太倉港集裝箱碼頭四期工程翻箱率和集卡數量仿真分析

王堅，馮雪平，李朋飛

1.太倉港口投資發展有限公司，江蘇 蘇州 215488；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，蘇州港太倉港區集裝箱運輸發展較快，碼頭已處于超負荷運行狀態，因此為適應太倉港區集裝箱運輸快速增長的發展需求，進一步提升太倉港區的集裝箱規模效應和競爭優勢，規劃建設蘇州港太倉港區四期工程。該項目擬建設4 個5 萬噸級集裝箱泊位，設計年通過能力200 萬TEU。

在集裝箱碼頭設計時，翻箱率和集卡數量是兩個重要影響因素，但是其取值和實際生產情況之間的關系無法準確量化，只能根據過往經驗或者相似項目進行估算。為解決這一問題，本項目擬采用系統建模與仿真相結合的方法。即在整體設計基礎上，對集裝箱碼頭的整體布局、堆場布置形式、裝卸工藝、設備選型及配比、道路交通流向等關鍵技術展開研究。通過上述方法，采用數字語言呈現集裝箱碼頭工作過程，為太倉港集裝箱碼頭四期工程相關設計提供決策依據。

1 研究現狀

當前，集裝箱碼頭的翻箱率和集卡數量如何取值是一個復雜的研究課題，其取值是否有效合理直接關系到整個碼頭的作業效率[1]。相關專家學者對此課題進行了試驗研究，并取得了一定成果。孟慶雨對集裝箱碼頭裝卸系統進行了研究，運用Arena 仿真軟件建立了該系統的仿真模型，并對該模型做了驗證，結果表明模型建立正確，與實際應用場景相符[2]。楊雙華等利用FlexTerm仿真方法建立單堆場雙場橋堆存系統調度優化模型，對調度策略進行仿真對比，結果表明堆場整體動態調度策略在縮短單船作業時間、提高設備作業效率等方面具有一定優勢[3]。王璇等采用Arena 仿真和數學模型方法對集裝箱碼頭裝卸設備進行配置優化，以南京港龍潭港區集裝箱碼頭為對象，構建裝卸工藝仿真系統，結果表明在岸橋、空箱集卡、重箱集卡、空箱場橋和重箱場橋的數量比為3:1:2:1:1 時，整個仿真系統在節能和減排方面達到最優[4]。魏晨等針對堆場同一箱區的作業情況，以最小化總完工時間為目標，建立調度規劃模型，并利用遺傳算法對大規模問題進行求解[5]。楊靜蕾等建立了動態多級排隊網絡，運用仿真技術來描述集裝箱碼頭裝卸系統，通過結果分析得到相關設備最優數量，并將研究成果在上海港外高橋集裝箱碼頭應用，取得良好效果[6]。朱龑從操作界面、邏輯調度、組織生產3 個方面，提出自動化碼頭集卡作業優化方案。結果表明，該方案可縮短碼頭前沿設備軌內作業時間，提高船舶作業效率[7]。吳邵強等在目前國內自動化集裝箱碼頭工藝模式及平面布置的基礎上，運用Flexterm 對堆場垂直于碼頭岸線和平行于碼頭岸線2 種布置模式進行三維仿真，通過分析2 種布置形態下水平運輸設備的運距以及對碼頭裝卸效率的影響，總結2 種堆場布置形態對自動化集裝箱碼頭工程的適應性[8]。

2 總平面布置及裝卸工藝方案

2.1 總平面布置

太倉港集裝箱碼頭四期工程擬建設4 個5 萬噸級集裝箱泊位，泊位總長度1292m，碼頭寬度50～58m。設計年通過能力200 萬TEU。

陸域范圍和縱深：碼頭和陸域采用引橋連接，共布置5 座引橋（1#～5#）。1#、2#、4#、5#引橋寬度均為16m，3#引橋考慮重件通行，寬度為24m，引橋長度均約為168m。

道路布置：港區道路平面布置呈“三橫五縱”布置型式。其中，緯一路～緯三路道路寬度分別為20m、25m、16m。經一路～經五路道路寬度分別為20m、25m、25m、25m、20m。

堆場布置：緯一路與緯二路間的場地全部規劃為自動化堆場，作為本工程的主要堆場，裝卸設備采用自動化軌道式集裝箱龍門起重機（軌距40m），共4 塊堆場，每塊堆場縱向布置8 條箱區，全部進行集裝箱堆存使用?？偲矫娌贾脠D見圖1。

圖1 總平面布置圖

2.2 裝卸工藝方案

2.2.1 裝卸船工藝

碼頭前沿裝卸船作業采用11 臺集裝箱裝卸橋（岸橋），根據太倉港的功能定位及實際到港船型，岸橋按兩種規格配置。碼頭下游側的8 臺岸橋起重量為65t（吊具下），外伸距為55m，配雙20 英尺吊具，該機型可滿足水工結構設計船型10 萬噸級集裝箱船的作業要求；上游側3 臺單箱吊具的岸橋起重量為41t（吊具下），外伸距為38m，可滿足3 萬噸級集裝箱船的作業要求。兩種規格的岸橋軌距均為30m。

2.2.2 水平運輸工藝

水平運輸采用集裝箱牽引拖掛車（集卡），共配置55 臺。

2.2.3 堆場作業工藝

堆場采用自動化軌道式集裝箱龍門起重機（軌道吊）作業，共配置28 臺，設備軌距40m，吊具下起重量41t。

2.2.4 主要設備配置數量

本工程主要設備配置數量見表1。

表1 主要設備配置數量

3 翻箱率、集卡數量仿真分析

3.1 仿真模型搭建

集裝箱碼頭仿真模型搭建主要內容如下：

（1）確定仿真模型總體布局。初步擬定總平面布置方案和裝卸工藝方案。仿真模型圖見圖2。

圖2 仿真模型圖

（2）本次仿真模型由以下模塊組成：作業計劃模塊、泊位作業模塊、堆場模塊、道路系統模塊、閘口模塊。具體如下。

作業計劃模塊：模擬本工程的出口箱數、進口箱數、堆場分配、岸橋調用數、集卡調用數、堆存時間等信息。

泊位作業模塊：模擬船舶靠泊作業活動，設計代表船型、集裝箱裝卸量、作業時間等信息。

堆場模塊：模擬集裝箱進行堆存取作業，更新堆場的占用狀態，記錄堆場占用箱位數等信息。

道路系統模塊：模擬碼頭引橋、碼頭內部經緯道路，內、外集卡車輛通行軌跡活動。

閘口模塊：模擬實際閘口報單過程，管理集卡進出碼頭信息，統計集卡進出閘口排隊車輛數、滯留時間、車流量以及各個閘口的利用率等參數。

（3）確定仿真條件及主要參數。主要包括以下內容：道路交通規則、限制速度、仿真時長、港區吞吐量、堆場規則、初始狀態、變量因子等。具體如下。

道路交通規則：十字路口只允許至多等同于車道數量的車同時進行轉彎作業，先到達十字路口的車輛先通過。車輛按不同作業目的在堆場同步行駛。

限制速度：根據《海港總體設計規范》（JTS165-2013）中的規定，結合本工程實際情況，暫定主干道車輛最大速度為30km/h，十字交叉路口最大通過速度為5km/h，碼頭前沿和箱區內道路上最大速度為7km/h。

仿真時長：本次仿真模擬港區到達5 萬噸級的設計船型，11 臺岸橋正常作業，作業高峰期為2 天，3 班制工作。

港區吞吐量：在往期歷史數據和本期預測數據的基礎上，高峰期每艘船舶集裝箱裝卸量設定為2500TEU。其中進口空箱250TEU，占比10%；進口重箱1000TEU，占比40%；出口空箱187TEU，占比7.5%；出口重箱1063TEU，占比42.5%。

高峰期陸側每日平均集裝箱裝卸量設定為2000TEU。其中進口空箱200TEU，占比10%；進口重箱800TEU，占比40%；出口空箱200TEU，占比10%；出口重箱800TEU，占比40%。

堆場規則：本次仿真方案綜合考慮內集卡裝卸船作業和外集卡進出港區作業。自動化堆場采用自動化軌道吊，懸臂兩側分別進行內集卡和外集卡集裝箱裝卸作業。

根據往期歷史數據，進出口集裝箱數量接近1:1，進出口集裝箱中均存在一定比例的空箱，其與重箱的比例在1:4-1:5 之間。

初始狀態：碼頭初始狀態為船舶已停在各自泊位等待裝卸船作業，待裝卸船的集裝箱已經在相應垛位，垛位在堆場的位置具有隨機性。

堆場的初始狀態為隨機生成堆場容量30%的集裝箱，集裝箱的位置隨機，用以滿足船舶裝卸作業和陸側集卡裝卸集裝箱需求。

變量因子：本次仿真模型翻箱率設置為1%、5%、10%、15%。

3.2 仿真模型試驗數據

依據變量因子（翻箱率、集卡數量）的不同設置，得到相應仿真結果。具體如下：當1 臺岸橋配置4 輛集卡時，仿真試驗數據1 見表2。當1 臺岸橋配置5 輛集卡時，仿真試驗數據2 見表3。當1 臺岸橋配置6 輛集卡時，仿真試驗數據3 見表4。

表2 仿真試驗數據1

表3 仿真試驗數據2

表4 仿真試驗數據3

3.3 試驗數據分析

（1）由表2 可知，當1 臺岸橋配置4 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低0.95%-1.85%，陸側通過能力略增0.08%-0.41%。

陸側集卡總數量略增0.09%-0.4%，內集卡堆場滯留時間增加2.02%-4.13%，外集卡堆場滯留時間增加3.23%-5.24%。

由表3 可知，當1 臺岸橋配置5 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低1.16%-2.67%，陸側通過能力降低0.31%-0.74%。

陸側集卡總數量略降0.29%-0.71%，內集卡堆場滯留時間增加3.15%-7.53%，外集卡堆場滯留時間增加2.44%-5.95%。

由表4 可知，當1 臺岸橋配置6 輛集卡，隨著翻箱率的增加，海測通過能力降低1.46%-2.28%，陸側通過能力降低0.2%-0.46%。

陸側集卡總數量略降0.2%-0.45%，內集卡堆場滯留時間增加4.38%-7.23%，外集卡堆場滯留時間增加3.21%-5.62%。

綜上可知，隨著翻箱率的增加，碼頭通過能力呈下降趨勢。堆場內部集卡排隊情況明顯，內、外集卡堆場滯留時間呈增加趨勢。

（2）由表2 和表3 可知，在相同翻箱率的情況下，當1 臺岸橋配置集卡數量由4 輛增加至5 輛時，海測通過能力增加7.63%-8.76%，陸側通過能力降低0.23%-0.88%。

單位時間內陸側集卡的數量降低0.24%-0.84%，內集卡在堆場的平均滯留時間增加17.53%-24.08%，外集卡在堆場的平均滯留時間增加0.52%-0.68%。

由表3 和表4 可知，在相同翻箱率的情況下，當1臺岸橋配置集卡數量由5 輛增加至6 輛時，海測通過能力增加0.97%-1.59%，陸側通過能力降低0.15%-0.94%。

單位時間內陸側集卡的數量降低0.14%-0.88%，內集卡在堆場的平均滯留時間增加21.08%-24.24%，外集卡在堆場的平均滯留時間增加0.48%-0.79%。

綜上可知，海側通過能力與每臺岸橋配置集卡數量成正比，每臺岸橋配置集卡數量對陸側通過能力、陸側集卡的數量、外集卡平均滯留時間基本無影響。

4 結論

根據上述仿真結果分析，可以得出以下主要結論：

（1）翻箱率越高，整體碼頭通過能力越低，堆場內部集卡排隊情況越明顯，集卡在堆場內平均滯留時間變長。

（2）當每臺岸橋配置集卡數量由4輛增加至5輛時，海側裝卸效率增加明顯，對陸側裝卸效率基本無影響；當每臺岸橋配置集卡數量由5 輛增加至6 輛，對于海側、陸側裝卸效率略有增加，但是內集卡在堆場平均滯留時間顯著增加，存在交通擁堵的風險。

（3）岸橋數量與集卡數量以1:5 配置是較優方式。