基于無人集卡的自動化集裝箱碼頭仿真研究

史學鑫，丁同文，鄭宇飛，唐勤華，林星銘

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

引言

目前自動化集裝箱碼頭的水平運輸主要采用磁釘定位的自動導引運輸車AGV（包括洋山四期、青島前灣、廈門遠海等碼頭）和衛(wèi)星導航、激光雷達、毫米波雷達、視覺識別等融合定位的智能導引運輸車IGV（包括廣州南沙四期等碼頭）。AGV、IGV 具有運行靈活、轉彎半徑小、定位精度高等優(yōu)點，但設備總體造價和維護保養(yǎng)成本高。近年來，隨著5G、人工智能、大數據、物聯網等信息技術賦能和汽車自動駕駛技術的快速發(fā)展，無人集卡已在天津港、深圳星海、寧波舟山港等碼頭投入運營。

當前無人集卡的自動化水平層級處于從L3 向L4 過渡階段，為保證港內外集卡的通行安全，需通過港內外集卡間交通路網的時間或物理隔離等措施，滿足港區(qū)生產對自動駕駛水平運輸的要求。對于時間隔離，一般采用港內外集卡在車流交叉口設置交通燈及道閘進行通行管制來實現，但該方案也增加了內外集卡在交叉口的相互等待時間和系統(tǒng)管控的復雜性。對于物理隔離，可采用內外集卡借助專用豎向車道分別進入堆場箱區(qū)，通過堆場箱區(qū)端部的掉頭區(qū)返回各自豎向車道來實現內外集卡的“各行其道”（如圖1）。本文擬結合具體工程項目，采用Plant Simulation 仿真軟件構建上述物理隔離方案模型，對該方案的岸橋裝卸效率、集卡運輸能力、碼頭整體交通流和閘口通過能力等進行仿真，以驗證方案的合理性。

圖1 碼頭整體仿真模型

1 仿真模型構建

1.1 仿真參數設置

某自動化集裝箱碼頭共占用岸線長度1 300 m，計劃建設2 個20 萬t 級和1 個10 萬t 級泊位，設計年吞吐量260 萬TEU，岸橋采用單小車雙20 ft 吊具，起重量65 t，外伸距70 m，軌距35 m，軌內布置6 條裝卸車道和1 條輔助車道；設置15 個普通重箱堆場和6 個空箱堆場，其中每個普通重箱堆場配置2 臺雙懸臂自動化軌道吊，軌距42.5 m，軌內堆放14 列箱，堆高6 層；空箱堆場配置1 臺雙懸臂自動化軌道吊，軌距50 m，軌內密集堆放空箱19 列，堆高7 層。

碼頭橫向、縱向路網均設置4 個車道。進閘口共設置3 道，其中第1 道和第3 道閘口均設置車道數量為4 個，第2 道主閘口設置車道數量9 個。出港主閘口設置7 條車道，第一道閘口設置4 條車道。

1.2 仿真布局及流程

仿真模型中主要包括岸橋、泊位、港內外集卡、場橋、閘口等實體。方案平面布置如圖1 所示。標記①表示內集卡行駛的縱向車道，標記②則表示外集卡，標記③表示內外集卡堆場端部掉頭區(qū)域，港內外集卡在平面上沒有交叉點，能夠實現物理上的相互完全隔離。

為達到仿真實驗的準確性，需構建包括仿真輸入、生產控制、仿真驅動和仿真評價等必要模塊，其中生產控制包括泊位管理、岸橋分配及裝卸作業(yè)、集卡調度及路徑規(guī)劃、場橋作業(yè)、閘口管理等，具體架構如圖2 所示。

圖2 仿真整體架構

對于海側，由岸橋分配對應集卡池中空閑集卡進行裝卸作業(yè)。卸船作業(yè)時，集卡到達指定岸橋底部等待裝箱作業(yè)，由集卡路徑規(guī)劃找尋最合適路徑到達指定堆場貝位等待場橋作業(yè)。反之裝箱作業(yè)則是先入堆場，再到指定岸橋。

對于陸側，外集卡由進港閘口駛入堆場，到達指定堆場貝位進行裝卸箱作業(yè)，再由出港閘口駛離碼頭。進提箱作業(yè)相同，路徑均按照路徑規(guī)劃算出最佳合適路徑。

作業(yè)時均按照先到達先作業(yè)的模式，車輛在非作業(yè)道路交叉口時會選擇車流量最小的道路，外集卡到達時間均按照指定數據分布。路徑方面采用弗洛伊德算法計算出兩點之間最短路徑進行決策。

通過平面化仿真方案，可直觀看出碼頭整體作業(yè)流程和車流情況。通過對比多個岸橋和集卡的數量配比方案，分析岸橋效率和車流擁堵狀況，提出關鍵設備配比數及相關指標等。

2 仿真結果分析

本文從碼頭生產組織和運營管理相關的岸橋裝卸效率、集卡運輸能力、碼頭整體交通流和閘口通行能力等四個方面進行仿真分析，實現仿真結果與設計數據的相互驗證。

2.1 岸橋裝卸效率

岸橋裝卸效率作為影響碼頭整體裝卸效率的關鍵因素，其效率的高低直接影響碼頭吞吐量。岸橋效率一方面取決于岸橋本身機械設計的額定效率、運輸船型箱量分布，另一方面取決于與之配套的無人集卡作業(yè)數量，應盡可能使內集等待岸橋作業(yè)，最大化岸橋效率?；谶\輸船型和作業(yè)箱量確定的情況下，岸橋與集卡之間的合理配比數量直接影響系統(tǒng)效率。

本次仿真對于3 個泊位共配置13 臺岸橋，泊位岸橋的分配比為4:5:4。仿真通過不同的工況設置來對比岸橋作業(yè)效率的高低，以此找尋最合適的岸橋集卡配比數。如圖3 所示，設置岸橋與無人集卡配比從1:6 至1:9 共4 個工況，每臺岸橋獨立集卡池互不干擾。

圖3 不同工況下岸橋作業(yè)效率

從圖3 仿真結果可以得出，岸橋集卡配比數從1:6 到1:8 時，岸橋作業(yè)效率從30.83 move/h 明顯提升到33.5 move/h，其后再增加集卡數，岸橋效率只能提升0.3 move/h，從效率上取岸橋集卡配比1:8較為合適。另一方面設計取值為32 move/h 時可以達到設計額定吞吐量，結果可知配比數為1:7 時即滿足設計要求，考慮實際作業(yè)中無人集卡存在故障、檢修、充電等情況，采用配比數為1:8 符合設計能力和生產需求。

2.2 集卡運輸能力

碼頭整體收益一方面取決于生產機械作業(yè)效率，另一方面與碼頭能耗息息相關，內集卡作為碼頭能耗的重要組成部分，其運輸能力反應了能耗的高低。在岸橋集卡配比數為1:8 的條件下進行仿真模擬得出集卡相應指標，如圖4 所示。

圖4 作業(yè)集卡不同狀態(tài)下行駛距離

圖中包括碼頭各個主體業(yè)務下集卡行駛距離，其中內集卡單箱平均行駛距離約2.7 km，而傳統(tǒng)水平布置碼頭同等條件下單箱平均行駛距離約1.7 km，內集卡行駛距離和時間相較于傳統(tǒng)碼頭都明顯增加，這取決于該方案的運行路線特性。另外此布置方式道路口內集卡與外集卡無相互避讓，作業(yè)過程中只存在內集卡交通流等待和與岸橋、場橋的配合等待時間，集卡通行效率得到保障。

2.3 碼頭整體交通流

碼頭整體交通流暢程度反映了集卡的運輸效率，其主要節(jié)點則道路交叉口，一定程度上路口繁忙程度體現了交通流的順暢程度。在岸橋集卡配比數1:8 的條件下進行模擬仿真，取排名前6 的道路口（標記見圖5），飽和度如表1 所示。

圖5 道路口標記示意

表1 排名前6 道路口飽和度

從仿真結果可以得出，排名靠前的路口大部分為進堆場的前2～3 個路口，由于內外集卡完全隔離，所以外集卡數量的多少不影響內集卡行駛路況。正常情況下，外集卡駛入堆場主要路口飽和度均在0.6以下，表示車流量處于穩(wěn)定狀態(tài)，道路通暢性好。內集卡關鍵路口飽和度均處在0.6～0.7 之間，表示路口趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，道路交叉口出現局部等待狀況。方案布置中內外集卡進堆場道路均為雙向兩車道，堆場內部同樣如此，在進出堆場時車流量較大且無法分流，且隨著集卡數量增多，道路口愈發(fā)出現不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 閘口能力

進出港閘口的繁忙程度直接影響碼頭服務效能，過長排隊將對場外道路產生一定影響。以進閘為例，經仿真分析，圖6 表示按照碼頭實際24 小時外集卡到達時間擬合出的分布，從7 點至18 點時集卡數量占比較大，其余時間段數量較少。

圖6 24 小時閘口車輛占比

當外集卡進出港時主要在主閘口產生延誤時間，仿真結果以進閘為例，具體如圖7 所示。

圖7 進閘車輛排隊狀況

在正常情況下，30.5 %的外集卡無需等待即可進入堆場，而等待的集卡中大部分只需等待1 輛集卡，極少概率需等待2 輛，平均等待時間為9.5 s，最大等待時間為105 s。

3 結語

本文結合具體工程項目，針對港內無人集卡與港外集卡采用物理隔離布置方式構建自動化集裝箱碼頭的仿真模型，并通過岸橋與無人集卡的不同配比工況進行仿真，確定了合理取值。在此基礎上分析了港內外集卡運輸能力，雖然增加了無人集卡的運輸距離，但碼頭整體交通流組織有序，通行效率高。另外進出港閘口采用分離布置，閘口車道數在各時間段出現排隊概率低，滿足通行作業(yè)要求。