自動(dòng)化集裝箱碼頭道路交通組織仿真技術(shù)

王 堅(jiān) 馮雪平 吳 磊

1 太倉(cāng)港口投資發(fā)展有限公司 2 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

自動(dòng)化集裝箱碼頭道路規(guī)劃和交通組織是碼頭設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，直接影響碼頭裝卸能力，是實(shí)現(xiàn)碼頭自動(dòng)化建設(shè)的關(guān)鍵。近年來(lái)，港區(qū)集卡交通流量急劇增加，碼頭堆場(chǎng)集卡等待和道路擁堵情況日益嚴(yán)重，加之土地成本大幅上升，如何科學(xué)規(guī)劃碼頭道路、優(yōu)化交通組織以減少集卡等待和周轉(zhuǎn)時(shí)間尤為重要。

針對(duì)自動(dòng)化或半自動(dòng)化碼頭的路網(wǎng)交通問(wèn)題，應(yīng)用仿真建模技術(shù)進(jìn)行深入分析。秦天保利用Flexsim仿真軟件對(duì)某集裝箱碼頭進(jìn)行仿真建模，對(duì)港口高峰期港口交通流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了碼頭堆場(chǎng)道路規(guī)劃的通過(guò)能力[1]。張清波等采用Witness軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某集裝箱碼頭2種自動(dòng)化改造方案進(jìn)行仿真研究，得出較為適合自動(dòng)化碼頭改造的裝卸工藝，但是未從路網(wǎng)布置和交通組織的角度進(jìn)行自動(dòng)化改造的進(jìn)一步分析[2]。梅蕾等從集裝箱碼頭的道路交通特性、堆場(chǎng)交通影響因素、港區(qū)堆場(chǎng)交通優(yōu)化等方面探討了集裝箱碼頭道路交通的優(yōu)化問(wèn)題[3]。管政霖研究了堆場(chǎng)垂直布置的自動(dòng)化碼頭采用的裝卸工藝和路網(wǎng)交通問(wèn)題，并通過(guò)仿真建模的方法定量分析了碼頭平面布置和裝卸工藝對(duì)路網(wǎng)交通的影響[4]。針對(duì)太倉(cāng)四期平行布置集裝箱碼頭，采用Witness軟件對(duì)2種碼頭路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模，并對(duì)高峰期碼頭路網(wǎng)的通過(guò)能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析仿真結(jié)果，選出較優(yōu)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2 港區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交通組織

2.1 碼頭布局及裝卸工藝

太倉(cāng)四期集裝箱碼頭岸線總長(zhǎng)度1 292 m，共建設(shè)4個(gè)50 000 DWT(水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為100 000 DWT)集裝箱泊位。碼頭配置11臺(tái)雙箱單小車(chē)岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)，用于滿足10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船的作業(yè)要求。

根據(jù)港區(qū)對(duì)相鄰碼頭路網(wǎng)、岸橋軌道銜接和統(tǒng)一管理的需要，以及內(nèi)、外集卡裝卸量大，需要更高的外集卡裝卸能力和外集卡停靠位的情況，碼頭采用平行岸邊布置。碼頭總體劃分為4塊堆場(chǎng)，堆場(chǎng)縱深約510 m，長(zhǎng)度約300 m，每塊堆場(chǎng)前期布置6條自動(dòng)化軌道式龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARMG)作業(yè)線，水平運(yùn)輸采用集卡。

ARMG主要有無(wú)懸臂式、單懸臂式和雙懸臂式3種機(jī)型。無(wú)懸臂ARMG適用于堆場(chǎng)端部設(shè)置交換區(qū)，水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入堆場(chǎng)；單懸臂ARMG適合水水中轉(zhuǎn)比例高的自動(dòng)化碼頭。考慮到本碼頭外集卡裝卸作業(yè)量大，遠(yuǎn)期存在人工集卡和無(wú)人集卡同時(shí)作業(yè)現(xiàn)象，交通組織復(fù)雜，內(nèi)、外集卡必須進(jìn)行分道，因此本方案采用堆場(chǎng)兩側(cè)裝卸箱作業(yè)的雙懸臂ARMG。

2.2 碼頭路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

碼頭的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要包括閘口、碼頭主干道、堆場(chǎng)內(nèi)裝卸道、引橋以及泊位前沿道路5個(gè)部分。其中碼頭主干道、引橋和堆場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)裝卸道的通過(guò)能力和交通流是研究的重點(diǎn)。該港區(qū)自動(dòng)化集裝箱碼頭平面布局及交通路網(wǎng)見(jiàn)圖1。

1.泊位前沿 2.5#引橋 3.緯一路 4.堆場(chǎng)內(nèi)裝卸道 5.經(jīng)五路 6.緯二路 7.緯三路 8.閘口圖1 港區(qū)布置及路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

碼頭內(nèi)主干道呈“三橫五縱”的布置形式。考慮到緯二路主要承載外集卡交通流，緯一路承擔(dān)部分內(nèi)集卡通行需求，緯三路僅作為輔助道路，所以緯一路至緯三路道路初步設(shè)計(jì)寬度分別為20 m、25 m、16 m，緯二路為雙向6車(chē)道；縱向從左至右經(jīng)一路至經(jīng)五路的道路寬度分別20 m、25 m、25 m、25 m、20 m。其中經(jīng)一路和經(jīng)五路是雙向4車(chē)道，經(jīng)二路至經(jīng)四路是雙向6車(chē)道。

堆場(chǎng)內(nèi)裝卸道為單向4車(chē)道，設(shè)計(jì)寬度20 m，其中靠近兩側(cè)的是裝卸道，中間2車(chē)道作為超車(chē)道。堆場(chǎng)箱區(qū)的行車(chē)道長(zhǎng)度約300 m，最多可以同時(shí)容納10輛集卡進(jìn)行等待或者作業(yè)。

泊位前沿和堆場(chǎng)連接處布置5座引橋，其中1#、2#、4#、5#引橋設(shè)計(jì)寬度為16 m，可以布置雙向共4條集裝箱車(chē)道。3#引橋考慮重件和ARMG通行引橋?qū)挾仍O(shè)計(jì)為24 m，可布置雙向6條集裝箱車(chē)道。

閘口車(chē)道數(shù)根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算按照10道設(shè)置，其中進(jìn)口車(chē)道為6道、出口車(chē)道數(shù)為4道。

2.3 港區(qū)交通組織

集卡在經(jīng)、緯路等主干道上的可以雙向行駛，但在堆場(chǎng)內(nèi)道路上只允許單向行駛。雙懸臂式ARMG的裝卸工藝將內(nèi)、外集卡分流到箱區(qū)的海側(cè)和岸側(cè)進(jìn)行堆場(chǎng)裝卸作業(yè)。這使得港內(nèi)集卡和集疏運(yùn)集卡的港內(nèi)作業(yè)流向各形成一個(gè)閉合的小循環(huán)，實(shí)現(xiàn)集疏運(yùn)集卡和港內(nèi)集卡在港作業(yè)行駛路線的最短(見(jiàn)圖2)。港區(qū)運(yùn)營(yíng)時(shí)，ARMG與人工集卡存在較多的作業(yè)交叉點(diǎn)，十字路口處ARMG與大量集卡頻繁交替穿行，特別是外部集卡在港區(qū)內(nèi)穿行更容易存在一定的交通問(wèn)題和安全隱患。

圖2 方案一堆場(chǎng)交通組織圖

因此，提出一種新的交通組織的方案，即取消堆場(chǎng)經(jīng)二和經(jīng)四路，僅保留3條縱向路，將4塊堆場(chǎng)合并為2塊(見(jiàn)圖3)。方案二和方案一的區(qū)別在于減少作業(yè)交叉點(diǎn)和十字路口的數(shù)量，一定程度上避免交通堵塞，但同時(shí)也可能增加集卡行駛距離和堆場(chǎng)滯留時(shí)間，需要增加集卡配置的數(shù)量，才能達(dá)到和原方案相同的傳輸效率。因此需要通過(guò)仿真分析驗(yàn)證2種方案的優(yōu)劣性。

圖3 方案二堆場(chǎng)交通組織圖

3 港區(qū)交通流仿真建模

3.1 道路交通模型構(gòu)建

集裝箱碼頭的主要目的是完成港區(qū)集裝箱裝卸和水平運(yùn)輸任務(wù)，將港內(nèi)、外的集裝箱通過(guò)港內(nèi)裝卸設(shè)備進(jìn)行相互流轉(zhuǎn)，是一個(gè)典型物流系統(tǒng)。因此碼頭道路交通模型建立需要以集裝箱裝卸和運(yùn)輸?shù)奈锪鬟^(guò)程為目的。

模型的構(gòu)成主要包括路段、交叉路口、車(chē)輛模型3個(gè)部分。

(1)港區(qū)道路是路網(wǎng)交通模型的重要組成部分，根據(jù)離散動(dòng)態(tài)事件的建模思想，將以路段作為基本單元進(jìn)行建模。路段由長(zhǎng)度、最高限速、車(chē)輛容量、裝卸點(diǎn)等屬性變量描述。集卡在某一路段行駛時(shí)，速度、裝載量、行駛方向的屬性保持不變，并且每個(gè)單元可以根據(jù)實(shí)際交通情況靈活地調(diào)整規(guī)則。

(2)交叉路口是各種交通沖突最集中的地方，其交通狀況的好壞對(duì)整個(gè)港區(qū)路網(wǎng)交通起著至關(guān)重要的作用。考慮到交通能力和避免交叉路口產(chǎn)生車(chē)輛沖突，交叉路口模塊的交通規(guī)則設(shè)置為：先到達(dá)交叉路口的車(chē)輛在有可插間隙的情況下優(yōu)先通行，否則主干道上的直行車(chē)輛優(yōu)先通行，轉(zhuǎn)彎車(chē)輛次之，堆場(chǎng)內(nèi)裝卸道上的車(chē)輛最后通行；至多允許等同于車(chē)道數(shù)量的集卡同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎作業(yè)。

(3)車(chē)輛模型可以定義集卡起、制動(dòng)時(shí)間、空載和滿載行駛速度以及車(chē)輛間安全距離等屬性變量。根據(jù)港口所分配的集裝箱裝卸位置，利用碼頭路網(wǎng)到達(dá)指定堆場(chǎng)箱區(qū)，最終完成集疏運(yùn)或者裝卸船作業(yè)。車(chē)輛主要分為完成船舶裝卸任務(wù)的碼頭內(nèi)部集卡和進(jìn)行集疏運(yùn)作業(yè)的外部集卡。

3.2 仿真模型主要組成

自動(dòng)化集裝箱交通路網(wǎng)模型主要基于離散動(dòng)態(tài)的建模思想，結(jié)合集裝箱水平運(yùn)輸?shù)奈锪鬟^(guò)程與集卡港區(qū)路網(wǎng)行駛規(guī)則，采用模塊化的方法，完成整個(gè)模型的搭建。仿真模型主要由船舶計(jì)劃模塊、集卡調(diào)度模塊、閘口模塊、碼頭路網(wǎng)模塊、堆場(chǎng)模塊、統(tǒng)計(jì)模塊和公共變量模塊組成。根據(jù)模塊間所實(shí)現(xiàn)的功能不同，將其分為功能類(lèi)、統(tǒng)計(jì)類(lèi)和輔助類(lèi)3種類(lèi)型(見(jiàn)表1)。

表1 交通路網(wǎng)模型組成模塊

3.3 仿真模型結(jié)構(gòu)

確定仿真模型總體布局，仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 仿真模型圖

3.4 仿真條件及主要參數(shù)

3.4.1 道路交通規(guī)則以及限制速度

十字路口根據(jù)車(chē)道數(shù)量只允許至多等同于車(chē)道數(shù)量的車(chē)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎作業(yè)，先到達(dá)十字路口的車(chē)輛先通過(guò)。車(chē)輛按不同作業(yè)目的在堆場(chǎng)同步行駛。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165-2013)中的規(guī)定以及結(jié)合本工程實(shí)際情況，暫定主干道車(chē)輛最大速度為30 km/h，十字交叉路口最大通過(guò)速度為5 km/h，碼頭前沿和箱區(qū)內(nèi)道路上最大速度為7.2 km/h。

3.4.2 仿真時(shí)長(zhǎng)及港區(qū)吞吐量

本次仿真模擬港區(qū)作業(yè)高峰期2晝夜48 h，泊位全部到達(dá)5萬(wàn)t級(jí)的大型船舶，11臺(tái)岸橋滿負(fù)荷工作。

在歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)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2 500 TEU,其中進(jìn)口空箱250 TEU,占比10%；進(jìn)口重箱1 000 TEU,占比40%；出口空箱187 TEU,占比7.5%；出口重箱1 063 TEU，占比42.5%。

碼頭陸側(cè)每日平均集裝箱吞吐量2 000 TEU,其中陸側(cè)進(jìn)口空箱200 TEU,占比10%；陸側(cè)進(jìn)口重箱800 TEU，占比40%;陸側(cè)出口空箱200 TEU,占比10%；陸側(cè)出口重箱800 TEU，占比40%。考慮高峰期堆場(chǎng)集裝箱容量和船舶集裝箱裝卸需求，陸側(cè)高峰期進(jìn)出口集卡頻次和集裝箱進(jìn)出口量按照年平均量的4倍計(jì)算。

3.4.3 堆場(chǎng)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(dòng)化堆場(chǎng)采用雙懸臂ARMG，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)。

3.4.4 碼頭及堆場(chǎng)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)垛位或貝位，垛位在堆場(chǎng)的位置具有隨機(jī)性。堆場(chǎng)的初始狀態(tài)為隨機(jī)生成堆場(chǎng)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。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)作業(yè)效率和集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間

2種交通布局不同集卡配比下的集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間見(jiàn)表2。可以看出，相同的集卡配置下，方案一的內(nèi)、外集卡的作業(yè)效率和堆場(chǎng)滯留時(shí)間明顯優(yōu)于方案二。僅當(dāng)方案一中集卡配置數(shù)量為1∶6 時(shí)，集卡配置數(shù)量過(guò)多會(huì)造成集卡等待作業(yè)和道路擁堵，出現(xiàn)滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況。

表2 系統(tǒng)作業(yè)效率和集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間

系統(tǒng)作業(yè)效率與內(nèi)集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間和集卡配置數(shù)量成正相關(guān)，但對(duì)外集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間基本無(wú)影響。方案一中當(dāng)集卡配置數(shù)量從1∶4增加到1∶5時(shí)，系統(tǒng)作業(yè)效率和增加明顯；當(dāng)集卡配置數(shù)量增加到1∶6時(shí)，集卡滯留時(shí)間明顯增加，但系統(tǒng)作業(yè)效率沒(méi)有明顯提升，因此推薦配比為1∶5。針對(duì)方案二，集卡配置為1∶6時(shí)集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間在可接受的范圍內(nèi)，且作業(yè)效率最高，故方案二最佳配比為1∶6。

4.2 堆場(chǎng)主干道交通能力

在方案一集卡配比1∶5和方案二集卡配比1∶6的基礎(chǔ)上，2種交通組織的堆場(chǎng)主干道交通能力見(jiàn)表3。由于道路數(shù)據(jù)較多，只列出主干道經(jīng)一路和經(jīng)三路各路段平均車(chē)流量數(shù)據(jù)。

表3 各路段平均車(chē)流量/(veh·h-1)

因?yàn)樵诜桨付腥∠私?jīng)二路和經(jīng)四路，因此方案二中各路段的平均車(chē)流量都約為方案一的2倍，其中經(jīng)三路的平均車(chē)流量達(dá)到了211.75 veh/h，平均每分鐘通過(guò)3.5輛，存在一定的排隊(duì)等待和擁堵的可能性。

4.3 棧橋交通能力

該碼頭前沿通過(guò)棧橋與堆場(chǎng)連接，內(nèi)集卡通過(guò)棧橋到前沿泊位。從表4中可以看出，受到經(jīng)路交通流的影響，2個(gè)方案中2#、3#、4#引橋的峰值和均值車(chē)流量也約是1#、5#引橋的2倍。但2個(gè)方案各引橋的平均車(chē)流幾乎相同，說(shuō)明2種交通組織的方案對(duì)棧橋交通無(wú)明顯影響。

表4 各引橋車(chē)流量/(veh·h-1)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)作業(yè)效率和集卡堆場(chǎng)滯留時(shí)間、堆場(chǎng)主干道交通能力以及棧橋交通能力的分析可以得出：當(dāng)內(nèi)集卡配置為1∶5時(shí)方案一的交通組織形式更加適合碼頭布局和裝卸工藝。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究2種堆場(chǎng)平行岸線布置的自動(dòng)化碼頭的交通組織形式，并采用仿真建模的方法對(duì)其進(jìn)行定量分析，得到一種較為適合當(dāng)前碼頭的交通組織形式和集卡配置數(shù)量，可為類(lèi)似碼頭的路網(wǎng)交通設(shè)計(jì)提供參考。