航空集裝器處理系統設計與仿真研究

文/伍祖槐 沈利華 吳 娛

新型航空集裝器處理系統對于加快貨運樞紐機場及轉運中心的集裝器時效性有重要意義，同時也為未來的航空集裝器的全過程智慧化提供基礎平臺

全球定位為貨運樞紐的機場均將中轉貨物視為其主要貨源之一，以香港機場為例，空空中轉貨物約占了總貨運量的25%，大量的中轉貨物需要快速處理，其中很大比例的貨物為整集裝器中轉貨物。這些貨物不需拆箱進行分揀，直接進行存儲或分揀，這些整集裝箱貨物稱為直轉集裝器貨物。除香港機場以外，孟菲斯、路易斯維爾、萊比錫等快件轉運中心同樣也存在對直轉集裝器貨物的分揀轉運需求，而且這種分揀轉運對于時效性的要求很高。

目前直轉集裝器（Un i t L o a d Device，簡稱“ULD”）的分揀、轉運方式有人工作業和自動化設備兩種，兩種方式各有優點。在客運機場的集裝器直接轉運過程中，一般直接在機坪上利用拖車將集裝器由到達航班駁運至相應的出發航班，或駁運至專用的中轉區，待辦理完相關手續后再將集裝器駁運至對應航班。這類機場一般空空中轉的集裝器數量相對較少，少量的人工即可完成集裝器的轉運作業。

在某些大型的快件轉運中心，直轉集裝器的數量較多，分揀的目的地也較多，集裝器的轉運依靠人工借助滾輪平臺（滾球平臺）搬運至其目的地進行分揀，其分揀效率主要依靠于作業人員的數量及作業場地的大小。轉運的航空集裝器越多，需要的作業人員就越多，對操作場地的要求越大（除去存儲位置以外的空間）。這種方式的特點就是分揀快速、自動化程度低、分揀量嚴格受制于作業人員數量、人員作業強度高。

除了人工分揀作業，航空集裝器作為航空貨運中相對標準化程度較高的載具，也有自動化的分揀方式。目前多數國際貨運站采用升降轉運車（ETV）來對集裝器進行立體存儲和簡單分揀，ETV的作業效率約為每小時出入庫20～30個左右。

在應對大量航空集裝器轉運分揀時，特別是在單位小時需分揀二百個以上的航空集裝器時，采用升降轉運車等設備的方式不具備優勢，甚至難以實現。

圖1 CHS系統布局示意圖

圖2 集裝器處理系統作業流程圖

一、新型航空集裝器處理系統

針對以航空貨運為主的轉運中心對航空集裝器的快速分揀轉運需求，本文提出了一種航空集裝器處理系統（Container Handing System,以下簡稱CHS），分揀系統能實現對航空集裝器的快速分揀和緩存，本系統由輥道輸送機、直角轉向臺、萬向輪臺等成熟可靠的設備組成，通過矩陣分揀的形式，可實現每小時幾十至幾百個航空集裝器的快速轉運分揀作業。

本CHS系統包括入庫系統、矩陣分揀系統、出庫系統三個主要子系統，其中入庫系統包括入庫系統交接模塊、集裝器識別模塊、入庫系統緩存模塊，矩陣分揀系統包括導入模塊和分揀模塊，出庫系統包括出庫系統緩存模塊和出庫系統交接模塊。CHS的系統布局圖，如圖 1所示。

圖3 CHS系統布局圖

圖4 CHS系統分揀時長分布圖

圖5 CHS系統時效性分析圖

1.分揀作業流程（見圖2）

2.入庫系統

入庫系統負責ULD的入庫作業，入庫系統包括交接模塊、識別模塊和輸送緩存模塊。

（1）入庫系統交接模塊

與快件分揀系統的導入口相似，CHS系統也有導入口，此處命名為入庫系統交接模塊。入庫系統交接模塊用于與拖車的對接，通過人工作業或自動化的方式將集裝器推入分揀系統。采用人工作業時，入庫系統交接模塊主要設備為滾球臺，不僅方便人工操作，同時也具有很高的靈活性。

（2）集裝器識別模塊

集裝器完成交接作業后，CHS需要對每個集裝器上的身份信息進行識別，將集裝器的身份信息錄入CHS，便于對系統對每個集裝器分揀路徑的規劃，同時實現對每個集裝器進行定位追蹤。集裝器的識別可采用掃碼技術和FRID技術實現。

（3）入庫系統緩存模塊

入庫系統緩存模塊是連接入庫系統交接模塊和矩陣分揀系統的輸送線，其除作為輸送線使用外，同時也起到對集裝器的緩存作用。當矩陣分揀系統在遇到高峰時，提供一定的緩存空間。

3.矩陣分揀系統

矩陣分揀系統是整個分揀系統的核心，分揀系統將按照每個集裝器的目的地對其進行分揀。矩陣分揀系統也是一條輸送線，這條輸送線的大多數輸送單元由具備直角換向功能的設備組成。矩陣分揀系統包括導入模塊和分揀模塊。

導入模塊與入庫系統連接，在ULD從入庫系統進入的矩陣分揀系統時，將ULD由橫向輸送改為縱向輸送。在由多條分揀線組成的矩陣分揀系統中，導入模塊還具有預分揀的功能，可以提前分配ULD的分揀線。

分揀模塊與出庫系統連接，出庫系統的輸送線對應一個分揀模塊的單元。ULD的分揀是這樣實現的：ULD沿分揀線輸送，當輸送至出庫系統目的地輸送線對應的分揀單元處，換向設備將ULD的輸送方向，從縱向輸送變為橫向輸送，ULD將從分揀線上被輸送至對應的目的地格口。

4.出庫系統

出庫系統是負責集裝器的出庫與交接作業，包括緩存模塊與交接模塊。

（1）出庫系統緩存模塊

類似于快件分揀系統的格口，出庫系統緩存模塊便是CHS的格口。出庫系統緩存模塊由用于緩存的輸送線組成，每個目的地對應有一條或幾條緩存線。出庫系統緩存模塊既是集裝器處理系統的格口，也是ULD出庫前的緩存區。集裝器通過矩陣分揀系統的分揀后，進入目的地對應的出庫緩存線，在出庫緩存線進行緩存和等待，在滿足出庫條件后，由出庫緩存線末端輸送出庫。出庫系統的出庫條件要求在滿足集裝器時效性的基礎上，可以根據駁運拖車的調度設置出庫條件。

（2）出庫系統交接模塊

出庫系統交接模塊與入庫系統交接模塊類似，都是一個與拖車對接的平臺，通過人工作業或自動化的方式將集裝器推上拖車，以完成后續的運輸作業。其設備組成和入庫系統交接模塊相同。

二、航空集裝器分揀系統案例仿真驗證

根據國內某航空樞紐機場的數據，本文進行了集裝器處理系統的設計并利用Flexsim軟件進行物流仿真。

1.設計參數

根據所提供的數據，本系統需要在20:08～23:22內接收311輛拖車運送到系統的1084個集裝器，在5:10分前將1084個集裝器通過系統分揀至各自要前往的34個航線，并通過拖車按航線將分揀好的集裝器運出本系統。如圖 3為CHS系統布局圖，本案例中的系統包括8個入庫交接區8個入庫緩存區（每個區4條緩存線）、4條分揀線、64條出庫緩存線和10個出庫交接區。

2.仿真參數

本次仿真采用Flexsim物流仿真軟件進行集裝器的分揀仿真。各仿真參數設置如下：

（1）交接設備：交接設備采用滾球臺人工作業，一輛拖車（含有1～4個ULD）的作業時長1min。

（2）輸送設備：系統中的輸送設備采用輥道輸送機和過渡輥道，其中輥道輸送機的輸送速度為18m/min。過渡輥道長度較短，速度設置為與輥道輸送機一致。

（3）分揀設備（正反雙向輸送）：分揀設備采用直角轉向臺，輸送速度為18m/min，兩個方向換向的時間為3s。

3.仿真結果分析

通過在Flexsim中進行建模仿真，得到了每個集裝器離開系統的時間 ，以離開時間為基礎結果，進行了分揀時長和分揀時效性的分析。

（1）分揀時長分析

原數據中給出了每個ULD到達CHS的時間 ，通過Flexsim仿真可以輸出每個集裝器完成分揀離開系統的時間。定義一個分揀時長 ，每個ULD的分揀時長為其離開系統的時間減去其進入系統的時間，即 。

如圖 4所示為每個ULD的分揀時長統計后形成的分布直方圖，可以看出分揀時長在10-20分鐘之間的ULD最多，共有458個，占總數的42.3%，集裝器的分揀時長集中在10-40分鐘之間，共有968個，占總數的89.3%。此外，有18個集裝器的分揀時長在10分鐘以內，占總數的1.7%；有98個集裝器分揀時長在40分鐘及以上，占總數的9%。其中集裝器的最短分揀時長為7.2分鐘，最長為117.9分鐘。

（2）時效性分析

為分析分揀時效性，定義一個變量提前離開時間 ，提前離開時間為仿真得到的實際離開分揀系統時間 與初始條件給出的集裝器的最晚離開時間

的差值，即 。若

，則集裝器的分揀時效性滿足要求，反之則不滿足。

如圖 5為所有集裝器的提前離開時間 統計形成的分布直方圖，從圖中可以看出，所有集裝器的提前離開時間

均大于0，即CHS系統能滿足了本案例中所有集裝器的時效性要求。

此外，有14個ULD的提前離開時間小于20min，分揀時間相對緊張，占總量的1.29%；有52個集裝器的提前離開時間在20-40min之間，占總量的4.8%；其余93.91%的集裝器提前離開時間都在40分鐘以上。

三、結論

本文針對具備較大航空集裝器轉運量的貨運樞紐機場及轉運中心，提出了新型航空集裝器處理系統。CHS系統能對集裝器進行自動化的暫存和高效分揀，本文通過物流系統仿真驗證了分揀系統的時效性。CHS系統對于加快貨運樞紐機場及轉運中心的集裝器時效性有重要意義，同時也為未來的航空集裝器的全過程智慧化提供基礎平臺。