基于拖車共享的件雜貨碼頭混合作業工藝

劉志雄　陳玉婷　熊楊

摘要：

為提高件雜貨碼頭作業效率，在對件雜貨碼頭裝卸作業進行分析的基礎上，借鑒集裝箱碼頭集卡交叉作業工藝模式，提出基于“拖車共享，拖板歸線”的件雜貨水平運輸混合作業工藝模式，主要包括岸邊交叉作業模式和全場交叉作業模式。針對全場交叉作業模式，提出“貨垛同場+堆場相鄰”的拖車交叉作業原則。針對兩種混合交叉作業模式，提出相應的拖車調度算法。利用Plant Simulation對傳統固定作業模式和兩種混合交叉作業模式進行仿真建模，并結合實際生產數據進行仿真。仿真結果表明，在減少門機作業等待時間、提高門機作業效率方面，兩種混合交叉作業模式是有效的。相比固定作業模式，岸邊交叉作業和全場交叉作業模式下的單船門機裝船作業等待時間分別減少1.0%和3.3%。

關鍵詞：

水路運輸； 拖車共享； 件雜貨； 水平運輸； 混合作業

中圖分類號： U691.31

文獻標志碼： A

Abstract：

To improve the operation efficiency of general cargo terminals， based on the analysis of the loading and unloading operation of general cargo terminals， referring to the container terminal truck crossoperation mode， the mode of the general cargo horizontal transportation hybrid operation based on the “truck sharing and trailers fixed to operation line” is proposed. It mainly includes the coast crossoperation mode and the whole crossoperation mode. The principle of truck crossoperation of “stacking in the identical yard and handling among the adjacent yards” is put forward based on the whole crossoperation mode. The truck scheduling algorithms are proposed respectively for two hybrid crossoperation modes. Simulation modeling of the traditional fixed operation mode and two hybrid crossoperation modes are carried out by Plant Simulation， and the simulation is carried out with the actual production data. The simulation results show that， the two hybrid crossoperation modes are effective in reducing the waiting time and improving the operation efficiency of portal cranes. As to the coast crossoperation mode and the whole crossoperation mode， the portal crane waiting time on loading operation for one ship is respectively reduced by 1.0% and 3.3% compared with the fixed operation mode.

Key words：

waterway transportation； truck sharing； general cargo； horizontal transportation； hybrid operation

0引言

港口件雜貨碼頭船舶裝卸作業線上的機械配置一般如下：岸邊裝卸采用門座式起重機（簡稱門機）；堆場裝卸采用輪胎式起重機（簡稱輪胎吊）或叉式裝卸車（簡稱叉車）；水平運輸采用拖車（即牽引車）與拖板（即平板半掛車）的組合配置。其中，水平運輸主要采用基于循環甩掛的固定作業模式，即拖車拖板組合和門機固定配置方式，進行船舶裝卸作業。在這種傳統作業模式下，裝卸貨類差異、作業堆場距離遠近、不同作業環節裝卸效率差異等可能導致岸邊或堆場裝卸機械的閑置等待。一旦船舶裝卸作業線的水平運輸環節不能及時銜接，就會造成岸邊機械暫停等待，船舶裝卸中斷，進而影響船舶裝卸效率。

對件雜貨裝卸作業的研究比對港口集裝箱和散貨裝卸作業的研究少，已有研究主要集中在裝卸設備配置、作業線建模分析、作業仿真分析等方面。薄萬明[1]從定性和定量角度分析了件雜貨裝卸作業系統；李靜泉[2]、鄭斐城[3]、宓為建等[4]對件雜貨碼頭作業線和整個作業系統的機械配置問題進行了分析；張鵬[5]結合實際生產數據分析了各種機械的裝卸效率；董明望等[6]對單一作業機械和單條裝卸作業線效率進行了研究，建立了相應的數學模型并對其進行了分析；劉志雄等[7]提出了以拖板為作業單元的裝卸作業線建模分析方法；莫之平等[8]基于對件雜貨碼頭裝卸工藝成本的調查，提出了分析裝卸工藝成本的方法；易應強等[9]結合實際生產數據分析了件雜貨碼頭貨場運行情況；樊勇春等[10]從泊位和庫場分配角度對件雜貨裝卸作業能耗優化問題進行了研究；賈智勇等[11]和賀晶晶[12]分別利用Witness和Plant Simulation仿真建模軟件對件雜貨裝卸作業過程進行了仿真建模分析。有關件雜貨裝卸作業工藝模式改進的研究還比較少。目前，針對港口水平運輸混合交叉作業的相關研究[1315]主要集中在集裝箱裝卸作業方面，且研究成果在集裝箱碼頭已經得到應用。

件雜貨裝卸工藝模式的革新和發展一直都是碼頭運營管理者非常關注的問題。然而，件雜貨碼頭信息化水平較低，“信息孤島”現象較為嚴重，裝卸作業各環節的信息交流與溝通基本上依賴人工完成。近年來，無線網絡、地理信息系統（geographic information system，GIS）、物聯網、移動終端等技術逐步被應用到件雜貨碼頭生產中。港口信息化的推廣和應用為件雜貨裝卸作業工藝模式的改進提供了良好的基礎和機遇。基于件雜貨裝卸作業的特點和現狀，本文借鑒集裝箱碼頭集卡交叉作業工藝模式，提出面向水平運輸環節的件雜貨混合作業工藝模式，探討水平運輸混合交叉作業工藝對件雜貨裝卸性能的影響和作用，為件雜貨碼頭作業工藝模式的改進提供決策支持。

1件雜貨碼頭混合作業工藝分析

1.1件雜貨固定模式裝卸作業分析

在件雜貨船舶裝卸作業中，門機、拖車、拖板、輪胎吊（或叉車）組成了一條固定的船舶裝卸作業線，如圖1中的作業線1或作業線2。水平運輸作業一般由1輛拖車和3臺拖板完成，采用循環甩掛方式，在岸邊與堆場之間完成運輸任務。為保證岸邊與堆場機械作業的連續性，在水平運輸甩掛作業中一般要保證岸邊和堆場各自都有1臺拖板，拖車在岸邊與堆場之間的往返運行必須帶有空載拖板或重載拖板。以裝船作業為例，拖車從堆場將重載拖板拖至岸邊后，必須將已經或者即將卸載完的空載拖板拖至堆場。一旦某個貨垛作業完畢，拖車就會將空載拖板拖至新的貨垛。每條作業線上的拖車只固定地服務本作業線，不會服務其他作業線。

在船舶裝卸作業中，要保證門機作業的連續性就要保證水平運輸環節能夠與門機作業及時有效地銜接。水平運輸環節能否與門機作業有效銜接，與裝卸貨物種類、門機效率、堆場機械效率、岸邊與堆場貨垛的距離、拖車的運行速度（空載與重載速度）等密切相關。

以裝船作業為例分析門機作業等待時間。假設一艘船裝船作業線有2條（2臺門機）。如果不考慮作業中的轉場等待時間，那么裝船作業全過程中門機作業等待總時間W可以描述如下：

Tkij=bkijfki，

T′kij=bkijf′ki，

Mki=LkiVe+LkiVl

（1）

Tki（j-1）>Mki，Wkij=Tki（j-1）-Mki

Tki（j-1）≤Mki，Wkij=0 （2）

T′kij>Mki，W′kij=T′kij-Mki

T′kij≤Mki，W′kij=0 （3）

Vkij=Mki+W′kij+Wkij=

LkiVe+LkiVl+W′kij+Wkij

（4）

Tki（j-1）>Vkij，Wkij=0

Tki（j-1）≤Vkij，Wkij=Vkij-Tki（j-1） （5）

Wki=skij=1Wkij，

ski=Gkigki （6）

W=2k=1nki=1Wki=2k=1nki=1skij=1Wkij （7）

式中：k為作業線數量，k=1，2；i為每條作業線對應的作業貨垛，i=1，2，…，nk；bkij為第k條作業線第i個貨垛第j次作業的拖板裝載量，gki為第k條作業線第i個貨垛的拖板滿載量（拖板的滿載量也因貨物種類而存在差異[13]），即有bkij≤gki；fki為第k條作業線第i個貨垛的門機裝卸效率，f′ki為第k條作業線第i個貨垛的堆場機械裝卸效率；Tkij為第k條作業線第i個貨垛第j次作業的單拖板門機作業時間，T′kij為第k條作業線第i個貨垛第j次作業的單拖板堆場機械作業時間；Lki為第k條作業線第i個貨垛與岸邊的距離；Ve為拖車的空載運行速度，Vl為拖車重載運行速度；Mki為拖車在岸邊與堆場之間往返一次的運輸時間，Vkij為拖車在岸邊與堆場之間往返一次的實際作業時間；Wkij和W′kij分別為拖板在第k條作業線第i個貨垛進行第j次作業時拖車在岸邊和堆場的等待時間；Gki為第k條作業線第i個貨垛的裝卸量；ski為第k條作業線第i個貨垛的拖車往返次數（即拖板裝載次數）；Wki為第k條作業線第i個貨垛的門機作業等待時間。

當門機前一次作業時間Tki（j-1）大于Mki時，拖板在岸邊的等待時間為Tki（j-1）-Mki，否則等待時間為0；當堆場機械作業時間T′kij大于Mki時，拖板在堆場的等待時間為T′kij-Mki，否則等待時間為0。

當門機前一次作業時間Tki（j-1）大于Vkij時，門機的作業等待時間為0，否則等待時間為Vkij-Tki（j-1）。

綜上，作業線上門機、拖車和堆場機械的作業等待時間是由貨類、貨垛位置和機械效率等因素綜合決定的，存在不確定性和動態性。對于同船相鄰作業線而言，如果能夠共享水平運輸，實現水平運輸在兩條作業線之間的混合交叉作業，就有可能避免或者減少上述門機或堆場機械等待拖車的情況的發生，既可以保證水平運輸的有效銜接，又可以提高拖車的利用率，從而提高水平運輸的效率。

1.2混合作業工藝分析

混合作業工藝主要采用“拖車共享，拖板歸線”的作業模式，即3臺拖板在各自作業線內部流轉，拖車資源在同船相鄰作業線之間共享。

在相鄰作業線之間考慮拖車共享，主要是為了縮短水平運輸時間，充分利用拖車資源，減少岸邊門機和堆場機械的作業等待時間。混合交叉作業需要考慮拖車在作業線之間的運行距離大小。運行距離過大會導致水平運輸時間增加，使得門機和堆場機械作業等待時間更長。例如，如果相鄰作業線的堆場貨垛相距較遠，在堆場實施拖車共享對于水平運輸環節是不利的。因此，本文提出的基于拖車共享的混合作業工藝主要包括岸邊交叉作業和全場交叉作業兩種模式。

1.2.1岸邊交叉作業模式

相鄰作業線的兩臺門機分別針對同艘船的不同艙口進行裝卸作業，相隔距離較短，拖車在兩臺門機之間交叉作業。堆場拖車只服務當前作業線，不考慮交叉作業。

圖2為裝船作業的拖車岸邊交叉作業模式示意圖。兩條作業線上的拖車從堆場將重拖板拖至岸邊時，會根據兩條作業線的作業狀態動態分配空拖板，以達到拖車岸邊共享。

1.2.2全場交叉作業模式

在岸邊交叉作業模式的基礎上進一步實施堆場拖車作業共享，即為全場交叉作業模式。

件雜貨堆場一般采用“場—區—位”的三級劃分方法，即整個堆場由多個場地組成，每個場地又可劃分為多個區，一個區劃分為多個貨位。具體的貨垛根據貨物類型、垛型大小等占用一個或多個貨位，見圖3。相鄰作業線的堆場貨垛可能位于堆場中的同一個場地，也可能分散在不同的場地。

在堆場拖車交叉作業時，為避免拖車運行距離過大，采用“貨垛同場+堆場相鄰”的作業原則，即在堆場拖車交叉作業時，要對兩條作業線的作業堆場位置進行判斷。

對相鄰堆場的設定如下：若某一堆場剛好位于另一堆場的旁邊，則判定兩堆場為相鄰堆場。本文將相鄰堆場設定為如圖4所示的3種結構，分別表示與堆場A相鄰的堆場、與堆場B相鄰的堆場和與堆場C相鄰的堆場。

基于上述“貨垛同場+堆場相鄰”的堆場作業原則，全場交叉作業模式見圖5。

在堆場中，當一條作業線的堆場機械完成裝貨作業，產生重拖板時，若剛好有相鄰作業線的拖車在相鄰堆場等待重拖板的產生，則相鄰堆場處于等待狀態的拖車便掛上該堆場中處于等待狀態的重拖板，前往碼頭前沿。全場交叉作業模式下的岸邊作業拖車共享與岸邊交叉作業模式下的相同。

2件雜貨碼頭混合作業工藝仿真建模

結合傳統作業工藝和上述水平運輸混合作業工藝，利用Plant Simulation，采用模塊化設計方法對件

雜貨裝卸作業進行仿真建模，仿真流程見圖6。

2.1陸運集港作業

在仿真模型中，貨物集港包含汽車集港和火車集港兩種方式。汽車和火車集港時，仿真模型調用作業機械，建立動態的陸運裝卸作業線。作業完畢后，作業線撤銷，汽車和火車離港，機械返回車隊。集港作業時，堆場數據隨著作業進程實時更新。

2.2船舶到離港作業

在仿真模型中，船舶進出港遵循先入先出（FIFO）原則。結合實際生產數據生成船舶裝卸量，并根據堆場現有貨物情況生成船舶裝卸貨物明細，包括貨場分布和貨量分布。

通過連續的裝卸船作業，當泊位對應的門機完成所有的作業后，堆場機械和拖車返回車隊，作業線撤銷，船舶離港。

2.3船舶裝卸作業

仿真模型采用先卸后裝原則，動態調用門機、堆場機械和拖車建立船舶裝卸作業線。堆場機械根據貨類和機械空閑情況，隨機選擇輪胎吊或叉車。在裝卸作業線建立后，根據作業線所對應的裝卸量和貨場分布，依次進行裝卸船作業。船舶裝卸作業時，堆場數據隨著作業進程實時更新。

2.4堆場分配

仿真模型考慮進口和出口雙向流程，以出口為主。堆場分配時進口、出口貨物獨立堆存，互不混堆。因為進口貨物量占比小，所以進口貨物集中堆放在少量場地上，堆場分配主要考慮出口貨物（集港貨物）。貨物集港時的堆場分配策略如下：分析歷史數據得出主要貨物比例和周轉率以及每種貨物的主要貨主所占份額，以此份額來分配每個貨主每種貨類的堆場區域大小。

2.5轉場作業

在本模型中，由于裝船貨物在堆場中分散存放，裝船作業階段會出現轉場作業。轉場作業時，裝卸作業線暫時中斷，當前作業場地的裝卸作業線自動撤銷，輪胎吊自動尋址至新作業場地，并建立新作業場地的作業線。

2.6拖車調度

拖車共享交叉作業時，需要結合岸邊交叉作業和全場交叉作業模式對拖車實施動態調度。岸邊和堆場作業時的拖車調度分別見圖7和8。

3仿真

3.1仿真數據

收集并分析天津港某件雜貨碼頭相關生產數據，確定如下仿真參數：主要貨類為吞吐量累計占比95%的前14種鋼材貨物，汽車集港與火車集港的貨物量之比為7∶3，進口與出口貨物量之比為95∶5。汽車、火車和船舶到港分布根據實際生產數據統計分析得到。設置6個泊位，每個泊位設置2臺門機。堆場作業機械共設置40臺，其中：輪胎吊為主要裝卸機械，覆蓋所有裝卸貨類；叉車配置數量較少，其能裝卸的貨類數量也有限。結合現場調研，門機和叉車作業效率統計情況分別見表1和2。

3.2仿真模型布局

結合碼頭實際布局，布置仿真模型中的堆場場地、鐵路軌道、碼頭道路、泊位等部分，仿真模型布局見圖9。

上述仿真模型中的船舶到港規律、船舶載重規律、碼頭貨物占比情況、貨物單件質量、門機裝卸效

率、輪胎吊裝卸效率、拖板載貨數量等數據均是由碼

頭實際調研得到的。在仿真模型細節方面，從模型道路框架的搭建到碼頭設施設備（包括門機、輪胎吊、叉車、拖車、拖板等）的配置，再到碼頭作業情況（包括碼頭裝卸作業線的限制、裝卸作業線的動態建立與撤銷、拖板上貨物按數量進行裝卸作業、循環甩掛運輸、轉場作業、不同貨類的不同作業時間等）的模擬均按照件雜貨碼頭的實際作業情況進行建模，以求更貼近碼頭實際生產作業情況。

3.3仿真結果分析

在水平運輸固定作業模式和兩種混合交叉作業模式下進行仿真，在仿真軟件中設置碼頭作業時間為360 d，得到3種作業模式下的仿真結果，見表4。表5為在固定作業模式下仿真運行后集港貨物分貨類統計情況。

結合表4和5中固定作業模式下的仿真計算結果，集港貨物中各貨類的貨物量比例與實際生產統計數據基本吻合。在集港貨物中，汽車集港貨物總量為6 041 785 t，火車集港貨物總量為2 691 871 t，汽車集港與火車集港的貨物量之比為2.24，與統計數據（7∶3）接近。表4中，固定作業模式下的單船作業轉場作業次數、門機作業效率與文獻[7，12]中根據實際生產估算的數據較為吻合。因此，從仿真數據、仿真模型細節和仿真結果看，上述仿真模型基本實現了對碼頭作業情況的模擬。

從表4中3種作業模式的仿真結果看，固定作業模式下的集港貨物質量比其他兩種混合交叉作業模式下的少，但出港貨物質量比其他兩種混合交叉作業模式下的多，出港船舶數量也比其他兩種混合交叉作業模式下的多，因此，固定作業模式下的在港貨物周轉快，堆存期和堆場利用率也比其他兩種混合交叉作業模式下的低。從作業效率看，3種作業模式下的門機效率和輪胎吊作業效率相差不大。在仿真模型中，陸運作業中的汽車和火車集港均不涉及交叉作業。由于進口貨物數量占比小，并在少數幾個場地集中堆放，仿真模型中并未涉及卸船作業的交叉作業，混合交叉作業模式主要涉及裝船作業。因此，進一步針對裝船作業的3種作業模式進行分析。表6為裝船作業的仿真結果，圖10為不同作業模式下門機作業等待時間與裝船作業總時間的比值。

表6中，門機裝船作業時間為門機的單純裝卸作業時間，門機作業效率也是針對門機裝船作業時間的單純作業效率，并未考慮門機作業過程中的等待時間。門機綜合作業效率反映的是門機的實際作業效率。由表6可知：固定作業模式下的門機單純作業效率比混合作業工藝模式下的高，說明在固定作業模式下的仿真模型中，門機作業效率高的貨類出港數量在出港貨物總量中的比例較大（門機單機效率因貨類不同而存在差異性）；相對應地，該模式下的門機裝船作業量也比混合作業模式下的高。

從圖10可以看出：與傳統固定作業模式相比，兩種交叉作業模式下的門機作業等待時間占裝船作業總時間比例較小，門機綜合作業效率較高；全場交叉作業模式下的門機作業等待時間占比比岸邊交叉作業模式下的低，門機綜合作業效率較高。如果以固定作業模式下的裝船貨物量和門機裝船作業時間為基準，根據兩種混合作業模式下門機裝船作業時間與門機作業等待時間的比例折算出相應的裝船作業總時間，可以得到同一基準下3種作業模式的門機綜合作業效率，具體見表7。

從表7可知，混合作業工藝的使用，使得門機綜合作業效率有了較為明顯的提升。另外，表6中3種作業模式下的單船門機作業平均等待時間分別為39.712 h、39.034 h和38.414 h，與固定作業模式下的單船門機作業平均等待時間相比，岸邊交叉作業和全場交叉作業模式下的作業時間分別減少1.0%和3.3%。

4結束語

本文在分析了件雜貨裝卸作業的特點后，提出基于拖車共享的件雜貨混合交叉作業模式，并通過仿真建模對傳統作業工藝和混合作業工藝進行比較分析，得出岸邊交叉作業模式與全場交叉作業模式在單船門機作業平均等待時間方面優于固定作業模式的結論，交叉作業模式使得門機等待時間減少，從而提高了門機的作業效率。未來的工作主要包括兩個方面：一方面是在本文模型的基礎上，增加同船作業的門機數量；另一方面是改進和優化全場交叉作業模式中的相鄰堆場結構，進一步對混合作業工藝進行分析。

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（編輯賈裙平）