基于系統仿真的集裝箱港區岸橋集卡配置

唐國磊,張 冉，彭 云，周 勇

(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

基于系統仿真的集裝箱港區岸橋集卡配置

唐國磊,張 冉，彭 云，周 勇

(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

集裝箱船舶大型化促使雙40英尺岸橋不斷投入使用，然而我國現行規范對于面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區規劃期的集卡配置數量尚未給出推薦取值。基于系統仿真理論，考慮集裝箱港區雙40英尺岸橋的作業特點，以大連某大型集裝箱港區為例，利用VISSIM仿真軟件建立了包括碼頭前沿、堆場以及港區大門在內的集裝箱港區陸域微觀交通系統仿真模型。通過運行仿真模型獲得仿真結果，分析配備了雙40英尺岸橋的大型自動化集裝箱港區內部交通運行規律，得到了大連某大型集裝箱港區的雙40英尺岸橋平均裝卸效率與集卡配置數量間的關系，給出了該港區的在規劃期的集卡配置建議，為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區在規劃期的集卡配置提供經驗與參考。

交通運輸工程；集裝箱港區；雙40英尺岸橋；集卡配置；交通系統仿真

0 引 言

受全球經濟一體化發展影響，沿海港口集裝箱業務量呈高速增長態勢，“馬士基.邁克-凱尼.穆勒”號集裝箱船投入亞歐航線的運營，宣告世界集裝箱運輸正式進入18 000 TEU時代。為了與船舶大型化趨勢相適應，國內部分大型集裝箱港區，如上海港洋山港區，開始陸續引入雙40英尺岸橋用于碼頭前沿裝卸作業。理論上，雙40英尺岸橋因為可以同時裝卸兩個40英尺的集裝箱，其單臺裝卸效率應較普通岸橋高50%以上，然而實際使用情況并不理想[1]，其中一個重要原因就是港內集卡數量配置合理性不足，導致水平運輸系統與雙40英尺岸橋的有效銜接、協調作業存在問題。集裝箱碼頭的集卡問題主要包括兩個方面，一是運營期的集卡調度，二是規劃期的集卡配置。國外學者主要側重于碼頭運營期的集卡優化調度和策略研究。L.H.LEE等[2]基于混合整數規劃、遺傳算法和最小費用流建立了數學模型，對集裝箱中轉樞紐港的車輛調度算法進行了研究；X.LI等[3]考慮車輛行駛時間和路徑選擇的隨機性，對港內車輛路徑問題進行了研究；D.LEE等[4]基于啟發式算法，將集卡調度和堆場分配兩大問題結合起來進行了研究；此外，還有部分學者提出了集卡預約制度、內部集卡共用制度等有利于提高港口運營效率的集卡策略[5-6]。國內學者對于集卡配置的研究更為重視，且研究與我國工程實際更為切合。劉德鵬[7]基于進化論-遺傳算法建立港內集卡配置仿真模型，在保持岸橋利用率變化不大的條件下，以集卡服務時間最小為優化目標，得到了合理的集卡配置數量；楊靜蕾等[8]以上海港外高橋集裝箱碼頭為例，通過構建一個包括錨地、泊位、橋吊、龍門吊和集卡的動態多級排隊網絡，分析得到外高橋集裝箱碼頭的最優機械配比和最優的橋吊臺數；張少凱等[9]通過建立集裝箱港口作業仿真模型，分析了新舊不同工藝下港口裝卸設備配置對港口作業的影響，為不同策略下裝卸設備數量配置提供了參考依據。對于配備雙40英尺岸橋的集裝箱港區，現有研究較少，僅有的少量研究主要集中于運營期的集卡調度優化算法問題[10-11]，缺乏相應系統仿真模型的建立，也缺乏在規劃期對集卡進行合理配置的建議。

在分析雙40英尺岸橋裝卸作業特點的基礎上，以大連某大型集裝箱港區為例，利用VISSIM仿真軟件建立了面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區陸域微觀交通系統仿真模型。通過運行該系統仿真模型，分析配備了雙40英尺岸橋的集裝箱港區內部交通運行規律，得到了大連某大型集裝箱港區的雙40英尺岸橋平均裝卸效率與集卡配置數量間的關系，給出了該港區在規劃期的集卡配置建議。為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區規劃期間如何合理配置集卡提供了經驗和參考。

1 雙40英尺岸橋裝卸作業特點

雙40英尺岸橋與目前常用的單40英尺岸橋的差別主要在于，雙40英尺岸橋擁有兩套獨立的起吊裝置，兩吊具同步協調控制，每次作業可以同時起吊2個40英尺集裝箱。單40英尺岸橋一次吊裝作業循環中僅需2次對箱，而雙40英尺岸橋需要操作人員進行4次對箱[12]。因此，如圖1，雙40英尺岸橋一次吊裝作業循環比單40英尺岸橋多出兩次對位、兩次鎖緊與兩次脫鉤時間。

圖1 雙40英尺岸橋單次吊裝作業Fig.1 One lifting operation of twin 40 feet quay crane

與普通單40英尺岸橋相比，雙40英尺岸橋裝卸作業時碼頭前沿的交通情況更加復雜。一方面，由于港內集卡配置數量增多和單次吊裝作業時間延長，雙40英尺岸橋下的集卡排隊等待長度更長，對在碼頭前沿位于岸橋后方的集卡駛離碼頭前沿產生了較大的干擾；另一方面，單個岸橋下作業點數量由一個增加為兩個，導致港內集卡需要在碼頭前沿進行更為復雜的換道行駛，產生了較大的變道干擾。兩方面的干擾交織影響，對水平運輸系統與雙40英尺岸橋的協調作業產生了較大的不利影響，進而也影響了雙40英尺岸橋裝卸效率的充分發揮。

2 系統仿真建模

以大連市某集裝箱港區為原型，構建面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區陸域微觀交通系統仿真模型，并依據雙40英尺岸橋裝卸工藝和實際情況設置集卡在港內的行駛路徑、參數分布與性能參數等。該系統仿真模型實現了港內生產作業和交通運行的整體性建模，建立了完整的運輸道路網絡，不僅能夠從宏觀層面反映港內生產作業過程中集卡的路徑選擇，而且能夠從微觀層面有效地模擬集卡在港區內部跟馳、換道、超車等微觀交通特性。

2.1 模型路網建立

雙40英尺岸橋集卡的配置一方面應與具體集裝箱港區的陸域布置和作業線布置相適應，另一方面還應與集裝箱港區的港內道路布置實際情況相匹配，本文以大連市某集裝箱港區為例，其平面布置如圖2，碼頭前沿雙40英尺岸橋下作業點布置如圖3。

圖2 集裝箱港區平面布置Fig.2 Container terminal plane layout

圖3 雙40英尺岸橋下作業點布置Fig.3 Operation points layout under twin 40 feet quay cranes

大連市某集裝箱港區的碼頭岸線長為1 200 m，陸域縱深800 m，碼頭前沿配備雙40英尺岸橋15臺，堆場區配備輪胎式龍門起重機66臺。該港區內主要包括“四橫四縱”8條主干道，1條岸橋下作業通道和66條場橋下作業通道(一個場橋對應1條作業通道)。8條主干道均為雙向六車道。岸橋下作業通道為單向八車道，作業通道居中隔離開，分為兩個方向相同的四車道作業通道。同時，為了保證集卡在岸橋下具有較高的通行效率，雙40英尺岸橋下作業點錯位布置。

2.2 模型基本設置

2.2.1 行駛路徑與參數分布

根據雙40英尺岸橋的裝卸工藝設置集卡行駛路徑：港外集卡從港區大門駛入后，依各自作業計劃駛向相對應的重箱、空箱或冷藏箱堆場，在場橋下排隊等候吊裝作業，完成吊裝作業后駛離港區大門；港內集卡從港內集卡停車場(位于港區大門附近)出發，駛向碼頭前沿，在岸橋下排隊等候吊裝作業，完成一次吊裝作業循環后隨機駛向對應的重箱、空箱或冷藏箱堆場，在相應堆場的場橋下排隊等候吊裝作業，完成吊裝作業后重新駛向碼頭前沿。

調研得到，集卡在場橋處的裝卸作業時間服從正態分布，平均值120 s，標準差5 s。雙40英尺岸橋在碼頭前沿的裝卸工藝較為復雜，本研究采用VISSIM自帶的VAP模塊，通過感應信號控制，實現集卡抵達雙40英尺岸橋作業點前的放行控制，放行后，集卡駛入雙40英尺岸橋作業點開始吊裝。目前雙40英尺岸橋完成一次吊裝作業用時的調研數據并不充分，因此，對雙40英尺岸橋單次吊裝作業用時為80，100，120，140，160 s展開5組平行試驗，分別進行不同集卡數量配置時的港區陸域微觀交通仿真。

根據歷史調研數據，港外集卡抵達港區大門的到港時間分布基本符合泊松分布，且港區入港閘口的通過能力為240 輛/小時。

2.2.2 集卡性能與駕駛行為參數

集卡在港內行駛的目標車速為25～30 km/h，其主要性能參數如表1。為客觀反映實際交通運行狀況，需正確標定模型中的駕駛行為參數。選用的跟車模型為Wiedemann 74模型，橫向運動規則選用自由車道選擇，即允許車輛在任何車道上超車，經校正后集卡的跟車行為參數和變道行為參數的標定值如表2[13]。

表1 集卡主要性能參數

表2 集卡主要駕駛行為參數

3 仿真結果分析

通過運行大連某集裝箱港區的陸域微觀交通系統仿真模型，模型的運行狀況基本反映了配備雙40英尺岸橋的大型自動化集裝箱港區的交通系統運行客觀規律：進行單個大型船舶裝卸時，堆場的大型化與港區管理的自動化使得由裝卸該船舶引起的堆場交通壓力得到了較大程度的分散，與此相應，雙40英尺岸橋作業點布置與裝卸工藝更加復雜，集卡不可避免的在碼頭前沿集中使得碼頭前沿成為裝卸該大型船舶時的交通瓶頸區。

以雙40英尺岸橋的平均裝卸效率作為判斷依據，岸橋單次吊裝作業用時T為80，100，120，140，160 s時，雙40英尺岸橋平均裝卸效率P與每個岸橋平均配置集卡數量n的關系如圖4。

圖4 平均配置集卡數量與雙40英尺岸橋平均裝卸效率關系Fig.4 Relationship between average number of configured trucks and average handling effiency of twin 40 feet quay cranes

可以明顯看出，對于該集裝箱港區：

1)隨著每個岸橋平均配置集卡數量的增多，雙40英尺岸橋的平均裝卸效率將逐漸增大，到達峰值后，岸橋平均裝卸效率變化不再明顯。

2)當平均每個雙40英尺岸橋配置港內集卡數量≤8個時，岸橋平均裝卸效率隨著集卡配置數量增多提高較快；當平均每個雙40英尺岸橋配置港內集卡數量≥12個時，隨著集卡配置數量增多，岸橋裝卸效率變化不大。因此，對于大連某配備了雙40英尺岸橋的大型自動化集裝箱港區，若每個岸橋平均配備集卡數量12個左右，能夠基本滿足水平運輸系統內集卡的實時調度需求，若每個岸橋平均配備集卡數量<8個時，可以認為集卡的配置數量無法滿足使用需求。

3)雙40英尺岸橋單次吊裝作業用時為80，100，120，140，160 s時，每個岸橋平均配置集卡數量達到16，14，12，12，10個，岸橋平均裝卸效率分別達到峰值68.1，57.5，44.8，43.5，38.7箱/小時。因此，隨著雙40英尺岸橋操作經驗日益豐富，操作人員操作水平更加純熟，岸橋裝卸計劃更加完備，岸橋單次吊裝作業時間將逐漸減少，此時，可以根據港區實際情況適當為每個岸橋平均增配集卡2～4個。

目前，國內僅有上海港等少數集裝箱港口配備了雙40英尺岸橋。在現有裝卸需求下，上海港單個雙40英尺岸橋平均配置集卡數量約為8～12個(單次吊裝作業用時約為90～120 s)，仿真結果誤差較小，具有一定的參考意義。

4 結 語

通過分析雙40英尺岸橋裝卸作業特點，以大連某集裝箱港區為例，利用VISSIM仿真軟件建立了包括碼頭前沿、堆場以及港區大門在內的面向雙40英尺岸橋的集裝箱港區陸域微觀交通系統仿真模型，利用該仿真模型展開了雙40英尺岸橋單次吊裝用時分別為80，100，120，140，160 s的5組平行仿真試驗。研究結果表明，對于大連某配備了雙40英尺岸橋的大型自動化集裝箱港區，每個岸橋平均配備集卡數量12個左右時，能夠基本滿足水平運輸系統內集卡的實時調度需求，集卡數量<8個時，可以認為集卡的配置數量無法滿足調度使用需求；同時，隨著雙40英尺岸橋操作經驗日益豐富，可以根據港區實際情況適當為每個岸橋平均增配集卡2～4個。對于面向雙40英尺的集裝箱碼頭集卡配置研究取得一定進展，為采用雙40英尺岸橋的集裝箱港區集卡配置提供了經驗與參考，對于配備了雙40英尺岸橋的集裝箱港區規劃具有借鑒意義。

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(責任編輯 朱漢容)

Simulation-Based Trucks Allocation for Quay Cranes in Container Terminals

TANG Guolei，ZHANG Ran，PENG Yun，ZHOU Yong

(Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China)

Twin 40 feet quay cranes are used to improve handling efficiency in container terminals. However, the recommended value of container trucks quantity is not given in national norms for the planned port area equipped with 40 feet quay cranes . Based on the operating characteristics of the twin 40 feet quay cranes, a microscopic traffic simulation model was built for a container terminal with twin 40 feet quay cranes in Dalian to address the trucks allocation problem. Operations in container terminal apron, yard and port gate area were included in this model. By running the simulation model, the traffic operation rule in container terminals with twin 40 feet quay cranes and the relationship between container trucks allocation quantity and the average handling efficiency of twin 40 feet quay cranes can be observed. Lastly, the recommended optimal quantity of container trucks allocated are provided , which can provide experience and reference for planning of container terminals to be equipped with twin 40 feet quay cranes.

traffic and transportation engineering；container terminals；twin 40 feet quay cranes；trucks allocation；traffic simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.16

2015-11-24；

2016-01-07

國家自然科學基金項目(51279026；51309049；51579035)

唐國磊(1980—)，男，山東煙臺人，副教授，博士,主要從事港口規劃、港口系統仿真優化方面的研究。E-mail：tangguolei@dlut.edu.cn。

U651

A

1674-0696(2017)02- 091- 04