自動化集裝箱碼頭新型布局下的海側路口交通組織研究

單 佳，倪敏敏，邊志成

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200120)

近年來，國內(nèi)碼頭勞動力短缺現(xiàn)象日趨顯現(xiàn)，加之船舶大型化對碼頭管理水平的要求越來越高，國內(nèi)港口運營者對自動化碼頭的需求也是愈加迫切，國內(nèi)外學者也做了很多探索研究。有學者研究在陸域資源受限的情況下，堆場采用立體式布局的模式，以此來提高堆場有效堆存容量[1-2]；亦有學者探討不同形式的自動化集裝箱裝卸工藝的適用性及優(yōu)缺點[3-4]，為自動化集裝箱碼頭裝卸工藝方案設計提供參考。目前世界上的典型自動化集裝箱碼頭工藝布局以端部裝卸為主，即多采用 “雙小車岸橋+AGV+自動化軌道吊”和“單小車岸橋+跨運車+自動化軌道吊”兩種模式[5-6]。盡管端部裝卸工藝布局模式在當前世界應用最為普遍，且自動化裝卸工藝和信息系統(tǒng)均較為成熟，但這始終存在著堆場設備能耗高、堆場作業(yè)點少、整體作業(yè)效率降低、對碼頭調(diào)度人員要求高等痛點。針對這些痛點，本研究結合碼頭業(yè)務操作流程的特點，提出了一種新的集裝箱自動化碼頭裝卸工藝布局模式。

鑒于該裝卸工藝為創(chuàng)新方案，沒有相關成熟的設計及運營經(jīng)驗借鑒。在進行自動化碼頭規(guī)劃時，如果能事先對初步規(guī)劃的碼頭進行仿真模擬運行，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷并加以修正，則可以提高碼頭設計成功率并降低不必要的損失，因此計算機仿真分析在該新工藝方案優(yōu)化、改進中的意義舉足輕重[7]。考慮到由于水平運輸系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，本文采用flexsim仿真來構建新工藝自動化集裝箱碼頭工藝布局模型，并分析在相關策略下新工藝中海側水平運輸設備進入堆場的交通組織情況。

1 碼頭新型工藝布局下的交通組織

新型工藝布局方案區(qū)別于原有典型自動化集裝箱碼頭的布局主要在于水平運輸系統(tǒng)交通組織，如圖1所示，堆場垂直于岸線，堆區(qū)側面裝卸，場內(nèi)、外水平運輸路徑分離(虛線路徑表示場內(nèi)水平運輸設備路徑，直線路徑表示場外水平運輸設備路徑)，場內(nèi)水平運輸設備通過I型的雙向通道直進直出直達堆場目標位置，場外水平運輸設備(集卡)通過U型路徑進出堆場。

由于集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)承擔了集裝箱在碼頭內(nèi)的裝卸和運輸，因而它對于提高運輸效率和周轉(zhuǎn)率起到了至關重要的作用[8]。為了更全面的評估該方案，本文將重點圍繞海側路口的交通組織展開研究。本文選取跨運車作為場內(nèi)水平運輸設備，研究在以跨運車為場內(nèi)水平運輸設備的情況下海側道口進出堆場的交通組織情況。

2 堆場海側路口交通組織

現(xiàn)有自動化碼頭普遍采用的端部裝卸形式，如圖2所示，場內(nèi)水平運輸設備自動化導引車或自動化跨運車的裝卸作業(yè)點均設置在堆場海側區(qū)域。在該模式下采用跨運車作為場內(nèi)水平運輸設備時，跨運車集中進出前沿海側交互區(qū)進行交互作業(yè)，因此大部分交通流量都集中在前沿水平運輸區(qū)域和海側交互區(qū)。

圖1 水平運輸設備路徑示意圖Fig.1 Travelling path of horizontal transportation equipment圖2 端部裝卸海側交通組織Fig.2 Traffic arrangement on seaside under end-loading mode

新工藝布局則無需設置專用的交互區(qū)，如圖3所示，場內(nèi)運輸?shù)缆烦蔍型的雙向通道，跨運車直接深入堆場和軌道吊進行交互，充分利用跨運車能雙向行駛的特點來形成直進直出的簡潔路徑；裝卸點從端部裝卸有限個海側交互區(qū)固定的位置拓展成側面整個堆區(qū)長度可靈活變化的區(qū)域。

在新工藝布局下，由于跨運車進出堆場集中于幾個進出堆場的路口，存在多個交叉合流分流的點，路口交通組織相對復雜。因此，需要驗證進出堆場路口的交通能力是否滿足整體系統(tǒng)需求。受道路功能的定義，水平運輸設備轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)時和路徑交叉避讓的影響[9]，本文主要研究在堆場海側作業(yè)繁忙時單進單出的道路策略下路口的道路組織情況。在該策略下又細分為進出堆場道路是否可以同時轉(zhuǎn)彎兩種情況進行對比分析，同時綜合考慮設備參數(shù)的因素進行敏感性分析。

3 仿真建模

3.1 仿真輸入

為進行專項模擬仿真，本研究重點對一個泊位，兩個箱區(qū)的路口通過能力和交通情況進行分析。通過設置不同的海側流量和堆場效率來控制跨運車的到達頻率，從而對路口進行壓力測試。其中海側流量通過配置不同的岸橋數(shù)量再乘以不同的效率波動系數(shù)(0.75～1.08)進行調(diào)節(jié)，單小車岸橋單機效率取30自然箱/h作為基準；堆場按照2個箱區(qū)共計4臺雙懸臂軌道吊進行配置，其中雙懸臂軌道吊單機效率取25自然箱/h再乘以不同的效率波動系數(shù)對堆場效率進行調(diào)節(jié)。仿真中采用的設備單機效率及速度參數(shù)如表1所示。

總體仿真模型布局如圖4所示。每個箱區(qū)設置兩個固定的裝卸點，分別位于海側和陸側；考慮到在實際箱區(qū)中水平運輸設備有排隊情況，因此在裝卸點后依次從海側到陸側設置3個等待緩沖位。雙懸臂軌道吊懸臂下設置兩根車道，靠近軌道吊的車道為裝卸道，另一根為通行道。

跨運車需要先從通行道進入箱區(qū)，當跨運車行駛到接近裝卸點緩沖位時提前轉(zhuǎn)入裝卸道并同時判斷該裝卸點上是否有其他跨運車作業(yè)，若無，則跨運車直接行駛到裝卸位進行作業(yè)；反之則需要先在緩沖位等待作業(yè)，裝卸點和緩沖的布置如圖5所示。

圖4 模型總體布局圖Fig.4 Simulation model overall layout圖5 堆場內(nèi)裝卸位和緩沖位設置Fig.5 Loading/unloading point and buffer point configuration in yard

前沿岸橋裝卸區(qū)域與堆場間設置雙向共4條高速通行車道，進入堆場后設置單進單出雙向通行道，另兩根車道為裝卸車道。當車輛通過交叉口時，會發(fā)生合流或分流，進而會存在交叉沖突，合流沖突和分流沖突[10]。為更接近進出堆場路口的實際交通情況，對圖6所示跨運車進出堆場道路布置圖進行交通分析。通過研究發(fā)現(xiàn)跨運車進出堆場進行作業(yè)時所經(jīng)區(qū)域共有8個交叉沖突點(圓形所示)，5個合流沖突點(正方形所示)和5個分流沖突點(三角形所示)。在仿真模型過程中也綜合考慮了以上沖突點對于交通的影響。

圖6 跨運車進出堆場道路布置圖Fig.6 Lane configuration for straddle carriers in/out of yard

3.3 仿真實驗工況

表2例舉了本次仿真實驗所采用的5組案例。通過改變海側流量，轉(zhuǎn)彎車速，效率波動系數(shù)和跨運車數(shù)量等參數(shù)對路口交通能力和堵塞情況進行了仿真分析，同時再結合兩組不同的道路使用策略(堆場道路單進單出，進出道可同時轉(zhuǎn)彎策略和堆場道路單進單出，進出道不可同時轉(zhuǎn)彎策略)進行5組案例的對比仿真。

表2 研究道路使用策略情況下的實驗案例Tab.2 Study the experimental case of road use strategy

跨運車的轉(zhuǎn)彎車速根據(jù)實際設備參數(shù)設置為2 m/s，跨運車數(shù)量按照1臺岸橋配置5臺跨運車的配比設置為20臺。在海側配置4臺岸橋的情況下，將單機效率30自然箱/h的乘以相應的效率波動系數(shù)改變海側總輸入流量，使得海側總輸入流量從90自然箱/h開始逐步增大到130自然箱/h；通過5組實驗案例測試得出最大路口通過能力和交通堵塞情況。

4.1 道路使用策略分析

針對不同道路使用策略(堆場道路單進單出，進出道可同時轉(zhuǎn)彎策略和堆場道路單進單出，進出道不可同時轉(zhuǎn)彎策略)，通過仿真實驗得出路口的通過能力并分析跨運車的堵塞時間和堵塞率。由于本文僅研究路口交通，所以堵塞時間的統(tǒng)計僅包含從跨運車離開岸橋到進入堆場入口前這一路段。堵塞率指在卸船情況下跨運車從岸橋下裝卸點開始運輸集裝箱到堆場內(nèi)再返回到原岸橋下裝卸點的整個循環(huán)里其中處于堵塞狀態(tài)的時間占比。

(1)單進單出，進出道可同時轉(zhuǎn)彎。

在單進單出，進出道可同時轉(zhuǎn)彎情況下，進口最大通過能力為113.28輛/h，出口最大通過能力為111.71輛/h，可滿足前沿約110自然箱/h的作業(yè)效率。每輛跨運車堵塞時間和堵塞率隨海側流量的增加而增加，當海側流量達到120自然箱/h以上時,路口能力也趨于飽和狀態(tài)，此時堵塞時間達到峰值并趨于穩(wěn)定，路口通過能力仿真結果如圖7所示。交通堵塞情況如圖8所示。

圖7 可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過能力Fig.7 Crossing-road capacity when straddles carriers can take turns at same time圖8 可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口交通堵塞情況Fig.8 Crossing-road traffic condition when straddle carriers can take turns at same time

(2)單進單出，進出道不可同時轉(zhuǎn)彎。

在單進單出，進出道不可同時轉(zhuǎn)彎時，進口最大通過能力為102.92輛/h，出口最大通過能力為101.38輛/h，可滿足前沿約100自然箱/h的作業(yè)效率。每輛跨運車堵塞時間和堵塞率隨海側流量的增加而增加，當海側流量達到100自然箱/h以上時, 路口能力也趨于飽和狀態(tài)，堵塞時間達到峰值趨于穩(wěn)定。路口通過能力仿真結果如圖9所示。交通堵塞情況仿真結果如圖10所示。

圖9 不可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過能力Fig.9 Crossing-road capacity when straddle carriers cannot take turns at same time圖10 不可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口交通堵塞情況Fig.10 Crossing-road traffic condition when straddle carriers cannot take turns at same time

通過以上仿真結果對比可得，路口可同時轉(zhuǎn)彎時的通過能力要高于不能同時轉(zhuǎn)彎時的通過能力。通過該對比結果說明路口車道布置是否能滿足車輛同時轉(zhuǎn)彎對路口通過能力存在一定影響。

4.2 設備參數(shù)敏感性分析

由于在實際中不同中跨運車車速設置也存在不同，本文著重研究路口的交通，因此主要研究跨運車轉(zhuǎn)彎車速對于路口通過能力的影響。道路使用策略采用堆場道路單進單出，進出道可同時轉(zhuǎn)彎策略[11]。通過對跨運車轉(zhuǎn)彎車速進行敏感性分析，在合理范圍內(nèi)選取 2 m/s、1.5 m/s、1 m/s三組參數(shù)進行仿真實驗，從圖11中可看出，隨著轉(zhuǎn)彎車速的降低，路口通過能力也隨之下降。

圖11 不同車速下路口通過能力Fig.11 Crossing-road capacity under different straddle carrier speed

通過以上仿真結果可得，轉(zhuǎn)彎車速對路口通過能力也存在一定影響，路口通過能力隨轉(zhuǎn)彎車速的提高而提高。

5 結論與建議

通過仿真分析[12]，當跨運車進出堆場采用單進單出且同時轉(zhuǎn)彎時，路口的最大通過能力為113輛/h；當跨運車進出堆場采用單進單出且不能同時轉(zhuǎn)彎時，路口的最大通過能力為103輛/h；跨運車單機性能比如轉(zhuǎn)彎半徑(決定是否可以相鄰道同時轉(zhuǎn)彎)及轉(zhuǎn)彎車速對路口通過能力都有影響；對于進出堆場路口的布局應盡量滿足可同時轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出的要求從而使路口通過能力達到最大。

由于受道路功能的定義和水平運輸設備轉(zhuǎn)彎時的路徑交叉避讓影響，當堆場海側作業(yè)繁忙時，單進單出的道路策略其路口的車流量可能不足以支撐道路兩旁堆場設備裝卸船作業(yè)需求。這時需要對路口車流量進行擴容來滿足需求；以下幾種方式可以對路口車流量進行優(yōu)化擴容[13]。

(1)當碼頭地理位置或其他約束條件造成跨運車在路口無法同時轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出時，可以提高跨運車的單機性能比如轉(zhuǎn)彎速度來提高路口通過能力。

(2)將策略一兩條道的單進單出車道適當增加寬度，使其能容納水平運輸設備在這兩根相鄰車道上同時轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出，減少車輛在路口的交叉避讓頻次。

(3)采用四車道雙進雙出的策略，除了車道適當增加寬度，使其能容納水平運輸設備在相鄰車道上同時轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出，減少車輛在路口的交叉避讓頻次外；將裝卸車道優(yōu)化成裝卸通行車道，通過增加車道數(shù)量來擴大路口的車流量。

以上堆區(qū)內(nèi)道路的使用策略需要結合水平運輸設備的路徑特性和堆場海側作業(yè)情況進行使用。這種優(yōu)化調(diào)整主要影響的是堆區(qū)內(nèi)道路的寬度，它對水平運輸交通的影響是正面的，然而對集裝箱堆場容量的影響是負面的。