一種新型自動化集裝箱碼頭工藝布局仿真

周 鵬 飛， 邢 小 偉

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

近30年來隨著貿(mào)易全球化和集裝箱海運(yùn)需求的發(fā)展，集裝箱船舶大型化趨勢明顯，如已投入運(yùn)營的“商船三井成就(MOL Triumph)”號集裝箱船長400 m、寬58.8 m，裝載能力20 170 TEU.船舶的大型化發(fā)展對碼頭裝卸效率提出了更高的要求.為了提高碼頭裝卸效率，高延輝等[1]提出了一種新型的自動化集裝箱碼頭概念系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用軌道式雙軌輪小車水平運(yùn)輸及高低架行車裝卸箱工藝，堆場垂直岸線、回字形水平運(yùn)輸軌道位于堆場端部.該系統(tǒng)堆場機(jī)械設(shè)備輕，速度快，作業(yè)效率高，軌道水平運(yùn)輸車輛全電力驅(qū)動，節(jié)能環(huán)保且速度快，外集卡不進(jìn)入堆場，安全易操作.但該新型工藝系統(tǒng)作業(yè)效率等優(yōu)勢發(fā)揮受設(shè)備配置和堆場布局等因素的影響，對其研究有助于新工藝系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計應(yīng)用和性能改進(jìn).

在新型集裝箱碼頭布局研究方面，劉廣紅等[2]對10種典型自動化集裝箱碼頭的總體布局模式特點(diǎn)進(jìn)行了定性分析.李艷麗等[3]對比分析了雙小車岸橋在堆場垂直岸線和平行岸線布局下的作業(yè)效率，研究表明堆場垂直岸線布局完成吞吐量大、船舶裝卸更快.王施恩等[4]分析了洋山四期自動化集裝箱碼頭堆場自動化軌道吊單、雙側(cè)懸臂和無懸臂混合作業(yè)布置形式.由于回字形布置自動化集裝箱碼頭是一種新型的工藝系統(tǒng)，上述研究并未涉及.在集裝箱碼頭系統(tǒng)仿真分析方面，Petering[5]利用離散事件仿真模型分析了堆場2～15行集裝箱平行岸線布局時的岸橋利用率，研究表明堆場容量及裝卸設(shè)備固定時岸橋利用率和堆場寬度呈倒三角形變化規(guī)律.文獻(xiàn)[6]進(jìn)一步分析了岸橋平均利用率隨集裝箱碼頭堆場容量、內(nèi)集卡數(shù)、場橋數(shù)等配置的變化.Gupta等[7]利用排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)建模分析了平行自動化堆場布局集裝箱碼頭的作業(yè)性能，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部運(yùn)輸寬度相同時，平行堆場布局較垂直堆棧布局的集裝箱碼頭裝卸時間減少4%～12%.Dulebenets等[8]仿真分析了海側(cè)浮式岸橋布局的碼頭作業(yè)性能影響，研究結(jié)果表明增設(shè)漂浮式岸橋可顯著提高集裝箱碼頭岸橋裝卸效率，減少船舶平均裝卸時間.Gharehgozli等[9]仿真分析了堆場區(qū)兩個自動化龍門吊公共作業(yè)區(qū)域的位置、區(qū)域大小和數(shù)量對系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)的影響.周鵬飛等[10]仿真分析了AGV、ALV碼頭系統(tǒng)在堆場垂直岸線和平行岸線布置下的作業(yè)性能，并與立體軌道式碼頭系統(tǒng)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明后者較AGV、ALV碼頭系統(tǒng)優(yōu)勢明顯.上述研究利用仿真技術(shù)分析集裝箱碼頭堆場布置等問題，回字形自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)目前還處于概念階段，借助仿真技術(shù)可對其進(jìn)行定量分析，針對新工藝系統(tǒng)建立仿真模型并進(jìn)行有針對性的分析是其研究難點(diǎn).本文應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建回字形自動化集裝箱碼頭工藝布局多工況的仿真模型，并仿真分析新工藝系統(tǒng)中岸橋配置、堆場布局、行車配置等影響規(guī)律，建議設(shè)計參數(shù).

1 回字形自動化集裝箱碼頭仿真方案設(shè)計

回字形自動化集裝箱碼頭概念系統(tǒng)主要由碼頭前沿與多路回字形裝卸部分、高架行車堆取集裝箱的堆場部分、堆場后方低架行車與多路回字形裝卸部分、外集卡進(jìn)出港閘口部分等組成[1].回字形軌道上的雙軌輪小車負(fù)責(zé)水平運(yùn)輸，軌道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置分撥裝置負(fù)責(zé)雙軌輪小車的縱橫軌道銜接.考慮工藝系統(tǒng)特點(diǎn)，選取仿真研究的基本布局示意如圖1所示，設(shè)計典型工況如下：

(1)碼頭前沿與多路回字形裝卸部分

考慮3個泊位，長度均為360 m.船舶到港服從二階愛爾蘭分布，船舶容量為1 000×int(U(1，8.2)) TEU，船舶裝卸箱量為艙容量20%～40%的均勻分布.單小車岸橋軌距為24 m，岸橋平均速度為1 m/s，碼頭岸線距離堆場前方62 m.多路回字形線路和岸橋一致，作業(yè)線路服務(wù)單個岸橋，避免雙軌輪小車的相互干擾，雙軌輪小車平均配置5輛，速度為7 m/s.回字形軌道轉(zhuǎn)彎處分撥裝置分撥小車時間符合均勻分布U(3 s，6 s).岸橋和高架梁下方作業(yè)區(qū)設(shè)置裝卸對位裝置，以實(shí)現(xiàn)雙軌輪小車的快速對位裝卸.考慮岸橋配置對系統(tǒng)指標(biāo)的影響，仿真方案岸橋配置為9～12臺.

(2)高架行車堆取集裝箱的堆場部分

堆場垂直岸線布置，堆場區(qū)設(shè)置高架行車，高架行車作業(yè)區(qū)從前方回路到后方回路，高架行車速度為3 m/s.進(jìn)出口箱為標(biāo)準(zhǔn)箱，堆存期為1～5 d，出口集裝箱分為5個優(yōu)先級.堆場后方線路雙軌輪小車數(shù)量和雙軌輪小車分撥時間同前方回路.考慮堆場布局的影響，設(shè)計堆場縱深分別為210 m和273 m，根據(jù)高架系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)，堆場區(qū)寬度設(shè)計為1～3標(biāo)準(zhǔn)箱位長度，堆高5層.

(3)堆場后方低架行車與多路回字形裝卸部分

堆場后方回路有3條線路，線路縱深為40 m，低架作業(yè)區(qū)縱深為40 m，低架行車速度為3 m/s，每個泊位后方作業(yè)區(qū)配置3～6臺低架行車，3～6條外集卡行駛線路.堆場后方回路和外集卡行駛線路上設(shè)置對位裝置實(shí)現(xiàn)低架行車作業(yè).

圖1 回字形自動化集裝箱碼頭

(4)外集卡進(jìn)出港閘口部分

外集卡隨機(jī)到港，且滿足堆存期要求，自動閘口檢驗(yàn)時間設(shè)為10 s.重卡進(jìn)港作業(yè)區(qū)域根據(jù)集裝箱船舶所停靠泊位，同一艘船舶的出口箱均勻存儲到船舶停靠泊位對應(yīng)的堆場區(qū).

仿真研究對比工況方案總結(jié)如表1所示.

表1 仿真布局

2 Plant Simulation仿真模型

2.1 仿真主要對象建模單元與模型流程

回字形自動化集裝箱碼頭是一個復(fù)雜的離散事件物流系統(tǒng)，Plant Simulation是面向?qū)ο蟮膱D形化仿真建模工具軟件.回字形自動化集裝箱碼頭主要建模單元包括集裝箱船舶、岸橋、堆場、軌道等.具體建模單元構(gòu)建如下：用對象Store模擬船舶棧位，可根據(jù)不同船型設(shè)置模擬；用對象StorageCrane模擬高低架行車及堆場區(qū)，可設(shè)置其長、寬、高及速度參數(shù)等；對象MultiPortalCrane模擬岸橋，可設(shè)置岸橋速度、外伸距、跨度、數(shù)量等；回字形軌道線路用對象Track模擬，在Track上設(shè)置傳感器(Sensors)來模擬雙軌輪小車(Transporter對象模擬)與岸橋和高低架行車的對位裝置；對象AngularConverter模擬縱橫軌道分撥裝置，通過設(shè)置其時間參數(shù)模擬雙軌輪小車轉(zhuǎn)彎時間；利用兩個Source對象分別生成外集卡(Transporter模擬)和出口集裝箱(Entity模擬)，通過TransferStation對象把出口集裝箱加載到外集卡上生成重卡.仿真模擬單元和模型主要流程如圖2、3所示.

圖2 主要對象建模單元

2.2 主要仿真事件

(1)船舶到港和離港

船舶到港(靠泊)由時間觸發(fā)器Trigger對象按照一定時間間隔循環(huán)調(diào)用方法Method對象實(shí)現(xiàn)，Method對象根據(jù)船舶到港時間表Table對象中的船舶到港時間、船舶容量、船舶裝卸箱量在分配泊位生成船舶，船舶到港時間表Table對象中的船舶到港時間、船舶容量、船舶裝卸箱量按照假設(shè)分布生成.船舶離港(離泊)由時間觸發(fā)器Trigger對象按照一定時間間隔循環(huán)判斷船舶裝箱量是否完成來確定.

(2)卸船和裝船開始

船舶靠泊時更新泊位狀態(tài)和作業(yè)任務(wù)，通過全局變量值模擬泊位狀態(tài)和泊位裝卸船任務(wù)的更新，時間觸發(fā)器Trigger對象按照一定時間間隔循環(huán)，根據(jù)全局變量值觸發(fā)卸船開始和裝船開始事件.

(3)重卡和輕卡到港

重卡由兩個Source對象根據(jù)出口集裝箱到港時間表(依據(jù)到港分布模擬產(chǎn)生)分別生成外集卡和出口集裝箱，通過TransferStation對象加載生成，利用SingleProc模擬外卡通閘；輕卡由Trigger對象根據(jù)集裝箱堆存時間隨機(jī)調(diào)用Method對象生成輕卡，進(jìn)入閘口.

圖3 仿真模型流程圖

2.3 資源分配仿真

(1)泊位分配

泊位分配由Trigger對象調(diào)用Method對象根據(jù)船舶到港時間前的預(yù)估制定的最早空閑泊位分配(FCFS規(guī)則).

(2)岸橋分配

岸橋分配采用固定泊位指派方式，岸橋與其作業(yè)線路對應(yīng).回字形自動化集裝箱碼頭布局涉及岸橋配置：9個岸橋時平均分配岸橋到泊位；10個岸橋時1號泊位(圖1中從左至右為1～3號泊位)分配4個岸橋，2、3號泊位分別分配3個岸橋；11個岸橋時1、2號泊位分別分配4個岸橋，3號泊位分配3個岸橋；12個岸橋時平均分配岸橋到泊位.

(3)雙軌輪小車分配

雙軌輪小車無作業(yè)任務(wù)時停在回字形軌道左側(cè)，任務(wù)分配按照停車次序從前往后.出口集裝箱進(jìn)港過程中，后方回字形左側(cè)軌道上的前方雙軌輪小車對后方小車的干擾問題通過Trigger對象判斷識別，并通過調(diào)配前方小車的位置來解決沖突.

(4)堆場分配

同一艘船舶的進(jìn)出口集裝箱均勻分配到船舶停靠泊位對應(yīng)的堆場區(qū)，仿真中通過均勻分布生成集裝箱堆場區(qū)編號來模擬.

(5)高低架行車分配

堆場區(qū)內(nèi)分配一個高架行車，負(fù)責(zé)前方回路和后方回路的雙軌輪小車裝卸作業(yè)，每個泊位分配低架行車數(shù)量一致，高低架行車與雙軌輪小車對位用Sensors對象實(shí)現(xiàn)，高低架行車先服務(wù)對位車輛.低架行車區(qū)為減少后方同通道作業(yè)任務(wù)間的干擾，每個低架行車對應(yīng)一個線路.

3 仿真分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證主要包括仿真模型邏輯和參數(shù)的檢驗(yàn)、模型運(yùn)行性能檢驗(yàn).檢驗(yàn)分析表明所建模型可滿足仿真邏輯、參數(shù)以及仿真分析要求，下面以S3為例給出驗(yàn)證過程，仿真時間為1 a.首先觀測船舶到港時間間隔、堆場縱深、堆場寬度及低架行車數(shù)的仿真系統(tǒng)動畫運(yùn)行過程，均未發(fā)現(xiàn)異常.其次仿真輸出變量(包括吞吐量、岸橋利用率、岸橋裝卸效率等)符合其統(tǒng)計規(guī)律.最后檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)：(1)船型艙容量1 000×int(U(1，8.2)) TEU的分布檢驗(yàn)，如表2所示；(2)裝卸箱量以艙容量為基數(shù)的均勻分布檢驗(yàn)；(3)進(jìn)出口集裝箱堆存期的分布檢驗(yàn).參數(shù)(2)、(3)的樣本K-S檢驗(yàn)如表3所示，漸近顯著性P值(雙側(cè))均大于0.05，表明船舶裝箱率、卸箱率和在港堆存時間與參數(shù)條件均無顯著性差異.

表2 船型艙容量頻率統(tǒng)計

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

不同布局工況下系統(tǒng)仿真性能指標(biāo)對比如表4所示.為便于分析岸橋配置、堆場縱深、堆場寬度、低架行車配置對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，分別用Q表示岸橋數(shù)，B表示箱區(qū)寬度，D表示堆場縱深，Y表示單泊位低架行車數(shù)，r表示岸邊資源利用率，t表示船舶在港時間，ρ表示裝卸效率，l表示排隊(duì)長度.

由船舶在港時間和岸邊資源利用率分析可知：(1)回字形布置自動化集裝箱碼頭工藝的岸橋配置對船舶在港時間、泊位利用率和岸橋利用率的影響趨勢顯著，在船舶裝卸允許范圍內(nèi)增配岸橋可降低泊位利用率和船舶在港時間約8%，提高了泊位通過能力，同時岸橋利用率下降約9%；

表3 輸入?yún)?shù)的K-S檢驗(yàn)

(2)箱區(qū)寬度增加到2個箱位時上述指標(biāo)沒有顯著變化，但箱區(qū)寬度增加有利于節(jié)省高架梁空間，圖4給出了部分岸橋配置和箱區(qū)寬度對比工況的影響趨勢.

表4 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)

(a) 岸橋配置影響趨勢

(b) 箱區(qū)寬度影響趨勢

由岸橋裝卸效率和外集卡等待分析可知：(1)箱區(qū)寬度和堆場縱深增加，岸橋裝卸效率都有降低的趨勢(約5%)，且箱區(qū)寬度和堆場縱深越大降低趨勢越明顯，如D=273 m時，B=3個箱位工況的岸橋裝卸效率較B=1個箱位工況降低3.9%；B=3時，堆場縱深增加30%，使岸橋裝卸效率下降5.6%.(2)碼頭后方低架行車數(shù)對岸橋裝卸效率影響不顯著，但對外集卡等待隊(duì)長影響較大，呈加速上升趨勢，如低架行車由5臺減少到3臺時外集卡最大隊(duì)長從9輛增加到49輛.低架行車數(shù)增加有利于堆場通過能力的提高，增配1臺低架行車可提高堆場通過能力約6%.圖5給出了部分箱區(qū)寬度和低架行車數(shù)對岸橋裝卸效率和外集卡最大等待隊(duì)長影響趨勢.

(a) 箱區(qū)寬度的岸橋裝卸效率影響趨勢

(b) 行車配置的岸橋裝卸效率影響趨勢

(c) 行車配置的最大等待隊(duì)長影響趨勢

圖5 岸橋裝卸效率和行車隊(duì)長隨堆場資源配置的變化趨勢

Fig.5 The trend of quay-crane handling efficiency and crane queue layout with yard resource allocation

4 結(jié) 論

(1)提出的Plant Simulation仿真建模方法可用于該新型集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)分析，構(gòu)建不同工況的仿真模型符合仿真驗(yàn)證條件.

(2)在船舶裝卸允許工況中增配岸橋可降低泊位利用率和船舶在港時間約8%.

(3)對比工況中箱區(qū)寬度增加到3個箱位時岸橋裝卸效率降低約5%，箱區(qū)寬度建議取1～2個箱位，取2個箱位可節(jié)約高架梁空間且對岸橋效率影響不顯著.

(4)對比工況中低架行車配置小于5臺時外集卡排隊(duì)明顯增多，堆場縱深較大時低架行車配置不宜大于5臺，可取5～6臺.

上述成果可為回字形布置的雙軌輪小車自動化集裝箱碼頭后續(xù)研究和設(shè)計開發(fā)提供參考.本研究仿真模型采用FCFS的泊位分配策略和固定岸橋指派策略，未來可進(jìn)一步分析泊位、岸橋等碼頭資源優(yōu)化分配策略下的系統(tǒng)性能.