安國利+舒帆

集裝箱碼頭是承載貨物裝卸的重要節(jié)點，在世界貿易量劇增的推動下，世界各國集裝箱碼頭快速發(fā)展。隨著人力資源日益匱乏，集裝箱碼頭向自動化方向發(fā)展，自動化集裝箱碼頭作業(yè)工藝規(guī)劃和設計成為業(yè)界研究重點。本文在分析現有自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)工藝特點的基礎上，提出新型梭車式自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)工藝，并通過仿真模型的建立和分析，論證新工藝的可行性。

1 自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)工藝發(fā)展現狀

1.1 自動化軌道吊交接方案

自動化集裝箱碼頭通常依靠裝卸設備的聯動實現堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)，其典型堆場的作業(yè)工藝原理與傳統集裝箱碼頭堆場的作業(yè)工藝原理相似，一般通過配置自動化軌道吊來實現集裝箱裝卸作業(yè)。按照自動化軌道吊的布置特點，該工藝方案可分為穿越式自動化軌道吊工藝方案和對等式自動化軌道吊工藝方案。

穿越式自動化軌道吊工藝方案依靠一大一小2臺軌道吊在一定條件下開展穿越式作業(yè)，以保證每塊場地有2臺軌道吊可以同時進行裝卸船和集疏港作業(yè)，從而提升堆場海側和陸側裝卸作業(yè)能力。在這種工藝方案下，只有當大尺寸自動化軌道吊吊具位于軌道最右側時，才能完成與小尺寸自動化軌道吊的穿越作業(yè)。這需要碼頭系統具有復雜的任務控制能力，尤其是調度控制系統的優(yōu)劣對該工藝方案下穿越作業(yè)優(yōu)勢的體現影響較大。

在對等式自動化軌道吊工藝方案下，同一箱區(qū)布置2臺同等大小的軌道吊，海側自動化軌道吊以完成海側裝卸船作業(yè)為主，陸側自動化軌道吊以完成陸側集疏港作業(yè)為主。海側自動化軌道吊將集裝箱優(yōu)先卸至堆場海側，然后將其轉到堆場陸側，由陸側自動化軌道吊完成提箱作業(yè)。堆場堆存策略對該作業(yè)工藝效率影響較大。PARK等[1]針對自動化碼頭進場集裝箱進行堆存策略研究，以跨運車和雙自動堆箱設備典型工藝為基礎提出在線搜索算法，動態(tài)計算堆存策略的變量值，從而實現對堆存策略的動態(tài)調整和優(yōu)化。仿真結果表明，與傳統離線式優(yōu)化方法相比，該算法有利于提高堆場作業(yè)效率。

上述兩種堆場作業(yè)工藝方案的共同點是均采用自動化軌道吊完成堆場集裝箱水平運輸和裝卸作業(yè)。兩種工藝方案的不同之處在于：在穿越式自動化軌道吊方案下，自動化軌道吊可以全堆場行走，這對2臺自動化軌道吊的匹配方式要求較高；在對等式自動化軌道吊工藝方案下，2臺自動化軌道吊的作業(yè)任務各有側重，有明顯的堆場海陸側作業(yè)分工，在海陸側任務交互時常常導致堆場翻箱作業(yè)，從而使堆場作業(yè)效率降低。由此可見，穿越式自動化軌道吊工藝方案與對等式自動化軌道吊工藝方案相比，前者的碼頭前沿作業(yè)效率高于后者，而其堆場作業(yè)效率略低于后者（見表1）。[2]

表1 穿越式自動化軌道吊工藝方案與對等式自動化軌道吊工藝方案的比較

1.2 立體軌道式分配系統工藝方案

由上海振華港口機械股份有限公司（以下簡稱振華港機）研發(fā)的立體軌道式分配系統由低架橋結構件、起重小車、低架橋平板車和地面平板車等構成。[3]起重小車負責低架橋平板車與地面平板車間的集裝箱轉運，并具有90€白蜆δ埽壞圖芮牌槳宄蹈涸鳶肚龐肫鷸匭〕導淶募跋渥耍壞孛嫫槳宄蹈涸鸞跋湓慫偷蕉殉∧諶我恢付ㄎ恢謾F槳宄悼剎捎萌緦η9斕郎璞竿ü捎么懦叩認執(zhí)侄問迪值畝ㄎ瘓齲笨墑迪鐘行П苷弦約敖艏鼻榭魷碌慕敉2僮鰲S捎詿死喙ひ輾槳感枰諑臚非把毓菇ǜ招粵⑻迨焦斕潰孀怕臚凡次壞睦┙ǎ⑻迨焦斕賴姆峙浣夏咽迪鄭虼耍臚非把氐牟賈瞇問皆諍艽蟪潭壬嫌跋熗肆⑻騫斕朗椒峙湎低車撓τ謾？

立體軌道式分配系統工藝方案的優(yōu)點在于：堆場軌道吊無須帶箱長距離行走，從而降低對軌道吊各類技術參數的要求；設備以較為固化的模式展開交叉作業(yè)，提高運行的可靠性。此工藝方案的缺點是投資較高且擴展性較低，導致其推廣應用的難度較大。在此基礎上，林浩等[4]提出高架式立體軌道分配系統。目前，上海長興島基地建成自動化集裝箱碼頭立體軌道式分配系統示范線，但尚未投入商業(yè)運營。近期，振華港機提出在碼頭岸邊布置分層式軌道，以解決系統擴展性問題，其有效性有待進一步驗證。

1.3 跨運車進場工藝方案

跨運車進場工藝方案以澳大利亞布里斯班港的Patrick碼頭為代表，其采用跨運車進行碼頭岸邊集裝箱水平運輸及堆場集裝箱裝卸和水平運輸，適用于集裝箱堆高層數較少的場地。跨運車路徑優(yōu)化是此類工藝方案研究較集中的領域。SKINNER等[5]針對該工藝研究跨運車使用率最低的方法，以集裝箱裝卸轉運總成本最小為目標建立模型，采用雙種群遺傳算法求解生成作業(yè)序列。YUAN Shuai等[6]針對該工藝提出工作組方法，考慮在有限的碼頭空間使用更多跨運車，同時全面考慮集裝箱堆碼高度、堆存順序、箱門方向及跨運車加減速等實際難點，并通過建立數學模型加以分析，以證明該工藝方案是有效的；但將該工藝方案應用于我國自動化集裝箱碼頭的可能性較小。

2 新型梭車式自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)工藝設計

2.1 方案設計背景

自動化軌道吊是自動化集裝箱碼頭的主流堆場裝卸設備。穿越式自動化軌道吊工藝方案的應用局限性較大，實現穿越作業(yè)的條件較為嚴苛，從而使系統控制難度較大；相比之下，對等式自動化軌道吊工藝方案的應用范圍較廣，但由于自動化軌道吊需要帶箱長距離高速行走，電氣系統裝機容量較大，能耗較高。這表明自動化軌道吊在堆場集裝箱水平運輸方面存在一定缺陷。若堆場配置1臺自動化軌道吊，使其同時進行裝卸船和集疏港作業(yè)，則由于其需要帶箱長距離行走，導致作業(yè)耗時較長且能耗較高，往往無法滿足碼頭對堆場設備裝卸能力的要求；若堆場配置多臺自動化軌道吊，則由于其不能交叉作業(yè)，集裝箱往往需要多次轉運才能到達指定箱位，導致堆場翻箱率較高?？紤]到自動化軌道吊帶箱行走距離以及集裝箱轉運次數，為保證堆場集裝箱作業(yè)效率，箱區(qū)長度一般限制在以內。

為彌補對等式自動化軌道吊在堆場集裝箱水平運輸方面的缺陷，在現有自動化軌道吊工藝的基礎上，引入立體軌道式分配系統工藝的思路，開發(fā)出新型梭車（地面軌道式小車）式自動化集裝箱碼頭堆場作業(yè)工藝，將堆場作業(yè)分為水平運輸作業(yè)和裝卸作業(yè)，水平運輸作業(yè)由梭車完成，裝卸作業(yè)由自動化軌道吊完成。

新型梭車式工藝的優(yōu)點在于：梭車替代自動化軌道吊帶箱長距離行走，適用于箱區(qū)較長堆場集裝箱作業(yè)要求，有利于碼頭擴展堆存空間，降低作業(yè)能耗；梭車的引入使集裝箱場地位置計劃的靈活性增強，集裝箱可以一次性到達指定位置，有效降低堆場整體翻箱率；對自動化軌道吊帶箱行走速度的要求降低，減少“啃軌”次數，提高設備運行穩(wěn)定性；自動化軌道吊的建造成本降低。由表2可見，與對等式自動化軌道吊工藝方案相比，新型梭車式工藝方案在設備成本和水平運輸能耗方面均具有一定優(yōu)勢。

表2 新型梭車式工藝方案與對等式自動化軌道吊工藝方案的成本和能耗比較

2.2 方案設計

新型梭車式工藝方案的設計重點包括梭車與自動化軌道吊的配比、梭車道的設計以及梭車與海陸側水平運輸設備的交接等。根據堆場配置的梭車道數量，梭車式工藝方案可以分成雙梭車雙自動化軌道吊方案和單梭車雙自動化軌道吊方案；堆場海陸側水平運輸設備與梭車的交接作業(yè)可以利用轉承平臺來實現，也可以直接與梭車進行交接作業(yè)；軌道內部可以設中轉平臺，以實現2輛梭車間的轉接作業(yè)，也可以不設中轉平臺，采用單梭車作業(yè)（見表3）。

表3 新型梭車式工藝方案的分類

“中轉平臺+雙梭車”方案的優(yōu)點在于：1條梭車道上可以同時進行2個任務，作業(yè)不會因1輛梭車發(fā)生故障而完全中斷。該方案的缺點在于：轉承平臺及2輛梭車同時作業(yè)容易導致設備間的流向沖突；單條梭車道只能選擇同流向作業(yè)，影響箱區(qū)總體作業(yè)效率；為協調中轉平臺的作業(yè)任務，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統的設計復雜且成本較高；設備的投資和維護成本較高；裝卸船作業(yè)時，陸側自動化軌道吊的任務集裝箱須經轉承平臺中轉，單次中轉耗時約，導致陸側自動化軌道吊的作業(yè)效率較低。

單梭車方案的優(yōu)點在于：梭車道上沒有其他設備作業(yè)，梭車可以在任意時間選擇任意流向作業(yè)任務；后方自動化軌道吊裝卸船作業(yè)無須在中轉平臺進行交接，有利于提高作業(yè)效率；前后2臺自動化軌道吊的作業(yè)效率均衡，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統設計簡單，設備投資及維護成本較低。該方案的缺點在于：由于只有1輛梭車，導致梭車任務繁忙，若梭車因故障停運，將嚴重影響碼頭正常作業(yè)。

2.3 方案仿真模型分析

本文選擇雙梭車道、梭車直接交接作業(yè)以及單梭車的組合方案（簡稱雙軌單車直接式方案）進行分析。利用仿真軟件建立所選方案的仿真模型，在堆場外側布置2條梭車道，軌道內部不設中轉平臺，軌道端部不設轉承平臺（見圖1）。假設：海側自動化軌道吊進行卸船和提箱作業(yè)，陸側自動化軌道吊進行集港和裝船作業(yè)；一條梭車道進行裝卸船作業(yè)，另一條梭車道進行集疏港作業(yè)。在該假設條件下，測定雙軌單車直接式方案下的堆場海側、陸側作業(yè)能力。通過仿真分析，在跨運車完全滿足岸邊裝卸效率，梭車速度/min，自動化軌道吊大車速度/min的條件下，堆場海側作業(yè)能力達19自然箱/h，陸側作業(yè)能力達15自然箱/h。

圖1 雙軌單車直接式方案仿真模型

參考文獻：

[1] PARK T， CHOE R， KIM Y H， et al. Dynamic adjustment of container stacking policy in an automated container terminal[J]. Int J Production Econ， 2011， 133（1）：385-392.

[2] 彭傳圣. 漢堡港的自動化集裝箱碼頭[J]. 集裝箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吳富生，葉軍. 立體軌道式自動化碼頭設備調度策略仿真分析[J]. 起重運輸機械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤華. 新型集裝箱自動化碼頭裝卸工藝方案探討[J]. 水運工程，2008（10）：30-34.

[5] SKINNER B， YUAN Shuai， HUANG Shoudong， et al. Optimi-sation for job scheduling at automated container terminals using genetic algorithm[J]. Computers & Ind Eng， 2013， 64（1）：511-523.

[6] YUAN Shuai， SKINNER B， HUANG Shoudong， et al. A job grouping approach for planning container transfers at auto-mated seaport container terminals[J]. Adv Eng Informatics， 2011， 25（3）：413-426.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）

新型梭車式工藝的優(yōu)點在于：梭車替代自動化軌道吊帶箱長距離行走，適用于箱區(qū)較長堆場集裝箱作業(yè)要求，有利于碼頭擴展堆存空間，降低作業(yè)能耗；梭車的引入使集裝箱場地位置計劃的靈活性增強，集裝箱可以一次性到達指定位置，有效降低堆場整體翻箱率；對自動化軌道吊帶箱行走速度的要求降低，減少“啃軌”次數，提高設備運行穩(wěn)定性；自動化軌道吊的建造成本降低。由表2可見，與對等式自動化軌道吊工藝方案相比，新型梭車式工藝方案在設備成本和水平運輸能耗方面均具有一定優(yōu)勢。

表2 新型梭車式工藝方案與對等式自動化軌道吊工藝方案的成本和能耗比較

2.2 方案設計

新型梭車式工藝方案的設計重點包括梭車與自動化軌道吊的配比、梭車道的設計以及梭車與海陸側水平運輸設備的交接等。根據堆場配置的梭車道數量，梭車式工藝方案可以分成雙梭車雙自動化軌道吊方案和單梭車雙自動化軌道吊方案；堆場海陸側水平運輸設備與梭車的交接作業(yè)可以利用轉承平臺來實現，也可以直接與梭車進行交接作業(yè)；軌道內部可以設中轉平臺，以實現2輛梭車間的轉接作業(yè)，也可以不設中轉平臺，采用單梭車作業(yè)（見表3）。

表3 新型梭車式工藝方案的分類

“中轉平臺+雙梭車”方案的優(yōu)點在于：1條梭車道上可以同時進行2個任務，作業(yè)不會因1輛梭車發(fā)生故障而完全中斷。該方案的缺點在于：轉承平臺及2輛梭車同時作業(yè)容易導致設備間的流向沖突；單條梭車道只能選擇同流向作業(yè)，影響箱區(qū)總體作業(yè)效率；為協調中轉平臺的作業(yè)任務，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統的設計復雜且成本較高；設備的投資和維護成本較高；裝卸船作業(yè)時，陸側自動化軌道吊的任務集裝箱須經轉承平臺中轉，單次中轉耗時約，導致陸側自動化軌道吊的作業(yè)效率較低。

單梭車方案的優(yōu)點在于：梭車道上沒有其他設備作業(yè)，梭車可以在任意時間選擇任意流向作業(yè)任務；后方自動化軌道吊裝卸船作業(yè)無須在中轉平臺進行交接，有利于提高作業(yè)效率；前后2臺自動化軌道吊的作業(yè)效率均衡，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統設計簡單，設備投資及維護成本較低。該方案的缺點在于：由于只有1輛梭車，導致梭車任務繁忙，若梭車因故障停運，將嚴重影響碼頭正常作業(yè)。

2.3 方案仿真模型分析

本文選擇雙梭車道、梭車直接交接作業(yè)以及單梭車的組合方案（簡稱雙軌單車直接式方案）進行分析。利用仿真軟件建立所選方案的仿真模型，在堆場外側布置2條梭車道，軌道內部不設中轉平臺，軌道端部不設轉承平臺（見圖1）。假設：海側自動化軌道吊進行卸船和提箱作業(yè)，陸側自動化軌道吊進行集港和裝船作業(yè)；一條梭車道進行裝卸船作業(yè)，另一條梭車道進行集疏港作業(yè)。在該假設條件下，測定雙軌單車直接式方案下的堆場海側、陸側作業(yè)能力。通過仿真分析，在跨運車完全滿足岸邊裝卸效率，梭車速度/min，自動化軌道吊大車速度/min的條件下，堆場海側作業(yè)能力達19自然箱/h，陸側作業(yè)能力達15自然箱/h。

圖1 雙軌單車直接式方案仿真模型

參考文獻：

[1] PARK T， CHOE R， KIM Y H， et al. Dynamic adjustment of container stacking policy in an automated container terminal[J]. Int J Production Econ， 2011， 133（1）：385-392.

[2] 彭傳圣. 漢堡港的自動化集裝箱碼頭[J]. 集裝箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吳富生，葉軍. 立體軌道式自動化碼頭設備調度策略仿真分析[J]. 起重運輸機械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤華. 新型集裝箱自動化碼頭裝卸工藝方案探討[J]. 水運工程，2008（10）：30-34.

[5] SKINNER B， YUAN Shuai， HUANG Shoudong， et al. Optimi-sation for job scheduling at automated container terminals using genetic algorithm[J]. Computers & Ind Eng， 2013， 64（1）：511-523.

[6] YUAN Shuai， SKINNER B， HUANG Shoudong， et al. A job grouping approach for planning container transfers at auto-mated seaport container terminals[J]. Adv Eng Informatics， 2011， 25（3）：413-426.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）

新型梭車式工藝的優(yōu)點在于：梭車替代自動化軌道吊帶箱長距離行走，適用于箱區(qū)較長堆場集裝箱作業(yè)要求，有利于碼頭擴展堆存空間，降低作業(yè)能耗；梭車的引入使集裝箱場地位置計劃的靈活性增強，集裝箱可以一次性到達指定位置，有效降低堆場整體翻箱率；對自動化軌道吊帶箱行走速度的要求降低，減少“啃軌”次數，提高設備運行穩(wěn)定性；自動化軌道吊的建造成本降低。由表2可見，與對等式自動化軌道吊工藝方案相比，新型梭車式工藝方案在設備成本和水平運輸能耗方面均具有一定優(yōu)勢。

表2 新型梭車式工藝方案與對等式自動化軌道吊工藝方案的成本和能耗比較

2.2 方案設計

新型梭車式工藝方案的設計重點包括梭車與自動化軌道吊的配比、梭車道的設計以及梭車與海陸側水平運輸設備的交接等。根據堆場配置的梭車道數量，梭車式工藝方案可以分成雙梭車雙自動化軌道吊方案和單梭車雙自動化軌道吊方案；堆場海陸側水平運輸設備與梭車的交接作業(yè)可以利用轉承平臺來實現，也可以直接與梭車進行交接作業(yè)；軌道內部可以設中轉平臺，以實現2輛梭車間的轉接作業(yè)，也可以不設中轉平臺，采用單梭車作業(yè)（見表3）。

表3 新型梭車式工藝方案的分類

“中轉平臺+雙梭車”方案的優(yōu)點在于：1條梭車道上可以同時進行2個任務，作業(yè)不會因1輛梭車發(fā)生故障而完全中斷。該方案的缺點在于：轉承平臺及2輛梭車同時作業(yè)容易導致設備間的流向沖突；單條梭車道只能選擇同流向作業(yè)，影響箱區(qū)總體作業(yè)效率；為協調中轉平臺的作業(yè)任務，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統的設計復雜且成本較高；設備的投資和維護成本較高；裝卸船作業(yè)時，陸側自動化軌道吊的任務集裝箱須經轉承平臺中轉，單次中轉耗時約，導致陸側自動化軌道吊的作業(yè)效率較低。

單梭車方案的優(yōu)點在于：梭車道上沒有其他設備作業(yè)，梭車可以在任意時間選擇任意流向作業(yè)任務；后方自動化軌道吊裝卸船作業(yè)無須在中轉平臺進行交接，有利于提高作業(yè)效率；前后2臺自動化軌道吊的作業(yè)效率均衡，碼頭操作系統和碼頭設備控制系統設計簡單，設備投資及維護成本較低。該方案的缺點在于：由于只有1輛梭車，導致梭車任務繁忙，若梭車因故障停運，將嚴重影響碼頭正常作業(yè)。

2.3 方案仿真模型分析

本文選擇雙梭車道、梭車直接交接作業(yè)以及單梭車的組合方案（簡稱雙軌單車直接式方案）進行分析。利用仿真軟件建立所選方案的仿真模型，在堆場外側布置2條梭車道，軌道內部不設中轉平臺，軌道端部不設轉承平臺（見圖1）。假設：海側自動化軌道吊進行卸船和提箱作業(yè)，陸側自動化軌道吊進行集港和裝船作業(yè)；一條梭車道進行裝卸船作業(yè)，另一條梭車道進行集疏港作業(yè)。在該假設條件下，測定雙軌單車直接式方案下的堆場海側、陸側作業(yè)能力。通過仿真分析，在跨運車完全滿足岸邊裝卸效率，梭車速度/min，自動化軌道吊大車速度/min的條件下，堆場海側作業(yè)能力達19自然箱/h，陸側作業(yè)能力達15自然箱/h。

圖1 雙軌單車直接式方案仿真模型

參考文獻：

[1] PARK T， CHOE R， KIM Y H， et al. Dynamic adjustment of container stacking policy in an automated container terminal[J]. Int J Production Econ， 2011， 133（1）：385-392.

[2] 彭傳圣. 漢堡港的自動化集裝箱碼頭[J]. 集裝箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吳富生，葉軍. 立體軌道式自動化碼頭設備調度策略仿真分析[J]. 起重運輸機械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤華. 新型集裝箱自動化碼頭裝卸工藝方案探討[J]. 水運工程，2008（10）：30-34.

[5] SKINNER B， YUAN Shuai， HUANG Shoudong， et al. Optimi-sation for job scheduling at automated container terminals using genetic algorithm[J]. Computers & Ind Eng， 2013， 64（1）：511-523.

[6] YUAN Shuai， SKINNER B， HUANG Shoudong， et al. A job grouping approach for planning container transfers at auto-mated seaport container terminals[J]. Adv Eng Informatics， 2011， 25（3）：413-426.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）