高延輝 班宏宇 張 煜 董寶慧

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 120000 2武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063 3武漢理工大學韶關研究院 韶關 512100

0 引言

近年來港口集裝箱吞吐量日益增長，碼頭各類作業(yè)設備數(shù)量也隨之增加?，F(xiàn)有的自動化集裝箱碼頭在處理大批量貨物裝卸運輸任務時經(jīng)常出現(xiàn)裝卸效率低下、港區(qū)交通擁堵等問題，為適應港區(qū)日益增長的交通流量，港口應合理規(guī)劃整體布局，優(yōu)化集裝箱運輸策略，緩解交通壓力。

國內外已有很多關于自動化碼頭港區(qū)交通控制的研究。楊麗金[1]針對港口集疏運過程中車輛的擁堵現(xiàn)象設計了一種基于博弈的作業(yè)車輛協(xié)同路徑規(guī)劃方法，降低了車輛路徑?jīng)_突概率。針對作業(yè)高峰期港區(qū)交通流擁堵狀況，尤悅等[2]提出采用智能組織改變閘口通道數(shù)量和緩沖區(qū)長度策略，仿真結果表明該策略能有效緩解高峰作業(yè)時的港區(qū)擁堵。周峰等[3]通過四階段法對碼頭車輛交通流進行了分析，為優(yōu)化港區(qū)內部交通狀況提供建議。王苗苗[4]通過劃分集疏運道路網(wǎng)提出了新型港口集疏運道路規(guī)劃體系，為港口道路布局及交通流控制提供了參考。Zhen L[5]針對港區(qū)車輛擁堵問題，建立模型并設計算法求解，提升了碼頭運輸作業(yè)效率。

上述學者的研究主要集中在碼頭布局和車輛路徑優(yōu)化方面，而對港區(qū)內車輛交通控制的研究較少。本文以順岸式自動化集裝箱碼頭為研究背景，提出一種水平運輸智能閘口控制方法，將交通控制閘口布置于堆場區(qū)車輛通行交匯處，對外集卡和港內ART的通行實施管控，實現(xiàn)港區(qū)交通的智能管理，并結合實際案例建立仿真模型，為港區(qū)交通管理提供決策依據(jù)。

在某自動化碼頭的集裝箱進出港作業(yè)過程中，港內水平輸送載運設備ART沿逆時針方向在碼頭前沿和堆場間通行，外集卡沿順時針方向在堆場后方及堆場間通行，故ART和外集卡將在堆場區(qū)多個路段發(fā)生通行交匯現(xiàn)象。在車輛通行交匯處布置智能閘口控制系統(tǒng)，可有效管控集卡通行順序，對提高自動化集裝箱碼頭運輸效率具有重要意義。

1 水平運輸智能閘口及控制方法

自動化碼頭智能閘口控制系統(tǒng)主要包括車路協(xié)同控制設備和智能道閘設備，其中車路協(xié)同控制設備主要利用RFID信息采集、雷達探測、路側感知、邊緣計算、信息處理等裝置實現(xiàn)多源路網(wǎng)信息的實時采集及處理；智能道閘設備實時獲取路況信息，通過控制紅綠燈及擋桿的工作狀態(tài)實現(xiàn)對集裝箱運輸車輛的通行次序管控。

如圖1所示，自動化碼頭水平運輸智能閘口平面布局由堆場區(qū)、ART區(qū)、外集卡區(qū)等組成，主要包括ART車道、外集卡車道、智能閘口等。圖中的1～4分別代表閘口1、閘口2、閘口3、閘口4。

圖1 自動化碼頭簡化布局

當有裝卸作業(yè)任務時，ART按照逆時針行駛方向由左側ART縱向車道進入堆場，完成作業(yè)任務后經(jīng)右側ART縱向車道駛離堆場，從而完成一次逆時針閉環(huán)作業(yè)。外集卡按照順時針行駛方向由左側縱向車道駛入堆場，經(jīng)右側縱向車道駛離堆場，完成一次順時針閉環(huán)作業(yè)。

在上述作業(yè)過程中，ART和外集卡可能會同時到達堆場交叉口。為緩解交匯處車輛擁堵現(xiàn)象，提升自動化碼頭水平運輸效率，本文提出了一種智能通行策略(Intelligent Pass，IP)。與傳統(tǒng)的先到先通行策略(First Come First Pass，F(xiàn)CFP)相比，IP考慮到實際運營的集卡數(shù)量配比，采用多優(yōu)先級規(guī)則控制車輛通行順序，以減少車輛等待時間。

在IP策略中，為保障岸邊集裝箱起重機的作業(yè)效率，第一優(yōu)先級為ART通行；而當外集卡排隊等待數(shù)量大于n或無ART在通行時，外集卡通行，此規(guī)則為第二優(yōu)先級；第三優(yōu)先級則是堆場橫向作業(yè)車道的集卡數(shù)量達到堆場最大停放數(shù)量m時，ART、外集卡均不能通行；其流程如圖2所示。傳統(tǒng)FCFP策略基于到達時間進行判斷，放行最早到達的車輛，遵守第三優(yōu)先級規(guī)則，流程見圖3。

圖2 IP策略流程圖

圖3 FCFP策略流程

2 基于閘口管控策略的水平運輸工藝建模

2.1 模型Agent

根據(jù)自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)結構、運作方式以及離散事件建模理論，利用Anylogic軟件對基于閘口管控的水平運輸系統(tǒng)進行仿真。將外集卡和ART抽象為集卡Agent，如圖4所示。

圖4 集卡Agent

集卡Agent的屬性信息包括ART和外集卡特征、ART路線選擇、集卡顏色等，進入時間和停留時間。其中，ART和外集卡特征用來標識車輛為ART或外集卡；ART路線選擇表示ART在交叉路口處選擇駛入橫向車道或繼續(xù)沿縱向車道行駛；集卡顏色用于仿真模型區(qū)分ART和外集卡，紅色代表ART，黃色代表外集卡；進入時間用于記錄車輛在閘口排隊等待的開始時間；停留時間則記錄車輛在閘口處排隊等待的總時長。

2.2 通行策略仿真邏輯

采用面向過程仿真方法，根據(jù)IP策略，構建完整仿真模型，如圖5、圖6所示。仿真流程為：Source模塊分別產(chǎn)生ART和外集卡，外集卡概率性選擇目標堆場作業(yè)位，ART則依次通過閘口；ART、外集卡到達閘口時，根據(jù)IP策略判斷能否通過閘口，若能通行則繼續(xù)前行，否則在閘口處排隊等待。

圖5 IP策略動畫界面

圖6 IP策略仿真模型

FCFP策略模型的仿真流程與IP策略模型的不同之處在于通行策略，F(xiàn)CFP策略模型采用的通行規(guī)則為先到先行，其仿真模型如圖7所示。

圖7 FCFP策略仿真模型

3 仿真實驗及結果分析

3.1 仿真實驗

以某自動化集裝箱碼頭為案例進行分析，結合堆場閘口布局、集卡進出港流量等基礎數(shù)據(jù)信息建立仿真模型，將IP策略與傳統(tǒng)的FCFP策略比對，從ART/外集卡的閘口處隊列長度、等待時間、堆場內車輛隊列長度等指標對IP策略進行分析。主要仿真實驗參數(shù)設置如表1所示，其他參數(shù)均從碼頭相關設計資料中獲得。

表1 仿真參數(shù)設置

在仿真建模時，策略中的最大閾值分別為：n＝3、m＝14。根據(jù)港口實際運營數(shù)據(jù)，集卡隨機到達港口，且ART數(shù)量大于外集卡數(shù)量?？紤]到仿真隨機性，將車輛到達設置為按速率到達的指數(shù)分布，其中ART速率為4，外集卡速率為2。在進入堆場后，車輛概率性選擇目標作業(yè)位，概率均設為0.5。

3.2 仿真結果及分析

重復多次實驗，觀察IP策略、FCFP策略仿真模型結果，輸出結果如圖8～圖11所示。圖8和圖9反映閘口處車輛排隊情況，圖中橫軸代表4個閘口，縱軸代表ART/外集卡的排隊數(shù)量。圖10和圖11反映堆場內車輛數(shù)量變化情況，橫軸代表仿真運行時間，縱軸代表堆場內ART、外集卡的數(shù)量。

圖8 IP策略閘口排隊情況

圖9 FCFP策略閘口排隊情況

圖10 IP策略堆場內車數(shù)情況圖

圖11 FCFP策略堆場內車數(shù)情況

由圖8可知，在IP策略下，ART在各閘口處排隊數(shù)為1，閘口處擁擠程度較低。由圖9可知，在FCFP策略下的各閘口處排隊數(shù)量不均，排隊數(shù)極值差高達21，閘口通行能力明顯較低。圖10、圖11表明，各堆場車輛數(shù)量變化呈一定規(guī)律性，但各策略下峰值不同。與FIFO策略相比，IP策略下各堆場內的車輛數(shù)峰值普遍較低，在一定程度上緩解了堆場內水平運輸壓力。

由仿真結果表明，相較于FCFP策略，IP策略下ART在各閘口處排隊數(shù)量明顯下降，等待時間縮短，閘口通行能力得以提升，可能有效提高自動化碼頭水平運輸效率，提升碼頭作業(yè)能力。

4 結論

為緩解自動化集裝箱碼頭堆場道路交叉口處擁擠現(xiàn)象，本文提出了水平運輸智能閘口控制方法，采用多優(yōu)先級規(guī)則管控車輛在交叉口處的通行次序，建立了基于流程模擬的自動化集裝箱碼頭仿真模型。結合實例，以ART和外集卡的等待時間及等待數(shù)量為指標，對其進行仿真分析。結果表明，相對于傳統(tǒng)的先到先通行策略，智能閘口管控方法降低了ART和外集卡在交匯處的等待時間和等待數(shù)量，提升了自動化碼頭水平運輸能力，為建設自動化集裝箱碼頭智能水平運輸系統(tǒng)提供了思路。