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(lái)，國(guó)內(nèi)碼頭勞動(dòng)力短缺現(xiàn)象日趨顯現(xiàn)，加之船舶大型化對(duì)碼頭管理水平的要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)港口運(yùn)營(yíng)者對(duì)自動(dòng)化碼頭的需求也是愈加迫切，國(guó)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(chǎng)采用立體式布局的模式，以此來(lái)提高堆場(chǎng)有效堆存容量[1-2]；亦有學(xué)者探討不同形式的自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)[3-4]，為自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化軌道吊”和“單小車岸橋+跨運(yùn)車+自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)設(shè)備能耗高、堆場(chǎng)作業(yè)點(diǎn)少、整體作業(yè)效率降低、對(duì)碼頭調(diào)度人員要求高等痛點(diǎn)。針對(duì)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(dòng)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(méi)有相關(guān)成熟的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)借鑒。在進(jìn)行自動(dòng)化碼頭規(guī)劃時(shí)，如果能事先對(duì)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]。考慮到由于水平運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，本文采用flexsim仿真來(lái)構(gòu)建新工藝自動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)垂直于岸線，堆區(qū)側(cè)面裝卸，場(chǎng)內(nèi)、外水平運(yùn)輸路徑分離(虛線路徑表示場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備路徑，直線路徑表示場(chǎng)外水平運(yùn)輸設(shè)備路徑)，場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備通過(guò)I型的雙向通道直進(jìn)直出直達(dá)堆場(chǎng)目標(biāo)位置，場(chǎng)外水平運(yùn)輸設(shè)備(集卡)通過(guò)U型路徑進(jìn)出堆場(chǎng)。

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(duì)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(píng)估該方案，本文將重點(diǎn)圍繞海側(cè)路口的交通組織展開(kāi)研究。本文選取跨運(yùn)車作為場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備，研究在以跨運(yùn)車為場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備的情況下海側(cè)道口進(jìn)出堆場(chǎng)的交通組織情況。

2 堆場(chǎng)海側(cè)路口交通組織

現(xiàn)有自動(dòng)化碼頭普遍采用的端部裝卸形式，如圖2所示，場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)化導(dǎo)引車或自動(dòng)化跨運(yùn)車的裝卸作業(yè)點(diǎn)均設(shè)置在堆場(chǎng)海側(cè)區(qū)域。在該模式下采用跨運(yùn)車作為場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，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(wú)需設(shè)置專用的交互區(qū)，如圖3所示，場(chǎng)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(chǎng)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(lái)形成直進(jìn)直出的簡(jiǎn)潔路徑；裝卸點(diǎn)從端部裝卸有限個(gè)海側(cè)交互區(qū)固定的位置拓展成側(cè)面整個(gè)堆區(qū)長(zhǎng)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(chǎng)集中于幾個(gè)進(jìn)出堆場(chǎng)的路口，存在多個(gè)交叉合流分流的點(diǎn)，路口交通組織相對(duì)復(fù)雜。因此，需要驗(yàn)證進(jìn)出堆場(chǎng)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(shí)和路徑交叉避讓的影響[9]，本文主要研究在堆場(chǎng)海側(cè)作業(yè)繁忙時(shí)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(chǎng)道路是否可以同時(shí)轉(zhuǎn)彎兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)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(duì)一個(gè)泊位，兩個(gè)箱區(qū)的路口通過(guò)能力和交通情況進(jìn)行分析。通過(guò)設(shè)置不同的海側(cè)流量和堆場(chǎng)效率來(lái)控制跨運(yùn)車的到達(dá)頻率，從而對(duì)路口進(jìn)行壓力測(cè)試。其中海側(cè)流量通過(guò)配置不同的岸橋數(shù)量再乘以不同的效率波動(dòng)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(chǎng)按照2個(gè)箱區(qū)共計(jì)4臺(tái)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(dòng)系數(shù)對(duì)堆場(chǎng)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(gè)箱區(qū)設(shè)置兩個(gè)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(gè)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(shí)提前轉(zhuǎn)入裝卸道并同時(shí)判斷該裝卸點(diǎn)上是否有其他跨運(yùn)車作業(yè)，若無(wú)，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(chǎng)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(chǎng)間設(shè)置雙向共4條高速通行車道，進(jìn)入堆場(chǎng)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(guò)交叉口時(shí)，會(huì)發(fā)生合流或分流，進(jìn)而會(huì)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(chǎng)路口的實(shí)際交通情況，對(duì)圖6所示跨運(yùn)車進(jìn)出堆場(chǎng)道路布置圖進(jìn)行交通分析。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)所經(jīng)區(qū)域共有8個(gè)交叉沖突點(diǎn)(圓形所示)，5個(gè)合流沖突點(diǎn)(正方形所示)和5個(gè)分流沖突點(diǎn)(三角形所示)。在仿真模型過(guò)程中也綜合考慮了以上沖突點(diǎn)對(duì)于交通的影響。

圖6 跨運(yùn)車進(jìn)出堆場(chǎng)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(guò)改變海側(cè)流量，轉(zhuǎn)彎車速，效率波動(dòng)系數(shù)和跨運(yùn)車數(shù)量等參數(shù)對(duì)路口交通能力和堵塞情況進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)再結(jié)合兩組不同的道路使用策略(堆場(chǎng)道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時(shí)轉(zhuǎn)彎策略和堆場(chǎng)道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時(shí)轉(zhuǎn)彎策略)進(jìn)行5組案例的對(duì)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(tái)岸橋配置5臺(tái)跨運(yùn)車的配比設(shè)置為20臺(tái)。在海側(cè)配置4臺(tái)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(dòng)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(kāi)始逐步增大到130自然箱/h；通過(guò)5組實(shí)驗(yàn)案例測(cè)試得出最大路口通過(guò)能力和交通堵塞情況。

4.1 道路使用策略分析

針對(duì)不同道路使用策略(堆場(chǎng)道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時(shí)轉(zhuǎn)彎策略和堆場(chǎng)道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時(shí)轉(zhuǎn)彎策略)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出路口的通過(guò)能力并分析跨運(yùn)車的堵塞時(shí)間和堵塞率。由于本文僅研究路口交通，所以堵塞時(shí)間的統(tǒng)計(jì)僅包含從跨運(yùn)車離開(kāi)岸橋到進(jìn)入堆場(chǎng)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(kāi)始運(yùn)輸集裝箱到堆場(chǎng)內(nèi)再返回到原岸橋下裝卸點(diǎn)的整個(gè)循環(huán)里其中處于堵塞狀態(tài)的時(shí)間占比。

(1)單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時(shí)轉(zhuǎn)彎。

在單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時(shí)轉(zhuǎn)彎情況下，進(jìn)口最大通過(guò)能力為113.28輛/h，出口最大通過(guò)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(shí)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(shí),路口能力也趨于飽和狀態(tài)，此時(shí)堵塞時(shí)間達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定，路口通過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過(guò)能力Fig.7 Crossing-road capacity when straddles carriers can take turns at same time圖8 可同時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)彎。

在單進(jìn)單出，進(jìn)出道不可同時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)，進(jìn)口最大通過(guò)能力為102.92輛/h，出口最大通過(guò)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(shí)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(shí), 路口能力也趨于飽和狀態(tài)，堵塞時(shí)間達(dá)到峰值趨于穩(wěn)定。路口通過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)彎策略下的路口通過(guò)能力Fig.9 Crossing-road capacity when straddle carriers cannot take turns at same time圖10 不可同時(shí)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(guò)以上仿真結(jié)果對(duì)比可得，路口可同時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過(guò)能力要高于不能同時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)的通過(guò)能力。通過(guò)該對(duì)比結(jié)果說(shuō)明路口車道布置是否能滿足車輛同時(shí)轉(zhuǎn)彎對(duì)路口通過(guò)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(duì)于路口通過(guò)能力的影響。道路使用策略采用堆場(chǎng)道路單進(jìn)單出，進(jìn)出道可同時(shí)轉(zhuǎn)彎策略[11]。通過(guò)對(duì)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(guò)能力也隨之下降。

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

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

5 結(jié)論與建議

通過(guò)仿真分析[12]，當(dāng)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場(chǎng)采用單進(jìn)單出且同時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)，路口的最大通過(guò)能力為113輛/h；當(dāng)跨運(yùn)車進(jìn)出堆場(chǎng)采用單進(jìn)單出且不能同時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí)，路口的最大通過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)彎)及轉(zhuǎn)彎車速對(duì)路口通過(guò)能力都有影響；對(duì)于進(jìn)出堆場(chǎng)路口的布局應(yīng)盡量滿足可同時(shí)轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出的要求從而使路口通過(guò)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(shí)的路徑交叉避讓影響，當(dāng)堆場(chǎng)海側(cè)作業(yè)繁忙時(shí)，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(chǎng)設(shè)備裝卸船作業(yè)需求。這時(shí)需要對(duì)路口車流量進(jìn)行擴(kuò)容來(lái)滿足需求；以下幾種方式可以對(duì)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(wú)法同時(shí)轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出時(shí)，可以提高跨運(yùn)車的單機(jī)性能比如轉(zhuǎn)彎速度來(lái)提高路口通過(guò)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(shí)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(shí)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(guò)增加車道數(shù)量來(lái)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(chǎng)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(duì)水平運(yùn)輸交通的影響是正面的，然而對(duì)集裝箱堆場(chǎng)容量的影響是負(fù)面的。