集裝箱碼頭堆場車道工藝仿真分析

張清波 柴佳祺 張雨婷

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

集裝箱碼頭的建設(shè)投資成本高、持續(xù)周期長，前期規(guī)劃設(shè)計(jì)決定了集裝箱碼頭運(yùn)營以后的裝卸工藝，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用為集裝箱碼頭的布局規(guī)劃提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。很多專業(yè)人士對(duì)此進(jìn)行了深入研究，王燕文[1]建立了基于集裝箱碼頭作業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真模型，該模型可以對(duì)碼頭岸線長度、機(jī)械臺(tái)數(shù)、堆場容量做出優(yōu)化；真虹[2]構(gòu)建了集裝箱碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)仿真通用平臺(tái)，提出了基于仿真的集裝箱碼頭裝卸工藝方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；梁燕等[3]對(duì)立體軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭的作業(yè)流程進(jìn)行了仿真分析，評(píng)估及優(yōu)化了不同工況下的設(shè)備調(diào)度策略；何成忠等[4]通過仿真分析在水平和垂直布置方案下的港內(nèi)集裝箱牽引半掛車的作業(yè)循環(huán)時(shí)間，得出了兩種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)；張玉[5]對(duì)集裝箱碼頭堆場閘口系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,對(duì)閘口系統(tǒng)的控制決策具有指導(dǎo)作用。

本文著眼于集裝箱碼頭的堆場細(xì)節(jié)，以堆場內(nèi)的車道工藝為研究對(duì)象，通過仿真軟件Wintess建立仿真模型，對(duì)比分析不同車道工藝下的仿真結(jié)果，為集裝箱碼頭堆場的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 碼頭概況及2種堆場車道工藝

1.1 碼頭概況

國內(nèi)某集裝箱碼頭四期工程岸線長1 292 m，設(shè)計(jì)年吞吐量200萬TEU，設(shè)有4個(gè)泊位，配備11臺(tái)岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）。該集裝箱碼頭重箱占比80%，空箱占比20%，堆場采用空重箱混堆的方式進(jìn)行堆存，堆高5層。堆場平行于碼頭岸線布置，橫向規(guī)劃布置4排箱區(qū)，縱向規(guī)劃每排布置8個(gè)箱區(qū)，其中靠緯三路的2個(gè)箱區(qū)預(yù)留，配備28臺(tái)軌距40 m的自動(dòng)化雙懸臂軌道式起重機(jī)（以下簡稱軌道吊），如圖1所示。另外，碼頭水平運(yùn)輸配置了77輛內(nèi)集卡。

圖1 碼頭布局圖

1.2 堆場車道工藝

該集裝箱碼頭通過射頻技術(shù)識(shí)別內(nèi)外集卡，對(duì)內(nèi)集卡和堆箱區(qū)采用自動(dòng)化作業(yè)，對(duì)外集卡采用遠(yuǎn)程操控的方式，堆場采用軌道吊進(jìn)行作業(yè)，堆場中每個(gè)箱區(qū)的海陸兩側(cè)均布置了2條集卡車道，一條為裝卸道，另一條為穿行道。目前有2種可選的車道工藝，第一種為內(nèi)外集卡車道分離，如圖2所示；第二種為內(nèi)外集卡車道共用，如圖3所示。

圖2 內(nèi)外集卡車道分離

圖3 內(nèi)外集卡車道共用

將通過仿真建模對(duì)2種車道工藝的碼頭系統(tǒng)效率、設(shè)備效率、設(shè)備利用率以及交通狀況等碼頭關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 集裝箱碼頭作業(yè)仿真建模

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

該集裝箱碼頭的峰值作業(yè)工況為：在外集卡到達(dá)頻率為50輛/h的前提下，11臺(tái)岸橋同時(shí)作業(yè)，對(duì)該工況進(jìn)行仿真建模，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

由表1可知，岸橋目標(biāo)實(shí)效率為48箱/h，若仿真時(shí)不考慮設(shè)備故障、設(shè)備信號(hào)延遲等因素，一般可設(shè)置岸橋的目標(biāo)仿真效率是其目標(biāo)實(shí)效率的1.1倍，單臺(tái)岸橋目標(biāo)仿真效率為52.8箱/h，11臺(tái)岸橋系統(tǒng)目標(biāo)仿真效率為580.8箱/h。

2.2 基于Witness的仿真建模

Witness仿真軟件主要用于對(duì)離散事件系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)正是由岸橋、堆場、輪胎式集裝箱起重機(jī)（場橋）、內(nèi)外集卡、道路、設(shè)備控制系統(tǒng)、碼頭操作系統(tǒng)等組成的1個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其特點(diǎn)為規(guī)模大、不確定性因素多、緊密耦合。圖4以卸船為例，展示了集裝箱碼頭的作業(yè)流程，Witness據(jù)此建立集裝箱碼頭作業(yè)仿真模型。

圖4 卸船流程圖

在使用Witness軟件建模時(shí)，首先按照實(shí)際碼頭功能分區(qū)構(gòu)建Module，再利用Machine、Buffer等元素構(gòu)建靜態(tài)實(shí)體（如箱區(qū)、交互區(qū)等），最后通過運(yùn)輸型元素Vehicle與Track的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)中所有動(dòng)態(tài)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)定義，集裝箱碼頭仿真模型界面如圖5所示。

圖5 仿真界面

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)堆場內(nèi)外集卡車道是否分離，將實(shí)驗(yàn)分成2組，即車道分離和共用車道。

3.2 仿真結(jié)果及分析

集裝箱碼頭的生產(chǎn)效率及其交通狀況對(duì)于碼頭的運(yùn)營至關(guān)重要，故本文將從碼頭設(shè)備作業(yè)效率、水平運(yùn)輸?shù)呐抨?duì)情況等方面進(jìn)行仿真分析。

1）軌道吊效率

如圖6所示，與采用車道分離工藝相比，采用共用車道工藝時(shí)的軌道吊效率和作業(yè)能力更高（軌道吊作業(yè)能力是指單臺(tái)軌道吊在無空閑、等待時(shí)的作業(yè)效率）。

圖6 軌道吊效率曲線圖

當(dāng)內(nèi)外集卡共用車道時(shí)，內(nèi)外集卡可根據(jù)目標(biāo)箱位所在排數(shù)來選擇箱區(qū)海陸側(cè)車道，即若目標(biāo)箱位靠近海測，則集卡去海側(cè)車道；反之，集卡去陸側(cè)車道。因此，作業(yè)時(shí)的軌道吊小車平均行駛距離較內(nèi)外集卡車道分離時(shí)要少，作業(yè)效率和作業(yè)能力更高。

與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)，軌道吊的作業(yè)能力可提升2.3 箱/h。

2）內(nèi)集卡效率

如圖7所示，相比采用車道分離工藝，采用共用車道工藝時(shí)的內(nèi)集卡效率和利用率更高，但內(nèi)集卡作業(yè)能力略低。

圖7 內(nèi)集卡效率和利用率

內(nèi)集卡的作業(yè)能力與其平均行駛距離有關(guān)，采用車道分離工藝時(shí)，內(nèi)集卡均在堆區(qū)海側(cè)裝卸道裝卸；采用車道共用工藝時(shí)，內(nèi)集卡選擇距離目標(biāo)箱位較近的車道，即內(nèi)集卡也可能會(huì)選擇陸側(cè)裝卸道。因此，共用車道時(shí)內(nèi)集卡平均行駛距離比車道分離時(shí)長，作業(yè)能力低。與車道分離工藝相比，共用車道工藝的內(nèi)集卡利用率更高，更能發(fā)揮出內(nèi)集卡的作業(yè)能力，內(nèi)集卡效率更高。

3）岸橋效率

如圖8所示，在車道分離工藝下，岸橋效率未達(dá)到52.8 箱/h的目標(biāo)仿真效率；在共用車道工藝下，岸橋效率可滿足52.8 箱/h的目標(biāo)仿真效率。與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)，岸橋效率可提升2.6 箱/h。

圖8 岸橋效率和利用率

4）設(shè)備系統(tǒng)效率

如圖9所示，與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)可使堆場系統(tǒng)效率提升30.6箱/h、內(nèi)集卡系統(tǒng)效率提升29.5 箱/h、岸橋系統(tǒng)效率提升28.6 箱/h。當(dāng)采用車道分離工藝時(shí)，該集裝箱碼頭岸橋系統(tǒng)效率為570.7 箱/h，未達(dá)到580.8 箱/h 的目標(biāo)仿真效率；當(dāng)采用共用車道工藝時(shí)，該集裝箱碼頭岸橋系統(tǒng)效率為599.3 箱/h，滿足目標(biāo)仿真效率。

圖9 設(shè)備系統(tǒng)效率

5）軌道吊下集卡排隊(duì)狀況

定義排隊(duì)隊(duì)長為排隊(duì)等待作業(yè)的集卡數(shù)量，不包含正在作業(yè)的集卡。例如：軌道吊下集卡排隊(duì)隊(duì)長為2，代表此時(shí)軌道吊下有3輛集卡。

如圖10所示，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)，由于軌道吊作業(yè)能力提升，其下集卡排隊(duì)時(shí)間及平均排隊(duì)隊(duì)長均比采用車道分離工藝時(shí)低。無論采用哪種車道工藝，集卡平均排隊(duì)隊(duì)長均未超過2輛，說明堆場基本不會(huì)出現(xiàn)集卡擁堵。

圖10 軌道吊下集卡排隊(duì)狀況

6）岸橋下集卡排隊(duì)狀況

如圖11所示，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)，岸橋下集卡排隊(duì)時(shí)間比采用車道分離工藝時(shí)略高。與采用車道分離工藝相比，采用共用車道工藝時(shí)集卡在堆區(qū)內(nèi)排隊(duì)時(shí)間減少，因而在堆場內(nèi)循環(huán)周轉(zhuǎn)時(shí)間減小，內(nèi)集卡有更多時(shí)間在岸橋下等待作業(yè)，也就更有利于提高岸橋效率。在這2種車道工藝下，集卡平均排隊(duì)隊(duì)長均為2.5輛，說明岸橋下不會(huì)出現(xiàn)集卡擁堵。

圖11 岸橋下集卡排隊(duì)狀況

4 結(jié)語

與采用車道分離工藝相比，該集裝箱碼頭采用共用車道工藝時(shí)岸橋、軌道吊以及內(nèi)集卡的效率均有所提升。該集裝箱碼頭岸橋系統(tǒng)效率采用車道分離工藝時(shí)，無法滿足目標(biāo)仿真效率；而采用共用車道工藝時(shí)則可滿足。無論采用哪種車道工藝，堆場和岸橋下基本不會(huì)出現(xiàn)集卡擁堵。

從碼頭生產(chǎn)效率方面來看，共用車道工藝要優(yōu)于車道分離工藝，但共用車道工藝在碼頭管理方面更加復(fù)雜，故堆場車道工藝的選擇需要碼頭在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段綜合考慮和決策。