張 朋，高延輝，張 煜，唐 欣

(1.天津港第二集裝箱碼頭有限公司，天津 300461；2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院，廣東 韶關(guān) 512100)

為提高集裝箱碼頭作業(yè)效率，許多學(xué)者在碼頭整體布局和各功能區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面做了大量研究。張連鋼等[1]使用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)算法預(yù)估碼頭吞吐量，并計(jì)算出與各功能區(qū)域相匹配的生產(chǎn)能力，由此確定功能區(qū)域的詳細(xì)布局，這對(duì)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化碼頭建設(shè)和人工碼頭升級(jí)改造具有借鑒意義；熊玲燕等[2]對(duì)比了集裝箱堆場(chǎng)不同布局形式和設(shè)備選型的要求，在考慮青島港作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出自動(dòng)化集裝堆場(chǎng)垂直布局形式；Miguel等[3]使用層次分析法對(duì)碼頭不同布局方案進(jìn)行具體分析，設(shè)計(jì)出一種安全、高效、綠色的危險(xiǎn)品集裝箱箱區(qū)布局方案；潘海青等[4]針對(duì)冷藏箱和AGV車輛的供電問(wèn)題，提出在碼頭后方輔建區(qū)建設(shè)自動(dòng)化充電站的方案，并成功應(yīng)用于青島港自動(dòng)化碼頭；羅勛杰[5]針對(duì)自動(dòng)化堆場(chǎng)布局及設(shè)備作業(yè)管理問(wèn)題，提出3種軌道吊堆場(chǎng)陸側(cè)交接區(qū)標(biāo)準(zhǔn)布置方案，方案涉及交接區(qū)形式、尺寸、作業(yè)及控制流程，并在洋山四期全自動(dòng)化集裝箱碼頭成功應(yīng)用。針對(duì)港區(qū)交通流管控的研究，元征等[6]提出自動(dòng)化集裝箱碼頭閘口布局方案，此方案基于港區(qū)裝卸工藝制定運(yùn)輸車輛調(diào)度原則，結(jié)合了碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃，效果最優(yōu)。

上述研究針對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭各功能區(qū)布局問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，尤其在涉及碼頭堆場(chǎng)布局及水平運(yùn)輸管控方面，但對(duì)閑置車輛停車管理及停車區(qū)域布局方面的研究較少。筆者以天津港北疆港區(qū)C段自動(dòng)化集裝箱碼頭為研究背景，設(shè)計(jì)了基于碼頭整體布局及作業(yè)調(diào)度的停車位布置方案，并提出一種ART動(dòng)態(tài)泊車策略，制定出閑置ART泊車流程，通過(guò)提高閑置ART管理水平改善自動(dòng)化碼頭擁堵狀況，從不同于智能路徑規(guī)劃的角度出發(fā)，可實(shí)現(xiàn)ART交通流的進(jìn)一步改善。

1 碼頭總體布局

天津港北疆港區(qū)C段自動(dòng)化碼頭(圖1)提出基于人工智能運(yùn)輸機(jī)器人(ART)-路-港協(xié)同的順岸式邊裝卸全自動(dòng)化碼頭建設(shè)方案，能夠在傳統(tǒng)碼頭整體布置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化改造升級(jí)。同時(shí)，該自動(dòng)化碼頭還在港區(qū)交通管理、車輛管控等方面進(jìn)行創(chuàng)新，達(dá)到裝卸運(yùn)輸工藝高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。

圖1 天津港北疆港區(qū)C段自動(dòng)化集裝箱碼頭位置

碼頭呈滿堂式布置(圖2)，堆場(chǎng)內(nèi)雙懸臂自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)(ARMG)行走方向平行于碼頭岸線，3個(gè)泊位共配備12臺(tái)單小車雙20′(6.1 m)岸橋(另外預(yù)留2臺(tái))。在岸橋海側(cè)軌道處，兩軌之間由海側(cè)向陸側(cè)依次布置2條集裝箱拖掛車(超限箱、危險(xiǎn)品箱)船放作業(yè)通道、圍欄、6條ART作業(yè)車道(其中第1、第4、第6為超車道；第2、第3和第5為裝卸作業(yè)車道)，船放作業(yè)通道與自動(dòng)化作業(yè)區(qū)通過(guò)圍欄進(jìn)行物理隔離，以保障作業(yè)安全。岸橋陸側(cè)軌后依次布置1條車道(用于岸橋的檢修及更換吊具作業(yè)或冷藏箱吊箱門時(shí)作為逆向車道使用)、艙蓋板堆存區(qū)、解掛鎖區(qū)、ART等待區(qū)、4個(gè)ART通行車道及ART充電區(qū)，其中ART等待區(qū)根據(jù)作業(yè)需求及主力船型靠泊情況，布置8處解掛鎖區(qū)域，每處解掛鎖區(qū)均為“2隔離島+1通行車道”布置形式。

圖2 自動(dòng)化集裝箱碼頭總體布局

從距碼頭前沿線121 m處開始布置自動(dòng)化堆場(chǎng)，堆場(chǎng)區(qū)按集裝箱箱型組成比例布置自動(dòng)化堆場(chǎng)。自動(dòng)化堆場(chǎng)空、重箱混堆，共布置8條24個(gè)垛區(qū)，占用陸域縱深441.5 m，其中冷藏箱分3塊分散布置；自動(dòng)化堆場(chǎng)裝卸設(shè)備采用雙懸臂ARMG，軌距34 m，起重質(zhì)量41 t，軌距內(nèi)布置11排箱，堆箱高度“堆6過(guò)7”，共配備42臺(tái)(另外預(yù)留9臺(tái))，ARMG兩側(cè)懸臂下各布置1條作業(yè)車道及1條超車道。

碼頭內(nèi)部交通管理方面，裝卸船ART及集疏運(yùn)外集卡車流設(shè)計(jì)為分道隔離運(yùn)行(圖3)。縱向主干道分道通過(guò)物理隔離實(shí)現(xiàn)，外集卡從進(jìn)閘口至堆場(chǎng)提送箱作業(yè)形成外圈順時(shí)針環(huán)路，ART碼頭裝卸船至堆場(chǎng)裝卸箱形成內(nèi)圈逆時(shí)針環(huán)路；橫向裝卸車道分道亦通過(guò)物理隔離實(shí)現(xiàn)，為減少ART及外集卡從縱向車道入橫向裝卸車道的交叉點(diǎn)，設(shè)計(jì)相鄰兩臺(tái)雙懸臂ARMG之間布置同種類型集卡車道，布置形式為“1條作業(yè)車道+2條超車道+1條作業(yè)車道”，堆場(chǎng)間按照ART-外集卡車道交替布置。為保證行車安全，橫縱向ART與外集卡交叉點(diǎn)通過(guò)智能交通管控系統(tǒng)進(jìn)行交通管理，即于通行交叉點(diǎn)處增設(shè)智能交通燈和抬桿，ART通行次序優(yōu)先于外集卡，ART接收系統(tǒng)指令后，利用自身感知系統(tǒng)先判斷后通行。

圖3 ART及外集卡行車路線

2 停車功能模塊

結(jié)合碼頭“順岸式布置+ART水平運(yùn)輸+堆場(chǎng)邊裝卸”的總體布置方案，ART動(dòng)態(tài)泊車設(shè)計(jì)方案通過(guò)4個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)停車管理：停車區(qū)設(shè)置模塊將智能化碼頭劃分出多個(gè)停車區(qū)；停車優(yōu)先級(jí)設(shè)置模塊根據(jù)ART作業(yè)特點(diǎn)優(yōu)先分配有利于后續(xù)作業(yè)的泊位；停車數(shù)量及規(guī)則設(shè)置模塊合理規(guī)劃停車區(qū)布局；多場(chǎng)景停車規(guī)則管控模塊可實(shí)現(xiàn)ART在不同場(chǎng)景的高效停車管理。4個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 停車模塊邏輯關(guān)系

2.1 停車區(qū)設(shè)置模塊及優(yōu)先級(jí)設(shè)置模塊

停車區(qū)設(shè)置模塊將碼頭劃分出6個(gè)停車區(qū)(圖5)，停車區(qū)從上至下分別為：閑置泊位岸橋跨內(nèi)車道停車區(qū)、閑置泊位岸橋跨后艙蓋區(qū)停車區(qū)、A/C場(chǎng)充電位停車區(qū)、B1場(chǎng)上方充電車道停車區(qū)、B9場(chǎng)預(yù)留堆場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)、A9場(chǎng)預(yù)留堆場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)。

圖5 停車區(qū)布局

停車優(yōu)先級(jí)設(shè)置模塊根據(jù)停車區(qū)實(shí)時(shí)信息為ART分配停車位，停車區(qū)優(yōu)先級(jí)由高到低依次是A/C場(chǎng)充電位、岸橋跨內(nèi)車道、岸橋跨后艙蓋區(qū)、B1場(chǎng)上方充電車道、B9場(chǎng)作業(yè)車道、A9場(chǎng)作業(yè)車道。

2.2 停車數(shù)量及規(guī)則設(shè)置模塊

停車數(shù)量及規(guī)則設(shè)置模塊為適應(yīng)碼頭實(shí)際作業(yè)情況，提供緊湊和自由進(jìn)出2種停車模式。緊湊模式下相鄰2個(gè)停車位前沿間距小于30 m，只有當(dāng)相鄰?fù)＼囄恢星巴＼囄粌?nèi)無(wú)ART?？繒r(shí)，后停車位內(nèi)ART才能駛離；自由進(jìn)出模式下停車位前沿間距大于30 m，間距設(shè)置符合ART運(yùn)動(dòng)學(xué)特征要求，相鄰?fù)＼囄粌?nèi)ART互不影響。

結(jié)合停車區(qū)位置結(jié)構(gòu)和ART實(shí)際作業(yè)情況，在不同停車區(qū)設(shè)置不同的停車數(shù)量和規(guī)則。不同停車區(qū)泊位數(shù)量如表1所示。

表1 泊位數(shù)量

1)閑置泊位岸橋跨內(nèi)車道停車區(qū)，自由進(jìn)出模式下停車位間隔15 m，300 m規(guī)格泊位對(duì)應(yīng)車道，每道可放置8部，1、3、5道共可放置24部，400 m規(guī)格泊位對(duì)應(yīng)車道，每道可放置11部ART，共可停放33部。

2)在艙蓋區(qū)對(duì)應(yīng)泊位未有船舶作業(yè)且未被艙蓋覆蓋時(shí)，艙蓋區(qū)可作泊車區(qū)域。艙蓋區(qū)停車區(qū)采取自由進(jìn)出模式，停車位間隔15 m，艙蓋區(qū)可分為兩道停車道和兩道超車道，300 m規(guī)格泊位對(duì)應(yīng)車道，每道可放置8部ART，2條車道共可停放16部；400 m規(guī)格泊位對(duì)應(yīng)車道，每道可放置11部ART，共可停放22部。

3)ART可在A01和C01場(chǎng)東側(cè)充電區(qū)空余車位泊車。在A/C場(chǎng)充電位停車區(qū)中，停車位在A/C場(chǎng)上方充電車道分別設(shè)置7個(gè)，共可停放14部ART。

4)ART可在堆場(chǎng)適當(dāng)位置停車，采取緊湊模式時(shí)，停車位布置間隔5 m，B1場(chǎng)上方充電車道停車區(qū)可停放11部ART；B9場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)可停放10部ART；A9場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)可停放8部ART。在自由進(jìn)出模式下，停車位布置間隔18 m，B1場(chǎng)上方充電車道停車區(qū)可停7部ART；B9場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)可停6部ART；A9場(chǎng)作業(yè)車道停車區(qū)可停5部ART。

2.3 多場(chǎng)景停車規(guī)則管控模塊

根據(jù)碼頭泊位作業(yè)實(shí)際情況，多場(chǎng)景停車規(guī)劃模塊考慮了4種場(chǎng)景下的ART停車規(guī)則，包括3個(gè)泊位閑置、2個(gè)泊位閑置、1個(gè)泊位閑置和無(wú)泊位閑置。不同場(chǎng)景停車規(guī)則如下。

1)3個(gè)泊位閑置：充電區(qū)13個(gè)停車位，岸橋下81停車位，艙蓋區(qū)54個(gè)停車位，共148個(gè)停車位，可滿足76部ART的停放需求；出現(xiàn)1個(gè)泊位岸橋及艙蓋區(qū)占用維修的情況時(shí)也可滿足停放要求；當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)泊位被占用的情況時(shí)，啟用B1場(chǎng)上方充電車道、B9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道和A9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道，并采用緊湊模式，停車位共有82個(gè)，可滿足停車需求。

2)2個(gè)泊位閑置：充電區(qū)13個(gè)停車位，岸橋下48停車位，艙蓋區(qū)32個(gè)停車位，共92個(gè)停車位，滿足最多停放66部ART的需求；當(dāng)1個(gè)泊位岸橋及艙蓋區(qū)占用維修時(shí)，啟用B1場(chǎng)上方充電車道、B9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道和A9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道，采用自由進(jìn)出模式布置，共有70個(gè)停車位，可滿足停車需求。

3)1個(gè)泊位閑置：充電區(qū)13個(gè)停車位，岸橋下共計(jì)24個(gè)停車位，艙蓋區(qū)16個(gè)停車位，共53個(gè)停車位，可滿足最多停放40部ART的需求；當(dāng)岸橋及艙蓋區(qū)占用維修時(shí)，啟用B1場(chǎng)上方充電車道、B9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道和A9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道，采用緊湊模式布置，共有42個(gè)停車位，可滿足停車需求。

4)無(wú)泊位閑置：充電區(qū)13個(gè)停車位，B1場(chǎng)上方充電車道采用緊湊模式能布置11個(gè)停車位，共有24個(gè)停車位，可滿足最多停放22輛ART的需求，還可啟用B9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道和A9場(chǎng)(預(yù)留)作業(yè)車道，自由進(jìn)出模式下增加11個(gè)停車位，提高調(diào)度靈活性。

上述方案中船舶尺寸較小時(shí)，可將剩余閑置泊位劃成2段，其中1段用于維修占用，1段用于停車。此優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)停車位數(shù)量的增加，提高調(diào)度靈活性。

3 動(dòng)態(tài)泊車

動(dòng)態(tài)泊車設(shè)計(jì)方案制定了一個(gè)泊車策略，策略主要涉及空閑ART在自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)的閑置停車和作業(yè)計(jì)劃的優(yōu)化管理。在制定策略時(shí)，著重考慮停車過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，具體表現(xiàn)在臨時(shí)停車區(qū)的時(shí)空屬性。泊車策略以碼頭實(shí)際情況為前提，進(jìn)行可得停車區(qū)的分區(qū)及可?？寇囕v數(shù)目計(jì)算，并給出可得的時(shí)間窗范圍；根據(jù)臨時(shí)停車區(qū)域的時(shí)空屬性，調(diào)整車輛在線和閑置車輛數(shù)目，保障作業(yè)流暢和作業(yè)平衡，尤其是不能影響正常的生產(chǎn)作業(yè)和設(shè)施設(shè)備的正常使用；最后，將閑置車輛分配給不同區(qū)域的臨時(shí)停車區(qū)，并滿足臨時(shí)停車區(qū)的時(shí)間窗要求。

在動(dòng)態(tài)泊車流程中，TOS(terminal operation system，碼頭操作系統(tǒng))不進(jìn)行具體的停車調(diào)度，水平運(yùn)輸設(shè)備作業(yè)完成后，原地等待下一指令，超過(guò)設(shè)定時(shí)間后自行停車，在停車過(guò)程中可隨時(shí)接收TOS新的作業(yè)指令。TOS系統(tǒng)為ART分配新的作業(yè)任務(wù)時(shí)，需要重新判斷當(dāng)前泊位的ART是否為完成新任務(wù)的最佳設(shè)備：若非最佳，需重新分配作業(yè)任務(wù)；若當(dāng)前分配計(jì)劃最佳，則ART立即執(zhí)行。

結(jié)合上述要求，提出動(dòng)態(tài)泊車策略：1)TOS系統(tǒng)收到ART完成作業(yè)任務(wù)信息，向車隊(duì)管理系統(tǒng)下發(fā)泊車指令；2)TOS系統(tǒng)匯總停車區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息并發(fā)送給車輛管理系統(tǒng)；3)車輛管理系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)態(tài)高精度地圖信息、停車區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和ART實(shí)時(shí)位置信息，結(jié)合停車區(qū)設(shè)置模塊、停車優(yōu)先級(jí)設(shè)置模塊、停車數(shù)量及規(guī)則設(shè)置模塊和多場(chǎng)景停車規(guī)則模塊生成閑置ART最佳泊車方案，并發(fā)送至ART；4)ART自主生成考慮車輛動(dòng)力學(xué)特征泊車路徑，并發(fā)送至車輛管理系統(tǒng)；5)車輛管理系統(tǒng)將ART泊車路徑中堆場(chǎng)區(qū)關(guān)鍵縱向作業(yè)車道(TZ區(qū))發(fā)送至TOS系統(tǒng)；6)TOS系統(tǒng)獲取ART位置狀態(tài)信息，生成ART下次作業(yè)任務(wù)的派發(fā)區(qū)域，改善ART作業(yè)計(jì)劃。ART動(dòng)態(tài)泊車流程見圖6。

圖6 ART動(dòng)態(tài)泊車流程

根據(jù)動(dòng)態(tài)泊車流程，天津港設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)泊車測(cè)試軟件(圖7)，主界面以碼頭布局為背景，仿真碼頭實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)時(shí)接收ART路徑信息、ART對(duì)位信息、告警信息等，可實(shí)現(xiàn)禁行區(qū)選擇、全場(chǎng)緊停等功能。

圖7 動(dòng)態(tài)泊車測(cè)試軟件界面

4 結(jié)語(yǔ)

1)以碼頭順岸式布置、堆場(chǎng)邊裝卸的工藝方案為研究背景，為傳統(tǒng)碼頭升級(jí)改造提供新思路；

2)提出停車區(qū)劃分的2種模式，設(shè)計(jì)出碼頭停車位劃分以及停車規(guī)則管控方案，滿足碼頭不同作業(yè)場(chǎng)景下對(duì)停車位的需求，彌補(bǔ)了自動(dòng)化碼頭在泊車管理方面研究的空白；

3)ART的動(dòng)態(tài)泊車策略考慮了ART后續(xù)作業(yè)的便利性，體現(xiàn)出泊車策略的智能特性，保證了碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)的高效進(jìn)行；

4)動(dòng)態(tài)泊車設(shè)計(jì)包含停車區(qū)域規(guī)劃、動(dòng)態(tài)泊車策略及完整的泊車控制流程，從新的角度改善ART交通流狀況，為自動(dòng)化碼頭提升水平運(yùn)輸效率的研究提供參考。