面向24000 TEU超大型集裝箱船的岸橋參數(shù)

張連鋼，李傳浩，王延春，張 衛(wèi)，張艷偉，張 震

（1.山東省港口集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266034；2.青島港國(guó)際股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266500；3.青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山東 青島 266500；4.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

自20世紀(jì)至今，集裝箱運(yùn)輸一直是進(jìn)行國(guó)際貿(mào)易最主要的運(yùn)輸方式［1］。從開(kāi)始幾千個(gè)20 英尺標(biāo)準(zhǔn)（twenty-feet equivalent unit，TEU）集裝箱船，到10 000TEU 集裝箱船，再到目前的24 000 TEU 超大型集裝箱船［2］。未來(lái)集裝箱船運(yùn)載量的增加，一直是船運(yùn)公司及造船企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［3］。例如：漢堡港和安特衛(wèi)普港河道較長(zhǎng)，即便受到吃水和潮汐限制，船舶依舊處于大型化趨勢(shì)中［4］。Son 等［5］對(duì)船舶長(zhǎng)度變量、噸位變量等進(jìn)行K-means聚類分析，預(yù)測(cè)了大型船舶尺寸的發(fā)展趨勢(shì)；Garrido 等［6］根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)、港口基礎(chǔ)設(shè)施等因素估算了船舶尺寸限制，得出30 000 TEU 集裝箱船可能會(huì)出現(xiàn)在2030年。

隨著集裝箱船舶持續(xù)向大型化發(fā)展，岸邊集裝箱起重機(jī)（又稱岸橋）亦呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢(shì)。Martin 等［7］研究了船舶大型化對(duì)于岸橋部署數(shù)量和岸橋工作周期的影響；Huang 等［8］提出了一種規(guī)劃雙40 英尺（1 英尺=0.304 8 m）岸橋的操作方法，優(yōu)化了岸橋性能；Choi 等［9］研究了使用雙40 英尺岸橋?qū)b箱碼頭操作系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題。

岸橋裝卸工作過(guò)程中會(huì)受到碼頭潮汐影響［10］。潮汐限制是指在低潮時(shí)會(huì)降低岸橋的工作效率［11］。張澤國(guó)等［12］提出了一種自適應(yīng)變異的粒子群優(yōu)化算法SAPSO，與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)潮汐水位。

綜上，目前尚缺乏結(jié)合船舶與港口潮汐等數(shù)據(jù)對(duì)岸橋選型進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。本文結(jié)合超大型集裝箱船舶及現(xiàn)有港口岸橋數(shù)據(jù)，用雙立方插值法擬合青島港潮汐數(shù)據(jù)，研究24 000 TEU 超大型集裝箱船的岸橋主要參數(shù)（岸橋軌上起升高度、前伸距、起重量、作業(yè)效率）。對(duì)船舶發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析得出，集裝箱船舶尺寸在較短時(shí)間內(nèi)不會(huì)繼續(xù)增大，同時(shí)為超大型集裝箱碼頭岸橋配置提供了決策依據(jù)和方法。

1 岸橋軌上起升高度研究

1.1 24 000 TEU集裝箱船舶相關(guān)數(shù)據(jù)

岸橋軌上起升高度越大，適應(yīng)能力越強(qiáng)，但同時(shí)意味著岸橋穩(wěn)定性及作業(yè)效率降低。圖1為岸橋軌上起升高度計(jì)算示意圖。圖中：Hn為船舶艙口圍板高度；Hcv為船舶艙蓋板高度；Hc為船舶甲板上集裝箱總高度；DS為船舶型深；Dm為船舶吃水深度；WF為碼頭前沿岸壁高程；WH為碼頭前沿水域潮高值。

圖1 軌上起升高度計(jì)算Fig.1 Schematic diagram for calculation of lifting height on rail

由于超大型船舶有著較好的穩(wěn)定性，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中可不予考慮，則岸橋軌上起升高度Hu為

式中：S為船舶甲板至碼頭海側(cè)軌面高度；Hj為集裝箱超高箱高度；C為甲板上集裝箱層數(shù)量；Hα為船舶橫傾到允許值[α]時(shí)，最外側(cè)箱子的升高量。

從船運(yùn)公司統(tǒng)計(jì)得到24 000 TEU 超大型集裝箱船舶數(shù)據(jù)：船舶型深33.200 m、船舶輕載吃水15.000 m、艙口圍板高度2.500 m、艙蓋板高度0.800 m、超高箱高度2.896 m。青島自動(dòng)化碼頭前沿岸壁高程5.800 m。

1.2 岸橋軌上高度敏感性分析

24 000 TEU集裝箱船甲板上堆高10層超高箱。綜合考慮準(zhǔn)確性和計(jì)算量，對(duì)青島港2021年6月1—16日30個(gè)潮汐周期（共計(jì)371 h）數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)使用遺傳算法及粒子群算法等算法擬合時(shí)無(wú)法得到確切的函數(shù)關(guān)系。相對(duì)而言，雙立方插值法可以通過(guò)擬合模型得到具體時(shí)間的潮高值，此潮高值雖不能代表具體時(shí)間潮高準(zhǔn)確性，但由于1 h內(nèi)潮高差值較小，擬合結(jié)果仍具備一定準(zhǔn)確性?？紤]到國(guó)內(nèi)大型集裝箱碼頭岸橋?qū)嶋H參數(shù)，分別對(duì)岸橋軌上起升高度50、51、52 及53 m 4 種情況作敏感性分析，依據(jù)式（1）、式（2）和式（3）及船舶數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同軌上起升高度時(shí)的臨界潮高值，見(jiàn)表1。

表1 岸橋起升高度與臨界潮高關(guān)系Tab.1 The relationship between the lifting height of the quay crane and the critical tide height

圖2為岸橋軌上起升高度50、51、52 及53 m 時(shí)的臨界潮高示意圖。

圖2 不同起升高度臨界潮高Fig.2 Schematic diagram of critical tide height at different lifting heights

當(dāng)實(shí)時(shí)潮高位于潮高分界線以上，岸橋無(wú)法進(jìn)行裝卸作業(yè)；位于潮高分界線以下，岸橋可以進(jìn)行裝卸作業(yè)。以岸橋軌上起升高度50 m 為例，通過(guò)對(duì)擬合模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，約有62.75 h 的潮高處于臨界分界線值以下，即有16.91%的時(shí)間岸橋可進(jìn)行裝卸作業(yè)，有83.09%的時(shí)間岸橋無(wú)法進(jìn)行裝卸作業(yè)。該數(shù)據(jù)與青島港業(yè)務(wù)部門(mén)給出的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合，證明了以上計(jì)算過(guò)程具有準(zhǔn)確性。同理得到岸橋軌上起升高度51、52、53 m 時(shí)，岸橋的可作業(yè)時(shí)間分別占比46.65%、78.96%、100%。各港口可依據(jù)潮汐情況計(jì)算不同軌上起升高度下岸橋的作業(yè)敏感性，通過(guò)分析靠泊船舶中超大型集裝箱船比例選擇合適的岸橋，有效避免岸橋選型和定制決策的盲目性。

2 岸橋前伸距選擇

目前運(yùn)營(yíng)的24 000 TEU 超大型集裝箱船，甲板上堆碼集裝箱可達(dá)到24 列，分船舶是否傾斜進(jìn)行前伸距計(jì)算。不考慮船舶傾斜的前伸距離的計(jì)算見(jiàn)式（4），考慮船舶傾斜的前伸距計(jì)算見(jiàn)式（5）：

式中：DB為碼頭前沿海側(cè)軌道與岸壁之間的距離；D1為不同列數(shù)集裝箱在船舶上的總寬度；DT為集裝箱寬度；H為船舶的最大高度；γ為船舶傾斜的角度。

以青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭為例，海測(cè)軌道至岸壁距離為4 m，碼頭護(hù)舷為2.5 m，同時(shí)考慮集裝箱寬度2.438 m、?？看白畲蟾叨?5～70 m、24 列集裝箱船舶寬度（包含集裝箱之間的間隙）61.15 m、25列集裝箱船舶寬度（包含集裝箱之間的間隙）63.69 m，將以上數(shù)據(jù)代入式（4）及式（5）。

（1）不考慮船舶傾斜。將表3中的數(shù)據(jù)代入到式（4），計(jì)算得到前伸距HQ為66.231 m。

（2）考慮船舶向外側(cè)傾斜。在港口天氣或水文條件變化情況下，3°一般為外傾極限角度。當(dāng)船舶外傾角度為3°時(shí)，岸橋應(yīng)具備69.899 m 的前伸能力。各港口可根據(jù)自身實(shí)際情況，配置不同前伸距離的岸橋。

3 岸橋起重量的選擇

根據(jù)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化碼頭有關(guān)集裝箱重量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超重量大于35 t 的40 尺箱所占比例僅為0.04%，雙吊具下70 t 的起重量完全能滿足作業(yè)需求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，若增加設(shè)備起重量，需要相應(yīng)增加設(shè)備局部鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電機(jī)功率、鋼絲繩強(qiáng)度及輪壓等，致使設(shè)備制造和后期運(yùn)營(yíng)成本增加。綜合多種因素影響，給出面向24 000 TEU 超大型集裝箱船舶的岸橋起重量參考值，主起升單吊具下額定起重量70 t；主起升（剪式上架）雙吊具下額定起重量70 t；主起升吊鉤梁下額定起重量95 t；門(mén)架小車吊具下額定起重量90 t。

4 岸橋效率計(jì)算

基于青島港岸橋運(yùn)行實(shí)際參數(shù)，對(duì)岸橋作業(yè)工況進(jìn)行模擬仿真，設(shè)定岸橋軌距35 m、中轉(zhuǎn)平臺(tái)距地高度10 m、中轉(zhuǎn)平臺(tái)至船邊距離35 m、主小車速度240 m·min-1、門(mén)架小車速度120 m·min-1、主起升滿載勻速度90 m·min-1、主起升空載載勻速度180 m·min-1、門(mén)架起升滿載勻速度65 m·min-1、門(mén)架起升滿載勻速度65 m·min-1、主小車加速度/減速度0.8 m·s-2、門(mén)架小車加速度/減速度0.4 m·s-2、主起升加速度/減速度0.8 m·s-2、門(mén)架起升加速度/減速度0.4 m·s-2，得到自動(dòng)化雙小車岸橋及單小車岸橋作業(yè)效率。

24 000 TEU 超大型集裝箱船甲板存放10 層、24列集裝箱，模擬得到岸橋單卸甲板上一排每個(gè)位置集裝箱所用的時(shí)間變化，如圖3所示。

圖3 甲板上集裝箱裝卸時(shí)間Fig.3 Loading and unloading time of containers on deck

24 000 TEU 超大型集裝箱船艙內(nèi)共存放12層、22 列集裝箱，同理可得岸橋單卸船艙內(nèi)一排每個(gè)位置集裝箱所用的時(shí)間變化。岸橋裝卸一排甲板上及艙內(nèi)的集裝箱，共計(jì)需504 次工作循環(huán)，模擬所用總時(shí)間為52 509.45 s，即平均一次循環(huán)所用時(shí)間為104.19 s，從而得到橋吊生產(chǎn)率為34.55次循環(huán)/h，同時(shí)考慮自然箱數(shù)量/循環(huán)次數(shù)=1.22（1.22 為港口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源），得到雙小車岸橋的理論作業(yè)效率為42.16 自然箱/h。同理可模擬得到504 次循環(huán)次數(shù)下單小車岸橋的生產(chǎn)率為32.33 次循環(huán)/h，理論作業(yè)效率為39.45自然箱/h。

根據(jù)以上分析可以看出，雙小車岸橋的理論作業(yè)效率較單小車的理論效率高6.4%。在港口實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，雙小車更容易達(dá)到理論裝卸效率；單小車岸橋受緩沖能力弱、與AGV 交互行程遠(yuǎn)等因素的影響，難以達(dá)到理論裝卸效率。雙小車岸橋的實(shí)際作業(yè)效率與單小車岸橋的實(shí)際作業(yè)效率的比值一般高于1.28，對(duì)于集裝箱吞吐量較大的港口，可優(yōu)先配置具有較高理論裝卸效率的雙小車岸橋。

5 船舶尺寸發(fā)展趨勢(shì)分析

從港口現(xiàn)狀考慮，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)大型的自動(dòng)化集裝箱碼頭岸橋軌上起升高度均未超過(guò)50 m，更新設(shè)備將增加港口成本；從經(jīng)濟(jì)層面考慮，甲板高度增加造成船舶操作難度提升，例如“長(zhǎng)賜”輪擱淺阻塞蘇伊士運(yùn)河時(shí)間帶來(lái)得經(jīng)濟(jì)損失不可估量；從技術(shù)層面考慮，對(duì)于船舶尺寸升級(jí)時(shí)，長(zhǎng)度升級(jí)難度最大，過(guò)長(zhǎng)的船體在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的波峰會(huì)使船體受力巨大，目前技術(shù)條件下450 m已經(jīng)達(dá)到極限。綜合港口現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)層面、技術(shù)層面3個(gè)因素可以得出結(jié)論，船舶尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)較為保守。

表2 國(guó)內(nèi)主要自動(dòng)化碼頭岸橋參數(shù)Tab.2 Parameters of quay crane of main domestic automatic terminals

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于青島港潮汐數(shù)據(jù)，依據(jù)青島港自動(dòng)化碼頭及24 000 TEU 集裝箱船數(shù)據(jù)，使用雙立方插值法對(duì)潮汐進(jìn)行擬合，分別計(jì)算了岸橋軌上起升高度為50、51、52 及53 m 時(shí)的敏感性；結(jié)合集裝箱數(shù)據(jù)及大型集裝箱船舶的裝載列數(shù)量，計(jì)算了岸橋前伸距；根據(jù)港口集裝箱裝卸工況及現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備參數(shù)，給出了岸橋的起重量參數(shù)；對(duì)裝卸工況進(jìn)行了理論分析，計(jì)算得到單小車及雙小車?yán)碚撗b卸效率。綜合港口現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)因素給出了未來(lái)船舶發(fā)展趨勢(shì)，為大型集裝箱碼頭岸橋定制提供了決策依據(jù)。