基于eM-Plant的某集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)仿真評估

余 政，唐勤華

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

集裝箱運(yùn)輸是一種高效、快捷的運(yùn)輸方式，需要碼頭在短時(shí)間內(nèi)接納大量集裝箱的進(jìn)出。如果港區(qū)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，勢必造成港口的堵塞和混亂[1]。采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)驗(yàn)證碼頭在一定的設(shè)備資源條件下的生產(chǎn)能力、驗(yàn)證閘口車輛等待時(shí)間和排隊(duì)長度、分析評價(jià)港口交通路網(wǎng)的合理性、預(yù)演碼頭作業(yè)計(jì)劃并分析可能出現(xiàn)的問題等，能夠在工程規(guī)劃初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行針對性的優(yōu)化，確保工藝系統(tǒng)的合理性。阿布扎比哈里發(fā)港集裝箱碼頭二期項(xiàng)目采用堆場自動化工藝系統(tǒng)，自動化程度較高，碼頭中轉(zhuǎn)量大，交通組織復(fù)雜，如何優(yōu)化工藝布置、合理配置設(shè)備、保障交通舒暢，盡可能充分發(fā)揮裝卸系統(tǒng)效率，保證整個(gè)港區(qū)運(yùn)作流暢、高效是工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過模擬仿真驗(yàn)證該項(xiàng)目工藝系統(tǒng)合理性，同時(shí)在設(shè)備調(diào)度和交通管理等方面給出操作建議，對營運(yùn)方有針對性地進(jìn)行生產(chǎn)管理和實(shí)現(xiàn)港區(qū)裝卸系統(tǒng)高效運(yùn)行具有重要的意義。

1 仿真系統(tǒng)簡介

自動化碼頭仿真系統(tǒng)基于PlantSimuation(eM-Plant)二次開發(fā)建立。eM-Plant是以色列Tecnomatix公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的仿真軟件系統(tǒng)，主要用于離散事件系統(tǒng)的仿真。它采用面向?qū)ο蠼?object-oriented modeling)的編程方法，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活、使用方便。自動化碼頭仿真系統(tǒng)按照參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，以盡可能真實(shí)地反映實(shí)際生產(chǎn)為開發(fā)原則，主要包括仿真輸入、生產(chǎn)控制、仿真驅(qū)動、仿真評價(jià)4大模塊[2]。

1)仿真輸入模塊。主要功能是仿真系統(tǒng)的定義，包括碼頭平面布局定義、設(shè)備配置定義和各類概率分布定義。

2)生產(chǎn)控制模塊。主要功能是實(shí)現(xiàn)碼頭作業(yè)計(jì)劃的制定和作業(yè)任務(wù)的發(fā)布與執(zhí)行。該模塊主要包括靠泊計(jì)劃、裝卸計(jì)劃、長度計(jì)劃、任務(wù)發(fā)布、設(shè)備調(diào)度、路徑選擇和設(shè)備作業(yè)。

3)仿真驅(qū)動模塊。主要功能是依據(jù)設(shè)定的仿真步長，推動仿真過程中各類事件的發(fā)生。該模塊主要包括推進(jìn)步長、船舶到達(dá)和外集卡到達(dá)。

4)仿真評價(jià)模塊?？梢栽谠O(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)或是在設(shè)定的事件范圍內(nèi)，對所關(guān)心事件的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輸出系統(tǒng)評價(jià)。仿真評價(jià)模塊包括設(shè)備作業(yè)效率(岸橋效率、場橋效率、集卡效率和閘口效率)、設(shè)備配置、排隊(duì)堵塞和能耗統(tǒng)計(jì)。

2 仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，碼頭年設(shè)計(jì)吞吐量為250萬TEU，設(shè)計(jì)碼頭岸線長約1 200 m，可同時(shí)靠泊3條14.6萬t集裝箱船舶，最大泊位可?？?00 m長、59 m寬、16 m吃水深度的大型集裝箱船舶。岸邊配置12臺岸橋，布置32個(gè)自動化箱區(qū)，箱區(qū)內(nèi)配置1臺單懸臂ARMG(自動化軌道吊)，3個(gè)空箱堆場，配置5臺空箱堆高機(jī)和1臺叉車。裝卸船舶時(shí)每臺岸橋配置4～6臺集卡。普通重箱堆高5層，空箱堆場堆高7層，冷藏箱堆高4層。碼頭總體布局仿真模型如圖1所示，其中道路交接處為道口模塊[3]。

圖1 碼頭總體布局仿真模型

3 仿真分析

3.1 碼頭整體作業(yè)能力仿真分析

碼頭總體能力仿真分析，主要是在假定岸橋設(shè)計(jì)作業(yè)效率(機(jī)械最高裝卸效率)的前提下，綜合考慮碼頭現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，模擬整個(gè)碼頭作業(yè)，以評估碼頭實(shí)際能支撐的岸橋真實(shí)裝卸效率，進(jìn)而評估碼頭的年吞吐能力。

設(shè)計(jì)方案考慮3個(gè)泊位，每個(gè)泊位配置4臺岸橋。岸橋設(shè)計(jì)效率及集卡配置數(shù)量為仿真輸入的主要變量，據(jù)此設(shè)置8組工況(表1)。

表1 仿真工況

根據(jù)仿真輸出各工況下岸橋?qū)嶋H效率(圖2)，當(dāng)岸橋機(jī)械效率不變時(shí)，集卡配置數(shù)量提高對岸橋?qū)嶋H效率影響較大；當(dāng)集卡配置數(shù)量固定、提高岸橋機(jī)械效率時(shí)，岸橋?qū)嶋H效率有所提高，但提高幅度較小。

圖2 各工況下岸橋?qū)嶋H效率

根據(jù)仿真輸出各工況下預(yù)計(jì)吞吐量(圖3)，配置方案E-45-1-6，即岸橋機(jī)械效率為45 moveh，每臺岸橋配置6臺集卡，可實(shí)現(xiàn)岸橋?qū)嶋H效率31.3 moveh，約為47.0自然箱h，碼頭年吞吐能力達(dá)到256.10萬TEU，滿足250萬TEU的設(shè)計(jì)能力需求。

圖3 各工況下預(yù)計(jì)吞吐量

3.2 水平運(yùn)輸能力仿真分析

水平運(yùn)輸能力仿真主要針對港區(qū)內(nèi)各道路交叉路口通過車輛情況進(jìn)行模擬，反映各交叉口的繁忙程度和交通壓力。在正常情況下(1倍外集卡到達(dá)強(qiáng)度)，在24 h內(nèi)通過車輛排名前5的路口車輛統(tǒng)計(jì)見表2，其位置標(biāo)識見圖4。

表2 1倍外集卡強(qiáng)度下排名前5路口車輛數(shù)

圖4 交叉口通過車輛數(shù)排名前5的位置標(biāo)識

通過仿真可知，車流量較大的交叉口主要分布于外集卡進(jìn)出碼頭主干道上以及船舶裝卸作業(yè)時(shí)內(nèi)集卡進(jìn)出泊位路口。

3.3 箱區(qū)極限裝卸能力仿真分析

自動化堆場共布置32個(gè)自動化箱區(qū)(分別為A1～A8、B1～B8、C1～C8、D1～D8)，各箱區(qū)內(nèi)配置1臺單懸臂ARMG。箱區(qū)極限裝卸能力仿真主要分兩種工況，主要差異為場橋起升機(jī)構(gòu)吊具下的空載和滿載速度[4]。工況1場橋起升機(jī)構(gòu)吊具下重載起升速度60 mmin，空載起升速度30 mmin；工況2場橋起升機(jī)構(gòu)吊具下重載起升速度90 mmin，空載起升速度45 mmin。同時(shí)考慮搗箱率為45%。

為分析箱區(qū)裝卸能力極限，須做如下假設(shè)：

1)所有任務(wù)集卡都能準(zhǔn)時(shí)到位，即無集卡延誤；

2)每次任務(wù)集裝箱裝卸位置隨機(jī)指派，即隨機(jī)指派取放箱的貝、排、層；

3)作業(yè)過程按照指定概率決定是否發(fā)生翻倒箱操作；

4)平均一次翻倒箱操作耗時(shí)60 s；

5)兩貝間距6.5 m，兩排間距2.8 m，層高2.4 m，每次場橋需要起升至13 m高度。

經(jīng)仿真分析，工況1各箱區(qū)極限裝卸能力如圖5a)所示，各箱區(qū)極限裝卸能力分布在45～49自然箱h，均值約為46.4自然箱h，已實(shí)現(xiàn)較高箱區(qū)作業(yè)效率；工況2各箱區(qū)極限裝卸能力如圖5b)所示，各箱區(qū)極限裝卸能力分布在56.12～60.41自然箱h，均值約為58.6自然箱h，箱區(qū)作業(yè)效率約提升25%。

圖5 箱區(qū)極限能力

3.4 閘口通過能力仿真分析

閘口按分離式進(jìn)、出港閘口布置，均設(shè)置2道卡口。第1道卡口為智能化閘口，進(jìn)港集卡通過該智能卡口進(jìn)行預(yù)檢，完成車號識別、箱號識別及驗(yàn)殘等信息的采集；車輛預(yù)檢完成后，經(jīng)第2道主閘口進(jìn)入港區(qū)[5]。進(jìn)、出港主閘口分別設(shè)置7條集卡車道數(shù)，進(jìn)、出港智能化閘口分別設(shè)置3條集卡車道數(shù)。

經(jīng)仿真模擬，在正常情況下(1倍外集卡到達(dá)強(qiáng)度)，外集卡進(jìn)出智能化閘口時(shí)不須排隊(duì)，進(jìn)出主閘口時(shí)須排隊(duì)。

仿真輸出外集卡進(jìn)主閘口排隊(duì)情況如圖6所示。在1倍外集卡到達(dá)強(qiáng)度下，有37.9%外集卡無須排隊(duì)即可直接進(jìn)入碼頭，58.0%外集卡須等待1輛集卡，4.1%外集卡須等待2輛集卡，只有0.1%外集卡須等待3輛集卡。外集卡進(jìn)閘過程中，最大通過時(shí)間為425 s，最小通過時(shí)間為44 s，中位數(shù)在99 s，平均通過時(shí)間112 s。

圖6 外集卡進(jìn)主閘口排隊(duì)情況

仿真輸出外集卡出主閘口排隊(duì)情況如圖7所示。56.5%外集卡須等待1輛集卡，5.3%外集卡須等待2輛集卡，只有0.1%外集卡須等待3輛集卡。外集卡出閘過程中，最大通過時(shí)間為469 s，最小通過時(shí)間為52 s，中位數(shù)在105 s，平均通過時(shí)間122 s。

圖7 外集卡出主閘口排隊(duì)情況

4 結(jié)語

1)仿真分析表明，設(shè)計(jì)方案的碼頭通過能力能夠滿足吞吐量的需求，岸橋和場橋的效率、主要道路及閘口交通壓力等主要指標(biāo)基本在合理范圍之內(nèi)。

3) 外集卡到達(dá)高峰時(shí)段在港區(qū)主要路口易發(fā)生擁堵，須加強(qiáng)管理保障這些路口的交通通行能力。

4) 自動化箱區(qū)在每箱區(qū)配置單個(gè)場橋情況下，當(dāng)場橋大車速度為120 mmin，重載起升速度60 mmin，空載起升速度30 mmin，即可滿足較高箱區(qū)作業(yè)效率。

5) 設(shè)計(jì)方案正常情況下能滿足外集卡作業(yè)強(qiáng)度要求，在條件允許的情況下建議適當(dāng)增加1～2個(gè)主閘口，以緩解特殊情況下外集卡集中到達(dá)時(shí)的排隊(duì)問題。