自動化集裝箱碼頭堆場系統變革

金健

近年來，我國多個沿海港口加緊規劃建設自動化集裝箱碼頭，爭相搶占國內自動化集裝箱碼頭技術和管理的制高點。在借鑒西方發達國家港口自動化集裝箱碼頭建設經驗的基礎上，我國自動化集裝箱碼頭在規劃建設及設備設計和選型等方面均有所突破，但在業務管理和流程，尤其是堆場系統設計方面還存在薄弱之處。本文分析傳統集裝箱碼頭堆場系統的局限性，介紹自動化集裝箱碼頭堆場系統的特點，并探討自動化集裝箱碼頭堆場系統變革的主要內容，以期為我國沿海港口自動化集裝箱碼頭優化堆場管理系統提供參考。

1 傳統集裝箱碼頭堆場系統的局限性

我國沿海港口基本上采用輪胎吊搭配堆高機（鏟車）的傳統集裝箱碼頭堆場系統，該系統具有場地利用率高、成本低、設備操作簡單靈活、對集裝箱的損壞少等優點。隨著集裝箱運輸業的發展，傳統集裝箱碼頭堆場系統得以持續優化和改進，逐漸形成一套行之有效的管理流程和規則，加之近年來對數學模型和仿真科技的應用，使得傳統集裝箱碼頭堆場系統的效率優勢進一步體現。然而，隨著自動化集裝箱碼頭的興起，傳統集裝箱碼頭堆場系統的局限性逐步凸顯。

1.1 系統輸入和輸出無法預知

傳統集裝箱碼頭堆場系統無法預知出口集裝箱進場情況，導致隨機進場的出口集裝箱全憑人工經驗安排堆場計劃。另外，傳統集裝箱碼頭堆場計劃受后續船舶配積載的制約，難以適應船舶配積載要求的變化。例如，開工作業路數、出口集裝箱在船上的具體貝位等都無法在安排堆場計劃前預知。進口集裝箱的情況亦然：雖然在作業前已知進口船圖等部分信息，但無法在安排進口集裝箱卸船堆場計劃前預知后續的中轉二程船或客戶提箱等信息。

1.2 制約和沖突并存

傳統集裝箱碼頭堆場計劃經常陷入一種“平衡陷阱”：若出口集裝箱堆場過于分散，則會牽涉過多機械，造成機械資源浪費；若其過于集中，則會造成作業路間的沖突，導致作業效率下降。究其原因，由于無法預知后續船舶開路和配積載情況，不能根據船舶實際開路數來分配出口集裝箱箱區，只能大致憑經驗或歷史數據安排堆場計劃。在同一箱區內，來自同一港口或同一噸級的集裝箱基本上集中堆放，但這會受指令先后次序的影響；另外，同一箱區存在2條甚至更多作業路，這同樣會對堆場安排形成制約。

在傳統集裝箱碼頭堆場輪胎吊收發箱工藝模式下，同一箱位的收發箱作業最好集中進行，待該箱位的所有集裝箱收發完畢，輪胎吊再行車到鄰近箱位實施收發箱作業，從而降低作業成本，提高作業效率。此外，雖然目前集卡司機可通過無線終端（外集卡司機可通過道口小票）獲悉取箱和收箱位置，但由于集卡長度大于箱位長度，當不同作業路或不同箱位的指令集卡在同一箱區相鄰作業時，往往需要協調作業，導致成本增加。

1.3 效益與效率的矛盾突出

在傳統集裝箱碼頭堆場系統作業模式下，輪胎吊需要來回行車收發箱，集卡等待成本和翻箱率較高，并且進口集裝箱難以分票堆放或根據二程船堆放。如果進口集裝箱分票量較大，且同票集裝箱無法同時卸船，則勢必需要將集裝箱堆放在多個箱位，促使輪胎吊頻繁來回行車，導致進口集裝箱作業效率下降，作業成本上升。此外，由于在安排進口集裝箱堆場計劃前無法預知客戶提箱或二程船裝船情況，同樣會造成輪胎吊頻繁來回行車發箱的情況，導致作業效率下降。

1.4 堆場計劃規則復雜

傳統集裝箱碼頭堆場計劃的制訂受諸多規則的制約，其中包括分船、分港、分噸級、按位、按排、重壓輕等堆放原則。堆場計劃員往往僅憑經驗應用規則，致使規則應用難以實現標準化。

2 自動化集裝箱碼頭堆場系統的特點

國內外自動化集裝箱碼頭普遍采用自動化軌道式龍門起重機（Automated Rail-Mounted Gantry Crane，ARMG）作業工藝：海側ARMG通過自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）與岸橋對接，形成碼頭海側船舶裝卸系統；陸側ARMG直接對接外集卡，形成碼頭陸側作業系統；海側與陸側之間形成全封閉式的ARMG作業區域（見圖1）。該作業系統的特點如下。

（1）收取箱點固定。傳統集裝箱碼頭堆場的收取箱點隨著輪胎吊作業箱位的變化而變化，由集卡行駛到指令所在箱位取箱；全封閉式自動化集裝箱碼頭堆場收取箱點固定在箱區兩端。

（2）雙機配置形成“緩沖-接力”作業模式。以進口集裝箱卸船作業為例，“緩沖-接力”作業模式指海側ARMG從AGV收進的進口集裝箱由陸側ARMG接力運輸至靠近陸側的堆存區域，并由陸側ARMG發給外集卡。

（3）全封閉式雙機作業。自動化集裝箱碼頭全封閉式堆場解決了水平運輸機械在箱區內、箱區間和集裝箱間的作業沖突問題，雙機緩沖作業的設計則避免了收發箱作業沖突問題。

3 自動化集裝箱碼頭堆場系統變革

收取箱點固定使得每個裝卸箱指令變為相互獨立的事件。傳統集裝箱碼頭堆場收取箱指令受到上一個指令的制約，上一個指令的箱位是下一個指令的開始位置，因為輪胎吊與集卡的交接點隨作業指令而不斷變化。自動化集裝箱碼頭堆場收取箱點固定在箱區兩端，收取箱指令不受上一個指令的影響；因此，完成每個指令所需的時間和成本都是恒定的。在傳統集裝箱碼頭堆場，同類型集裝箱在箱區內盡量集中堆放，以免因輪胎吊頻繁行車而造成成本上升和效率下降。自動化集裝箱碼頭堆場的每個作業指令相互獨立，不受傳統堆放規則的限制，只須遵循同排、同類原則即可，以免ARMG翻箱，其中，同類原則指集裝箱同船、同航次、同噸級原則。

傳統集裝箱碼頭堆場計劃普遍采用的分噸級原則已經過時。分噸級指在配積載時為確保船舶穩性而對出口集裝箱按總質量分級，例如，將1～的集裝箱定為1級，10～的集裝箱定為2級，以此類推，也可以更加細分。這種分級辦法存在嚴重缺陷，例如，的集裝箱與的集裝箱本不屬于同一噸級，但實際上一些大型船舶對配積載的要求不高，總質量相差以內的集裝箱無須分別積載。傳統分噸級原則使得系統無法判斷和合理安排處于噸級邊緣的集裝箱。

由于自動化集裝箱碼頭堆場收取箱點固定，集裝箱之間的聯系減弱，只須考慮同排集裝箱的關系，即如果按傳統的堆場計劃經驗，必定采取同排集裝箱重壓輕堆放原則。自動化集裝箱碼頭堆場計劃突破傳統思維，只區分港口而不區分噸級，引入同排質量差的概念，即根據同排集裝箱的質量差安排堆存計劃。舉例來說明，假設歷史經驗設定某船所載同排集裝箱的質量差為，某排內第一個出口集裝箱的質量為，第二個出口集裝箱的質量為，同排4層出口集裝箱形成的質量差，那么該排剩余2個出口集裝箱的質量必須在9～的范圍內。如果第一個出口集裝箱的質量為，與其質量差小于的出口集裝箱可以堆放在其上層；如果第二個出口集裝箱的質量為，則第三層出口集裝箱要么與9 t集裝箱形成大的質量差，要么與集裝箱形成小的質量差。假設第三層出口集裝箱的質量為，則第四層只能堆放8～的出口集裝箱。這種同排集裝箱根據質量差堆存的原則可以確保同排出口集裝箱符合同時配積載的要求。當然，還可以結合噸級的概念，根據歷史經驗將不同噸級集裝箱按質量差再加以細分。

雙機配置下的“緩沖-接力”模式可以彌合整個堆場系統的間隙，使堆場作業保持連貫性，有利于提升堆場作業能力。例如，當陸側ARMG空閑時，其可以幫助海側ARMG完成翻箱等作業，還可以在進口集裝箱卸船或出口集裝箱裝船過程中，通過接力方式減少海側ARMG行車。自動化集裝箱碼頭堆場沒有必要設置專門的緩沖點，暫時不作業的箱位和超計劃層高的箱位都可以作為緩沖點，原則上以繁忙的ARMG的下一個指令箱位作為緩沖點。例如：若海側ARMG繁忙，則其發箱箱位可以作為其卸箱緩沖點；若下一個指令仍舊是收卸船箱，則可以考慮將雙機作業的平衡點位置作為緩沖點。此外，雙機配置為箱區整理提供了便利，例如，可以利用空閑的ARMG實施理箱、翻箱作業，以保證整個系統的作業效率?？傊p機配置突破了傳統集裝箱碼頭堆場區分進口集裝箱、出口集裝箱、中轉集裝箱等的箱區規劃，使整個業務流程更加均衡。

由于作業指令相互獨立，便于精確地預測每個作業指令的作業時間和成本，進而預測整個作業系統的作業時間和成本，同時可為自動配積載或事前優劣評估提供準確的數據支持。另外，與傳統集卡工藝相比，由于AGV端不受岸橋和場橋兩端效率的影響，AGV的運輸過程可以在系統中忽略不計。系統自動生成包括箱號、作業路指令次序、箱位、預計時間、預計成本等信息的作業列表，從而可以清楚地判斷作業計劃的沖突點并加以預控，甚至可以通過事前優化避開沖突，提升效率和效益。

根據橋吊效率大于等于場橋效率的原則來制訂堆場計劃，保證ARMG能夠配合碼頭前沿的橋吊同時進行收發箱作業。由于各箱區的作業指令相互獨立，出口集裝箱在相鄰箱區（原則上為船舶靠泊泊位所對應的后場箱區）內按船舶和港口隨機堆放。自動化集裝箱碼頭堆場系統的創新點在于，打破傳統集裝箱碼頭堆場計劃的規則，只須在與泊位相對應的堆場遵循同排、同類集裝箱隨機分散堆放的原則即可，中轉箱一般堆放在二程船箱區。

傳統集裝箱碼頭堆場集中堆放集裝箱是為了減少輪胎吊行車；而自動化集裝箱碼頭堆場指令相對獨立，將集裝箱分散堆放利于發箱。在自動化集裝箱碼頭堆場系統下：需要保證同排4層出口集裝箱的類型相同，按照隨機分散的原則將同排同類型的出口集裝箱看成1組，使其平均分散堆放在各個相對應的箱區；配積載時通過作業列表調整并避免沖突點，輔以雙機配置形成的緩沖和接力，克服傳統集裝箱碼頭堆場系統輸入和輸出無法預知的弊端。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2017-03-10）