)交通流系統(tǒng)，行車道上的集疏運(yùn)車流中既有處于行駛狀態(tài)的車輛，又有減速停車等待裝卸的車輛.

基于二流理論，針對自動(dòng)化集裝箱碼頭陸域集疏運(yùn)作業(yè)交通流特點(diǎn)，做出以下假設(shè)：集疏運(yùn)卡車平均行駛速度vr與路網(wǎng)中處于行駛狀態(tài)的車輛所占比重fr成比例.

由假設(shè)可得：

(1)

式中：Vm為路網(wǎng)中集疏運(yùn)車輛平均最大運(yùn)行速度(集疏運(yùn)時(shí)，Vm一般為0.50～0.58 km/min)；n為集疏運(yùn)交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù).

平均速度V可以定義為Vrfr，于是

(2)

式(2)的邊界條件為當(dāng)fr=1 時(shí)，V=Vm；當(dāng)fr=0時(shí)，V=0.

設(shè)Tr為每單位距離的外集卡道路行駛時(shí)間.

(3)

則外集卡碼頭內(nèi)的滯留時(shí)間T為

T=Tr+Ts

(4)

將式(3)代入式(4)，得

(5)

外集卡在碼頭內(nèi)的滯留時(shí)間決定碼頭集疏運(yùn)效率.通過以上推算，影響自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)效率的因素主要有集疏運(yùn)路網(wǎng)性能和外卡等待裝卸的停止時(shí)間.對于自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)系統(tǒng)，行車道上車輛平均最大運(yùn)行速度Vm為定值，故路網(wǎng)性能可以通過集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)n來評(píng)價(jià)，n值越小，隨著fr的減小，Tr的增長越緩慢，即交通流量的增大對路網(wǎng)環(huán)境的影響越小.n值決定集裝箱碼頭路網(wǎng)對集疏運(yùn)高峰期作業(yè)的承受能力.而外集卡等待裝卸的停止時(shí)間Ts則取決于堆場裝卸設(shè)備的工作效率和碼頭生產(chǎn)組織策略.

2.2 集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

為探究碼頭集疏運(yùn)路網(wǎng)形態(tài)與集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系，建立集疏運(yùn)交通質(zhì)量評(píng)價(jià)公式，擬參考城市交通兩相流理論中關(guān)系模型，根據(jù)場橋與集疏運(yùn)卡車的交接工藝、堆場箱區(qū)平面布置尺寸、場橋裝卸效率和行車道數(shù)量等碼頭集疏運(yùn)路網(wǎng)形態(tài)參數(shù)，建立如下模型.

n=k0+k1X1+k2X2+k3X3

(6)

式中:k0取決于自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場陸側(cè)交接工藝；X1為箱區(qū)寬度，m；X2為場橋工作循環(huán)時(shí)間，min；X3為行車道數(shù)量，條；k1,k2,k3值為回歸系數(shù).

由于實(shí)際情況下，碼頭集疏運(yùn)交通流相關(guān)參數(shù)的獲取比較復(fù)雜，本文擬采用仿真建模的方法采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法.

3 自動(dòng)化集裝箱碼頭陸域集疏運(yùn)系統(tǒng)仿真模型

3.1 集疏運(yùn)裝卸工藝的概念模型

Petri網(wǎng)能夠?qū)哂胁l(fā)性、異步新、分布式、非確定性系統(tǒng)進(jìn)行有力描述[6]，由于箱區(qū)垂直布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)系統(tǒng)具有以上特點(diǎn)，因此可用Petri網(wǎng)理論描述集疏運(yùn)系統(tǒng)的作業(yè)流程.集箱子系統(tǒng)層的對象模型見圖3.

圖3 集箱子系統(tǒng)層對象模型

根據(jù)集箱子系統(tǒng)層的對象模型，其動(dòng)態(tài)模型見圖4.

圖4 集箱子系統(tǒng)層動(dòng)態(tài)模型

3.2 集疏運(yùn)道路交通模型

3.2.1集疏運(yùn)道路的路段模型

自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場的布置與傳統(tǒng)碼頭有很大的不同，垂直岸線布置的堆場將碼頭前沿裝卸車輛與后方集疏運(yùn)車流自然分離，使得所有集疏運(yùn)車輛均在場陸側(cè)后方的一條主干道上行駛.特種箱堆場一般布置在自動(dòng)化堆場后方，其裝卸車道與集疏運(yùn)主干道形成交叉，將其分為多個(gè)路段.為優(yōu)化集疏運(yùn)交通條件、簡化港內(nèi)交通組織，自動(dòng)化集裝箱碼頭的車道一般為單向車道，使港內(nèi)形成交通循環(huán)[7].自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)主干道道路路段簡圖見圖5.

圖5 自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)主干道道路路段示意圖

3.2.2車輛行駛規(guī)則

自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)時(shí)，交通流特點(diǎn)為外集卡行駛速度較低且目標(biāo)車道明確.外集卡進(jìn)入集卡交接區(qū)進(jìn)行裝卸作業(yè)之前始終維持原車道，直至將要到達(dá)目標(biāo)堆場時(shí)開始變換車道；外集卡完成裝卸作業(yè)駛出集卡交接區(qū)之后即具有換車道需求，直至駛?cè)肽繕?biāo)車道.

4 兩種交接工藝及平面布置方式的陸域集疏運(yùn)仿真試驗(yàn)

4.1 仿真模型建立

碼頭設(shè)計(jì)年吞吐量為160萬TEU，垂直岸線布置的堆場總長788 m，由22列寬度均為32 m的箱區(qū)組成，每隔兩個(gè)箱區(qū)均設(shè)有一條寬為4 m的消防通道.碼頭進(jìn)出閘口分離式布置，堆場陸側(cè)布置4條右行單向車道.采用倒車式交接工藝時(shí)，堆場采用“接力式ARMG”的裝卸工藝，其工作循環(huán)時(shí)間約為均值為7.26 min的均勻分布；采用順靠式交接工藝時(shí)，堆場采用“ARMG+軌道式平板小車+交接起重機(jī)”的裝卸工藝，其工作循環(huán)時(shí)間約為均值為4.64 min的均勻分布，此時(shí)路網(wǎng)中與堆場相鄰的一條行車道需作為裝卸道使用.

4.2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以四種影響因素為變量，設(shè)計(jì)14組仿真試驗(yàn)，見表1.每組試驗(yàn)的試驗(yàn)工況均為高峰期作業(yè)，仿真試驗(yàn)時(shí)間長度為7 d，仿真時(shí)間單位為min(共計(jì)10 080 min).

表1 仿真試驗(yàn)分組

本次仿真試驗(yàn)，主要統(tǒng)計(jì)外集卡的正常行駛時(shí)間與處于行駛狀態(tài)的外卡車輛所占比重，從而根據(jù)式(3)推算出不同試驗(yàn)組次的行車道交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)n，進(jìn)而得出自動(dòng)化集裝箱碼頭集疏運(yùn)交通流質(zhì)量計(jì)算公式，評(píng)價(jià)集疏運(yùn)交通流質(zhì)量.順靠式交接工藝的碼頭，參照行車道上的行駛速度，取0.50 km/min；倒車式交接工藝的碼頭，考慮其倒車操作，取0.38 km/min.

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.3.1倒車式交接工藝集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

倒車式交接工藝的自動(dòng)化集裝箱碼頭各組試驗(yàn)所得外集卡的正常行駛時(shí)間與堆場工作的裝卸設(shè)備所占比重及交通質(zhì)量參數(shù)值，見表2.

表2 倒車式交接碼頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)及交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

.492 2+0.002 6X1-

0.033 8X2-0.022 5X3

(7)

對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)：

.004 37

(8)

(9)

QB=QT-QA=0.004 22

(10)

(11)

因當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.025(3,3)=15.44；當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)0.05(3,3)=9.28，f=28.13>F0.025(3,3)，故認(rèn)為式(7)的線性回歸方程是顯著的.

對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

.007 1

(12)

C=(XTX)-1=

(13)

.602 8-0.035X2-0.026 2X3

(14)

由式(14)可知，對于倒車式交接工藝的自動(dòng)化集裝箱碼頭，場橋的工作循環(huán)時(shí)間與行車道數(shù)量是影響集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量的主要因素，且值始終維持在較低的水準(zhǔn)，其原因是倒車區(qū)緩解了車輛駛?cè)腭偝鲅b卸區(qū)時(shí)對行車道車輛的影響.

4.3.2順靠式交接工藝集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

順靠式交接工藝的自動(dòng)化集裝箱碼頭各組試驗(yàn)所得外集卡的正常行駛時(shí)間與堆場工作的裝卸設(shè)備所占比重及交通質(zhì)量參數(shù)值，見表3.

表3 順靠式交接碼頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)及交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

(15)

同式(8)～(11)，對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得F=13.11.因當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.025(3,3)=15.44；當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)0.05(3,3)=9.28.在水平α=0.05時(shí)，f=39.17F0.05(3,3)，回歸方程是顯著不為零.

同式(12)～(13)，對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得t1=0.805 0；t2=-5.306 1；t3=-3.235 7.查表可得：當(dāng)α=0.05時(shí)，t0.025(3)=3.182 4，α=0.1時(shí)，t0.05(3)=2.353 4，系數(shù)X1均顯著為零，X2,X3均顯著不為零.

通過以上顯著檢驗(yàn)，式(15)回歸方程的顯著性為零，而三個(gè)回歸系數(shù)中有兩個(gè)顯著不為零，造成這種現(xiàn)象的原因是樣本的容量不足，故添加試驗(yàn)組次見表4，仿真試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見表5.

表4 添加試驗(yàn)組

表5 添加試驗(yàn)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及交通服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

.506 6+0.028 4X1-

0.165 2X2-0.042 8X3

(16)

同式(8)～(11)，對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得F=19.52.因當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.025(3,7)=14.62；當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)0.05(3,7)=8.89，f=19.52>F0.025(3,3)，故認(rèn)為式(16)的線性回歸方程是顯著的.

同式(12)～(13)，對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得t1=2.455 0；t2=-6.545 0；t3=-2.490 3.查表可得：當(dāng)α=0.05時(shí)，t0.025(7)=2.364 6，α=0.1時(shí)，t0.05(7)=1.894 6，三個(gè)系數(shù)均顯著不為零，各回歸變量作用是顯著地，式(16)檢驗(yàn)通過.

由式(16)可知，對于順靠式交接工藝的自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場寬度、場橋工作循環(huán)時(shí)間、行車道數(shù)量均對集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且場橋工作循環(huán)時(shí)間對服務(wù)質(zhì)量的影響要遠(yuǎn)大于其余兩個(gè)因素.其原因?yàn)椋?dāng)場橋的工作循環(huán)時(shí)間縮短時(shí)，堆場裝卸效率提高，進(jìn)出裝卸車道的車輛之間干擾更為頻繁.

5 結(jié) 論

1) 對于采用倒車式交接的自動(dòng)化集裝箱碼頭，其場橋的工作循環(huán)時(shí)間與行車道數(shù)量是影響集疏運(yùn)路網(wǎng)交通服務(wù)質(zhì)量的主要因素，且由于倒車裝卸區(qū)的緩沖作用使其交通服務(wù)質(zhì)量始終優(yōu)于采用順靠式交接的碼頭.

2) 由于場橋作業(yè)效率的提高使進(jìn)出裝卸車道的車輛間的干擾更為頻繁，場橋工作循環(huán)時(shí)間對采用順靠式交接的自動(dòng)化集裝箱碼頭的交通服務(wù)質(zhì)量的影響要遠(yuǎn)大于其余因素.