自動化集裝箱碼頭立體軌道設備混合分配新算法＊

石小法 梁林林 陸 青

（同濟大學交通運輸工程學院1） 上海 201804） （上海振華港機集團股份有限公司2） 上海 200125）

0 引 言

近年來，世界集裝箱海運量大幅增長，越來越多的船運貨物采用集裝箱形式，有關集裝箱碼頭的自動化研究紛紛出現.Liu C.I.等［1－2］提出 Microscopic仿真模型，模擬4個自動化裝卸工藝方案在相同的運營實驗框架下運行，評價其績效和成本.M.B.Duinkerken等［3－4］研究了在基于 AGV方案的自動化集裝箱碼頭中，如何協調從碼頭前沿到堆場的AGV車流控制；M.B.Duinkerken等［5］還將AGV排隊運輸系統與集裝箱堆存模型整合，以優化堆場的堆存高度、AGV的數量和其他變量，研究結果應用于鹿特丹港的自動化集裝箱碼頭.張煜等［6］對自動導引小車的交通策略進行了研究，提出了基于模糊控制的緩沖區策略，仿真結果表明該策略是進行自動化集裝箱碼頭交叉口控制的有效策略.

20世紀90年代起，在歐洲先后建成了荷蘭鹿特丹的ECT集裝箱碼頭、德國漢堡的HHLA碼頭和最新的鹿特丹EUROMAX集裝箱碼頭等一些較典型的集裝箱自動化碼頭［7－8］.這些自動化碼頭的水平運輸系統均采用AGV即自動導航小車系統，存在2個問題：（1）投資昂貴，AGV小車成本高達百萬美金；（2）實際使用效率仍然低于傳統的人工操作的碼頭效率，并存在一定的故障隱患［9］.雖然這兩個自動化碼頭仍在運行，但其方案技術未能廣泛應用，目前在國內還沒有應用實例.

近年來，國內在港口設備制造和碼頭建設過程中，取得了快速的發展，針對基于AGV小車自動化碼頭的缺陷，上海振華港機集團（ZPMC）提出了我國的一個自主產權的自動化碼頭方案［10］.該方案用低架橋和電動小車代替昂貴的AGV，將原來由AGV進行的運輸分解為低架橋上電動小車（TC）的水平運輸、低架橋上起重小車（OBC）的垂直運輸和地面電動小車（GC）的水平運輸3個動作，借助一個空中交叉成功的解決了二維平面上AGV的運輸問題.

設備分配是決定自動化碼頭裝卸效率的關鍵環節.在現有方案中，設備分配存在的主要缺陷為岸橋與低架橋軌道采用一一對應綁定機制，在一定情況下會導致低架橋軌道忙率差異很大的問題.本文力圖對ZPMC自動化碼頭的立體軌道設備分配模型與算法進行一定的改進，以消除上述缺陷，提高系統裝卸效率.

1 ZPMC集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸系統

整個ZPMC集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸分配系統可分為岸橋系統、立體轉運傳送系統和場橋系統.岸橋系統完成集裝箱在陸地和船舶間的傳遞，立體轉運傳送系統由低架橋軌道線和地面軌道線及升降起重機3部分組成，場橋系統負責將箱吊至指定箱位.整個傳輸過程連續順暢，沒有車輛交織點.實物虛擬仿真見圖1.

圖1 ZPMC集裝箱碼頭虛擬仿真圖

具體裝卸流程如下：首先岸橋（QC）取箱，放到低架橋軌道小車（TC）上，然后TC往目標位置地面軌道移動，與此同時，升降梯（OBC）也往目標位置地面軌道移動，接著由OBC取起TC上的集裝箱垂直放到地面軌道小車（GC）上，最后GC移動到目的位，由RMG把箱子提起放到目標箱位上.反之，集裝箱從堆場運往船舶的裝載過程中，首先RMG取箱，放到GC上，然后GC往已分配好低架橋軌道移動，與此同時，TC，OBC往GC移動，接著由OBC取起GC上的集裝箱垂直放到TC上，最后TC移動往QC，由QC把箱子提起放到船上的目標箱位上.卸箱作業的各部分作業流程邏輯圖見圖2.

圖2 系統功能框架

2 設備分配模型與算法

2.1 設備分配模型

ZPMC集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸分配系統提升效率的關鍵在于各裝卸設備的分配，設備分配的目標主要以單個集裝箱運輸任務從起始到結束時間最短.根據裝卸流程，假定各同類設備從左至右依次編號，建立設備分配的數學模型如下：

模型中各符號的含義如下：

M為岸橋數；N為低架橋軌道數；P為箱區數；TQ為岸橋一次操作時間；TO為升降梯一次豎直升降操作時間；TTM1ij為低架橋軌道小車j向岸橋i的移動時間；TTM2ij為架橋軌道小車由岸橋i向地面軌道小車j的移動時間；TOMij為升降梯i向地面軌道小車j的移動時間；TGM1ij為地面軌道小車j向低架橋軌道小車i的移動時間；TGM2ij為地面軌道小車由低架橋軌道小車i向箱區j空位的移動時間；TRMij為RMG i向箱區j空位的移動時間；XQi為岸橋i水平位置坐標；XTj為低架橋軌道小車j水平位置坐標；YTj為低架橋軌道小車j垂直位置坐標；XOi為升降梯i水平位置坐標；XGj為地面軌道小車j水平位置坐標；YGj為地面軌道小車j垂直位置坐標；YRi為RMGj垂直位置坐標；YBi為箱區i空位垂直位置坐標；VTE為低架橋軌道小車空載移動速度；VTF為低架橋軌道小車滿載移動速度；VO為升降梯水平移動速度；VGE為地面軌道小車空載移動速度；VGF為地面軌道小車滿載移動速度；VRE為RMG空載移動速度.

2.2 設備分配算法

根據以上建立的數學模型，設計出對應的設計算法如下.

1）檢查各設備狀態，確定總空閑設備集C.

2）檢查總空閑設備集C中是否各種設備均有，若任一種設備尚無，延遲時間D，返回第一步，否則，進入下一步.

3）從總空閑設備集C中選擇岸橋到設備集C1，規則為岸橋編號1≤QC（i）≤［M＋1］／2，選擇低架橋軌道小車、升降梯到設備集C1，規則為低架橋軌道小車編號、升降梯編號mod（TC（i））＝1、mod（OBC（i））＝1，選擇箱區到設備集C1，規則為箱區編號1≤BA（i）≤［（P＋1）／2］，選擇地面軌道小車、RMG到設備集C1，規則為地面軌道小車編號、RMG編號1≤GC（i），RMG（i）≤［（P＋1）／2］·2.

4）計算設備集C1中可能的設備組合，設備組合中需滿足TC（i）＝OBC（i）、GC（i），RMG（i）＝2＊BA（i）－1或GC（i），RMG（i）＝2＊BA（i），計算各設備組合的裝卸時間，獲得時間最小值T1以及對應的設備組合 MINC1，｛GC（i），TC（i），OBC（i），GC（i），RMG（i），BA（i）｝.

5）從總空閑設備集C中選擇岸橋到設備集C2，規則為岸橋編號［M＋1］／2≤QC（i）≤M，選擇低架橋軌道小車、升降梯到設備集C2，規則為低架橋軌道小車編號、升降梯編號mod（TC（i））＝0、mod（OBC（i））＝0，選擇箱區到設備集C2，規則為箱區編號［（P＋1）／2］≤BA（i）≤P，選擇地面軌道小車、RMG到設備集C2，規則為地面軌道小車編號、RMG編號［（P＋1）／2］·2≤TC（i），RMG（i）≤2P.

6）計算設備集C2中可能的設備組合，設備組合中需滿足TC（i）＝OBC（i）、GC（i），RMG（i）＝2×BA（i）－1或GC（i），RMG（i）＝2×BA（i），計算各設備組合的裝卸時間，獲得時間最小值T2以及對應的設備組合 MINC2，｛GC（i），TC（i），OBC（i），GC（i），RMG（i），BA（i）｝.

7）比較T1與T2，返回時間最小值T以及對應的最優設備組合 MINC，｛GC（i），TC（i），OBC（i），GC（i），RMG（i），BA（i）｝.

3 仿真實驗分析

本文利用物流專業仿真軟件Witness對提出的設備分配算法進行仿真，既有利于提高仿真的效率，更有利于提高仿真的質量.根據文獻［9］對現有ZPMC集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸系統的仿真分析，四岸橋三箱區方案可獲得最優的碼頭作業能力和設備利用率.本文采用此設備配比，即給定4個岸橋、4條低架橋軌道、6條地面軌道的設備資源，進行仿真分析.仿真中采用的碼頭設計與裝卸設備參數見表1.按此設備組合與參數仿真運行3次，每次仿真時長3h，得到各設備平均忙率列于表2.

表1 碼頭設計與裝卸設備參數

表2 各設備平均忙率 %

根據港口專家的測算與評估，ZPMC自動化集裝箱碼頭裝卸效率約為300TEU／（泊位·h）.本仿真中，碼頭裝卸效率約為360TEU／（泊位·h），與之相比有一定的提升.從表2數據看，TC忙率最低，表明在裝卸箱作業中，低架橋系統是充足的；QC忙率最高，且明顯高于其他設備，在一定程度上表明QC設備是運輸傳送系統的瓶頸，在實際系統中需盡量增加QC設備的數目；除QC外，與現有方案比較，各設備利用率基本保持均衡，體現出算法的優勢，具有較高的工程應用價值.

4 結束語

文中首先介紹了ZPMC集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸系統的構成與運行方式，其次分析和研究了基于此種系統的設備分配模型與算法，最后結合模型與算法，采用Witness進行了仿真實現.仿真結果表明，本算法一方面能夠均衡設備忙率，另一方面也可提高碼頭裝卸效率，工程應用價值較高；同時發現QC設備為系統瓶頸，在實際中應盡量增加，以進一步提高碼頭的裝卸效率.

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［6］張 煜，王少梅.自動化集裝箱碼頭中自動導引小車的交通策略研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（4）：641－644.

［7］彭傳圣.漢堡港的自動化集裝箱碼頭［J］.集裝箱化，2005（2）：21－23.

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［10］張 亮，石小法，陸 青.集裝箱碼頭立體軌道網絡傳輸系統的DEDS建模方法與評價［J］.交通與計算機，2008（1）：49－54.