宓為建+楊小明+舒帆

天津港自動化集裝箱碼頭關鍵技術研究團隊在分析國際上已有自動化集裝箱碼頭方案特點的基礎上，結合效率和能耗情況，提出新型梭車式堆場裝卸工藝方案。本文對該方案進行仿真分析，以論證其可行性。

1 仿真模型建立

1.1 仿真系統(tǒng)基本模塊組成

以盡可能反映實際生產情況為開發(fā)原則，按照參數化設計思想建立自動化集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)。如圖1所示，仿真系統(tǒng)主要包括仿真輸入、生產控制、仿真驅動、仿真評價四大模塊。

圖1 仿真系統(tǒng)架構

1.1.1 仿真輸入模塊

仿真輸入模塊的主要功能是對仿真系統(tǒng)進行定義，主要涉及以下3個方面內容。（1）碼頭平面布局定義。碼頭平面布局的主要參數有箱區(qū)大小、箱區(qū)方向、道路設置、岸橋及場橋軌道設置、岸邊樁位設置等。（2）設備配置定義。設備配置定義包括岸橋、場橋、跨運車和梭車數量確定及其參數設置。設備參數主要有：跨運車在各種工況下的運行速度、提放集裝箱時間；岸橋在空載及重載情況下的平均作業(yè)時間、水平移動速度和加速度；場橋作業(yè)高度、水平移動速度和加速度、 吊具在空載及重載情況下的起升速度及加速度；梭車在不同載荷情況下的水平運輸速度。（3）概率分布定義。概率分布定義主要包括：船舶到達時間分布模型確定；外集卡提箱和集港到達時間分布模型確定；各類型船舶到達概率分布模型確定；各類型船舶裝卸箱量概率分布模型確定。

1.1.2 生產控制模塊

生產控制模塊的主要功能是制訂碼頭作業(yè)計劃以及發(fā)布和執(zhí)行作業(yè)任務。該模塊主要涉及以下幾個方面內容：（1）靠泊計劃，即確定船舶計劃靠泊泊位、計劃靠泊時間、預計離泊時間、各類型船舶裝卸箱量和計劃開工路數等；（2）裝卸計劃，主要包括進出口箱裝卸箱區(qū)策劃及自動選位，中轉箱裝卸箱區(qū)策劃及自動選位，疏港、裝船提箱計劃；（3）任務發(fā)布，包括跨運車、場橋和梭車的作業(yè)任務發(fā)布；（4）設備調度，包括岸橋、場橋、跨運車和梭車的作業(yè)調度；（5）路徑選擇，即為跨運車確定最優(yōu)作業(yè)路徑；（6）設備作業(yè)，包括對岸橋、場橋、跨運車水平移動和起升作業(yè)的控制以及對梭車水平移動的控制等。

1.1.3 仿真驅動模塊

仿真驅動模塊的主要功能是根據設定的仿真步長，推動仿真過程中各類事件的發(fā)生。該模塊主要涉及以下3個方面內容：（1）推進步長，涉及船舶預報、船舶到達、岸橋和場橋水平移動和外集卡到達，并根據事件發(fā)生頻率分為，，和；（2）船舶到達，即在仿真時間跳過間隔步長時，按照相關概率分布生成船舶實體及船舶裝卸箱量等；（3）外集卡到達，即在仿真時間跳過間隔步長時，按照相關概率分布生成外集卡實體及外集卡提送集裝箱信息等。

1.1.4 仿真評價模塊

仿真評價模塊可以在設定的時間或事件范圍內，對事件的仿真結果進行統(tǒng)計分析，并輸出系統(tǒng)評價結果。該模塊涉及以下幾個方面內容：（1）評價碼頭整體作業(yè)能力，輸出碼頭在特定時間范圍內的集裝箱吞吐量；（2）評價碼頭服務水平，如船舶作業(yè)時間、外集卡平均在場時間等；（3）評價碼頭設備作業(yè)效率，包括岸橋、場橋、跨運車和梭車的作業(yè)效率；（4）評價碼頭能耗，包括碼頭在一段時間內的總體能耗情況以及相關設備平均能耗情況；（5）比較在不同設備配置情況下的碼頭整體作業(yè)情況；（6）評價在不同碼頭布局及設備配置情況下的水平運輸設備排隊擁堵情況。

1.2 仿真模型構建

1.2.1 碼頭總體布局

天津港自動化集裝箱碼頭設計岸線長，可同時靠泊1艘10萬噸級集裝箱船及1艘7萬噸級集裝箱船。岸邊配置8臺雙小車岸橋，裝卸船舶時每臺岸橋配置2～3輛跨運車，跨運車在碼頭前沿作業(yè)時可自由超車。碼頭前沿布置8條寬4.1 m的裝卸作業(yè)車道、6條寬的快速車道。

碼頭有14個垂直于岸線的自動化作業(yè)箱區(qū)，長，每個箱區(qū)布置10排箱位，共72個貝位。同時，每個箱區(qū)內配置2臺自動化軌道式集裝箱龍門起重機（Automated Rail-Mounted Container Gantry Crane，ARMG）、1臺用于后方提箱和集港的固定吊和2條梭車軌道。每條梭車軌道上配置1輛梭車及3個轉承平臺（箱區(qū)端部2個，尾部1個）。每個箱區(qū)端部預留3個40英尺集裝箱裝卸作業(yè)箱位。

碼頭后方配置6條寬6 m的車道，其中，靠近箱區(qū)的4條車道主要用于外集卡倒車及等待，另外2條為快速同行車道。碼頭后方設置9個進港閘口和4個出港閘口。

1.2.2 船舶及外集卡到達規(guī)律

通過分析天津港近年船舶到達比例情況并綜合考慮未來船舶大型化趨勢，假設各船型到達比例及平均裝卸量如表1所示，由此計算出平均單艘船舶裝卸量期望值為。

表1 各船型到達比例及平均裝卸量

根據設計年集裝箱吞吐量可計算出年平均到達船舶艘次為881.19艘；根據碼頭年作業(yè)天數，可計算出船舶平均到達間隔時間為。

負指數分布適用于排隊系統(tǒng)中服務對象的到達間隔時間。假設船舶到達時間間隔規(guī)律服從均值 為9.39 h的負指數分布，即

f （x）=exp

外集卡到達時間服從三角形分布，即

f （x）=

外集卡集港時間從船舶到達前96 h開始至船舶到達前結束，集港高峰期在船舶到達前，因此，a= 96 h，b= 33 h，c= 12 h。外集卡提箱時間從船舶離港后開始至船舶離港后第10天結束，提箱高峰期在船舶離港后第4天，因此，a=0 d，b=4 d，c=10 d。

2 仿真流程分析

2.1 卸船作業(yè)流程

卸船任務指令發(fā)布后，岸橋將集裝箱卸至裝卸車道，跨運車自動尋找作業(yè)任務。在確定作業(yè)任務及裝卸車道后，跨運車通過快速車道駛近裝卸點，逐漸并入裝卸車道取箱。取箱后，跨運車以運行距離最短原則行駛至目的箱區(qū)端部。若目的箱位靠近箱區(qū)端部，則跨運車直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉區(qū)；若目的箱位遠離箱區(qū)端部，則需要預約梭車道端部轉承平臺，待有可用轉承平臺后將集裝箱卸至該平臺，繼續(xù)尋找下一任務。

梭車在接到卸船任務指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務指定集裝箱已經在轉承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務指定集裝箱未到轉承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務指令后，判斷是否已經在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋將集裝箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉區(qū)；若目的貝位遠離箱區(qū)端部，則場橋將集裝箱卸至在接到裝船任務指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉承平臺。

跨運車在接到裝船任務指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉區(qū)或梭車道端部轉承平臺，并且無設備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋將集裝箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設備之間的相互配合、轉承平臺的預約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉承平臺。梭車在接到集港任務指令后，行駛至梭車道尾部轉承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務指令后移動到目的貝位，提取目標集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉承平臺，固定吊負責將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設備配置方案用數字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示?？梢姡?5-2-300-120”配置方案可以實現32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設備作業(yè)具有一定的靈活性：當設備故障導致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設備調配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）?？梢姡寒斣试S抽調后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數量最少的運輸設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數量的場內設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋對應2個箱區(qū)，因此場內作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導致場內大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負擔。

3.4.2 自動導引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導引車裝卸工藝實現碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設備配置參數，即岸橋設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導引車的直線行走最高速度為/s，轉彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結果見表5。可見，水平運輸設備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

梭車在接到卸船任務指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務指定集裝箱已經在轉承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務指定集裝箱未到轉承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務指令后，判斷是否已經在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋將集裝箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉區(qū)；若目的貝位遠離箱區(qū)端部，則場橋將集裝箱卸至在接到裝船任務指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉承平臺。

跨運車在接到裝船任務指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉區(qū)或梭車道端部轉承平臺，并且無設備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋將集裝箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設備之間的相互配合、轉承平臺的預約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉承平臺。梭車在接到集港任務指令后，行駛至梭車道尾部轉承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務指令后移動到目的貝位，提取目標集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉承平臺，固定吊負責將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設備配置方案用數字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示。可見，“35-2-300-120”配置方案可以實現32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設備作業(yè)具有一定的靈活性：當設備故障導致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設備調配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）?？梢姡寒斣试S抽調后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數量最少的運輸設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數量的場內設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋對應2個箱區(qū)，因此場內作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導致場內大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負擔。

3.4.2 自動導引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導引車裝卸工藝實現碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設備配置參數，即岸橋設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導引車的直線行走最高速度為/s，轉彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結果見表5?？梢?，水平運輸設備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

梭車在接到卸船任務指令后，行駛至箱區(qū)端部：若任務指定集裝箱已經在轉承平臺，則直接取箱至目的箱位；若任務指定集裝箱未到轉承平臺，則原地等待。

場橋在接到卸船任務指令后，判斷是否已經在目的貝位，如果不在則移動至目的貝位等待梭車。梭車運送集裝箱至目的貝位后，場橋將集裝箱卸至目的箱位。

2.2 裝船作業(yè)流程

裝船任務指令發(fā)布后，場橋移動至目的貝位后從箱區(qū)提取集裝箱。若目的貝位靠近箱區(qū)端部，則場橋直接將集裝箱卸至箱區(qū)端部中轉區(qū)；若目的貝位遠離箱區(qū)端部，則場橋將集裝箱卸至在接到裝船任務指令后行駛至目的貝位的梭車，由梭車將集裝箱送至梭車道端部轉承平臺。

跨運車在接到裝船任務指令后，按照運行距離最短原則行駛至箱區(qū)端部取箱。若集裝箱在箱區(qū)端部中轉區(qū)或梭車道端部轉承平臺，并且無設備干擾，則跨運車進入集裝箱堆放位置取箱至岸橋裝卸點。

集裝箱被送至岸橋裝卸點后，岸橋將集裝箱裝至船舶貝位。在裝船作業(yè)過程中，設備之間的相互配合、轉承平臺的預約及箱區(qū)端部作業(yè)安全的控制較為復雜。

2.3 集港作業(yè)流程

外集卡通過碼頭閘口后，進入快速車道；當靠近目的箱區(qū)時，外集卡逐漸從快速車道并入指定倒車車道，并繼續(xù)前進至目的箱區(qū)；預約裝卸點后，外集卡倒車進入裝卸區(qū)，等待固定吊取箱。

外集卡停穩(wěn)后，固定吊將集裝箱卸至梭車道尾部轉承平臺。梭車在接到集港任務指令后，行駛至梭車道尾部轉承平臺取箱，并將集裝箱送至目的貝位。場橋在梭車到達目的貝位后將集裝箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作業(yè)流程

外集卡在提箱作業(yè)中的流程與集港作業(yè)類似，其到達裝卸區(qū)后等待固定吊放箱。

場橋在接到提箱任務指令后移動到目的貝位，提取目標集裝箱至梭車。梭車將集裝箱運至轉承平臺，固定吊負責將其放到外集卡上。

外集卡若還要取第二個集裝箱，則繼續(xù)行駛至下一目的箱區(qū)；否則，外集卡離開裝卸區(qū)，并道至快速車道離開碼頭。

3 仿真輸出分析

3.1 裝卸船作業(yè)能力

岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率如圖2所示。設備配置方案用數字簡化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸橋單機設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配備2輛跨運車，梭車最高速度為，場橋大車最高速度為。

圖2 不同設備配置方案下裝卸船時的岸橋作業(yè)效率

卸船作業(yè)發(fā)箱簡單，易均衡安排作業(yè)，而裝船作業(yè)發(fā)箱難度大，作業(yè)難以均衡；因此，卸船作業(yè)效率高于裝船作業(yè)效率。仿真分析表明，通過增加水平運輸能力及場地，可以提高裝船作業(yè)效率，但對卸船作業(yè)效率的提升效果有限。

3.2 系統(tǒng)總體裝卸能力

碼頭整體裝卸能力可以用岸橋作業(yè)效率來衡量，不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率如圖3所示?？梢?，“35-2-300-120”配置方案可以實現32.52次/h的岸橋作業(yè)效率，即使考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素后，岸橋作業(yè)效率下降為29.27次/h，其也高于當前天津港人工碼頭28.00次/h的平均水平。提高岸橋單機作業(yè)能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以實現的岸橋作業(yè)效率為34.55次/h。若考慮實際作業(yè)中的翻箱作業(yè)因素，換算為自然箱的岸橋作業(yè)效率為40.42自然箱/h，達到目前國際先進自動化集裝箱碼頭的水平（約40自然箱/h）。

圖3 不同設備配置方案下的岸橋作業(yè)效率

3.3 極限作業(yè)能力

3.3.1 整體極限作業(yè)能力

從碼頭整體作業(yè)角度看，場地設備作業(yè)具有一定的靈活性：當設備故障導致船舶裝卸作業(yè)延誤或進行大型船舶裝卸作業(yè)時，需要暫停部分箱區(qū)的提箱、集港作業(yè)，以集中碼頭作業(yè)能力保障船舶按時離港。鑒于此，有必要分析在將大部分或全部設備調配至岸邊進行裝卸作業(yè)情況下的碼頭整體作業(yè)效率。

在每臺岸橋配置2輛跨運車、梭車速度為/min和場橋大車速度為/min的條件下，設計3組特殊作業(yè)方案（見表2），并仿真得到不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率（見表3）。可見：當允許抽調后方另一輛梭車進行作業(yè)時，可將岸橋裝船效率提高4.93次/h，此時岸橋平均裝卸效率為37.28次/h；若暫停后方場地作業(yè)，則可將岸橋平均裝卸效率提高至39.07次/h。

表2 3組特殊作業(yè)方案

表3 不同作業(yè)方案下的岸橋裝卸效率次/h

3.3.2 水平運輸環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析水平運輸環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及場內設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備數量最少的運輸設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置2輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為38.57次/h，裝船效率為35.86次/h，卸船效率為42.81次/h。由于1臺岸橋配置2輛跨運車，因此水平運輸環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每輛跨運車21.40次/h。

3.3.3 場內作業(yè)環(huán)節(jié)極限作業(yè)能力

為分析場內作業(yè)環(huán)節(jié)的極限作業(yè)能力，將岸橋及水平運輸設備的作業(yè)能力提高到最高水平，同時配備推薦數量的場內設備，即岸橋設計作業(yè)能力為45次/h，每臺岸橋配置3輛跨運車，梭車速度為，場橋大車速度為/min。在此情況下，岸橋平均裝卸效率為36.10次/h，裝船效率為33.33次/h，卸船效率為40.53次/h。由于1臺岸橋對應2個箱區(qū)，因此場內作業(yè)環(huán)節(jié)的最高作業(yè)能力約為每箱區(qū)（1條梭車道和1臺場橋）18.05次/h。

3.4 其他堆場裝卸工藝

3.4.1 無梭車裝卸工藝

現有自動化集裝箱碼頭均未采用梭車式裝卸工藝。通常一個箱區(qū)的長度在左右，配置2臺ARMG，用于堆場集裝箱水平運輸。該工藝在導致場內大量翻箱作業(yè)的同時，還會影響碼頭整體裝卸能力，而且ARMG頻繁帶箱移動會增加能耗。

為深入分析梭車式裝卸工藝與無梭車裝卸工藝之間的差異，對下列特殊工況進行仿真分析。工況1：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況2：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。工況3：無梭車，裝卸集裝箱堆存在箱區(qū)前位置。其他配置與“40-2-300-120”配置方案相同。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同工況下的碼頭裝卸效率

由圖4可知，在無梭車且場橋大車速度為/min的情況下，即使所有裝卸集裝箱均堆存在箱區(qū)前，碼頭裝卸效率也只達到27.13次/h，仍然低于有梭車且場橋大車速度為/min時的裝卸效率。隨著集裝箱堆存位置離岸邊距離的增加，在沒有預先翻箱作業(yè)的情況下，碼頭裝卸效率下降。因此，要實現較高的碼頭裝卸效率必須進行大量翻箱作業(yè)，而這對比較繁忙的集裝箱碼頭來說，必然是難以承受的工作負擔。

3.4.2 自動導引車裝卸工藝

帶自升降功能自動導引車裝卸工藝實現碼頭在水平運輸環(huán)節(jié)的全自動化，且碼頭整體作業(yè)能力不低于傳統(tǒng)人工碼頭。為分析其作業(yè)能力，首先使用跨運車裝卸工藝的設備配置參數，即岸橋設計作業(yè)能力為40次/h，每臺岸橋配置2輛帶自升降功能自動導引車，其空載速度為/h，重載速度為/h，梭車速度為/min，場橋大車速度為/min。由表4可見，在相同設備配置的情況下，跨運車裝卸工藝僅在卸船效率方面略高于帶自升降功能自動導引車裝卸工藝。

表4 帶自升降功能自動導引車裝卸工藝與跨運車裝卸工藝

的裝卸效率比較次/h

目前，帶自升降功能自動導引車的直線行走最高速度為/s，轉彎最高速度為/s。為分析帶自升降功能自動導引車行駛速度的變化對碼頭整體裝卸能力的影響，在4種特殊工況下進行仿真分析，仿真結果見表5。可見，水平運輸設備的行駛速度對碼頭整體作業(yè)能力的影響較小，隨著速度的降低，僅卸船效率略微下降。

表5 帶自升降功能自動導引車不同行駛速度下的裝卸效率

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）