雙小車岸橋裝卸作業(yè)仿真與效率分析

肖 攀 舒 帆 金 毅

1 上海海事大學物流工程學院 2 上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

雙小車岸橋相較于傳統(tǒng)岸橋擁有更高的裝卸效率，是自動化碼頭較常采用的主要岸邊裝卸設備，其作業(yè)效率在實際操作中受到如雙小車岸橋本身的結構參數(shù)、小車的運行參數(shù)、雙小車之間的協(xié)同策略等多種因素的影響。國內(nèi)外學者從不同角度對雙小車岸橋的安全、效率等問題展開了研究。

陳建明[1]等分解主小車作業(yè)流程，逐步統(tǒng)計分析作業(yè)時間，從設備、系統(tǒng)等方面提出自動化碼頭雙小車岸橋主小車作業(yè)效率優(yōu)化方案。王駿[2]等在一般作業(yè)流程和特殊工況作業(yè)流程下，分別描述主小車與門架小車進出中轉(zhuǎn)平臺的邏輯，對其進行合理化安全管控，提高主小車與門架小車協(xié)同配合，提高岸橋作業(yè)效率。施建華[3]等以LBCT港自動化集裝箱碼頭為例，介紹自動化岸橋的作業(yè)流程，分析了ECS、TPC、LPS、SPS等自動化岸橋的主要系統(tǒng)任務，可實現(xiàn)LBCT港岸橋高效率作業(yè)。金如新[4]等針對雙小車岸橋自動化裝卸作業(yè)，從工作流程入手，對主小車及門架小車的關鍵技術展開討論，并為提高作業(yè)效率提供參考意見。王延春[5]從碼頭運作模式、雙小車岸橋作業(yè)模式與效率兩方面對中轉(zhuǎn)平臺布置位置進行分析，得出中轉(zhuǎn)平臺布局在陸側下橫梁陸側位置最佳。張曉龍[6]等考慮如何布置中轉(zhuǎn)平臺來保證岸橋裝卸效率，分析國內(nèi)外典型自動化碼頭雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺布置案例，從整體布置、作業(yè)路徑規(guī)劃等方面優(yōu)化創(chuàng)新。法戰(zhàn)成[7]等以青島港自動化碼頭為例，建立自動化碼頭橋吊安全作業(yè)系統(tǒng)，實時監(jiān)控船舶高度變化量，將岸橋吊具控制在合理范圍內(nèi)，避免吊具過高導致作業(yè)效率下降。Liu[8]等開發(fā)雙小車岸橋的優(yōu)化設計軟件平臺，以重點數(shù)值方法實現(xiàn)了輕量化設計思想，通過數(shù)值分析，為推動岸橋輕量化設計和安全性評價提供了理論和技術支持。

還有研究著眼于優(yōu)化算法以解決雙小車岸橋的調(diào)度問題。馬孫豫等[9]以AGV調(diào)度問題和卸船作業(yè)結束時間最小化為目標建立混合整數(shù)規(guī)劃模型，運用多層編碼粒子群算法(PSO)求解自動化集裝箱碼頭雙小車岸橋和AGV的協(xié)同調(diào)度，以提高碼頭作業(yè)效率。Tang[10]考慮集裝箱的堆存位置的分配，提出多目標混合整數(shù)編程模型，提供近似最優(yōu)解的模擬退火算法(SAA)，致力于最小化岸橋等待時間與AGV作業(yè)時間。Zhang[11]考慮裝卸過程中船舶的穩(wěn)定性，建立了有穩(wěn)定性約束的岸橋調(diào)度優(yōu)化模型，以啟發(fā)式算法修復違反穩(wěn)定性約束的調(diào)度序列。Liang[12]考慮岸橋調(diào)度配置優(yōu)化問題，以任務的最早作業(yè)時間與要求完工時間，建立岸橋配置和調(diào)度優(yōu)化模型，用循環(huán)迭代方法求解每個時間窗內(nèi)岸橋調(diào)度方案。

此外，仿真方法也適用于岸橋作業(yè)的分析和評價。周鵬飛[13]等建立4種新型岸橋裝卸系統(tǒng)仿真模型，仿真分析在不同設備配置工況下的裝卸效率，岸橋與行車參數(shù)的影響因素，為集裝箱新型岸橋裝卸系統(tǒng)的選型提供參考。李鋒[14]等分析雙小車岸橋作業(yè)路徑，建立岸橋作業(yè)仿真模型，結合實例，對主小車及門架小車速度參數(shù)進行優(yōu)化配置。王旭[15]等研究自動化碼頭岸橋調(diào)度問題，建立岸橋卸船作業(yè)仿真優(yōu)化模型，設計了一種基于雙鏈分子結構的化學反應算法，分別為任務的優(yōu)先關系和為任務分配的岸橋序列，采用離散時間動態(tài)仿真，驗證模型和算法的有效性。

2 雙小車岸橋作業(yè)流程及效率影響因素分析

2.1 雙小車岸橋作業(yè)流程

與常規(guī)集裝箱岸橋相比，雙小車岸橋配備2臺自行式起重小車，1臺為主小車、另1臺為門架小車。在靠陸側設置擁有2個集裝箱箱位的中轉(zhuǎn)平臺，對集裝箱進行暫時的存放和相應的操作。主小車運行軌道在大梁上，門架小車運行軌道在門框連接梁上，2輛小車圍繞中轉(zhuǎn)平臺進行接力式作業(yè)。以卸船作業(yè)為例，雙小車岸橋的主小車將集裝箱從船上吊運至中轉(zhuǎn)平臺的箱位上，然后返回至船舶吊運下一個集裝箱；而門架小車則將中轉(zhuǎn)平臺箱位上的集裝箱吊運到自動導引車(AGV)上。由門架小車與AGV對接，確保主小車盡可能處在持續(xù)的作業(yè)狀態(tài)中。此外，中轉(zhuǎn)平臺上則進行拆裝鎖鈕的操作。

2.2 雙小車岸作業(yè)效率影響因素分析

由于是雙小車接力作業(yè)，所以雙小車岸橋的效率除了取決于主小車、門架小車自身的影響因素外，還取決于兩小車之間的協(xié)同程度。

從裝卸作業(yè)的流程分析入手，主小車從船上獲取集裝箱，作業(yè)路徑取決于船型大小以及船上箱位的分布情況，而門架小車作業(yè)路徑相對固定。在集裝箱船的某個貝位中，每個箱位對應的主小車作業(yè)路徑也不相同，當集裝箱越靠近陸側區(qū)域，越位于船舶的上方，主小車作業(yè)距離相對較短，反之亦然。小車的作業(yè)路徑中，與雙小車岸橋自身的結構也密切相關，中轉(zhuǎn)平臺的高度、位置都會對作業(yè)效率產(chǎn)生影響。此外，小車的速度對效率也產(chǎn)生直接的影響。

除小車自身的作業(yè)路徑、運行速度之外，由于2臺小車都是圍繞中轉(zhuǎn)平臺進行作業(yè)，所以存在資源的占用沖突，即2臺小車之間的協(xié)同問題，兩小車之間的協(xié)同策略對安全、效率都會產(chǎn)生連鎖影響。

因此，在不考慮集裝箱碼頭其他設備與岸橋配合的前提下，雙小車岸橋的作業(yè)效率受任務類型(船舶位置、操作難度等)、岸橋結構、小車速度、平臺拆裝鎖鈕等情況及雙小車之間協(xié)同策略的綜合影響，借助仿真模型對其進行分析和評估是一種有效的方法。

3 雙小車岸橋作業(yè)仿真模型建立

應用Plant Simulation仿真軟件，在分析雙小車岸橋工作流程和小車間協(xié)同策略的前提下，構建雙小車岸橋作業(yè)仿真模型，利用3D編輯器功能，實現(xiàn)雙小車岸橋的三維可視化。

3.1 仿真模型的假設

研究雙小車岸橋作業(yè)仿真模型有如下假設：

(1)模型暫不考慮岸橋大車移動，即測試單倍作業(yè)效率。

(2)模型不考慮岸橋與水平運輸機械的耦合情況，即假設水平運輸機械(如AGV、無人集卡等)能夠及時地服務于岸橋。

(3)模型模擬單起升作業(yè)，箱型為40 ft箱，但不考慮雙40 ft箱作業(yè)工況。

(4)中轉(zhuǎn)平臺按照先進先出的服務規(guī)則。

(5)假定卸載一個船舶貝位的集裝箱時按層卸船，即一層集裝箱全部卸完，再卸下一層。

3.2 仿真模型的框架搭建

結合雙小車岸橋的工藝流程，其仿真模型由4個模塊組成(各模塊建模對象的結構、邏輯關系等不盡相同)——主小車、門架小車、岸橋結構、集裝箱船；4個模塊分別在3個框架中構建：岸橋結構以Buffer的形式在主框架中構建，門架小車在獨立框架中構建，為了使主小車軌道及集裝箱船的中心線對齊，主小車及集裝箱船2個模塊共同在同一獨立框架中構建；各模塊均先在二維框架中建立，再轉(zhuǎn)換成三維模式進行完善；最后將2個獨立框架拖入二維主框架中，打開二維主框架連接的3D視圖，在3D視圖中拼接各模塊。所建框架之間的關系見圖1。在主框架的3D視圖里將主小車及門架小車2個子框架及岸橋結構水平對齊拼接，即得到雙小車岸橋3D模型(見圖2)。

圖1 模型框架關系圖

圖2 雙小車岸橋三維模型

3.3 仿真模型的實現(xiàn)及驗證

仿真模型最終依靠物流對象的設置及其運動控制來實現(xiàn)，即合理設置物流對象及編寫方法用于控制運動對象。

以門架小車為例，設置主要的物流對象為Track、Transporter、Hook、Buffer、Drain。設置Track來表示門架小車的運行軌道；設置Transporter、Hook表示門架小車的運動和起升機構；設置Buffer表示中轉(zhuǎn)平臺的容量；設置Drain模擬落箱至AGV等水平運輸設備上。相應地，要編寫Method來控制物流對象的運作，表1中列出了模型編寫的主要方法。

表1 控制物流對象的主要方法

門架小車的對象及控制方法建模見圖3。其他對象的建模方式類同，不再贅述。

圖3 門架小車仿真模塊

雙小車岸橋仿真的進一步實現(xiàn)依托于雙小車之間的協(xié)同策略，依舊以門架小車為例，門架小車在初始位置生成，以空載速度向中轉(zhuǎn)平臺方向移動，在距離中轉(zhuǎn)平臺固定位置處(一般取8 m)觸發(fā)軌道上的傳感器，判斷中轉(zhuǎn)平臺上是否有集裝箱，若沒有集裝箱，則門架小車一直等候在中轉(zhuǎn)區(qū)外；若有，則當主小車完全離開中轉(zhuǎn)區(qū)，門架小車進入中轉(zhuǎn)區(qū)取箱，將重載集裝箱吊運至AGV對象處。按照該協(xié)同策略運行仿真系統(tǒng)，得到雙小車岸橋的各項輸出參數(shù)(見表2)。

表2 常規(guī)策略下岸橋性能指標

表2中的平均單箱作業(yè)時間是單倍集裝箱全部完成時間與集裝箱箱數(shù)的比值。第2、3列的等待時間指集裝箱在中轉(zhuǎn)平臺的等待時間。第4、5列的單次作業(yè)時間是針對門架小車的時間。經(jīng)測試，在卸載1個貝位集裝箱的作業(yè)規(guī)模下，平均單箱作業(yè)時間接近實際生產(chǎn)，驗證雙小車岸橋仿真模型的合理性。

4 雙小車岸橋裝卸效率仿真分析

基于上文建立的雙小車岸橋仿真模型，對影響雙小車岸橋裝卸效率的因素進行分析。

4.1 雙小車協(xié)同策略對比分析

傳統(tǒng)調(diào)度策略觸發(fā)某個小車進入中轉(zhuǎn)平臺的時機是固定的，到達位置才能啟動。隨著對雙小車岸橋效率進一步提高的需求，當協(xié)同策略中結合小車的進入或離開趨勢時，即從小車到達指定位置時觸發(fā)判斷變?yōu)樘崆皰呙柚修D(zhuǎn)區(qū)作業(yè)的小車是否有離開的趨勢，從而可以提前判斷，將這種協(xié)同策略定義為動態(tài)策略。

在卸載1個貝位集裝箱的作業(yè)規(guī)模下，通過運行仿真，得到雙小車岸橋在動態(tài)協(xié)同策略下的作業(yè)性能指標值，其與常規(guī)協(xié)同策略的對比見表3。

表3 動態(tài)協(xié)同策略下的岸橋性能指標對比比較

從表3可知，動態(tài)策略下平均單箱等待時間要略小于常規(guī)策略，主要在于常規(guī)策略下小車達到指定位置才開始判斷，導致中轉(zhuǎn)區(qū)一臺小車只有完成作業(yè)狀態(tài)且另一臺正好觸發(fā)判斷時才允許另一臺小車進入，因而集裝箱在中轉(zhuǎn)平臺上等待時間增加，同時也增加了門架小車單次作業(yè)時間。動態(tài)策略下岸橋運作效率有小幅提高，主小車及門架小車忙的概率在動態(tài)策略下稍大，即作業(yè)效率要優(yōu)于常規(guī)策略時的效率。從平均單箱等待時間這個角度，集裝箱在平臺的等待時間有較大幅度的下降，可見動態(tài)策略在一定程度上可以增進兩小車之間的協(xié)同作業(yè)。因此，雙小車岸橋的小車之間在動態(tài)協(xié)同策略下，整體作業(yè)性能要優(yōu)于其在常規(guī)策略下的作業(yè)性能。

4.2 動態(tài)調(diào)度策略下小車速度對比分析

在動態(tài)策略的前提下，以小車速度為變量，分析不同等級的速度參數(shù)配置對雙小車岸橋仿真模型作業(yè)效率的影響。根據(jù)現(xiàn)有雙小車岸橋的技術參數(shù)，將小車速度設為4個等級，取每個等級的平均數(shù)作為模型的速度參數(shù)(見表4)。

表4 兩小車速度參數(shù)配置

在卸載1個貝位集裝箱的作業(yè)規(guī)模下，通過運行仿真，得到了雙小車岸橋在不同速度參數(shù)下的作業(yè)性能(見表5)。4種速度等級下雙小車忙的概率基本相同，即各速度參數(shù)值下主小車和門架小車的作業(yè)效率基本相同。從平均單箱作業(yè)時間、門架小車平均單次作業(yè)時間可知，隨著小車速度的提升，岸橋的運作效率有所提高。

表5 4種速度等級下岸橋作業(yè)性能指標

5 結語

雙小車岸橋的效率是船側效率的關鍵，其受雙小車間協(xié)同策略、設備運行參數(shù)及岸橋自身結構參數(shù)的影響，因此為了評估效率以及其與影響因素之間的關系，利用仿真軟件Plant Simulation對雙小車岸橋裝卸作業(yè)進行三維建模仿真，在驗證其可行性的基礎上，分析了雙小車之間動態(tài)協(xié)同策略對效率的影響，以及動態(tài)協(xié)同下不同小車速度配置對效率的影響。未來，對雙小車岸橋的各類效率影響因素進行不斷地分析和挖掘、對雙小車岸橋的結構進行突破是一種必然趨勢。文中建立的仿真模型和所提出的分析方法對同類研究具有一定的借鑒作用，同時，仿真模型的運行應根據(jù)不同情況進行細化和重新配置。