自動化集裝箱碼頭堆場箱區(qū)布置及交換區(qū)車道配置仿真

彭云 陳磊 李相達 王文淵

摘要：針對自動化集裝箱碼頭的堆場箱區(qū)布置和交換區(qū)車道配置問題，利用多智能體仿真方法構(gòu)建自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，分析不同的堆場箱區(qū)布置和交換區(qū)車道數(shù)量對碼頭吞吐量和服務(wù)水平的影響，并對船舶到港時間間隔與自動導(dǎo)引車（automated guided vehicle， AGV）配置數(shù)量進行敏感性分析。結(jié)果表明，相較于箱區(qū)平行于碼頭岸線布置，箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置的碼頭吞吐量和服務(wù)水平更高。在不同的AGV配置數(shù)量下，通過合理配置交換區(qū)車道可減少AGV的等待時間，提高碼頭吞吐量和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：? 自動化集裝箱碼頭; 堆場平面布置; 交換區(qū)車道配置; 多智能體仿真

中圖分類號：? U656.1+35;U691

文獻標志碼：? A

收稿日期： 2021-03-25

修回日期： 2021-05-08

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃（2020YFE0201200）

作者簡介：

彭云（1988—），女，遼寧鐵嶺人，副教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向為港口規(guī)劃與物流、綠色港口資源優(yōu)化配置與能源調(diào)配，（E-mail）yun_peng@dlut.edu.cn

Meeting of the Waterborne Transport Division， World Transport Convention 2021 （WTC 2021）

Simulation on yard block layout and lane configuration in transfer area of automated container terminals

PENG Yun， CHEN Lei， LI Xiangda， WANG Wenyuan

（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， Liaoning， China）

Abstract： For the issue of the yard block layout and lane configuration in the transfer area of automated container terminals， a multi-agent simulation method is used to construct the simulation model of the automated container terminal operating system. The influence of different yard block layouts and lane number in the transfer area on the terminal throughput and service level is analyzed. The sensitivity analysis for the ship arrival time interval and the number of automated guided vehicles （AGVs） configured is carried out. The results show that the terminal throughput and service level of the block layout vertical to the terminal shoreline are higher than those of the block layout parallel to the terminal shoreline. Under the different number of AGVs configured， the reasonable lane configuration in the transfer area can reduce AGVs waiting time and improve the terminal throughput and service level.

Key words： automated container terminal; yard plane layout; lane configuration in transfer area; multi-agent simulation

0 引 言

自動化碼頭在運行效率、人力成本等方面優(yōu)勢顯著，傳統(tǒng)碼頭自動化改造及新自動化碼頭的建造迅速，如廈門遠海碼頭2016年完成自動化改造，上海洋山深水港四期自動化碼頭2017年12月開港試運營。自動化集裝箱碼頭的平面布置是否合理，是其吞吐量和服務(wù)水平能否進一步提升的重要影響因素。堆場作為集裝箱集中堆存與交接的區(qū)域，是碼頭的重要組成部分，因此對自動化集裝箱碼頭堆場箱區(qū)布置和交換區(qū)設(shè)置進行研究很有必要。

近年來，國內(nèi)外有關(guān)自動化集裝箱碼頭堆場平面布置的研究主要包括箱區(qū)垂直于碼頭岸線與箱區(qū)平行于碼頭岸線布置形式的對比、自動化車輛選擇及其路徑規(guī)劃、自動化場橋配置等的協(xié)同研究。陳曙權(quán)[1]利用Flexsim仿真和數(shù)學(xué)解析方法對廈門遠海自動化碼頭當前的平行式布置與垂直式改進方案進行了仿真對比，并對自動導(dǎo)引車（automated guided vehicle， AGV）的數(shù)量配置進行了優(yōu)化。劉洋等[2]針對具有駁船小港池且江海聯(lián)運占比較高的海港自動化集裝箱碼頭，指出其堆場箱區(qū)平行于碼頭岸線布置的優(yōu)勢。熊玲燕等[3]對幾種自動化碼頭堆場布置模式進行了對比分析。KUMAWAT等[4]開發(fā)了程式化的半開放排隊網(wǎng)絡(luò)模型，用于研究一定的堆場箱區(qū)布局和資源下自動化運輸車輛的選擇對集裝箱碼頭性能的影響。BAE等[5]利用仿真方法分析了不同類型的車輛與不同性能的碼頭起重機結(jié)合使用時的碼頭作業(yè)效率。KEMME[6]通過仿真評估集裝箱碼頭堆場箱區(qū)布置和單箱區(qū)內(nèi)自動化場橋配置對碼頭性能的影響。WANG等[7]以碳排放量最少為目標，從箱區(qū)長度、AGV和外集卡行駛車道數(shù)的角度對典型自動化集裝箱碼頭平面布置進行了優(yōu)化。GUPTA等[8]采用集成排隊網(wǎng)絡(luò)建模方法，研究了在集裝箱碼頭邊裝邊卸工藝下采用自動舉升車（automated lifted vehicle， ALV）時的最佳箱區(qū)平行布局。ALCALDE等[9]考慮堆場擁擠對碼頭性能的影響，提出一個確定最優(yōu)存儲空間利用率的綜合堆場規(guī)劃方法。管政霖[10]采用系統(tǒng)仿真方法，在自動化集裝箱碼頭常見的兩種陸域集疏運裝卸工藝的基礎(chǔ)上研究了集疏運道路區(qū)域交通問題。楊勇生等[11]采用虛擬環(huán)島策略建立仿真模型，比較AGV行駛路徑對自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率的影響，為優(yōu)化碼頭前沿路徑提供了依據(jù)。然而，已有研究未考慮箱區(qū)端裝卸工藝下帶有AGV伴侶緩沖的AGV交換區(qū)車道數(shù)對自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率的影響。本文旨在研究特定裝卸工藝下堆場布置選擇對碼頭吞吐量和服務(wù)水平的影響，綜合考慮AGV伴侶的緩沖作用，分析AGV交換區(qū)車道數(shù)量的最佳配置，通過對AGV數(shù)量等因素進行敏感性分析，厘清AGV交換區(qū)車道數(shù)與AGV數(shù)量的匹配關(guān)系。

自動化碼頭系統(tǒng)的不確定性和隨機性因素較多，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)解析方法難以描述。為此，考慮船舶到港等港口隨機因素和碼頭作業(yè)系統(tǒng)各部分之間的耦合影響，基于多智能體仿真方法構(gòu)建自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，進行碼頭堆場箱區(qū)布置和交換區(qū)車道配置仿真研究。

1 問題描述

自動化集裝箱碼頭堆場主要由箱區(qū)、自動化裝卸設(shè)備和交換區(qū)組成。與端部裝卸作業(yè)形式相匹配，箱區(qū)兩端分別為AGV交換區(qū)和外集卡交換區(qū)，交換區(qū)內(nèi)有若干條車道。綜合考慮當前自動化集裝箱碼頭裝卸工藝的成熟情況和國內(nèi)已建自動化碼頭的實際運營情況，采用“雙小車岸橋+AGV+AGV伴侶+接力式雙自動化軌道吊（automated rail-mounted gantry crane， ARMG）”裝卸工藝。該工藝下AGV交換區(qū)每條車道配有AGV伴侶，可以暫存集裝箱，實現(xiàn)AGV與ARMG的解耦，會對碼頭作業(yè)效率產(chǎn)生一定影響。為此，本研究中堆場平面布置方案主要從堆場箱區(qū)布置形式和AGV交換區(qū)車道數(shù)兩個方面考慮。

1.1 堆場箱區(qū)布置形式

自動化集裝箱碼頭堆場箱區(qū)主要有兩種布置形式：垂直于碼頭岸線布置形式和平行于碼頭岸線布置形式，見圖1。

箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置形式：海側(cè)為AGV交換區(qū)，陸側(cè)為外集卡交換區(qū)，水平運輸設(shè)備均不能進入箱區(qū)內(nèi)部，保證了ARMG在箱區(qū)內(nèi)部的高效作業(yè);AGV行駛區(qū)采用夾層式布局，AGV行駛路徑為回字形，以泊位為單位形成環(huán)路，泊位間連通;AGV行駛路徑中間是緩沖區(qū)，主要由AGV停車位構(gòu)成，為處于空閑狀態(tài)的AGV提供臨時停放空間。

箱區(qū)平行于碼頭岸線布置形式：每個泊位的后方箱區(qū)平行于岸線布置;兩個泊位后方箱區(qū)的外集卡交換區(qū)相向布置，AGV交換區(qū)分布在不同側(cè);AGV行駛路徑以泊位為單位形成“L”形環(huán)路，泊位間連通;其他布置與垂直于碼頭岸線布置形式的相同。

1.2 AGV交換區(qū)車道數(shù)

箱區(qū)端部通常設(shè)有交換區(qū)，交換區(qū)內(nèi)布置一定數(shù)量的車道，如圖1所示。其中，AGV交換區(qū)車道內(nèi)布置有AGV伴侶，可輔助完成AGV與ARMG的交接箱作業(yè)，實現(xiàn)AGV水平運輸與ARMG裝卸作業(yè)的解耦。當AGV交換區(qū)車道數(shù)過少時，AGV在箱區(qū)側(cè)的等待時間會增加;當AGV交換區(qū)車道數(shù)過多時，AGV在岸橋側(cè)的等待時間會增加，即AGV交換區(qū)車道數(shù)會對自動化碼頭水平運輸系統(tǒng)和箱區(qū)裝卸作業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為此，需要合理配置AGV交換區(qū)車道數(shù)，在減少AGV等待時間的同時達到提高碼頭作業(yè)效率的最大效果。

2 自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模型

2.1 模型假設(shè)

不考慮AGV行駛過程中的擁堵和碰撞;集裝箱均為20英尺（1英尺=0.304 8 m）標準箱;不考慮箱區(qū)內(nèi)翻倒箱作業(yè)。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 模型邏輯流程分析

自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)可分為4個子系統(tǒng)：岸邊裝卸子系統(tǒng)、水平運輸子系統(tǒng)、箱區(qū)裝卸子系統(tǒng)和后方集疏運子系統(tǒng)。岸邊裝卸子系統(tǒng)主要由集裝箱船、碼頭岸線、泊位、岸橋、水平運輸設(shè)備AGV組成，其中岸橋服務(wù)船舶和AGV，完成集裝箱在船舶與AGV之間的裝卸作業(yè)。水平運輸子系統(tǒng)主要由碼頭前沿至箱區(qū)側(cè)的交通網(wǎng)絡(luò)和AGV組成，AGV在岸橋與箱區(qū)側(cè)之間往返運輸集裝箱。箱區(qū)裝卸子系統(tǒng)主要由ARMG和箱區(qū)組成，每個箱區(qū)配置2臺ARMG，通過2臺ARMG的交接作業(yè)實現(xiàn)進口箱和出口箱從箱區(qū)一側(cè)到另一側(cè)的移動。后方集疏運子系統(tǒng)主要由外集卡、閘口、堆場、后方交通網(wǎng)絡(luò)組成，實現(xiàn)出口箱集港和進口箱疏港。以進口箱為例的自動化集裝箱碼頭作業(yè)流程見圖2。出口箱與進口箱的作業(yè)流程相反。

2.2.2 仿真模型構(gòu)建

在分析自動化集裝箱碼頭作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，基于Anylogic智能體建模方法構(gòu)建自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。模型主要包括集裝箱智能體、主智能體、外集卡智能體、船舶智能體、AGV智能體等。

集裝箱智能體分為進口箱和出口箱兩類，見圖3。進口箱由集裝箱船生成，出口箱則由送箱集卡生成。集裝箱生成時即被賦予進口箱或出口箱屬性。

主智能體為仿真模型的基礎(chǔ)智能體，也是仿真的外部環(huán)境。該智能體包含各類智能體的集合（見圖4a），由輸入的相關(guān)參數(shù)完成初始的設(shè)備配置。在主智能體環(huán)境下，可實現(xiàn)不同的碼頭平面布置方案的輸入。

外集卡智能體分為送箱外集卡和取箱外集卡兩類，送箱外集卡由主智能體生成，取箱外集卡則由進口集裝箱生成。如圖4b所示：外集卡在到達入港閘口后排隊等待入港閘口服務(wù);過閘后前往目標箱區(qū)，在到達目標箱區(qū)后按到達箱區(qū)的先后順序排隊等待接受ARMG服務(wù);在接受ARMG服務(wù)后前往出港閘口離港。取箱外集卡作業(yè)流程同送箱集卡作業(yè)流程。

船舶智能體根據(jù)集裝箱船的到港、排隊等待泊位、選擇泊位靠泊、裝卸船作業(yè)及離港過程構(gòu)建，見圖5a。其中泊位選擇依據(jù)先到先服務(wù)的原則，先到港的船舶優(yōu)先占用泊位，且優(yōu)先選擇可靠泊的最小空閑泊位，泊位噸級相同時隨機選擇空閑泊位。靠泊后，根據(jù)船舶屬性生成相應(yīng)數(shù)量的進出口集裝箱，按照先卸后裝原則進行裝卸船作業(yè)，作業(yè)結(jié)束后船舶釋放泊位離港。

AGV智能體由主智能體生成，數(shù)量一定。如圖5b所示：AGV起初處于空閑狀態(tài)，當接收到來自岸橋或堆場箱區(qū)的指令時進入工作狀態(tài)，在卸船和裝船作業(yè)期間AGV在岸橋與堆場箱區(qū)之間進行運輸作業(yè);若AGV在前一任務(wù)完成后未接收到下一條指令，則返回停車位，再次進入空閑狀態(tài)，直至接收到下一條指令。AGV作為碼頭的一種資源，始終在系統(tǒng)中被循環(huán)利用。每輛AGV可以無差別地為全部岸橋和箱區(qū)服務(wù)，卸船時岸橋獲取最近的空閑AGV執(zhí)行一次卸箱指令，裝船時場橋獲取最近的空閑AGV執(zhí)行一次裝箱指令。

2.3 模型輸出

（1）碼頭吞吐量。吞吐量是港口的主要運營指標之一，也是確定港口規(guī)模和作業(yè)能力的綜合性指標，任何一個子系統(tǒng)作業(yè)出現(xiàn)“瓶頸”都將抑制碼頭吞吐量，因此選取其作為碼頭主要評價指標。

（2）船舶平均等待靠泊時間（average waiting time， AWT）/船舶平均在泊作業(yè)時間（average service time， AST）。AWT可以直接反映船方所接受的碼頭服務(wù)的優(yōu)劣程度，相同水平下AWT越短，船方效益越高。由于AWT也受到碼頭裝卸作業(yè)水平的影響，而AWT/AST是考慮港口服務(wù)水平和資源利用率的一個綜合性指標，所以采用該指標衡量碼頭的服務(wù)水平。

（3）AGV完成每條指令的平均等待時間。該指標包含AGV在岸橋側(cè)裝卸箱的等待時間和箱區(qū)端部AGV交換區(qū)容量不足所導(dǎo)致的等待時間。該指標可以反映箱區(qū)端部AGV交換區(qū)車道配置是否合理。

3 算例分析

總結(jié)國內(nèi)現(xiàn)有的投入運營較早的兩個自動化碼頭——廈門遠海自動化碼頭和青島港自動化碼頭的建設(shè)概況（見表1）可知，每期工程一般對1個或2個泊位進行改造或建設(shè)。為模擬泊位之間的協(xié)同及堆場可能同時出現(xiàn)的裝卸過程，算例中泊位數(shù)量擬定為2個。

參考表1，綜合考慮現(xiàn)有自動化碼頭配置情況，算例設(shè)定：岸線長度為560 m，2個泊位均為3萬噸級泊位，每個泊位配備3臺岸橋，水平運輸設(shè)備為30輛AGV，堆場每個箱區(qū)配置2臺ARMG（分別負責其所在側(cè)的裝卸作業(yè)，不穿越行駛）。

3.1 基本參數(shù)

3.1.1 到港船型組合

算例泊位可靠泊3萬噸級船舶（兼靠2萬噸級、1萬噸級集裝箱船），根據(jù)規(guī)范中不同噸級集裝箱船的載箱量范圍[12]和不同船舶載箱量對應(yīng)的單船裝卸箱量范圍[13]，設(shè)置到港船舶的船型比例和裝卸量，見表2。

3.1.2 到船規(guī)律

對大量船舶實際到港時刻的統(tǒng)計分析表明，集裝箱船到港規(guī)律服從泊松分布，即到港時間間隔服從負指數(shù)分布[14]?？紤]碼頭的設(shè)計通過能力和單船平均裝卸量，設(shè)置船舶到港時間間隔服從均值為7.5 h的負指數(shù)分布。

3.1.3 外集卡集港到達時間

集裝箱碼頭通常對每一航次對應(yīng)的外集卡集港作業(yè)規(guī)定開始時刻和截止時刻，根據(jù)集裝箱碼頭外集卡到達時刻的統(tǒng)計規(guī)律[15]，設(shè)置外集卡集港到達時刻服從三角分布triangular（0，1，0.5）。

3.1.4 仿真方案

自動化碼頭堆場平面布置仿真方案見表3。受箱區(qū)寬度限制，當箱區(qū)數(shù)不同時，AGV交換區(qū)車道數(shù)取值范圍不同。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 堆場箱區(qū)布置形式結(jié)果分析

運行仿真模型，記錄采取不同堆場箱區(qū)布置方案時的碼頭吞吐量和AWT/AST值。由圖6可知，堆場箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置時的碼頭吞吐量比平行于碼頭岸線布置時的高2.4%～14.0%，堆場箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置時的AWT/AST比平行于碼頭岸線布置時的低3.5%～34.7%。各組方案AWT/AST在0.25～0.5范圍內(nèi)，即碼頭服務(wù)水平相差不大，且保持在較高水平。因此，綜合考慮碼頭吞吐量和服務(wù)水平，宜選擇堆場箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置的方案。

3.2.2 AGV交換區(qū)車道數(shù)結(jié)果分析

在配置30輛AGV的條件下，AGV交換區(qū)車道數(shù)較少時，AGV在箱區(qū)等待的情況會增多。如圖7a所示：在箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置的情況下，當AGV交換區(qū)車道數(shù)由3條增至5條時，碼頭吞吐量增長11.7%，AWT/AST下降36.4%。如圖7b所示：在箱區(qū)平行于碼頭岸線布置的情況下，當AGV交換區(qū)車道數(shù)由3條增至4條時，碼頭吞吐量增長11.1%，AWT/AST下降24.0%;當繼續(xù)增加AGV交換區(qū)車道數(shù)時，碼頭吞吐量和AWT/AST基本穩(wěn)定。

當AGV交換區(qū)車道數(shù)較多時，出口箱裝船進程加快，AGV在岸橋側(cè)的等待時間因岸橋裝卸效率的限制也會有所增加。AGV完成每一指令（包含裝船和卸船兩類指令）的平均等待時間隨交換區(qū)車道數(shù)的變化見圖8。在箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置的情況下，當AGV交換區(qū)車道數(shù)為5條時，AGV平均等待時間最短，說明岸邊和箱區(qū)裝卸作業(yè)更均衡。同理，在箱區(qū)平行于碼頭岸線布置的情況下，當AGV交換區(qū)車道數(shù)為4條時，岸邊和箱區(qū)裝卸作業(yè)更均衡。

綜上所述，在配置30輛AGV的條件下，在箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置的方案中每個箱區(qū)的AGV交換區(qū)宜選擇配置5條車道，在箱區(qū)平行于碼頭岸線布置的方案中AGV交換區(qū)宜選擇配置4條車道。該配置能夠使AGV工作中的平均等待時間減少，碼頭吞吐量增加，并在一定程度上提高碼頭服務(wù)水平。

3.2.3 船舶到港時間間隔與AGV配置數(shù)量敏感性分析

為分析船舶到港時間間隔、AGV配置數(shù)量不同的情況下AGV交換區(qū)車道數(shù)對碼頭吞吐量的影響，設(shè)置船舶到港時間間隔λ分別為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0 h，AGV配置數(shù)量n分別為18、24、30、36、42輛的試驗方案。仿真結(jié)果見圖9。

由圖9a可知，在不同的船舶到港時間間隔下，碼頭吞吐量均隨AGV交換區(qū)車道數(shù)的增加而緩慢增加。隨著船舶到港時間間隔減小，碼頭吞吐量逐步增加，但增加幅度變小，表現(xiàn)出泊位通過能力的限制。由圖9b可知，不同AGV配置數(shù)量下，碼頭吞吐量隨AGV交換區(qū)車道數(shù)的增加呈上升趨勢，但最佳AGV交換區(qū)車道數(shù)有一定差異。如在n=18輛和n=24輛方案中，當AGV交換區(qū)車道數(shù)為4條時，基本表現(xiàn)出該AGV配置水平下碼頭吞吐量的上限;而在n=30輛和n=36輛方案中，當AGV交換區(qū)車道數(shù)為5條時，才達到該AGV配置水平下碼頭吞吐量的上限。當AGV配置數(shù)量較多時，最佳AGV交換區(qū)車道數(shù)也相應(yīng)增多。通過n=36輛與n=42輛方案的對比，可以看出AGV配置數(shù)量已經(jīng)充足，不再是碼頭的瓶頸。綜上，相比于船舶到港時間間隔的變化，AGV交換區(qū)車道數(shù)的最佳選擇對AGV配置數(shù)量的變化更為敏感，在進行AGV交換區(qū)車道配置時需優(yōu)先考慮當前碼頭AGV配置數(shù)量。

4 結(jié) 論

本文基于多智能體建模方法建立自動化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，從碼頭吞吐量、服務(wù)水平和AGV平均等待時間的角度，對比分析堆場箱區(qū)垂直于碼頭岸線布置和平行于碼頭岸線布置兩種形式和多種AGV交換區(qū)車道配置方案，并針對船舶到港時間間隔和AGV配置數(shù)量進行敏感性分析，研究成果可為自動化集裝箱碼頭堆場平面布置的選擇提供依據(jù)。

下一步可對港內(nèi)的道路細化布置，同時考慮車輛之間的碰撞、擁堵等交通因素，更真實地模擬自動化集裝箱碼頭車輛的運行情況，對碼頭平面布置中的車輛行駛路徑、車道數(shù)量等要素進行仿真研究。此外，自動化集裝箱碼頭建設(shè)成本和設(shè)備成本較高，可以與碼頭作業(yè)效率共同考慮，進行自動化集裝箱碼頭平面布置的多目標優(yōu)化研究。

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（編輯 賈裙平）