單 佳，倪敏敏，邊志成

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200120)

近年來，國內(nèi)碼頭勞動力短缺現(xiàn)象日趨顯現(xiàn)，加之船舶大型化對碼頭管理水平的要求越來越高，國內(nèi)港口運(yùn)營者對自動化碼頭的需求也是愈加迫切，國內(nèi)外學(xué)者也做了很多探索研究。有學(xué)者研究在陸域資源受限的情況下，堆場采用立體式布局的模式，以此來提高堆場有效堆存容量[1-2]；亦有學(xué)者探討不同形式的自動化集裝箱裝卸工藝的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)[3-4]，為自動化集裝箱碼頭裝卸工藝方案設(shè)計(jì)提供參考。目前世界上的典型自動化集裝箱碼頭工藝布局以端部裝卸為主，即多采用 “雙小車岸橋+AGV+自動化軌道吊”和“單小車岸橋+跨運(yùn)車+自動化軌道吊”兩種模式[5-6]。盡管端部裝卸工藝布局模式在當(dāng)前世界應(yīng)用最為普遍，且自動化裝卸工藝和信息系統(tǒng)均較為成熟，但這始終存在著堆場設(shè)備能耗高、堆場作業(yè)點(diǎn)少、整體作業(yè)效率降低、對碼頭調(diào)度人員要求高等痛點(diǎn)。針對這些痛點(diǎn)，本研究結(jié)合碼頭業(yè)務(wù)操作流程的特點(diǎn)，提出了一種新的集裝箱自動化碼頭裝卸工藝布局模式。

鑒于該裝卸工藝為創(chuàng)新方案，沒有相關(guān)成熟的設(shè)計(jì)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)借鑒。在進(jìn)行自動化碼頭規(guī)劃時，如果能事先對初步規(guī)劃的碼頭進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并加以修正，則可以提高碼頭設(shè)計(jì)成功率并降低不必要的損失，因此計(jì)算機(jī)仿真分析在該新工藝方案優(yōu)化、改進(jìn)中的意義舉足輕重[7]?？紤]到由于水平運(yùn)輸系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，本文采用flexsim仿真來構(gòu)建新工藝自動化集裝箱碼頭工藝布局模型，并分析在相關(guān)策略下新工藝中海側(cè)水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)入堆場的交通組織情況。

1 碼頭新型工藝布局下的交通組織

新型工藝布局方案區(qū)別于原有典型自動化集裝箱碼頭的布局主要在于水平運(yùn)輸系統(tǒng)交通組織，如圖1所示，堆場垂直于岸線，堆區(qū)側(cè)面裝卸，場內(nèi)、外水平運(yùn)輸路徑分離(虛線路徑表示場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備路徑，直線路徑表示場外水平運(yùn)輸設(shè)備路徑)，場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備通過I型的雙向通道直進(jìn)直出直達(dá)堆場目標(biāo)位置，場外水平運(yùn)輸設(shè)備(集卡)通過U型路徑進(jìn)出堆場。

由于集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)承擔(dān)了集裝箱在碼頭內(nèi)的裝卸和運(yùn)輸，因而它對于提高運(yùn)輸效率和周轉(zhuǎn)率起到了至關(guān)重要的作用[8]。為了更全面的評估該方案，本文將重點(diǎn)圍繞海側(cè)路口的交通組織展開研究。本文選取跨運(yùn)車作為場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備，研究在以跨運(yùn)車為場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備的情況下海側(cè)道口進(jìn)出堆場的交通組織情況。

2 堆場海側(cè)路口交通組織

現(xiàn)有自動化碼頭普遍采用的端部裝卸形式，如圖2所示，場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備自動化導(dǎo)引車或自動化跨運(yùn)車的裝卸作業(yè)點(diǎn)均設(shè)置在堆場海側(cè)區(qū)域。在該模式下采用跨運(yùn)車作為場內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備時，跨運(yùn)車集中進(jìn)出前沿海側(cè)交互區(qū)進(jìn)行交互作業(yè)，因此大部分交通流量都集中在前沿水平運(yùn)輸區(qū)域和海側(cè)交互區(qū)。

圖1 水平運(yùn)輸設(shè)備路徑示意圖Fig.1 Travelling path of horizontal transportation equipment圖2 端部裝卸海側(cè)交通組織Fig.2 Traffic arrangement on seaside under end-loading mode

新工藝布局則無需設(shè)置專用的交互區(qū)，如圖3所示，場內(nèi)運(yùn)輸?shù)缆烦蔍型的雙向通道，跨運(yùn)車直接深入堆場和軌道吊進(jìn)行交互，充分利用跨運(yùn)車能雙向行駛的特點(diǎn)來形成直進(jìn)直出的簡潔路徑；裝卸點(diǎn)從端部裝卸有限個海側(cè)交互區(qū)固定的位置拓展成側(cè)面整個堆區(qū)長度可靈活變化的區(qū)域。

在新工藝布局下，由于跨運(yùn)車進(jìn)出堆場集中于幾個進(jìn)出堆場的路口，存在多個交叉合流分流的點(diǎn)，路口交通組織相對復(fù)雜。因此，需要驗(yàn)證進(jìn)出堆場路口的交通能力是否滿足整體系統(tǒng)需求。受道路功能的定義，水平運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)時和路徑交叉避讓的影響[9]，本文主要研究在堆場海側(cè)作業(yè)繁忙時單進(jìn)單出的道路策略下路口的道路組織情況。在該策略下又細(xì)分為進(jìn)出堆場道路是否可以同時轉(zhuǎn)彎兩種情況進(jìn)行對比分析，同時綜合考慮設(shè)備參數(shù)的因素進(jìn)行敏感性分析。

3 仿真建模

3.1 仿真輸入

為進(jìn)行專項(xiàng)模擬仿真，本研究重點(diǎn)對一個泊位，兩個箱區(qū)的路口通過能力和交通情況進(jìn)行分析。通過設(shè)置不同的海側(cè)流量和堆場效率來控制跨運(yùn)車的到達(dá)頻率，從而對路口進(jìn)行壓力測試。其中海側(cè)流量通過配置不同的岸橋數(shù)量再乘以不同的效率波動系數(shù)(0.75～1.08)進(jìn)行調(diào)節(jié)，單小車岸橋單機(jī)效率取30自然箱/h作為基準(zhǔn)；堆場按照2個箱區(qū)共計(jì)4臺雙懸臂軌道吊進(jìn)行配置，其中雙懸臂軌道吊單機(jī)效率取25自然箱/h再乘以不同的效率波動系數(shù)對堆場效率進(jìn)行調(diào)節(jié)。仿真中采用的設(shè)備單機(jī)效率及速度參數(shù)如表1所示。

總體仿真模型布局如圖4所示。每個箱區(qū)設(shè)置兩個固定的裝卸點(diǎn)，分別位于海側(cè)和陸側(cè)；考慮到在實(shí)際箱區(qū)中水平運(yùn)輸設(shè)備有排隊(duì)情況，因此在裝卸點(diǎn)后依次從海側(cè)到陸側(cè)設(shè)置3個等待緩沖位。雙懸臂軌道吊懸臂下設(shè)置兩根車道，靠近軌道吊的車道為裝卸道，另一根為通行道。

跨運(yùn)車需要先從通行道進(jìn)入箱區(qū)，當(dāng)跨運(yùn)車行駛到接近裝卸點(diǎn)緩沖位時提前轉(zhuǎn)入裝卸道并同時判斷該裝卸點(diǎn)上是否有其他跨運(yùn)車作業(yè)，若無，則跨運(yùn)車直接行駛到裝卸位進(jìn)行作業(yè)；反之則需要先在緩沖位等待作業(yè)，裝卸點(diǎn)和緩沖的布置如圖5所示。

圖4 模型總體布局圖Fig.4 Simulation model overall layout圖5 堆場內(nèi)裝卸位和緩沖位設(shè)置Fig.5 Loading/unloading point and buffer point configuration in yard

前沿岸橋裝卸區(qū)域與堆場間設(shè)置雙向共4條高速通行車道，進(jìn)入堆場后設(shè)置單進(jìn)單出雙向通行道，另兩根車道為裝卸車道。當(dāng)車輛通過交叉口時，會發(fā)生合流或分流，進(jìn)而會存在交叉沖突，合流沖突和分流沖突[10]。為更接近進(jìn)出堆場路口的實(shí)際交通情況，對圖6所示跨運(yùn)車進(jìn)出堆場道路布置圖進(jìn)行交通分析。通過研究發(fā)現(xiàn)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場進(jìn)行作業(yè)時所經(jīng)區(qū)域共有8個交叉沖突點(diǎn)(圓形所示)，5個合流沖突點(diǎn)(正方形所示)和5個分流沖突點(diǎn)(三角形所示)。在仿真模型過程中也綜合考慮了以上沖突點(diǎn)對于交通的影響。

圖6 跨運(yùn)車進(jìn)出堆場道路布置圖Fig.6 Lane configuration for straddle carriers in/out of yard

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)工況

表2例舉了本次仿真實(shí)驗(yàn)所采用的5組案例。通過改變海側(cè)流量，轉(zhuǎn)彎車速，效率波動系數(shù)和跨運(yùn)車數(shù)量等參數(shù)對路口交通能力和堵塞情況進(jìn)行了仿真分析，同時再結(jié)合兩組不同的道路使用策略(堆場道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時轉(zhuǎn)彎策略和堆場道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時轉(zhuǎn)彎策略)進(jìn)行5組案例的對比仿真。

表2 研究道路使用策略情況下的實(shí)驗(yàn)案例Tab.2 Study the experimental case of road use strategy

跨運(yùn)車的轉(zhuǎn)彎車速根據(jù)實(shí)際設(shè)備參數(shù)設(shè)置為2 m/s，跨運(yùn)車數(shù)量按照1臺岸橋配置5臺跨運(yùn)車的配比設(shè)置為20臺。在海側(cè)配置4臺岸橋的情況下，將單機(jī)效率30自然箱/h的乘以相應(yīng)的效率波動系數(shù)改變海側(cè)總輸入流量，使得海側(cè)總輸入流量從90自然箱/h開始逐步增大到130自然箱/h；通過5組實(shí)驗(yàn)案例測試得出最大路口通過能力和交通堵塞情況。

4.1 道路使用策略分析

針對不同道路使用策略(堆場道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時轉(zhuǎn)彎策略和堆場道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時轉(zhuǎn)彎策略)，通過仿真實(shí)驗(yàn)得出路口的通過能力并分析跨運(yùn)車的堵塞時間和堵塞率。由于本文僅研究路口交通，所以堵塞時間的統(tǒng)計(jì)僅包含從跨運(yùn)車離開岸橋到進(jìn)入堆場入口前這一路段。堵塞率指在卸船情況下跨運(yùn)車從岸橋下裝卸點(diǎn)開始運(yùn)輸集裝箱到堆場內(nèi)再返回到原岸橋下裝卸點(diǎn)的整個循環(huán)里其中處于堵塞狀態(tài)的時間占比。

(1)單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時轉(zhuǎn)彎。

在單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時轉(zhuǎn)彎情況下，進(jìn)口最大通過能力為113.28輛/h，出口最大通過能力為111.71輛/h，可滿足前沿約110自然箱/h的作業(yè)效率。每輛跨運(yùn)車堵塞時間和堵塞率隨海側(cè)流量的增加而增加，當(dāng)海側(cè)流量達(dá)到120自然箱/h以上時,路口能力也趨于飽和狀態(tài)，此時堵塞時間達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定，路口通過能力仿真結(jié)果如圖7所示。交通堵塞情況如圖8所示。

圖7 可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過能力Fig.7 Crossing-road capacity when straddles carriers can take turns at same time圖8 可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口交通堵塞情況Fig.8 Crossing-road traffic condition when straddle carriers can take turns at same time

(2)單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時轉(zhuǎn)彎。

在單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時轉(zhuǎn)彎時，進(jìn)口最大通過能力為102.92輛/h，出口最大通過能力為101.38輛/h，可滿足前沿約100自然箱/h的作業(yè)效率。每輛跨運(yùn)車堵塞時間和堵塞率隨海側(cè)流量的增加而增加，當(dāng)海側(cè)流量達(dá)到100自然箱/h以上時, 路口能力也趨于飽和狀態(tài)，堵塞時間達(dá)到峰值趨于穩(wěn)定。路口通過能力仿真結(jié)果如圖9所示。交通堵塞情況仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 不可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過能力Fig.9 Crossing-road capacity when straddle carriers cannot take turns at same time圖10 不可同時轉(zhuǎn)彎策略下的路口交通堵塞情況Fig.10 Crossing-road traffic condition when straddle carriers cannot take turns at same time

通過以上仿真結(jié)果對比可得，路口可同時轉(zhuǎn)彎時的通過能力要高于不能同時轉(zhuǎn)彎時的通過能力。通過該對比結(jié)果說明路口車道布置是否能滿足車輛同時轉(zhuǎn)彎對路口通過能力存在一定影響。

4.2 設(shè)備參數(shù)敏感性分析

由于在實(shí)際中不同中跨運(yùn)車車速設(shè)置也存在不同，本文著重研究路口的交通，因此主要研究跨運(yùn)車轉(zhuǎn)彎車速對于路口通過能力的影響。道路使用策略采用堆場道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時轉(zhuǎn)彎策略[11]。通過對跨運(yùn)車轉(zhuǎn)彎車速進(jìn)行敏感性分析，在合理范圍內(nèi)選取 2 m/s、1.5 m/s、1 m/s三組參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從圖11中可看出，隨著轉(zhuǎn)彎車速的降低，路口通過能力也隨之下降。

圖11 不同車速下路口通過能力Fig.11 Crossing-road capacity under different straddle carrier speed

通過以上仿真結(jié)果可得，轉(zhuǎn)彎車速對路口通過能力也存在一定影響，路口通過能力隨轉(zhuǎn)彎車速的提高而提高。

5 結(jié)論與建議

通過仿真分析[12]，當(dāng)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場采用單進(jìn)單出且同時轉(zhuǎn)彎時，路口的最大通過能力為113輛/h；當(dāng)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場采用單進(jìn)單出且不能同時轉(zhuǎn)彎時，路口的最大通過能力為103輛/h；跨運(yùn)車單機(jī)性能比如轉(zhuǎn)彎半徑(決定是否可以相鄰道同時轉(zhuǎn)彎)及轉(zhuǎn)彎車速對路口通過能力都有影響；對于進(jìn)出堆場路口的布局應(yīng)盡量滿足可同時轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出的要求從而使路口通過能力達(dá)到最大。

由于受道路功能的定義和水平運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)彎時的路徑交叉避讓影響，當(dāng)堆場海側(cè)作業(yè)繁忙時，單進(jìn)單出的道路策略其路口的車流量可能不足以支撐道路兩旁堆場設(shè)備裝卸船作業(yè)需求。這時需要對路口車流量進(jìn)行擴(kuò)容來滿足需求；以下幾種方式可以對路口車流量進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)容[13]。

(1)當(dāng)碼頭地理位置或其他約束條件造成跨運(yùn)車在路口無法同時轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出時，可以提高跨運(yùn)車的單機(jī)性能比如轉(zhuǎn)彎速度來提高路口通過能力。

(2)將策略一兩條道的單進(jìn)單出車道適當(dāng)增加寬度，使其能容納水平運(yùn)輸設(shè)備在這兩根相鄰車道上同時轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出，減少車輛在路口的交叉避讓頻次。

(3)采用四車道雙進(jìn)雙出的策略，除了車道適當(dāng)增加寬度，使其能容納水平運(yùn)輸設(shè)備在相鄰車道上同時轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出，減少車輛在路口的交叉避讓頻次外；將裝卸車道優(yōu)化成裝卸通行車道，通過增加車道數(shù)量來擴(kuò)大路口的車流量。

以上堆區(qū)內(nèi)道路的使用策略需要結(jié)合水平運(yùn)輸設(shè)備的路徑特性和堆場海側(cè)作業(yè)情況進(jìn)行使用。這種優(yōu)化調(diào)整主要影響的是堆區(qū)內(nèi)道路的寬度，它對水平運(yùn)輸交通的影響是正面的，然而對集裝箱堆場容量的影響是負(fù)面的。