李 波，耿衛(wèi)寧，付鵬成，管廷敬

（青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266500）

1 行業(yè)背景

自動(dòng)化集裝箱碼頭在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)能減排、安全可靠等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，是集裝箱碼頭未來建設(shè)發(fā)展的方向。自動(dòng)化碼頭從作業(yè)工藝到整體流轉(zhuǎn)都已經(jīng)成熟，憑借系統(tǒng)、設(shè)備的能力的不斷提升，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)中各節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間的穩(wěn)定性、連續(xù)性日益提高，軟硬件間的響應(yīng)及處理時(shí)間不斷壓縮，體現(xiàn)在整體效率方面不斷提升。同時(shí)進(jìn)一步節(jié)省人力，降低了成本。自動(dòng)化碼頭已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)嶄新的高度。

目前，碳達(dá)峰、碳中和列入國(guó)家八大重點(diǎn)任務(wù)之一，伴隨著能源管理體系的推廣深入，地域之間的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)，綠色可持續(xù)是未來港口發(fā)展的必然趨勢(shì)。內(nèi)部挖潛，提質(zhì)增效，是能否設(shè)計(jì)出符合自身特點(diǎn)的集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝是決定碼頭服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵，通過仿真研究、技術(shù)革新，為自身帶來更多的效率提升和成本的節(jié)約，并將工藝提升算法改進(jìn)將會(huì)一直伴隨的碼頭運(yùn)營(yíng)。

與此同時(shí)，船公司、碼頭等相關(guān)行業(yè)間聯(lián)系逐漸加深，區(qū)塊鏈將逐步滲透其中，大大降低因信息不暢、數(shù)據(jù)壁壘帶來的不確定性。獲取外部電子數(shù)據(jù)、可視化數(shù)據(jù)的硬件支撐已經(jīng)初具規(guī)模，5G信息傳輸、云存儲(chǔ)、計(jì)算能力大幅提升。數(shù)字化、信息化革新，使效率提升，成本控制更加科學(xué)合理，雙箱作業(yè)為碼頭未來發(fā)展提供新的思路。

2 雙箱作業(yè)簡(jiǎn)介

自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱ASC)上增設(shè)了可以抓放20ft集裝箱的吊具，實(shí)現(xiàn)了雙20ft集裝箱在堆場(chǎng)和AGV上的自動(dòng)抓放，在海側(cè)裝卸船任務(wù)繁忙的情況下，可以明顯提升作業(yè)效率。

3 雙箱作業(yè)問題及配置方案（以青島新前灣自動(dòng)化碼頭為例）

青島新前灣自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)是由1期單箱ASC連鎖塊堆場(chǎng)及優(yōu)化改良后的2期雙箱ASC箱角梁堆場(chǎng)組成，因碼頭分期建設(shè)，碼頭整體工藝布局有所差異。從實(shí)際應(yīng)用效果而言，雙箱功能的使用有助于碼頭整體作業(yè)提升，合理的規(guī)劃使用，可以有效提高效率、降低成本。

與此同時(shí)，雙箱作業(yè)對(duì)碼頭整體使用提出了更高的要求，存在很多的問題及難點(diǎn)。結(jié)合青島自動(dòng)化碼頭實(shí)際使用，將相關(guān)問題及解決方案分別進(jìn)行闡述如下（以20ft空箱為例）。

3.1 堆場(chǎng)配置

3.1.1 問題匯總。相較于水平布局的碼頭，垂直布局因內(nèi)部縱橫道路較少，整體單位面積上的堆場(chǎng)容量占有一定的優(yōu)勢(shì)。雙箱作業(yè)的集裝箱因堆碼條件、位置等要求，較單箱堆碼更加復(fù)雜，需要算法、算力支持，同時(shí)滿足效率及堆場(chǎng)利用率的需求。設(shè)計(jì)、使用不合理，會(huì)導(dǎo)致的碼頭利用率低、翻倒增加的情況，影響堆場(chǎng)使用效能，反而不利于對(duì)碼頭整體

作業(yè)效率及成本。3.1.2 解決方案。與1 期全場(chǎng)20ft設(shè)置不同，自動(dòng)化2期從節(jié)約成本、提高效能出發(fā)，采用箱角梁20/40ft按比例配置設(shè)計(jì)。圖1黑色區(qū)域?yàn)?0ft/40ft 通用貝位，白色區(qū)域?yàn)?0ft專用貝位。

圖1 碼頭堆場(chǎng)箱位布置圖

各場(chǎng)區(qū)視為獨(dú)立的調(diào)配集合，同色屬性的區(qū)間視為各自調(diào)配的主體模塊。根據(jù)碼頭整體作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則，以閾值為分界點(diǎn)，各模塊可作為獨(dú)立整體或者部分融入計(jì)算，提升整體的使用效及更高的靈活性。

將堆場(chǎng)內(nèi)的箱位進(jìn)行配置，將場(chǎng)區(qū)間的箱位進(jìn)行劃分，通過對(duì)集裝箱流向、狀態(tài)設(shè)置，并在設(shè)計(jì)中增加相應(yīng)的元素參數(shù)，提供邏輯計(jì)算的基礎(chǔ)。

3.2 規(guī)則建立

3.2.1 問題匯總。合理使用堆場(chǎng)資源是保證碼頭作業(yè)效率的基礎(chǔ)，青島自動(dòng)化碼頭因1期與2期建設(shè)差異，其作業(yè)能力（效率）的不同，維持作業(yè)的平衡性具有較高的難度，對(duì)堆場(chǎng)使用提出新要求。

集裝箱在場(chǎng)區(qū)間分布的基礎(chǔ)對(duì)分布的初始閾值及相關(guān)參數(shù)的配置復(fù)雜，系統(tǒng)計(jì)算如只是簡(jiǎn)單是根據(jù)集裝箱自身的作業(yè)范圍及排列的順序，不利于生產(chǎn)組織。例：集裝箱分布閾值假設(shè)為2，根據(jù)上述規(guī)則，最終的計(jì)算結(jié)果分布的不均衡，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)單模式集裝箱分布示意圖

3.2.2 解決方案。以箱屬性的字段為基礎(chǔ)，將各字段組合生成獨(dú)立且唯一屬性組，通過對(duì)屬性組的整理。再以加權(quán)的形式與船舶為單位的集裝箱分布數(shù)量結(jié)合，通過使用經(jīng)計(jì)算的合理范圍區(qū)間，將集裝箱在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行分布，達(dá)到滿足堆碼質(zhì)量、均衡合理分布的要求，如圖3所示。

圖3 加權(quán)模式集裝箱分布示意圖

3.3 堆場(chǎng)沖突

3.3.1 問題匯總。堆場(chǎng)建設(shè)差異，使設(shè)備作業(yè)方式及能力存在差異，對(duì)岸邊、水平運(yùn)輸及堆場(chǎng)作業(yè)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響。整體效率的差異，加劇堆場(chǎng)內(nèi)部沖突。

3.3.2 解決方案。根據(jù)吞吐作業(yè)結(jié)構(gòu)，結(jié)合各種類集裝箱的占比、周轉(zhuǎn)時(shí)間，調(diào)整其在不同區(qū)間的空間占比，通過增設(shè)系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)不同作業(yè)種類的集裝箱進(jìn)行權(quán)重調(diào)整，以效率、成本為基礎(chǔ)，平衡碼頭內(nèi)部的整體作業(yè)。

3.4 卸船作業(yè)

3.4.1 問題匯總。港口裝卸作業(yè)對(duì)集裝箱箱門有一定的要求。雙箱從海側(cè)進(jìn)入2期堆場(chǎng)時(shí)箱門的狀態(tài)組合種類多樣，存箱門朝向與堆碼要求不一致的現(xiàn)象。產(chǎn)生的堆碼矛盾，無法有效率用堆場(chǎng)。如圖4所示：A/B和B/A堆碼的堆碼矛盾。

圖4 箱門朝向?qū)Χ汛a的影響

3.4.2 解決方案。采用AGV調(diào)頭或者模糊箱門等方式，保證集裝箱放置在正確的位置，滿足集裝箱堆碼的要求。降低翻倒率、提高利用率（圖中箱可堆碼至相同列）。

3.5 堆碼規(guī)則

3.5.1 問題匯總。雙箱水平高度一致，在堆場(chǎng)內(nèi)的作業(yè)需要相鄰貝位高度條件相同，集裝箱在船上位置的具有一定的靈活性，同屬性集裝堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)，存在雙箱和單箱共存的狀態(tài)。在堆碼時(shí)，存在堆碼奇數(shù)和偶數(shù)問題，與未來卸船量以及到的場(chǎng)區(qū)的數(shù)量有關(guān)，因隨機(jī)性高，增大雙箱作業(yè)難度。

3.5.2 解決方案。為保證有效利用雙箱作業(yè)資源，對(duì)雙箱作業(yè)區(qū)間添加獨(dú)立的參數(shù)，相同屬性的單箱放入同屬性雙箱位置時(shí)，進(jìn)行罰分，保證雙箱作業(yè)擁有足夠空間資源，減少作業(yè)干擾（集裝箱分布因各種未知情況的影響，隨機(jī)性高，仍有很多問題需要解決，目前設(shè)定以罰分的形式體現(xiàn)）。

3.6 其他相關(guān)配置

3.6.1 根據(jù)碼頭作業(yè)的不平衡性，對(duì)于不同吞吐量下的作業(yè)進(jìn)行多閾值設(shè)定，對(duì)不同吞吐區(qū)間的KPI指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定，滿足不同階段的效率、成本、翻倒、周轉(zhuǎn)等要求。

3.6.2 參數(shù)設(shè)定以提高效率為基礎(chǔ)，減少雙箱交互搬移次數(shù)，提高海側(cè)的船效率。

3.6.3 雙箱提箱（按優(yōu)先級(jí)），需按照實(shí)際ASC的能力進(jìn)行配置，雙箱發(fā)箱優(yōu)點(diǎn)：顯著提高陸側(cè)作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，縮短外集卡在港作業(yè)時(shí)間。

3.6.4 雙箱提箱是ASC實(shí)現(xiàn)雙箱發(fā)箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行的策略調(diào)整，最大限度的滿足堆場(chǎng)內(nèi)雙箱ASC配對(duì)的需求，設(shè)定如下：

（1）當(dāng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)相同提單無雙箱匹配時(shí)，選取相同箱屬箱進(jìn)行配對(duì)，能雙盡雙，提高雙箱發(fā)箱率。

（2）建立雙箱配箱機(jī)制，將原本一車雙背的兩次發(fā)單作業(yè)，通過系統(tǒng)配置將場(chǎng)區(qū)內(nèi)獨(dú)立箱，配置成雙箱后進(jìn)行提箱作業(yè)。

（3）通過系統(tǒng)設(shè)定，配置優(yōu)先進(jìn)行提雙箱模式，避免或減少后續(xù)隨機(jī)性帶來的拆雙問題。

（4）添加獎(jiǎng)/罰分設(shè)置，保證雙/單箱位置計(jì)算合理，滿足分布、效率及利用率要求。

針對(duì)以上的問題及方案，結(jié)合研發(fā)效率的實(shí)際情況，由易到難進(jìn)行。李隋凱等不同的算法進(jìn)行了比較，目的是將部分關(guān)鍵的維度加入到需求及方案中，盡可能的避免后續(xù)因沒有相關(guān)思路導(dǎo)致雙箱無法延展的問題。

未來碼頭作業(yè)是多維度、多指標(biāo)分析計(jì)算的結(jié)果，平衡性、飽和度、效率、距離、繁忙程度都是要考量。所有因素都有內(nèi)在聯(lián)系（相對(duì)的優(yōu)先級(jí)）。針對(duì)處于不同作業(yè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行選擇，從效率成本方面，傾向雙箱全部進(jìn)行雙箱作業(yè)，同時(shí)考慮平衡及作業(yè)沖突。

4 雙箱作業(yè)現(xiàn)狀

4.1 不確定因素

4.1.1 ASC 陸側(cè)提箱模式。集裝箱碼頭作業(yè)具有很大的隨機(jī)性和不確定性，通過對(duì)ASC堆碼方面的長(zhǎng)期觀察，陸側(cè)ASC發(fā)箱會(huì)面臨很多不確定因素，影響堆場(chǎng)內(nèi)的取箱作業(yè)，另外，單箱進(jìn)入堆場(chǎng)的拼雙作業(yè)，由于設(shè)備受外界條件影響，以及自身拿箱要求，實(shí)際操作性預(yù)計(jì)會(huì)較低。

4.1.2 陸側(cè)提箱作業(yè)。目前，單箱作業(yè)比較成熟，但雙箱與外點(diǎn)拖車的交互仍有很多難點(diǎn)需要解決（雙箱作業(yè)工況需求，如圖5所示）。短期內(nèi)陸側(cè)提箱無法實(shí)現(xiàn)，陸側(cè)ASC本身對(duì)外服務(wù)及節(jié)能方面的作用無法發(fā)揮，將造成較大的能力浪費(fèi)。

圖5 雙箱吊具作業(yè)工況需求

4.2 系統(tǒng)因素

青島新前灣自動(dòng)化碼頭布局是1期的單箱模式，2期雙箱模式融合的一種復(fù)雜的作業(yè)狀態(tài)，系統(tǒng)平衡性的實(shí)現(xiàn)難度大。單設(shè)備及堆場(chǎng)的布局、效率、功能、效能等仍存在一定的差異。對(duì)于船舶作業(yè)而言，可認(rèn)為是單-單，單-雙，雙-雙的組合模式，1/2期是兩種的作業(yè)的融合，需要從設(shè)備能力、堆場(chǎng)數(shù)據(jù)、作業(yè)結(jié)構(gòu)、能源數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，通過模擬計(jì)算，尋找平衡點(diǎn)滿足生產(chǎn)需要。

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)隨機(jī)生成的模擬數(shù)據(jù)，吞吐量45.98萬(wàn)自然箱，進(jìn)口作業(yè)量23.85萬(wàn)自然箱，其中20尺空箱6.38萬(wàn)自然箱，總量占比13.89%，進(jìn)口占比26.77%，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，如圖6所示。

圖6 模擬吞吐數(shù)據(jù)

當(dāng)雙箱結(jié)構(gòu)占比90%以上時(shí)，雙箱作業(yè)5.75萬(wàn)自然箱，AGV使用量2.87萬(wàn)車次，按1/2期平分卸船量計(jì)算。

（1）效率方面：將有1.43萬(wàn)車次的雙箱卸入2期堆場(chǎng)，設(shè)備周轉(zhuǎn)次數(shù)較1期減少1倍，單2期堆場(chǎng)作業(yè)，提高碼頭整體作業(yè)效率3.13%。

（2）經(jīng)濟(jì)方面：節(jié)省堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間771.32小時(shí)，提高碼頭吞吐上限3.13%，每年僅用電成本節(jié)約近7萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

從效率方面，本方案對(duì)海側(cè)ASC 的作業(yè)效率提高、AGV 的周轉(zhuǎn)時(shí)間壓縮等方面，提供了有利的支持。從成本及保養(yǎng)方面，在設(shè)備耗損及維修保養(yǎng)，節(jié)能降耗方面具有優(yōu)勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，有利于碼頭效率、成本需要，滿足吞吐量增長(zhǎng)的需要，對(duì)集裝箱碼頭未來發(fā)展有利。未來仍需通過設(shè)備技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用創(chuàng)新的手段，解決堆場(chǎng)利用率低、陸側(cè)提箱等難題。