基于eM-Plant的某集裝箱碼頭工藝系統仿真評估

余 政，唐勤華

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

集裝箱運輸是一種高效、快捷的運輸方式，需要碼頭在短時間內接納大量集裝箱的進出。如果港區工藝系統設計不合理，勢必造成港口的堵塞和混亂[1]。采用計算機模擬仿真技術驗證碼頭在一定的設備資源條件下的生產能力、驗證閘口車輛等待時間和排隊長度、分析評價港口交通路網的合理性、預演碼頭作業計劃并分析可能出現的問題等，能夠在工程規劃初期及時發現問題并進行針對性的優化，確保工藝系統的合理性。阿布扎比哈里發港集裝箱碼頭二期項目采用堆場自動化工藝系統，自動化程度較高，碼頭中轉量大，交通組織復雜，如何優化工藝布置、合理配置設備、保障交通舒暢，盡可能充分發揮裝卸系統效率，保證整個港區運作流暢、高效是工藝設計的重點。通過模擬仿真驗證該項目工藝系統合理性，同時在設備調度和交通管理等方面給出操作建議，對營運方有針對性地進行生產管理和實現港區裝卸系統高效運行具有重要的意義。

1 仿真系統簡介

自動化碼頭仿真系統基于PlantSimuation(eM-Plant)二次開發建立。eM-Plant是以色列Tecnomatix公司開發的功能強大的仿真軟件系統，主要用于離散事件系統的仿真。它采用面向對象建模(object-oriented modeling)的編程方法，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活、使用方便。自動化碼頭仿真系統按照參數化設計思想，以盡可能真實地反映實際生產為開發原則，主要包括仿真輸入、生產控制、仿真驅動、仿真評價4大模塊[2]。

1)仿真輸入模塊。主要功能是仿真系統的定義，包括碼頭平面布局定義、設備配置定義和各類概率分布定義。

2)生產控制模塊。主要功能是實現碼頭作業計劃的制定和作業任務的發布與執行。該模塊主要包括靠泊計劃、裝卸計劃、長度計劃、任務發布、設備調度、路徑選擇和設備作業。

3)仿真驅動模塊。主要功能是依據設定的仿真步長，推動仿真過程中各類事件的發生。該模塊主要包括推進步長、船舶到達和外集卡到達。

4)仿真評價模塊。可以在設定的時間范圍內或是在設定的事件范圍內，對所關心事件的仿真結果進行統計分析，輸出系統評價。仿真評價模塊包括設備作業效率(岸橋效率、場橋效率、集卡效率和閘口效率)、設備配置、排隊堵塞和能耗統計。

2 仿真模型的構建

根據總體設計方案，碼頭年設計吞吐量為250萬TEU，設計碼頭岸線長約1 200 m，可同時靠泊3條14.6萬t集裝箱船舶，最大泊位可停靠400 m長、59 m寬、16 m吃水深度的大型集裝箱船舶。岸邊配置12臺岸橋，布置32個自動化箱區，箱區內配置1臺單懸臂ARMG(自動化軌道吊)，3個空箱堆場，配置5臺空箱堆高機和1臺叉車。裝卸船舶時每臺岸橋配置4～6臺集卡。普通重箱堆高5層，空箱堆場堆高7層，冷藏箱堆高4層。碼頭總體布局仿真模型如圖1所示，其中道路交接處為道口模塊[3]。

圖1 碼頭總體布局仿真模型

3 仿真分析

3.1 碼頭整體作業能力仿真分析

碼頭總體能力仿真分析，主要是在假定岸橋設計作業效率(機械最高裝卸效率)的前提下，綜合考慮碼頭現有設計方案，模擬整個碼頭作業，以評估碼頭實際能支撐的岸橋真實裝卸效率，進而評估碼頭的年吞吐能力。

設計方案考慮3個泊位，每個泊位配置4臺岸橋。岸橋設計效率及集卡配置數量為仿真輸入的主要變量，據此設置8組工況(表1)。

表1 仿真工況

根據仿真輸出各工況下岸橋實際效率(圖2)，當岸橋機械效率不變時，集卡配置數量提高對岸橋實際效率影響較大；當集卡配置數量固定、提高岸橋機械效率時，岸橋實際效率有所提高，但提高幅度較小。

圖2 各工況下岸橋實際效率

根據仿真輸出各工況下預計吞吐量(圖3)，配置方案E-45-1-6，即岸橋機械效率為45 moveh，每臺岸橋配置6臺集卡，可實現岸橋實際效率31.3 moveh，約為47.0自然箱h，碼頭年吞吐能力達到256.10萬TEU，滿足250萬TEU的設計能力需求。

圖3 各工況下預計吞吐量

3.2 水平運輸能力仿真分析

水平運輸能力仿真主要針對港區內各道路交叉路口通過車輛情況進行模擬，反映各交叉口的繁忙程度和交通壓力。在正常情況下(1倍外集卡到達強度)，在24 h內通過車輛排名前5的路口車輛統計見表2，其位置標識見圖4。

表2 1倍外集卡強度下排名前5路口車輛數

圖4 交叉口通過車輛數排名前5的位置標識

通過仿真可知，車流量較大的交叉口主要分布于外集卡進出碼頭主干道上以及船舶裝卸作業時內集卡進出泊位路口。

3.3 箱區極限裝卸能力仿真分析

自動化堆場共布置32個自動化箱區(分別為A1～A8、B1～B8、C1～C8、D1～D8)，各箱區內配置1臺單懸臂ARMG。箱區極限裝卸能力仿真主要分兩種工況，主要差異為場橋起升機構吊具下的空載和滿載速度[4]。工況1場橋起升機構吊具下重載起升速度60 mmin，空載起升速度30 mmin；工況2場橋起升機構吊具下重載起升速度90 mmin，空載起升速度45 mmin。同時考慮搗箱率為45%。

為分析箱區裝卸能力極限，須做如下假設：

1)所有任務集卡都能準時到位，即無集卡延誤；

2)每次任務集裝箱裝卸位置隨機指派，即隨機指派取放箱的貝、排、層；

3)作業過程按照指定概率決定是否發生翻倒箱操作；

4)平均一次翻倒箱操作耗時60 s；

5)兩貝間距6.5 m，兩排間距2.8 m，層高2.4 m，每次場橋需要起升至13 m高度。

經仿真分析，工況1各箱區極限裝卸能力如圖5a)所示，各箱區極限裝卸能力分布在45～49自然箱h，均值約為46.4自然箱h，已實現較高箱區作業效率；工況2各箱區極限裝卸能力如圖5b)所示，各箱區極限裝卸能力分布在56.12～60.41自然箱h，均值約為58.6自然箱h，箱區作業效率約提升25%。

圖5 箱區極限能力

3.4 閘口通過能力仿真分析

閘口按分離式進、出港閘口布置，均設置2道卡口。第1道卡口為智能化閘口，進港集卡通過該智能卡口進行預檢，完成車號識別、箱號識別及驗殘等信息的采集；車輛預檢完成后，經第2道主閘口進入港區[5]。進、出港主閘口分別設置7條集卡車道數，進、出港智能化閘口分別設置3條集卡車道數。

經仿真模擬，在正常情況下(1倍外集卡到達強度)，外集卡進出智能化閘口時不須排隊，進出主閘口時須排隊。

仿真輸出外集卡進主閘口排隊情況如圖6所示。在1倍外集卡到達強度下，有37.9%外集卡無須排隊即可直接進入碼頭，58.0%外集卡須等待1輛集卡，4.1%外集卡須等待2輛集卡，只有0.1%外集卡須等待3輛集卡。外集卡進閘過程中，最大通過時間為425 s，最小通過時間為44 s，中位數在99 s，平均通過時間112 s。

圖6 外集卡進主閘口排隊情況

仿真輸出外集卡出主閘口排隊情況如圖7所示。56.5%外集卡須等待1輛集卡，5.3%外集卡須等待2輛集卡，只有0.1%外集卡須等待3輛集卡。外集卡出閘過程中，最大通過時間為469 s，最小通過時間為52 s，中位數在105 s，平均通過時間122 s。

圖7 外集卡出主閘口排隊情況

4 結語

1)仿真分析表明，設計方案的碼頭通過能力能夠滿足吞吐量的需求，岸橋和場橋的效率、主要道路及閘口交通壓力等主要指標基本在合理范圍之內。

3) 外集卡到達高峰時段在港區主要路口易發生擁堵，須加強管理保障這些路口的交通通行能力。

4) 自動化箱區在每箱區配置單個場橋情況下，當場橋大車速度為120 mmin，重載起升速度60 mmin，空載起升速度30 mmin，即可滿足較高箱區作業效率。

5) 設計方案正常情況下能滿足外集卡作業強度要求，在條件允許的情況下建議適當增加1～2個主閘口，以緩解特殊情況下外集卡集中到達時的排隊問題。