周 鵬 飛， 邢 小 偉

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

近30年來(lái)隨著貿(mào)易全球化和集裝箱海運(yùn)需求的發(fā)展，集裝箱船舶大型化趨勢(shì)明顯，如已投入運(yùn)營(yíng)的“商船三井成就(MOL Triumph)”號(hào)集裝箱船長(zhǎng)400 m、寬58.8 m，裝載能力20 170 TEU.船舶的大型化發(fā)展對(duì)碼頭裝卸效率提出了更高的要求.為了提高碼頭裝卸效率，高延輝等[1]提出了一種新型的自動(dòng)化集裝箱碼頭概念系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用軌道式雙軌輪小車(chē)水平運(yùn)輸及高低架行車(chē)裝卸箱工藝，堆場(chǎng)垂直岸線、回字形水平運(yùn)輸軌道位于堆場(chǎng)端部.該系統(tǒng)堆場(chǎng)機(jī)械設(shè)備輕，速度快，作業(yè)效率高，軌道水平運(yùn)輸車(chē)輛全電力驅(qū)動(dòng)，節(jié)能環(huán)保且速度快，外集卡不進(jìn)入堆場(chǎng)，安全易操作.但該新型工藝系統(tǒng)作業(yè)效率等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮受設(shè)備配置和堆場(chǎng)布局等因素的影響，對(duì)其研究有助于新工藝系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用和性能改進(jìn).

在新型集裝箱碼頭布局研究方面，劉廣紅等[2]對(duì)10種典型自動(dòng)化集裝箱碼頭的總體布局模式特點(diǎn)進(jìn)行了定性分析.李艷麗等[3]對(duì)比分析了雙小車(chē)岸橋在堆場(chǎng)垂直岸線和平行岸線布局下的作業(yè)效率，研究表明堆場(chǎng)垂直岸線布局完成吞吐量大、船舶裝卸更快.王施恩等[4]分析了洋山四期自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化軌道吊單、雙側(cè)懸臂和無(wú)懸臂混合作業(yè)布置形式.由于回字形布置自動(dòng)化集裝箱碼頭是一種新型的工藝系統(tǒng)，上述研究并未涉及.在集裝箱碼頭系統(tǒng)仿真分析方面，Petering[5]利用離散事件仿真模型分析了堆場(chǎng)2～15行集裝箱平行岸線布局時(shí)的岸橋利用率，研究表明堆場(chǎng)容量及裝卸設(shè)備固定時(shí)岸橋利用率和堆場(chǎng)寬度呈倒三角形變化規(guī)律.文獻(xiàn)[6]進(jìn)一步分析了岸橋平均利用率隨集裝箱碼頭堆場(chǎng)容量、內(nèi)集卡數(shù)、場(chǎng)橋數(shù)等配置的變化.Gupta等[7]利用排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)建模分析了平行自動(dòng)化堆場(chǎng)布局集裝箱碼頭的作業(yè)性能，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部運(yùn)輸寬度相同時(shí)，平行堆場(chǎng)布局較垂直堆棧布局的集裝箱碼頭裝卸時(shí)間減少4%～12%.Dulebenets等[8]仿真分析了海側(cè)浮式岸橋布局的碼頭作業(yè)性能影響，研究結(jié)果表明增設(shè)漂浮式岸橋可顯著提高集裝箱碼頭岸橋裝卸效率，減少船舶平均裝卸時(shí)間.Gharehgozli等[9]仿真分析了堆場(chǎng)區(qū)兩個(gè)自動(dòng)化龍門(mén)吊公共作業(yè)區(qū)域的位置、區(qū)域大小和數(shù)量對(duì)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)的影響.周鵬飛等[10]仿真分析了AGV、ALV碼頭系統(tǒng)在堆場(chǎng)垂直岸線和平行岸線布置下的作業(yè)性能，并與立體軌道式碼頭系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明后者較AGV、ALV碼頭系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯.上述研究利用仿真技術(shù)分析集裝箱碼頭堆場(chǎng)布置等問(wèn)題，回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)目前還處于概念階段，借助仿真技術(shù)可對(duì)其進(jìn)行定量分析，針對(duì)新工藝系統(tǒng)建立仿真模型并進(jìn)行有針對(duì)性的分析是其研究難點(diǎn).本文應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝布局多工況的仿真模型，并仿真分析新工藝系統(tǒng)中岸橋配置、堆場(chǎng)布局、行車(chē)配置等影響規(guī)律，建議設(shè)計(jì)參數(shù).

1 回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真方案設(shè)計(jì)

回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭概念系統(tǒng)主要由碼頭前沿與多路回字形裝卸部分、高架行車(chē)堆取集裝箱的堆場(chǎng)部分、堆場(chǎng)后方低架行車(chē)與多路回字形裝卸部分、外集卡進(jìn)出港閘口部分等組成[1].回字形軌道上的雙軌輪小車(chē)負(fù)責(zé)水平運(yùn)輸，軌道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置分撥裝置負(fù)責(zé)雙軌輪小車(chē)的縱橫軌道銜接.考慮工藝系統(tǒng)特點(diǎn)，選取仿真研究的基本布局示意如圖1所示，設(shè)計(jì)典型工況如下：

(1)碼頭前沿與多路回字形裝卸部分

考慮3個(gè)泊位，長(zhǎng)度均為360 m.船舶到港服從二階愛(ài)爾蘭分布，船舶容量為1 000×int(U(1，8.2)) TEU，船舶裝卸箱量為艙容量20%～40%的均勻分布.單小車(chē)岸橋軌距為24 m，岸橋平均速度為1 m/s，碼頭岸線距離堆場(chǎng)前方62 m.多路回字形線路和岸橋一致，作業(yè)線路服務(wù)單個(gè)岸橋，避免雙軌輪小車(chē)的相互干擾，雙軌輪小車(chē)平均配置5輛，速度為7 m/s.回字形軌道轉(zhuǎn)彎處分撥裝置分撥小車(chē)時(shí)間符合均勻分布U(3 s，6 s).岸橋和高架梁下方作業(yè)區(qū)設(shè)置裝卸對(duì)位裝置，以實(shí)現(xiàn)雙軌輪小車(chē)的快速對(duì)位裝卸.考慮岸橋配置對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的影響，仿真方案岸橋配置為9～12臺(tái).

(2)高架行車(chē)堆取集裝箱的堆場(chǎng)部分

堆場(chǎng)垂直岸線布置，堆場(chǎng)區(qū)設(shè)置高架行車(chē)，高架行車(chē)作業(yè)區(qū)從前方回路到后方回路，高架行車(chē)速度為3 m/s.進(jìn)出口箱為標(biāo)準(zhǔn)箱，堆存期為1～5 d，出口集裝箱分為5個(gè)優(yōu)先級(jí).堆場(chǎng)后方線路雙軌輪小車(chē)數(shù)量和雙軌輪小車(chē)分撥時(shí)間同前方回路.考慮堆場(chǎng)布局的影響，設(shè)計(jì)堆場(chǎng)縱深分別為210 m和273 m，根據(jù)高架系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)，堆場(chǎng)區(qū)寬度設(shè)計(jì)為1～3標(biāo)準(zhǔn)箱位長(zhǎng)度，堆高5層.

(3)堆場(chǎng)后方低架行車(chē)與多路回字形裝卸部分

堆場(chǎng)后方回路有3條線路，線路縱深為40 m，低架作業(yè)區(qū)縱深為40 m，低架行車(chē)速度為3 m/s，每個(gè)泊位后方作業(yè)區(qū)配置3～6臺(tái)低架行車(chē)，3～6條外集卡行駛線路.堆場(chǎng)后方回路和外集卡行駛線路上設(shè)置對(duì)位裝置實(shí)現(xiàn)低架行車(chē)作業(yè).

圖1 回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭

(4)外集卡進(jìn)出港閘口部分

外集卡隨機(jī)到港，且滿足堆存期要求，自動(dòng)閘口檢驗(yàn)時(shí)間設(shè)為10 s.重卡進(jìn)港作業(yè)區(qū)域根據(jù)集裝箱船舶所?？坎次?，同一艘船舶的出口箱均勻存儲(chǔ)到船舶?？坎次粚?duì)應(yīng)的堆場(chǎng)區(qū).

仿真研究對(duì)比工況方案總結(jié)如表1所示.

表1 仿真布局

2 Plant Simulation仿真模型

2.1 仿真主要對(duì)象建模單元與模型流程

回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭是一個(gè)復(fù)雜的離散事件物流系統(tǒng)，Plant Simulation是面向?qū)ο蟮膱D形化仿真建模工具軟件.回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭主要建模單元包括集裝箱船舶、岸橋、堆場(chǎng)、軌道等.具體建模單元構(gòu)建如下：用對(duì)象Store模擬船舶棧位，可根據(jù)不同船型設(shè)置模擬；用對(duì)象StorageCrane模擬高低架行車(chē)及堆場(chǎng)區(qū)，可設(shè)置其長(zhǎng)、寬、高及速度參數(shù)等；對(duì)象MultiPortalCrane模擬岸橋，可設(shè)置岸橋速度、外伸距、跨度、數(shù)量等；回字形軌道線路用對(duì)象Track模擬，在Track上設(shè)置傳感器(Sensors)來(lái)模擬雙軌輪小車(chē)(Transporter對(duì)象模擬)與岸橋和高低架行車(chē)的對(duì)位裝置；對(duì)象AngularConverter模擬縱橫軌道分撥裝置，通過(guò)設(shè)置其時(shí)間參數(shù)模擬雙軌輪小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)間；利用兩個(gè)Source對(duì)象分別生成外集卡(Transporter模擬)和出口集裝箱(Entity模擬)，通過(guò)TransferStation對(duì)象把出口集裝箱加載到外集卡上生成重卡.仿真模擬單元和模型主要流程如圖2、3所示.

圖2 主要對(duì)象建模單元

2.2 主要仿真事件

(1)船舶到港和離港

船舶到港(靠泊)由時(shí)間觸發(fā)器Trigger對(duì)象按照一定時(shí)間間隔循環(huán)調(diào)用方法Method對(duì)象實(shí)現(xiàn)，Method對(duì)象根據(jù)船舶到港時(shí)間表Table對(duì)象中的船舶到港時(shí)間、船舶容量、船舶裝卸箱量在分配泊位生成船舶，船舶到港時(shí)間表Table對(duì)象中的船舶到港時(shí)間、船舶容量、船舶裝卸箱量按照假設(shè)分布生成.船舶離港(離泊)由時(shí)間觸發(fā)器Trigger對(duì)象按照一定時(shí)間間隔循環(huán)判斷船舶裝箱量是否完成來(lái)確定.

(2)卸船和裝船開(kāi)始

船舶靠泊時(shí)更新泊位狀態(tài)和作業(yè)任務(wù)，通過(guò)全局變量值模擬泊位狀態(tài)和泊位裝卸船任務(wù)的更新，時(shí)間觸發(fā)器Trigger對(duì)象按照一定時(shí)間間隔循環(huán)，根據(jù)全局變量值觸發(fā)卸船開(kāi)始和裝船開(kāi)始事件.

(3)重卡和輕卡到港

重卡由兩個(gè)Source對(duì)象根據(jù)出口集裝箱到港時(shí)間表(依據(jù)到港分布模擬產(chǎn)生)分別生成外集卡和出口集裝箱，通過(guò)TransferStation對(duì)象加載生成，利用SingleProc模擬外卡通閘；輕卡由Trigger對(duì)象根據(jù)集裝箱堆存時(shí)間隨機(jī)調(diào)用Method對(duì)象生成輕卡，進(jìn)入閘口.

圖3 仿真模型流程圖

2.3 資源分配仿真

(1)泊位分配

泊位分配由Trigger對(duì)象調(diào)用Method對(duì)象根據(jù)船舶到港時(shí)間前的預(yù)估制定的最早空閑泊位分配(FCFS規(guī)則).

(2)岸橋分配

岸橋分配采用固定泊位指派方式，岸橋與其作業(yè)線路對(duì)應(yīng).回字形自動(dòng)化集裝箱碼頭布局涉及岸橋配置：9個(gè)岸橋時(shí)平均分配岸橋到泊位；10個(gè)岸橋時(shí)1號(hào)泊位(圖1中從左至右為1～3號(hào)泊位)分配4個(gè)岸橋，2、3號(hào)泊位分別分配3個(gè)岸橋；11個(gè)岸橋時(shí)1、2號(hào)泊位分別分配4個(gè)岸橋，3號(hào)泊位分配3個(gè)岸橋；12個(gè)岸橋時(shí)平均分配岸橋到泊位.

(3)雙軌輪小車(chē)分配

雙軌輪小車(chē)無(wú)作業(yè)任務(wù)時(shí)停在回字形軌道左側(cè)，任務(wù)分配按照停車(chē)次序從前往后.出口集裝箱進(jìn)港過(guò)程中，后方回字形左側(cè)軌道上的前方雙軌輪小車(chē)對(duì)后方小車(chē)的干擾問(wèn)題通過(guò)Trigger對(duì)象判斷識(shí)別，并通過(guò)調(diào)配前方小車(chē)的位置來(lái)解決沖突.

(4)堆場(chǎng)分配

同一艘船舶的進(jìn)出口集裝箱均勻分配到船舶?？坎次粚?duì)應(yīng)的堆場(chǎng)區(qū)，仿真中通過(guò)均勻分布生成集裝箱堆場(chǎng)區(qū)編號(hào)來(lái)模擬.

(5)高低架行車(chē)分配

堆場(chǎng)區(qū)內(nèi)分配一個(gè)高架行車(chē)，負(fù)責(zé)前方回路和后方回路的雙軌輪小車(chē)裝卸作業(yè)，每個(gè)泊位分配低架行車(chē)數(shù)量一致，高低架行車(chē)與雙軌輪小車(chē)對(duì)位用Sensors對(duì)象實(shí)現(xiàn)，高低架行車(chē)先服務(wù)對(duì)位車(chē)輛.低架行車(chē)區(qū)為減少后方同通道作業(yè)任務(wù)間的干擾，每個(gè)低架行車(chē)對(duì)應(yīng)一個(gè)線路.

3 仿真分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證主要包括仿真模型邏輯和參數(shù)的檢驗(yàn)、模型運(yùn)行性能檢驗(yàn).檢驗(yàn)分析表明所建模型可滿足仿真邏輯、參數(shù)以及仿真分析要求，下面以S3為例給出驗(yàn)證過(guò)程，仿真時(shí)間為1 a.首先觀測(cè)船舶到港時(shí)間間隔、堆場(chǎng)縱深、堆場(chǎng)寬度及低架行車(chē)數(shù)的仿真系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)運(yùn)行過(guò)程，均未發(fā)現(xiàn)異常.其次仿真輸出變量(包括吞吐量、岸橋利用率、岸橋裝卸效率等)符合其統(tǒng)計(jì)規(guī)律.最后檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)：(1)船型艙容量1 000×int(U(1，8.2)) TEU的分布檢驗(yàn)，如表2所示；(2)裝卸箱量以艙容量為基數(shù)的均勻分布檢驗(yàn)；(3)進(jìn)出口集裝箱堆存期的分布檢驗(yàn).參數(shù)(2)、(3)的樣本K-S檢驗(yàn)如表3所示，漸近顯著性P值(雙側(cè))均大于0.05，表明船舶裝箱率、卸箱率和在港堆存時(shí)間與參數(shù)條件均無(wú)顯著性差異.

表2 船型艙容量頻率統(tǒng)計(jì)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

不同布局工況下系統(tǒng)仿真性能指標(biāo)對(duì)比如表4所示.為便于分析岸橋配置、堆場(chǎng)縱深、堆場(chǎng)寬度、低架行車(chē)配置對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，分別用Q表示岸橋數(shù)，B表示箱區(qū)寬度，D表示堆場(chǎng)縱深，Y表示單泊位低架行車(chē)數(shù)，r表示岸邊資源利用率，t表示船舶在港時(shí)間，ρ表示裝卸效率，l表示排隊(duì)長(zhǎng)度.

由船舶在港時(shí)間和岸邊資源利用率分析可知：(1)回字形布置自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝的岸橋配置對(duì)船舶在港時(shí)間、泊位利用率和岸橋利用率的影響趨勢(shì)顯著，在船舶裝卸允許范圍內(nèi)增配岸橋可降低泊位利用率和船舶在港時(shí)間約8%，提高了泊位通過(guò)能力，同時(shí)岸橋利用率下降約9%；

表3 輸入?yún)?shù)的K-S檢驗(yàn)

(2)箱區(qū)寬度增加到2個(gè)箱位時(shí)上述指標(biāo)沒(méi)有顯著變化，但箱區(qū)寬度增加有利于節(jié)省高架梁空間，圖4給出了部分岸橋配置和箱區(qū)寬度對(duì)比工況的影響趨勢(shì).

表4 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)

(a) 岸橋配置影響趨勢(shì)

(b) 箱區(qū)寬度影響趨勢(shì)

由岸橋裝卸效率和外集卡等待分析可知：(1)箱區(qū)寬度和堆場(chǎng)縱深增加，岸橋裝卸效率都有降低的趨勢(shì)(約5%)，且箱區(qū)寬度和堆場(chǎng)縱深越大降低趨勢(shì)越明顯，如D=273 m時(shí)，B=3個(gè)箱位工況的岸橋裝卸效率較B=1個(gè)箱位工況降低3.9%；B=3時(shí)，堆場(chǎng)縱深增加30%，使岸橋裝卸效率下降5.6%.(2)碼頭后方低架行車(chē)數(shù)對(duì)岸橋裝卸效率影響不顯著，但對(duì)外集卡等待隊(duì)長(zhǎng)影響較大，呈加速上升趨勢(shì)，如低架行車(chē)由5臺(tái)減少到3臺(tái)時(shí)外集卡最大隊(duì)長(zhǎng)從9輛增加到49輛.低架行車(chē)數(shù)增加有利于堆場(chǎng)通過(guò)能力的提高，增配1臺(tái)低架行車(chē)可提高堆場(chǎng)通過(guò)能力約6%.圖5給出了部分箱區(qū)寬度和低架行車(chē)數(shù)對(duì)岸橋裝卸效率和外集卡最大等待隊(duì)長(zhǎng)影響趨勢(shì).

(a) 箱區(qū)寬度的岸橋裝卸效率影響趨勢(shì)

(b) 行車(chē)配置的岸橋裝卸效率影響趨勢(shì)

(c) 行車(chē)配置的最大等待隊(duì)長(zhǎng)影響趨勢(shì)

圖5 岸橋裝卸效率和行車(chē)隊(duì)長(zhǎng)隨堆場(chǎng)資源配置的變化趨勢(shì)

Fig.5 The trend of quay-crane handling efficiency and crane queue layout with yard resource allocation

4 結(jié) 論

(1)提出的Plant Simulation仿真建模方法可用于該新型集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)分析，構(gòu)建不同工況的仿真模型符合仿真驗(yàn)證條件.

(2)在船舶裝卸允許工況中增配岸橋可降低泊位利用率和船舶在港時(shí)間約8%.

(3)對(duì)比工況中箱區(qū)寬度增加到3個(gè)箱位時(shí)岸橋裝卸效率降低約5%，箱區(qū)寬度建議取1～2個(gè)箱位，取2個(gè)箱位可節(jié)約高架梁空間且對(duì)岸橋效率影響不顯著.

(4)對(duì)比工況中低架行車(chē)配置小于5臺(tái)時(shí)外集卡排隊(duì)明顯增多，堆場(chǎng)縱深較大時(shí)低架行車(chē)配置不宜大于5臺(tái)，可取5～6臺(tái).

上述成果可為回字形布置的雙軌輪小車(chē)自動(dòng)化集裝箱碼頭后續(xù)研究和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考.本研究仿真模型采用FCFS的泊位分配策略和固定岸橋指派策略，未來(lái)可進(jìn)一步分析泊位、岸橋等碼頭資源優(yōu)化分配策略下的系統(tǒng)性能.