自動化集裝箱碼頭道路交通組織仿真技術

王 堅 馮雪平 吳 磊

1 太倉港口投資發展有限公司 2 華設設計集團股份有限公司

1 引言

自動化集裝箱碼頭道路規劃和交通組織是碼頭設計中的重要一環，直接影響碼頭裝卸能力，是實現碼頭自動化建設的關鍵。近年來，港區集卡交通流量急劇增加，碼頭堆場集卡等待和道路擁堵情況日益嚴重，加之土地成本大幅上升，如何科學規劃碼頭道路、優化交通組織以減少集卡等待和周轉時間尤為重要。

針對自動化或半自動化碼頭的路網交通問題，應用仿真建模技術進行深入分析。秦天保利用Flexsim仿真軟件對某集裝箱碼頭進行仿真建模，對港口高峰期港口交通流進行實驗，驗證了碼頭堆場道路規劃的通過能力[1]。張清波等采用Witness軟件對國內某集裝箱碼頭2種自動化改造方案進行仿真研究，得出較為適合自動化碼頭改造的裝卸工藝，但是未從路網布置和交通組織的角度進行自動化改造的進一步分析[2]。梅蕾等從集裝箱碼頭的道路交通特性、堆場交通影響因素、港區堆場交通優化等方面探討了集裝箱碼頭道路交通的優化問題[3]。管政霖研究了堆場垂直布置的自動化碼頭采用的裝卸工藝和路網交通問題，并通過仿真建模的方法定量分析了碼頭平面布置和裝卸工藝對路網交通的影響[4]。針對太倉四期平行布置集裝箱碼頭，采用Witness軟件對2種碼頭路網結構進行仿真建模，并對高峰期碼頭路網的通過能力進行實驗，通過分析仿真結果，選出較優的路網結構。

2 港區路網結構和交通組織

2.1 碼頭布局及裝卸工藝

太倉四期集裝箱碼頭岸線總長度1 292 m，共建設4個50 000 DWT(水工結構設計為100 000 DWT)集裝箱泊位。碼頭配置11臺雙箱單小車岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)，用于滿足10萬t級集裝箱船的作業要求。

根據港區對相鄰碼頭路網、岸橋軌道銜接和統一管理的需要，以及內、外集卡裝卸量大，需要更高的外集卡裝卸能力和外集卡停靠位的情況，碼頭采用平行岸邊布置。碼頭總體劃分為4塊堆場，堆場縱深約510 m，長度約300 m，每塊堆場前期布置6條自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱ARMG)作業線，水平運輸采用集卡。

ARMG主要有無懸臂式、單懸臂式和雙懸臂式3種機型。無懸臂ARMG適用于堆場端部設置交換區，水平運輸設備不進入堆場；單懸臂ARMG適合水水中轉比例高的自動化碼頭。考慮到本碼頭外集卡裝卸作業量大，遠期存在人工集卡和無人集卡同時作業現象，交通組織復雜，內、外集卡必須進行分道，因此本方案采用堆場兩側裝卸箱作業的雙懸臂ARMG。

2.2 碼頭路網結構

碼頭的路網結構主要包括閘口、碼頭主干道、堆場內裝卸道、引橋以及泊位前沿道路5個部分。其中碼頭主干道、引橋和堆場場內裝卸道的通過能力和交通流是研究的重點。該港區自動化集裝箱碼頭平面布局及交通路網見圖1。

1.泊位前沿 2.5#引橋 3.緯一路 4.堆場內裝卸道 5.經五路 6.緯二路 7.緯三路 8.閘口圖1 港區布置及路網結構圖

碼頭內主干道呈“三橫五縱”的布置形式。考慮到緯二路主要承載外集卡交通流，緯一路承擔部分內集卡通行需求，緯三路僅作為輔助道路，所以緯一路至緯三路道路初步設計寬度分別為20 m、25 m、16 m，緯二路為雙向6車道；縱向從左至右經一路至經五路的道路寬度分別20 m、25 m、25 m、25 m、20 m。其中經一路和經五路是雙向4車道，經二路至經四路是雙向6車道。

堆場內裝卸道為單向4車道，設計寬度20 m，其中靠近兩側的是裝卸道，中間2車道作為超車道。堆場箱區的行車道長度約300 m，最多可以同時容納10輛集卡進行等待或者作業。

泊位前沿和堆場連接處布置5座引橋，其中1#、2#、4#、5#引橋設計寬度為16 m，可以布置雙向共4條集裝箱車道。3#引橋考慮重件和ARMG通行引橋寬度設計為24 m，可布置雙向6條集裝箱車道。

閘口車道數根據《海港總體設計規范》計算按照10道設置，其中進口車道為6道、出口車道數為4道。

2.3 港區交通組織

集卡在經、緯路等主干道上的可以雙向行駛，但在堆場內道路上只允許單向行駛。雙懸臂式ARMG的裝卸工藝將內、外集卡分流到箱區的海側和岸側進行堆場裝卸作業。這使得港內集卡和集疏運集卡的港內作業流向各形成一個閉合的小循環，實現集疏運集卡和港內集卡在港作業行駛路線的最短(見圖2)。港區運營時，ARMG與人工集卡存在較多的作業交叉點，十字路口處ARMG與大量集卡頻繁交替穿行，特別是外部集卡在港區內穿行更容易存在一定的交通問題和安全隱患。

圖2 方案一堆場交通組織圖

因此，提出一種新的交通組織的方案，即取消堆場經二和經四路，僅保留3條縱向路，將4塊堆場合并為2塊(見圖3)。方案二和方案一的區別在于減少作業交叉點和十字路口的數量，一定程度上避免交通堵塞，但同時也可能增加集卡行駛距離和堆場滯留時間，需要增加集卡配置的數量，才能達到和原方案相同的傳輸效率。因此需要通過仿真分析驗證2種方案的優劣性。

圖3 方案二堆場交通組織圖

3 港區交通流仿真建模

3.1 道路交通模型構建

集裝箱碼頭的主要目的是完成港區集裝箱裝卸和水平運輸任務，將港內、外的集裝箱通過港內裝卸設備進行相互流轉，是一個典型物流系統。因此碼頭道路交通模型建立需要以集裝箱裝卸和運輸的物流過程為目的。

模型的構成主要包括路段、交叉路口、車輛模型3個部分。

(1)港區道路是路網交通模型的重要組成部分，根據離散動態事件的建模思想，將以路段作為基本單元進行建模。路段由長度、最高限速、車輛容量、裝卸點等屬性變量描述。集卡在某一路段行駛時，速度、裝載量、行駛方向的屬性保持不變，并且每個單元可以根據實際交通情況靈活地調整規則。

(2)交叉路口是各種交通沖突最集中的地方，其交通狀況的好壞對整個港區路網交通起著至關重要的作用。考慮到交通能力和避免交叉路口產生車輛沖突，交叉路口模塊的交通規則設置為：先到達交叉路口的車輛在有可插間隙的情況下優先通行，否則主干道上的直行車輛優先通行，轉彎車輛次之，堆場內裝卸道上的車輛最后通行；至多允許等同于車道數量的集卡同時進行轉彎作業。

(3)車輛模型可以定義集卡起、制動時間、空載和滿載行駛速度以及車輛間安全距離等屬性變量。根據港口所分配的集裝箱裝卸位置，利用碼頭路網到達指定堆場箱區，最終完成集疏運或者裝卸船作業。車輛主要分為完成船舶裝卸任務的碼頭內部集卡和進行集疏運作業的外部集卡。

3.2 仿真模型主要組成

自動化集裝箱交通路網模型主要基于離散動態的建模思想，結合集裝箱水平運輸的物流過程與集卡港區路網行駛規則，采用模塊化的方法，完成整個模型的搭建。仿真模型主要由船舶計劃模塊、集卡調度模塊、閘口模塊、碼頭路網模塊、堆場模塊、統計模塊和公共變量模塊組成。根據模塊間所實現的功能不同，將其分為功能類、統計類和輔助類3種類型(見表1)。

表1 交通路網模型組成模塊

3.3 仿真模型結構

確定仿真模型總體布局，仿真模型見圖4。

圖4 仿真模型圖

3.4 仿真條件及主要參數

3.4.1 道路交通規則以及限制速度

十字路口根據車道數量只允許至多等同于車道數量的車同時進行轉彎作業，先到達十字路口的車輛先通過。車輛按不同作業目的在堆場同步行駛。

根據《海港總體設計規范》(JTS165-2013)中的規定以及結合本工程實際情況，暫定主干道車輛最大速度為30 km/h，十字交叉路口最大通過速度為5 km/h，碼頭前沿和箱區內道路上最大速度為7.2 km/h。

3.4.2 仿真時長及港區吞吐量

本次仿真模擬港區作業高峰期2晝夜48 h，泊位全部到達5萬t級的大型船舶，11臺岸橋滿負荷工作。

在歷史數據和預測數據的基礎上，高峰期每艘船舶集裝箱裝卸量設定為2 500 TEU,其中進口空箱250 TEU,占比10%；進口重箱1 000 TEU,占比40%；出口空箱187 TEU,占比7.5%；出口重箱1 063 TEU，占比42.5%。

碼頭陸側每日平均集裝箱吞吐量2 000 TEU,其中陸側進口空箱200 TEU,占比10%；陸側進口重箱800 TEU，占比40%;陸側出口空箱200 TEU,占比10%；陸側出口重箱800 TEU，占比40%。考慮高峰期堆場集裝箱容量和船舶集裝箱裝卸需求，陸側高峰期進出口集卡頻次和集裝箱進出口量按照年平均量的4倍計算。

3.4.3 堆場規則

本次仿真方案綜合考慮內集卡裝卸船作業和外集卡進出港區作業。自動化堆場采用雙懸臂ARMG，懸臂兩側分別進行內集卡和外集卡集裝箱裝卸作業。

3.4.4 碼頭及堆場初始狀態

碼頭初始狀態為船舶已停在各自泊位等待裝卸船作業，待裝卸船的集裝箱已經在相應垛位或貝位，垛位在堆場的位置具有隨機性。堆場的初始狀態為隨機生成堆場容量30%的集裝箱，集裝箱的位置隨機，用以滿足船舶裝卸作業和陸側集卡裝卸集裝箱需求。

4 仿真結果分析

4.1 系統作業效率和集卡堆場滯留時間

2種交通布局不同集卡配比下的集卡堆場滯留時間見表2。可以看出，相同的集卡配置下，方案一的內、外集卡的作業效率和堆場滯留時間明顯優于方案二。僅當方案一中集卡配置數量為1∶6 時，集卡配置數量過多會造成集卡等待作業和道路擁堵，出現滯留時間過長的情況。

表2 系統作業效率和集卡堆場滯留時間

系統作業效率與內集卡堆場滯留時間和集卡配置數量成正相關，但對外集卡堆場滯留時間基本無影響。方案一中當集卡配置數量從1∶4增加到1∶5時，系統作業效率和增加明顯；當集卡配置數量增加到1∶6時，集卡滯留時間明顯增加，但系統作業效率沒有明顯提升，因此推薦配比為1∶5。針對方案二，集卡配置為1∶6時集卡堆場滯留時間在可接受的范圍內，且作業效率最高，故方案二最佳配比為1∶6。

4.2 堆場主干道交通能力

在方案一集卡配比1∶5和方案二集卡配比1∶6的基礎上，2種交通組織的堆場主干道交通能力見表3。由于道路數據較多，只列出主干道經一路和經三路各路段平均車流量數據。

表3 各路段平均車流量/(veh·h-1)

因為在方案二中取消了經二路和經四路，因此方案二中各路段的平均車流量都約為方案一的2倍，其中經三路的平均車流量達到了211.75 veh/h，平均每分鐘通過3.5輛，存在一定的排隊等待和擁堵的可能性。

4.3 棧橋交通能力

該碼頭前沿通過棧橋與堆場連接，內集卡通過棧橋到前沿泊位。從表4中可以看出，受到經路交通流的影響，2個方案中2#、3#、4#引橋的峰值和均值車流量也約是1#、5#引橋的2倍。但2個方案各引橋的平均車流幾乎相同，說明2種交通組織的方案對棧橋交通無明顯影響。

表4 各引橋車流量/(veh·h-1)

通過對系統作業效率和集卡堆場滯留時間、堆場主干道交通能力以及棧橋交通能力的分析可以得出：當內集卡配置為1∶5時方案一的交通組織形式更加適合碼頭布局和裝卸工藝。

5 結語

通過研究2種堆場平行岸線布置的自動化碼頭的交通組織形式，并采用仿真建模的方法對其進行定量分析，得到一種較為適合當前碼頭的交通組織形式和集卡配置數量，可為類似碼頭的路網交通設計提供參考。