基于實(shí)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化碼頭裝卸負(fù)荷特性及同時(shí)率分析

中圖分類號(hào)：TM74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在港口能耗轉(zhuǎn)型與物流效率提升的雙重驅(qū)動(dòng)下，我國已建成自動(dòng)化集裝箱碼頭（以下簡稱“自動(dòng)化碼頭”）21座，已建和在建數(shù)量位居世界首位[1]。自動(dòng)化碼頭通過集成自動(dòng)導(dǎo)引車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）岸橋（QuayCrane，QC）軌道橋（RailMountedGantryCrane，RMG）等設(shè)備[3]，顯著提高了集裝箱單機(jī)裝卸效率并加速了碼頭電氣化轉(zhuǎn)型進(jìn)程[4]。然而，相較于傳統(tǒng)碼頭，自動(dòng)化碼頭的裝卸負(fù)荷呈現(xiàn)以下特征：一是各設(shè)備協(xié)同運(yùn)行的強(qiáng)耦合性，以日常裝卸作業(yè)流程為例，單日作業(yè)中可能涉及數(shù)臺(tái)AGV、RMG及QC的并行作業(yè)，各設(shè)備啟停受船舶到港計(jì)劃、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、路徑規(guī)劃、電池續(xù)航等多因素關(guān)聯(lián)[5]；二是高功率設(shè)備瞬時(shí)啟停的強(qiáng)波動(dòng)性[，AGV集群調(diào)度、QC和RMG協(xié)同裝卸等作業(yè)導(dǎo)致負(fù)荷在分鐘級(jí)甚至秒級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)升高，加劇了電網(wǎng)峰值的實(shí)時(shí)波動(dòng)。因此，有必要分析各類裝卸負(fù)荷之間的時(shí)滯關(guān)系和波動(dòng)特性。

此外，上述負(fù)荷特征使得自動(dòng)化碼頭的電力需求呈現(xiàn)顯著的時(shí)空差異性，可采用負(fù)荷同時(shí)率（LoadCoincidenceFactor，LCF）進(jìn)行量化評(píng)估。LCF定義為實(shí)際最大需求負(fù)荷與設(shè)備額定總功率的比值[7]，是衡量電力系統(tǒng)設(shè)備協(xié)同運(yùn)行效率的核心指標(biāo)，LCF趨近于1表明設(shè)備高度同步運(yùn)行，易引發(fā)電網(wǎng)過載，影響電網(wǎng)供電安全，LCF趨近于0則反映設(shè)備利用率低下。然而，傳統(tǒng)的同時(shí)率評(píng)估方法難以有效量化自動(dòng)化碼頭物流作業(yè)與裝卸負(fù)荷系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，有必要提出含物流作業(yè)信息的自動(dòng)化碼頭負(fù)荷同時(shí)率計(jì)算方法。

本文以某自動(dòng)化碼頭2024年（每1小時(shí)）QC、充電樁、RMG實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了多設(shè)備協(xié)同作業(yè)特征，從港口固有屬性、環(huán)境條件、異質(zhì)負(fù)荷特性及碼頭物流調(diào)度因素歸納其對(duì)港區(qū)負(fù)荷同時(shí)率的影響；計(jì)算負(fù)荷間交叉相關(guān)性與協(xié)方差矩陣指標(biāo)，分析不同裝卸負(fù)荷之間的時(shí)滯響應(yīng)與波動(dòng)特性；建立包含船舶作業(yè)信息的裝卸負(fù)荷同時(shí)率表達(dá)式，通過某自動(dòng)化碼頭實(shí)測數(shù)據(jù)加以應(yīng)用分析。該成果可精準(zhǔn)量化自動(dòng)化碼頭裝卸負(fù)荷的時(shí)序關(guān)聯(lián)特征，為港口配電網(wǎng)規(guī)劃提供了關(guān)鍵負(fù)荷參數(shù)及同時(shí)率計(jì)算依據(jù)。

1自動(dòng)化碼頭負(fù)荷特征及同時(shí)率影響因素

1.1自動(dòng)化碼頭多設(shè)備協(xié)同作業(yè)特征

自動(dòng)化碼頭多設(shè)備協(xié)同作業(yè)呈現(xiàn)強(qiáng)時(shí)空耦合、多尺度交互與非線性疊加的復(fù)雜特征，QC、AGV、RMG設(shè)備通過任務(wù)鏈?zhǔn)絽f(xié)作完成集裝箱裝卸流程，具體分為QC裝卸作業(yè)、AGV運(yùn)輸、RMG堆碼作業(yè)3個(gè)階段，如圖1所示。

當(dāng)船舶靠岸卸船時(shí)，QC從船舶抓取集裝箱，放置到AGV承載平臺(tái)上，RMG須與AGV到達(dá)時(shí)間精準(zhǔn)匹配，任一環(huán)節(jié)延遲均會(huì)導(dǎo)致任務(wù)積壓；AGV根據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)指令，將集裝箱運(yùn)送至堆場指定交接區(qū)，若某AGV因電池低電量或路徑擁堵無法準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，調(diào)度系統(tǒng)須實(shí)時(shí)重分配任務(wù)給其他AGV并同步調(diào)整QC/RMG作業(yè)時(shí)序；RMG從AGV上抓取集裝箱，按計(jì)劃堆碼到特定位置或反向提取集裝箱交予AGV運(yùn)回岸邊，由QC裝船。

1.2自動(dòng)化碼頭負(fù)荷同時(shí)率的關(guān)鍵影響因素

自動(dòng)化碼頭負(fù)荷的時(shí)空耦合特性決定了不同設(shè)備的用電行為并非獨(dú)立，而是受船舶作業(yè)計(jì)劃等動(dòng)態(tài)調(diào)控相互關(guān)聯(lián)[8]，影響負(fù)荷同時(shí)率的因素有：港口固有特征、環(huán)境條件、異質(zhì)負(fù)荷特性、特殊因素等，如圖2所示。

圖2港口配電網(wǎng)負(fù)荷同時(shí)率影響因素

具體而言，港口固有特征中的年吞吐量和堆場布局決定了作業(yè)規(guī)模，額定容量和配置數(shù)量決定最大用電潛力；極端天氣如大風(fēng)迫使QC、RMG暫停作業(yè)進(jìn)而降低同時(shí)率，高溫觸發(fā)制冷負(fù)荷，增加輔助設(shè)備能耗；異質(zhì)負(fù)荷的特性曲線差異，設(shè)備啟停產(chǎn)生沖擊電流，可能導(dǎo)致負(fù)荷突變；碼頭物流調(diào)度涉及船舶集中到港后的多QC同時(shí)作業(yè)，造成局部負(fù)荷抬高，導(dǎo)致同時(shí)率升高。

2自動(dòng)化碼頭負(fù)荷特性分析模型

2.1裝卸負(fù)荷時(shí)滯關(guān)系建模

QC、AGV、RMG負(fù)荷之間存在時(shí)序上因果滯后關(guān)系，如岸橋負(fù)荷上升后，充電樁負(fù)荷在一定時(shí)間后隨之增長，因此，采用交叉相關(guān)分析法可以衡量每類負(fù)

荷序列變化對(duì)另一類負(fù)荷序列的相似度影響，得到不同負(fù)荷之間相關(guān)性最高的滯后時(shí)間。多元負(fù)荷交叉相關(guān)性表示如下：

式（1）中， R_ij（τ） 為第 τ 個(gè)時(shí)間滯后量下的多元負(fù)荷交叉相關(guān)性參數(shù)； P_i（t） 是第 i 個(gè)設(shè)備在 χ_t 時(shí)刻的負(fù)荷； P_j（t） 是第 j 個(gè)設(shè)備在 χ_t 時(shí)刻的負(fù)荷; 和 是各自的平均負(fù)荷； σ_i 和 σ_j 是各自的標(biāo)準(zhǔn)差; τ 是時(shí)間滯后量，表示 P_j（t） 相對(duì)于 P_i（t） 的時(shí)間偏移。

當(dāng) R_ij（τ） 接近于1時(shí)，說明設(shè)備 i 和設(shè)備 j 的負(fù)荷曲線形態(tài)高度相似，其高峰和低谷同時(shí)出現(xiàn)，意味著2類負(fù)荷同時(shí)受同船舶靠泊的調(diào)度事件影響;當(dāng) R_ij （τ） 在 τ≠0 處達(dá)到最大值時(shí)，說明 P_i（t） 會(huì)在 τ 時(shí)間單位后影響 P_j（t） ，即 P_j（t） 是 P_i（t） 的滯后響應(yīng);當(dāng) R_ij （τ） 接近于0時(shí)，說明2個(gè)設(shè)備的負(fù)荷無關(guān)，負(fù)荷波動(dòng)隨機(jī)不受調(diào)度影響。

2.2裝卸負(fù)荷波動(dòng)特性建模

為進(jìn)一步揭示碼頭不同負(fù)荷波動(dòng)的協(xié)同性，本文采用協(xié)方差矩陣來量化多設(shè)備負(fù)荷之間的協(xié)同波動(dòng)規(guī)律。負(fù)荷協(xié)方差矩陣定義如下：

式（2）中， C_ij 為設(shè)備 i 和設(shè)備 j 負(fù)荷的協(xié)方差; T 為總的時(shí)間步長。

按照類似方法計(jì)算所有設(shè)備間的協(xié)方差，得到負(fù)荷協(xié)方差矩陣為：

矩陣中的每個(gè)元素 C_ij 表示設(shè)備 i 與 j 的負(fù)荷偏離均值的程度。若QC與AGV的協(xié)方差為正，說明二者同步啟動(dòng)或停機(jī)，如QC卸貨后AGV立即運(yùn)輸；若協(xié)方差為負(fù)，則可能反映錯(cuò)峰調(diào)度策略，如軌道橋作業(yè)時(shí)，AGV處于待命狀態(tài)。這種建模方式不僅能揭示設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，還可通過矩陣特征值分解識(shí)別主導(dǎo)負(fù)荷波動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備組合，為優(yōu)化電力容量配置和錯(cuò)峰調(diào)度提供量化依據(jù)。

3含物流作業(yè)信息的負(fù)荷同時(shí)率

3.1自動(dòng)化碼頭物流作業(yè)建模

定義船舶 S_k 在 χ_t 時(shí)刻的作業(yè)狀態(tài)。

船舶 S_k 在 χ_t 時(shí)刻作業(yè)船舶 S_k 在 χ_t 時(shí)刻不作業(yè)

每艘船舶的到港計(jì)劃 S_k 會(huì)引導(dǎo)相應(yīng)的QC、RMG、AGV作業(yè)，形成負(fù)荷需求。

式中（5）， P_k（t） 為船舶 S_k 在 χ_t 時(shí)刻的負(fù)荷需求；P_0C，i（t），P_RMG，i（t），P_AGV，i（t） 為 χ_t 時(shí)刻第 χ_i 類QC、RMG、充電樁的負(fù)荷； N_QC?N_RMG?N_AGV 為QC、RMG、AGV的設(shè)備總數(shù)。值得注意的是，QC和RMG的功率與作業(yè)工況相關(guān)，在不同連續(xù)作業(yè)時(shí)間、水平移動(dòng)、整機(jī)移位、集裝箱空載和重載升降等運(yùn)行條件下，功率范圍均有不同。此外，AGV的用電量在此指的是充電樁的充電負(fù)荷，根據(jù)充電時(shí)的起始終止電量、電池充電策略不同，實(shí)際功率也會(huì)受到影響。

碼頭裝卸總負(fù)荷為：

式（6）中， P_total（t） 為 χ_t 時(shí)刻的碼頭裝卸總負(fù)荷需求； m 為船舶總數(shù)。

3.2自動(dòng)化碼頭負(fù)荷同時(shí)率

自動(dòng)化碼頭某類負(fù)荷同時(shí)率 λ_i 為：

式（7）中， T 為統(tǒng)計(jì)周期， Ω_{0C，RMG，AGV} 為所有QC、RMG、充電樁設(shè)備的集合。

自動(dòng)化碼頭總負(fù)荷同時(shí)率 λ 為：

式（8）中， P_QC?P_RMG?P_AGV 為單臺(tái)QC、RMG、充電樁的最大額定功率。

4算例分析

以某自動(dòng)化碼頭為研究對(duì)象進(jìn)行算例分析，該碼頭共計(jì)部署了14座QC、42座RMG和12座AGV的充電樁，單座QC、RMG充電樁的最大額定功率分別為 2250kW 座 、400kW/ 座和 300kW， 座。以某日計(jì)劃到港船舶作業(yè)數(shù)據(jù)、港口QC、RMG、充電樁負(fù)荷曲線為依據(jù)，對(duì)QC、RMG、充電樁負(fù)荷之間的時(shí)滯性和波動(dòng)性進(jìn)行分析并評(píng)估自動(dòng)化碼頭的負(fù)荷同時(shí)率。

以某日實(shí)測運(yùn)行為例，碼頭QC、RMG、AGV充電樁負(fù)荷曲線如圖3所示。

圖3碼頭QC、RMG、充電樁負(fù)荷曲線

4.1各類負(fù)荷之間的時(shí)滯關(guān)系分析

根據(jù)1.1中自動(dòng)化碼頭裝船和卸船的流程，分別開展6組RMG和充電樁、RMG和QC、充電樁和QC、QC和充電樁、充電樁和RMG、QC和RMG之間的交叉相關(guān)分析，時(shí)間滯后量設(shè)為和 ^5h 依次計(jì)算不同時(shí)間滯后量下的交叉相關(guān)性參數(shù)，如圖4所示。

圖4各類負(fù)荷之間的交叉相關(guān)性參數(shù)

如圖4所示，針對(duì)6組不同的設(shè)備負(fù)荷組合，分析在不同滯后時(shí)間（ （1～5h） ）下的相關(guān)系數(shù)變化并得出以下結(jié)論：（1）QC與RMG之間的協(xié)同關(guān)系最為顯著，其雙向交叉相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8624，且都在 ¹h 滯后時(shí)達(dá)到峰值，表明兩者在作業(yè)流程中存在高度同步、強(qiáng)耦合的協(xié)同運(yùn)行機(jī)制；（2）與充電樁相關(guān)的設(shè)備組合中，多對(duì)組合在 ^1h 滯后下也表現(xiàn)出較強(qiáng)正相關(guān)性，RMG對(duì)充電樁的相關(guān)系數(shù)為0.7815，充電樁對(duì)RMG為0.7682，說明RMG作業(yè)活動(dòng)與充電需求之間存在快速響應(yīng)關(guān)系；（3）充電樁對(duì)QC的相關(guān)系數(shù)為0.6887，QC對(duì)充電樁的相關(guān)系數(shù)為0.6579，相關(guān)性略低，且峰值分別出現(xiàn)在 ^5h 與 ^4h 滯后，表示QC與充電樁之間存在一定的滯后關(guān)聯(lián)。綜合來看， 滯后是設(shè)備負(fù)荷關(guān)聯(lián)的主要集中點(diǎn)，同時(shí)QC與RMG之間的交互強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他組合，以上時(shí)滯特性為港區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行提供了量化支撐。

4.2各類負(fù)荷之間的波動(dòng)性分析

根據(jù)實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得到3類設(shè)備之間的協(xié)方差矩陣，結(jié)果如表1所示。

表13類設(shè)備之間的協(xié)方差矩陣 單位： kW²

從表1可見，各設(shè)備間在運(yùn)行過程中的功率波動(dòng)存在一定的協(xié)同或相反趨勢。其中，RMG與QC之間的協(xié)方差達(dá)到 129476kW² ，遠(yuǎn)高于其他組合，顯示出兩者在作業(yè)調(diào)度或運(yùn)行節(jié)奏上具有極強(qiáng)的一致性；相較之下，RMG與充電樁之間的協(xié)方差為 -84702kW² ，為負(fù)值且絕對(duì)值較大，說明兩者在部分作業(yè)周期內(nèi)存在負(fù)相關(guān)波動(dòng)趨勢，可能由于軌道橋負(fù)荷上升期間設(shè)備占用較多AGV進(jìn)行物流作業(yè)而抑制了充電行為；充電樁與QC之間的協(xié)方差為 27457kW² ，雖為正值但數(shù)值較小，表明兩者間雖有正向波動(dòng)，但相關(guān)強(qiáng)度有限。綜上，協(xié)方差分析清晰地揭示了港口多設(shè)備系統(tǒng)中不同類型作業(yè)設(shè)備間負(fù)荷波動(dòng)的一致性。

4.3負(fù)荷同時(shí)率評(píng)估結(jié)果

分別計(jì)算QC、RMG、充電樁單一負(fù)荷和總負(fù)荷的同時(shí)率，如表2所示。

表2自動(dòng)化碼頭同時(shí)率評(píng)估結(jié)果

如表2所示，岸橋同時(shí)率最低，原因在于受船舶吃水、吊具更換、移艙、等箱、等待AGV和RMG等約束，岸橋裝卸作業(yè)不是連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，因此同時(shí)率較低；軌道橋同時(shí)率居中，原因在于軌道橋服務(wù)于多個(gè)岸橋裝卸和堆場內(nèi)部的翻箱整理需求，堆場作業(yè)相對(duì)連續(xù)；充電樁同時(shí)率最大，原因在于自動(dòng)化碼頭AGV多采用“淺循環(huán)快充”策略以減少等待，充電樁端幾乎始終存在車輛充電。基于上述分析，同時(shí)率反映了整個(gè)設(shè)備資源的最大綜合利用率，同時(shí)率過低反映資源閑置，同時(shí)率過高意味著存在容量瓶頸，依據(jù)此參數(shù)可見，當(dāng)前充電樁峰值過高，下一步可通過優(yōu)化充電策略，減少對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊。

5結(jié)語

本文提出的基于實(shí)測數(shù)據(jù)的裝卸負(fù)荷特性和同時(shí)率分析方法，不僅適用于港口自動(dòng)化碼頭的負(fù)荷特性挖掘與調(diào)度特征解析，還可在其他多設(shè)備協(xié)同作業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)中，例如大型物流園區(qū)、礦山或機(jī)場等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施場景。此外，通過引入本文的負(fù)荷交叉相關(guān)分析與同時(shí)率評(píng)估框架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)序建模、動(dòng)態(tài)評(píng)估與負(fù)荷預(yù)測，為其在港區(qū)配電網(wǎng)電網(wǎng)容量配置、能量管理系統(tǒng)優(yōu)化、錯(cuò)峰調(diào)度機(jī)制設(shè)計(jì)等方面提供參數(shù)依據(jù)。

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（編輯 王雪芬）

Analysis of handling load characteristicsand coincidence factor in automated terminals based on measured data

YU Pengfei'，WANG Dawei2，CAO Baolong2，MA Xiaohui3 （1.Tianjin Port（Group） Co.，Ltd.， Tianjin ，China;2.Tianjin Port（Power） Co.，Ltd.， Tianjin 3OO450， China; 3.School of Electrical and Information Engineering， Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Inresponse tothe strong coupling relationshipbetween handling loads and logistics operations atautomated terminals，this paper conducts ananalysis of load characteristicsandcoincidence factorforquay cranes，rail-mounted gantry cranes（RMGs），and charging piles based on measured data.Firstly，thecolaborative operational characteristic of handling equipment at automated terminals is performed，andthe influencing factorsonthe loadcoincidence factor are summarized from the perspectives of port-specificcharacteristics，environmentalconditions，heterogeneous load features，and terminal logistics scheduling.Next，the cross-corelationand load covariance matrix indices are calculated toreveal the time-lag relationshipsandfluctuationcharacteristics among diferent handling loads.Finally，a coincidence factorexpression incorporating shipoperation information is established and validated using measured load datafrom anautomated terminal.Theresultsprovide arefinedevaluation of the intrinsicconnectionsandtemporal characteristics among handling loads，while reflecting the relationship between logistics operations and the coincidence factor，thereby providing load parameters references for port distribution network planning.

Key words：automated terminal; load characteristics；coincidence factor; quay crane；rail-mounted gantry crane： charging pile