集裝箱碼頭堆場車道工藝仿真分析

張清波 柴佳祺 張雨婷

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

集裝箱碼頭的建設投資成本高、持續周期長，前期規劃設計決定了集裝箱碼頭運營以后的裝卸工藝，計算機仿真技術的應用為集裝箱碼頭的布局規劃提供了有力的數據支撐。很多專業人士對此進行了深入研究，王燕文[1]建立了基于集裝箱碼頭作業的計算機仿真模型，該模型可以對碼頭岸線長度、機械臺數、堆場容量做出優化；真虹[2]構建了集裝箱碼頭裝卸工藝設計仿真通用平臺，提出了基于仿真的集裝箱碼頭裝卸工藝方案評價指標體系；梁燕等[3]對立體軌道式自動化集裝箱碼頭的作業流程進行了仿真分析，評估及優化了不同工況下的設備調度策略；何成忠等[4]通過仿真分析在水平和垂直布置方案下的港內集裝箱牽引半掛車的作業循環時間，得出了兩種布置方案的優缺點；張玉[5]對集裝箱碼頭堆場閘口系統進行了仿真研究,對閘口系統的控制決策具有指導作用。

本文著眼于集裝箱碼頭的堆場細節，以堆場內的車道工藝為研究對象，通過仿真軟件Wintess建立仿真模型，對比分析不同車道工藝下的仿真結果，為集裝箱碼頭堆場的規劃設計提供理論依據。

1 碼頭概況及2種堆場車道工藝

1.1 碼頭概況

國內某集裝箱碼頭四期工程岸線長1 292 m，設計年吞吐量200萬TEU，設有4個泊位，配備11臺岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）。該集裝箱碼頭重箱占比80%，空箱占比20%，堆場采用空重箱混堆的方式進行堆存，堆高5層。堆場平行于碼頭岸線布置，橫向規劃布置4排箱區，縱向規劃每排布置8個箱區，其中靠緯三路的2個箱區預留，配備28臺軌距40 m的自動化雙懸臂軌道式起重機（以下簡稱軌道吊），如圖1所示。另外，碼頭水平運輸配置了77輛內集卡。

圖1 碼頭布局圖

1.2 堆場車道工藝

該集裝箱碼頭通過射頻技術識別內外集卡，對內集卡和堆箱區采用自動化作業，對外集卡采用遠程操控的方式，堆場采用軌道吊進行作業，堆場中每個箱區的海陸兩側均布置了2條集卡車道，一條為裝卸道，另一條為穿行道。目前有2種可選的車道工藝，第一種為內外集卡車道分離，如圖2所示；第二種為內外集卡車道共用，如圖3所示。

圖2 內外集卡車道分離

圖3 內外集卡車道共用

將通過仿真建模對2種車道工藝的碼頭系統效率、設備效率、設備利用率以及交通狀況等碼頭關鍵業績指標進行對比分析。

2 集裝箱碼頭作業仿真建模

2.1 仿真參數設置

該集裝箱碼頭的峰值作業工況為：在外集卡到達頻率為50輛/h的前提下，11臺岸橋同時作業，對該工況進行仿真建模，參數設置如表1所示。

表1 仿真參數表

由表1可知，岸橋目標實效率為48箱/h，若仿真時不考慮設備故障、設備信號延遲等因素，一般可設置岸橋的目標仿真效率是其目標實效率的1.1倍，單臺岸橋目標仿真效率為52.8箱/h，11臺岸橋系統目標仿真效率為580.8箱/h。

2.2 基于Witness的仿真建模

Witness仿真軟件主要用于對離散事件系統進行仿真，而集裝箱碼頭作業系統正是由岸橋、堆場、輪胎式集裝箱起重機（場橋）、內外集卡、道路、設備控制系統、碼頭操作系統等組成的1個離散事件動態系統，其特點為規模大、不確定性因素多、緊密耦合。圖4以卸船為例，展示了集裝箱碼頭的作業流程，Witness據此建立集裝箱碼頭作業仿真模型。

圖4 卸船流程圖

在使用Witness軟件建模時，首先按照實際碼頭功能分區構建Module，再利用Machine、Buffer等元素構建靜態實體（如箱區、交互區等），最后通過運輸型元素Vehicle與Track的配合，實現對于系統中所有動態實體的運動定義，集裝箱碼頭仿真模型界面如圖5所示。

圖5 仿真界面

3 仿真實驗及結果分析

3.1 仿真實驗設置

根據堆場內外集卡車道是否分離，將實驗分成2組，即車道分離和共用車道。

3.2 仿真結果及分析

集裝箱碼頭的生產效率及其交通狀況對于碼頭的運營至關重要，故本文將從碼頭設備作業效率、水平運輸的排隊情況等方面進行仿真分析。

1）軌道吊效率

如圖6所示，與采用車道分離工藝相比，采用共用車道工藝時的軌道吊效率和作業能力更高（軌道吊作業能力是指單臺軌道吊在無空閑、等待時的作業效率）。

圖6 軌道吊效率曲線圖

當內外集卡共用車道時，內外集卡可根據目標箱位所在排數來選擇箱區海陸側車道，即若目標箱位靠近海測，則集卡去海側車道；反之，集卡去陸側車道。因此，作業時的軌道吊小車平均行駛距離較內外集卡車道分離時要少，作業效率和作業能力更高。

與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時，軌道吊的作業能力可提升2.3 箱/h。

2）內集卡效率

如圖7所示，相比采用車道分離工藝，采用共用車道工藝時的內集卡效率和利用率更高，但內集卡作業能力略低。

圖7 內集卡效率和利用率

內集卡的作業能力與其平均行駛距離有關，采用車道分離工藝時，內集卡均在堆區海側裝卸道裝卸；采用車道共用工藝時，內集卡選擇距離目標箱位較近的車道，即內集卡也可能會選擇陸側裝卸道。因此，共用車道時內集卡平均行駛距離比車道分離時長，作業能力低。與車道分離工藝相比，共用車道工藝的內集卡利用率更高，更能發揮出內集卡的作業能力，內集卡效率更高。

3）岸橋效率

如圖8所示，在車道分離工藝下，岸橋效率未達到52.8 箱/h的目標仿真效率；在共用車道工藝下，岸橋效率可滿足52.8 箱/h的目標仿真效率。與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時，岸橋效率可提升2.6 箱/h。

圖8 岸橋效率和利用率

4）設備系統效率

如圖9所示，與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時可使堆場系統效率提升30.6箱/h、內集卡系統效率提升29.5 箱/h、岸橋系統效率提升28.6 箱/h。當采用車道分離工藝時，該集裝箱碼頭岸橋系統效率為570.7 箱/h，未達到580.8 箱/h 的目標仿真效率；當采用共用車道工藝時，該集裝箱碼頭岸橋系統效率為599.3 箱/h，滿足目標仿真效率。

圖9 設備系統效率

5）軌道吊下集卡排隊狀況

定義排隊隊長為排隊等待作業的集卡數量，不包含正在作業的集卡。例如：軌道吊下集卡排隊隊長為2，代表此時軌道吊下有3輛集卡。

如圖10所示，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時，由于軌道吊作業能力提升，其下集卡排隊時間及平均排隊隊長均比采用車道分離工藝時低。無論采用哪種車道工藝，集卡平均排隊隊長均未超過2輛，說明堆場基本不會出現集卡擁堵。

圖10 軌道吊下集卡排隊狀況

6）岸橋下集卡排隊狀況

如圖11所示，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時，岸橋下集卡排隊時間比采用車道分離工藝時略高。與采用車道分離工藝相比，采用共用車道工藝時集卡在堆區內排隊時間減少，因而在堆場內循環周轉時間減小，內集卡有更多時間在岸橋下等待作業，也就更有利于提高岸橋效率。在這2種車道工藝下，集卡平均排隊隊長均為2.5輛，說明岸橋下不會出現集卡擁堵。

圖11 岸橋下集卡排隊狀況

4 結語

與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時岸橋、軌道吊以及內集卡的效率均有所提升。該集裝箱碼頭岸橋系統效率采用車道分離工藝時，無法滿足目標仿真效率；而采用共用車道工藝時則可滿足。無論采用哪種車道工藝，堆場和岸橋下基本不會出現集卡擁堵。

從碼頭生產效率方面來看，共用車道工藝要優于車道分離工藝，但共用車道工藝在碼頭管理方面更加復雜，故堆場車道工藝的選擇需要碼頭在規劃設計階段綜合考慮和決策。