太倉港集裝箱碼頭四期工程翻箱率和集卡數(shù)量仿真分析

王堅，馮雪平，李朋飛

1.太倉港口投資發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215488；2.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，蘇州港太倉港區(qū)集裝箱運輸發(fā)展較快，碼頭已處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，因此為適應(yīng)太倉港區(qū)集裝箱運輸快速增長的發(fā)展需求，進(jìn)一步提升太倉港區(qū)的集裝箱規(guī)模效應(yīng)和競爭優(yōu)勢，規(guī)劃建設(shè)蘇州港太倉港區(qū)四期工程。該項目擬建設(shè)4 個5 萬噸級集裝箱泊位，設(shè)計年通過能力200 萬TEU。

在集裝箱碼頭設(shè)計時，翻箱率和集卡數(shù)量是兩個重要影響因素，但是其取值和實際生產(chǎn)情況之間的關(guān)系無法準(zhǔn)確量化，只能根據(jù)過往經(jīng)驗或者相似項目進(jìn)行估算。為解決這一問題，本項目擬采用系統(tǒng)建模與仿真相結(jié)合的方法。即在整體設(shè)計基礎(chǔ)上，對集裝箱碼頭的整體布局、堆場布置形式、裝卸工藝、設(shè)備選型及配比、道路交通流向等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。通過上述方法，采用數(shù)字語言呈現(xiàn)集裝箱碼頭工作過程，為太倉港集裝箱碼頭四期工程相關(guān)設(shè)計提供決策依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，集裝箱碼頭的翻箱率和集卡數(shù)量如何取值是一個復(fù)雜的研究課題，其取值是否有效合理直接關(guān)系到整個碼頭的作業(yè)效率[1]。相關(guān)專家學(xué)者對此課題進(jìn)行了試驗研究，并取得了一定成果。孟慶雨對集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，運用Arena 仿真軟件建立了該系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型做了驗證，結(jié)果表明模型建立正確，與實際應(yīng)用場景相符[2]。楊雙華等利用FlexTerm仿真方法建立單堆場雙場橋堆存系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化模型，對調(diào)度策略進(jìn)行仿真對比，結(jié)果表明堆場整體動態(tài)調(diào)度策略在縮短單船作業(yè)時間、提高設(shè)備作業(yè)效率等方面具有一定優(yōu)勢[3]。王璇等采用Arena 仿真和數(shù)學(xué)模型方法對集裝箱碼頭裝卸設(shè)備進(jìn)行配置優(yōu)化，以南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)集裝箱碼頭為對象，構(gòu)建裝卸工藝仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明在岸橋、空箱集卡、重箱集卡、空箱場橋和重箱場橋的數(shù)量比為3:1:2:1:1 時，整個仿真系統(tǒng)在節(jié)能和減排方面達(dá)到最優(yōu)[4]。魏晨等針對堆場同一箱區(qū)的作業(yè)情況，以最小化總完工時間為目標(biāo)，建立調(diào)度規(guī)劃模型，并利用遺傳算法對大規(guī)模問題進(jìn)行求解[5]。楊靜蕾等建立了動態(tài)多級排隊網(wǎng)絡(luò)，運用仿真技術(shù)來描述集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，通過結(jié)果分析得到相關(guān)設(shè)備最優(yōu)數(shù)量，并將研究成果在上海港外高橋集裝箱碼頭應(yīng)用，取得良好效果[6]。朱龑從操作界面、邏輯調(diào)度、組織生產(chǎn)3 個方面，提出自動化碼頭集卡作業(yè)優(yōu)化方案。結(jié)果表明，該方案可縮短碼頭前沿設(shè)備軌內(nèi)作業(yè)時間，提高船舶作業(yè)效率[7]。吳邵強(qiáng)等在目前國內(nèi)自動化集裝箱碼頭工藝模式及平面布置的基礎(chǔ)上，運用Flexterm 對堆場垂直于碼頭岸線和平行于碼頭岸線2 種布置模式進(jìn)行三維仿真，通過分析2 種布置形態(tài)下水平運輸設(shè)備的運距以及對碼頭裝卸效率的影響，總結(jié)2 種堆場布置形態(tài)對自動化集裝箱碼頭工程的適應(yīng)性[8]。

2 總平面布置及裝卸工藝方案

2.1 總平面布置

太倉港集裝箱碼頭四期工程擬建設(shè)4 個5 萬噸級集裝箱泊位，泊位總長度1292m，碼頭寬度50～58m。設(shè)計年通過能力200 萬TEU。

陸域范圍和縱深：碼頭和陸域采用引橋連接，共布置5 座引橋（1#～5#）。1#、2#、4#、5#引橋?qū)挾染鶠?6m，3#引橋考慮重件通行，寬度為24m，引橋長度均約為168m。

道路布置：港區(qū)道路平面布置呈“三橫五縱”布置型式。其中，緯一路～緯三路道路寬度分別為20m、25m、16m。經(jīng)一路～經(jīng)五路道路寬度分別為20m、25m、25m、25m、20m。

堆場布置：緯一路與緯二路間的場地全部規(guī)劃為自動化堆場，作為本工程的主要堆場，裝卸設(shè)備采用自動化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（軌距40m），共4 塊堆場，每塊堆場縱向布置8 條箱區(qū)，全部進(jìn)行集裝箱堆存使用。總平面布置圖見圖1。

圖1 總平面布置圖

2.2 裝卸工藝方案

2.2.1 裝卸船工藝

碼頭前沿裝卸船作業(yè)采用11 臺集裝箱裝卸橋（岸橋），根據(jù)太倉港的功能定位及實際到港船型，岸橋按兩種規(guī)格配置。碼頭下游側(cè)的8 臺岸橋起重量為65t（吊具下），外伸距為55m，配雙20 英尺吊具，該機(jī)型可滿足水工結(jié)構(gòu)設(shè)計船型10 萬噸級集裝箱船的作業(yè)要求；上游側(cè)3 臺單箱吊具的岸橋起重量為41t（吊具下），外伸距為38m，可滿足3 萬噸級集裝箱船的作業(yè)要求。兩種規(guī)格的岸橋軌距均為30m。

2.2.2 水平運輸工藝

水平運輸采用集裝箱牽引拖掛車（集卡），共配置55 臺。

2.2.3 堆場作業(yè)工藝

堆場采用自動化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（軌道吊）作業(yè)，共配置28 臺，設(shè)備軌距40m，吊具下起重量41t。

2.2.4 主要設(shè)備配置數(shù)量

本工程主要設(shè)備配置數(shù)量見表1。

表1 主要設(shè)備配置數(shù)量

3 翻箱率、集卡數(shù)量仿真分析

3.1 仿真模型搭建

集裝箱碼頭仿真模型搭建主要內(nèi)容如下：

（1）確定仿真模型總體布局。初步擬定總平面布置方案和裝卸工藝方案。仿真模型圖見圖2。

圖2 仿真模型圖

（2）本次仿真模型由以下模塊組成：作業(yè)計劃模塊、泊位作業(yè)模塊、堆場模塊、道路系統(tǒng)模塊、閘口模塊。具體如下。

作業(yè)計劃模塊：模擬本工程的出口箱數(shù)、進(jìn)口箱數(shù)、堆場分配、岸橋調(diào)用數(shù)、集卡調(diào)用數(shù)、堆存時間等信息。

泊位作業(yè)模塊：模擬船舶靠泊作業(yè)活動，設(shè)計代表船型、集裝箱裝卸量、作業(yè)時間等信息。

堆場模塊：模擬集裝箱進(jìn)行堆存取作業(yè)，更新堆場的占用狀態(tài)，記錄堆場占用箱位數(shù)等信息。

道路系統(tǒng)模塊：模擬碼頭引橋、碼頭內(nèi)部經(jīng)緯道路，內(nèi)、外集卡車輛通行軌跡活動。

閘口模塊：模擬實際閘口報單過程，管理集卡進(jìn)出碼頭信息，統(tǒng)計集卡進(jìn)出閘口排隊車輛數(shù)、滯留時間、車流量以及各個閘口的利用率等參數(shù)。

（3）確定仿真條件及主要參數(shù)。主要包括以下內(nèi)容：道路交通規(guī)則、限制速度、仿真時長、港區(qū)吞吐量、堆場規(guī)則、初始狀態(tài)、變量因子等。具體如下。

道路交通規(guī)則：十字路口只允許至多等同于車道數(shù)量的車同時進(jìn)行轉(zhuǎn)彎作業(yè)，先到達(dá)十字路口的車輛先通過。車輛按不同作業(yè)目的在堆場同步行駛。

限制速度：根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）中的規(guī)定，結(jié)合本工程實際情況，暫定主干道車輛最大速度為30km/h，十字交叉路口最大通過速度為5km/h，碼頭前沿和箱區(qū)內(nèi)道路上最大速度為7km/h。

仿真時長：本次仿真模擬港區(qū)到達(dá)5 萬噸級的設(shè)計船型，11 臺岸橋正常作業(yè)，作業(yè)高峰期為2 天，3 班制工作。

港區(qū)吞吐量：在往期歷史數(shù)據(jù)和本期預(yù)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，高峰期每艘船舶集裝箱裝卸量設(shè)定為2500TEU。其中進(jìn)口空箱250TEU，占比10%；進(jìn)口重箱1000TEU，占比40%；出口空箱187TEU，占比7.5%；出口重箱1063TEU，占比42.5%。

高峰期陸側(cè)每日平均集裝箱裝卸量設(shè)定為2000TEU。其中進(jìn)口空箱200TEU，占比10%；進(jìn)口重箱800TEU，占比40%；出口空箱200TEU，占比10%；出口重箱800TEU，占比40%。

堆場規(guī)則：本次仿真方案綜合考慮內(nèi)集卡裝卸船作業(yè)和外集卡進(jìn)出港區(qū)作業(yè)。自動化堆場采用自動化軌道吊，懸臂兩側(cè)分別進(jìn)行內(nèi)集卡和外集卡集裝箱裝卸作業(yè)。

根據(jù)往期歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)出口集裝箱數(shù)量接近1:1，進(jìn)出口集裝箱中均存在一定比例的空箱，其與重箱的比例在1:4-1:5 之間。

初始狀態(tài)：碼頭初始狀態(tài)為船舶已停在各自泊位等待裝卸船作業(yè)，待裝卸船的集裝箱已經(jīng)在相應(yīng)垛位，垛位在堆場的位置具有隨機(jī)性。

堆場的初始狀態(tài)為隨機(jī)生成堆場容量30%的集裝箱，集裝箱的位置隨機(jī)，用以滿足船舶裝卸作業(yè)和陸側(cè)集卡裝卸集裝箱需求。

變量因子：本次仿真模型翻箱率設(shè)置為1%、5%、10%、15%。

3.2 仿真模型試驗數(shù)據(jù)

依據(jù)變量因子（翻箱率、集卡數(shù)量）的不同設(shè)置，得到相應(yīng)仿真結(jié)果。具體如下：當(dāng)1 臺岸橋配置4 輛集卡時，仿真試驗數(shù)據(jù)1 見表2。當(dāng)1 臺岸橋配置5 輛集卡時，仿真試驗數(shù)據(jù)2 見表3。當(dāng)1 臺岸橋配置6 輛集卡時，仿真試驗數(shù)據(jù)3 見表4。

表2 仿真試驗數(shù)據(jù)1

表3 仿真試驗數(shù)據(jù)2

表4 仿真試驗數(shù)據(jù)3

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

（1）由表2 可知，當(dāng)1 臺岸橋配置4 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低0.95%-1.85%，陸側(cè)通過能力略增0.08%-0.41%。

陸側(cè)集卡總數(shù)量略增0.09%-0.4%，內(nèi)集卡堆場滯留時間增加2.02%-4.13%，外集卡堆場滯留時間增加3.23%-5.24%。

由表3 可知，當(dāng)1 臺岸橋配置5 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低1.16%-2.67%，陸側(cè)通過能力降低0.31%-0.74%。

陸側(cè)集卡總數(shù)量略降0.29%-0.71%，內(nèi)集卡堆場滯留時間增加3.15%-7.53%，外集卡堆場滯留時間增加2.44%-5.95%。

由表4 可知，當(dāng)1 臺岸橋配置6 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低1.46%-2.28%，陸側(cè)通過能力降低0.2%-0.46%。

陸側(cè)集卡總數(shù)量略降0.2%-0.45%，內(nèi)集卡堆場滯留時間增加4.38%-7.23%，外集卡堆場滯留時間增加3.21%-5.62%。

綜上可知，隨著翻箱率的增加，碼頭通過能力呈下降趨勢。堆場內(nèi)部集卡排隊情況明顯，內(nèi)、外集卡堆場滯留時間呈增加趨勢。

（2）由表2 和表3 可知，在相同翻箱率的情況下，當(dāng)1 臺岸橋配置集卡數(shù)量由4 輛增加至5 輛時，海測通過能力增加7.63%-8.76%，陸側(cè)通過能力降低0.23%-0.88%。

單位時間內(nèi)陸側(cè)集卡的數(shù)量降低0.24%-0.84%，內(nèi)集卡在堆場的平均滯留時間增加17.53%-24.08%，外集卡在堆場的平均滯留時間增加0.52%-0.68%。

由表3 和表4 可知，在相同翻箱率的情況下，當(dāng)1臺岸橋配置集卡數(shù)量由5 輛增加至6 輛時，海測通過能力增加0.97%-1.59%，陸側(cè)通過能力降低0.15%-0.94%。

單位時間內(nèi)陸側(cè)集卡的數(shù)量降低0.14%-0.88%，內(nèi)集卡在堆場的平均滯留時間增加21.08%-24.24%，外集卡在堆場的平均滯留時間增加0.48%-0.79%。

綜上可知，海側(cè)通過能力與每臺岸橋配置集卡數(shù)量成正比，每臺岸橋配置集卡數(shù)量對陸側(cè)通過能力、陸側(cè)集卡的數(shù)量、外集卡平均滯留時間基本無影響。

4 結(jié)論

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）翻箱率越高，整體碼頭通過能力越低，堆場內(nèi)部集卡排隊情況越明顯，集卡在堆場內(nèi)平均滯留時間變長。

（2）當(dāng)每臺岸橋配置集卡數(shù)量由4輛增加至5輛時，海側(cè)裝卸效率增加明顯，對陸側(cè)裝卸效率基本無影響；當(dāng)每臺岸橋配置集卡數(shù)量由5 輛增加至6 輛，對于海側(cè)、陸側(cè)裝卸效率略有增加，但是內(nèi)集卡在堆場平均滯留時間顯著增加，存在交通擁堵的風(fēng)險。

（3）岸橋數(shù)量與集卡數(shù)量以1:5 配置是較優(yōu)方式。