宓為建+楊小明+舒帆

自動化集裝箱碼頭依靠裝卸設(shè)備的聯(lián)動實現(xiàn)堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)，典型的裝卸設(shè)備為自動化軌道式集裝箱龍門起重機（Automated Rail-MountedContainer Gantry Crane，ARMG）。按照ARMG的尺寸，分為穿越式ARMG裝卸工藝和對等式ARMG裝卸工藝。兩者的共同點在于均僅由ARMG完成堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)；不同點在于，穿越式ARMG可以全堆場行走，但其匹配方式過于嚴苛，作業(yè)情況不理想；對等式ARMG作業(yè)有明顯的海陸側(cè)分工，不可避免地帶來海陸側(cè)任務交互時的翻箱作業(yè)，影響堆場裝卸效率。本文提出梭車式自動化集裝箱碼頭概念，并對傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)及新型有梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)進行仿真分析。由于穿越式ARMG裝卸工藝已被證明作業(yè)效果不理想，本文提到的無梭車系統(tǒng)指的是對等式ARMG裝卸工藝系統(tǒng)。

1 無梭車系統(tǒng)箱區(qū)作業(yè)能力

傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)布局如圖1所示。在該類自動化集裝箱碼頭箱區(qū)：進口箱通常放置在海側(cè)箱區(qū)前端H區(qū)，然后由場橋A搬運至B區(qū)，再由場橋B搬運至C區(qū)等待提箱；出口箱一般放置在陸側(cè)箱區(qū)前端E區(qū)，然后由場橋B搬運至B區(qū)，再由場橋A搬運至A區(qū)等待裝船。由于2臺場橋不能相互穿越，進出口箱需要經(jīng)多次轉(zhuǎn)運才能到達理想位置。

圖1 傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)布局

傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側(cè)裝卸效率仿真結(jié)果如圖2所示。西班牙TTI自動化碼頭的箱區(qū)長度為，岸橋平均裝卸效率為36～40自然箱/h，則其箱區(qū)海側(cè)裝卸效率為18～20自然箱/h，與箱區(qū)長度為的仿真數(shù)據(jù)相近。當堆場箱區(qū)長度為時，在不同場橋大車速度下的無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側(cè)裝卸效率分別下降為16.0自然箱/h，16.8自然箱/h和17.9自然箱/h，無法滿足岸橋作業(yè)要求。

圖2 傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)箱區(qū)海側(cè)裝卸效率仿真結(jié)果

2 有梭車系統(tǒng)箱區(qū)作業(yè)能力

配備1輛梭車的系統(tǒng)箱區(qū)布局如圖3所示。在該類自動化集裝箱碼頭箱區(qū)，卸船時，進口箱被跨運車放置在梭車上，由梭車運至C區(qū)，再由場橋B卸至C區(qū)；提箱時，場橋B將進口箱從C區(qū)直接轉(zhuǎn)運至E區(qū)集卡上，或場橋A將A區(qū)或B區(qū)的進口箱放置在梭車上，由梭車轉(zhuǎn)運至E區(qū)，等待場橋B裝車。集港過程與提箱過程相反，裝船過程與卸船過程相反。

圖3 配備1輛梭車的系統(tǒng)箱區(qū)布局

2.1 配備高速場橋方案

配備1輛梭車和2臺/min高速場橋方案的總調(diào)度規(guī)則是：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，如果梭車在可用狀態(tài)，則優(yōu)先使用梭車，否則直接使用場橋。場橋與梭車同時充當堆場內(nèi)水平運輸工具的角色。

某箱區(qū)長度為，有72個貝位，配備高速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果如圖4所示，其裝卸效率較高。當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為21.8自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為15.4自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為20.9自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為15.3自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖4 配備高速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果

配備高速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果如圖5所示，其與有平臺系統(tǒng)具有基本相當?shù)难b卸效率。當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為21.8自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為16.3自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為20.8自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為15.6自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖5 配備高速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果

由圖4和圖5可知，在高速場橋的配合下，當梭車可用時，優(yōu)先選用梭車，當梭車不可用時，立即啟用高速場橋；因此，平臺配置對碼頭裝卸效率影響不大。

2.2 配備低速場橋方案

配備1輛梭車和2臺/min低速場橋方案的總調(diào)度規(guī)則是：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，如果梭車在可用狀態(tài)，則優(yōu)先使用梭車，否則直接使用場橋。場橋與梭車同時充當堆場內(nèi)水平運輸工具的角色。

某箱區(qū)長度為，有72個貝位，配備低速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果如圖6所示，其裝卸效率較低。當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為16.9自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為11.1自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為15.8自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖6 配備低速場橋的有平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果

配備低速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果如圖7所示，其與有平臺系統(tǒng)具有基本相當?shù)难b卸效率。當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為18.0自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為11.3自然箱/h；當梭車速度為/min時，平均海側(cè)裝卸效率為15.5自然箱/h，平均陸側(cè)裝卸效率為11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭車速度為300 m/min，方案7～12的梭車速度為/min

圖7 配備低速場橋的無平臺系統(tǒng)箱區(qū)裝卸效率仿真結(jié)果

由圖6和圖7可知，該方案下雖然有無平臺的裝卸效率差別不大，但是其總體裝卸效率偏低，無法滿足岸橋36～40自然箱/h的作業(yè)效率要求。

2.3 以梭車為主、低速場橋為輔方案

如前所述，若將梭車和低速場橋同時作為堆場內(nèi)水平運輸設(shè)備，則低速場橋?qū)ο到y(tǒng)裝卸效率產(chǎn)生較大影響，從而導致碼頭整體作業(yè)能力較低。因此，調(diào)整系統(tǒng)總調(diào)度規(guī)則為：當進行卸船、裝船、集港、提箱作業(yè)時，將梭車作為主要水平運輸設(shè)備，低速場橋負責箱區(qū)內(nèi)部裝卸作業(yè)。在此規(guī)則下，以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側(cè)裝卸效率仿真結(jié)果如圖8所示。可見，在有平臺的情況下，箱區(qū)海側(cè)裝卸效率為19～20自然箱/h，能夠滿足岸橋作業(yè)要求。由于梭車為箱區(qū)水平運輸設(shè)備，因此，有無平臺對箱區(qū)海側(cè)裝卸效率影響較大。

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側(cè)

裝卸效率仿真結(jié)果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果見表1。可見，在卸船作業(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經(jīng)查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設(shè)吊具自重，能耗與起升物質(zhì)量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設(shè)20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質(zhì)量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉(zhuǎn)箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內(nèi)部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)和將進口箱轉(zhuǎn)運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結(jié)束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側(cè)

裝卸效率仿真結(jié)果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果見表1?？梢?，在卸船作業(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經(jīng)查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設(shè)吊具自重，能耗與起升物質(zhì)量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設(shè)20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質(zhì)量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉(zhuǎn)箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內(nèi)部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)和將進口箱轉(zhuǎn)運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結(jié)束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

圖8 以梭車為主、低速場橋為輔系統(tǒng)的箱區(qū)海側(cè)

裝卸效率仿真結(jié)果

3 有無梭車系統(tǒng)比較

3.1 能耗比較

對于傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有2次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。對于有梭車系統(tǒng)，場橋在垂直方向上的能耗為：卸船作業(yè)有1次起升能耗；裝船作業(yè)有1次起升能耗；集港作業(yè)有2次起升能耗；提箱作業(yè)有1次起升能耗。因此，使用梭車可在卸船作業(yè)中減少1次場橋起升能耗。

配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果見表1?？梢?，在卸船作業(yè)過程

中梭車平均使用比例為38%，因此38%的進口箱單箱作業(yè)可節(jié)省場橋1次起升能耗。經(jīng)查，場橋1次起升裝卸集裝箱的能耗為 h。假設(shè)吊具自重，能耗與起升物質(zhì)量成正比，則1次起升裝卸20 t集裝箱的能耗為 h。假設(shè)20英尺集裝箱和40英尺集裝箱的平均質(zhì)量分別為20 t和40 t，其數(shù)量比例為1：1，碼頭年集裝箱吞吐量為150萬TEU，進口箱與出口箱數(shù)量相等且中轉(zhuǎn)箱比例為5%，則進口20英尺集裝箱和進口40英尺集裝箱的數(shù)量均為25萬個，使用梭車的進口箱數(shù)量均為9.025萬個。由此可知，在不考慮堆場內(nèi)部水平移動梭車能耗與場橋帶箱運輸能耗差異以及翻箱作業(yè)增加能耗的情況下，年集裝箱吞吐量為150 萬TEU的碼頭配備1輛梭車后可節(jié)省能耗33.48萬kW h。

表1 配備1輛梭車和2臺/min場橋系統(tǒng)各類作業(yè)效率仿真結(jié)果

3.2 完成能力比較

在圖1和圖3中：對于箱區(qū)作業(yè)來說，卸船時只需要將集裝箱卸至箱區(qū)A，B，C任何區(qū)域即可；但對于箱區(qū)整體作業(yè)來說，集裝箱卸至A或B區(qū)將對后續(xù)提箱作業(yè)造成較大困難，因此當集裝箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)時作業(yè)才算真正完成。在自動化集裝箱碼頭中，裝卸船舶完成后的整理箱區(qū)作業(yè)主要是將進口箱轉(zhuǎn)運至C區(qū)和將進口箱轉(zhuǎn)運至A區(qū)。

由表1可知，對于配備1輛梭車和2臺240 m/min場橋的系統(tǒng)，平均有41%的進口箱直接卸至C區(qū)，有31%的出口箱直接集港至A區(qū)，這能在很大程度上減少后續(xù)整理箱區(qū)作業(yè)任務量，降低翻箱率。

4 結(jié)束語

隨著箱區(qū)長度的增加，傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)自動化集裝箱碼頭的箱區(qū)作業(yè)能力逐漸下降，因此，其箱區(qū)長度不宜超過。單個箱區(qū)配備1輛梭車和2臺高速場橋的自動化集裝箱碼頭具有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率較高，有助于實現(xiàn)進出口箱一次性到達目的箱位、減少翻箱作業(yè)的目的；（2）在船舶裝卸作業(yè)時形成雙條作業(yè)路線，這比傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)具有更高靈活性，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)能力，降低船舶滯港概率。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）