自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)變革

金健

近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)沿海港口加緊規(guī)劃建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭，爭(zhēng)相搶占國(guó)內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)和管理的制高點(diǎn)。在借鑒西方發(fā)達(dá)國(guó)家港口自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭在規(guī)劃建設(shè)及設(shè)備設(shè)計(jì)和選型等方面均有所突破，但在業(yè)務(wù)管理和流程，尤其是堆場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面還存在薄弱之處。本文分析傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的局限性，介紹自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并探討自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)變革的主要內(nèi)容，以期為我國(guó)沿海港口自動(dòng)化集裝箱碼頭優(yōu)化堆場(chǎng)管理系統(tǒng)提供參考。

1 傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的局限性

我國(guó)沿海港口基本上采用輪胎吊搭配堆高機(jī)（鏟車(chē)）的傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有場(chǎng)地利用率高、成本低、設(shè)備操作簡(jiǎn)單靈活、對(duì)集裝箱的損壞少等優(yōu)點(diǎn)。隨著集裝箱運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)得以持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，逐漸形成一套行之有效的管理流程和規(guī)則，加之近年來(lái)對(duì)數(shù)學(xué)模型和仿真科技的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的效率優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)。然而，隨著自動(dòng)化集裝箱碼頭的興起，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的局限性逐步凸顯。

1.1 系統(tǒng)輸入和輸出無(wú)法預(yù)知

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)無(wú)法預(yù)知出口集裝箱進(jìn)場(chǎng)情況，導(dǎo)致隨機(jī)進(jìn)場(chǎng)的出口集裝箱全憑人工經(jīng)驗(yàn)安排堆場(chǎng)計(jì)劃。另外，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃受后續(xù)船舶配積載的制約，難以適應(yīng)船舶配積載要求的變化。例如，開(kāi)工作業(yè)路數(shù)、出口集裝箱在船上的具體貝位等都無(wú)法在安排堆場(chǎng)計(jì)劃前預(yù)知。進(jìn)口集裝箱的情況亦然：雖然在作業(yè)前已知進(jìn)口船圖等部分信息，但無(wú)法在安排進(jìn)口集裝箱卸船堆場(chǎng)計(jì)劃前預(yù)知后續(xù)的中轉(zhuǎn)二程船或客戶提箱等信息。

1.2 制約和沖突并存

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃經(jīng)常陷入一種“平衡陷阱”：若出口集裝箱堆場(chǎng)過(guò)于分散，則會(huì)牽涉過(guò)多機(jī)械，造成機(jī)械資源浪費(fèi)；若其過(guò)于集中，則會(huì)造成作業(yè)路間的沖突，導(dǎo)致作業(yè)效率下降。究其原因，由于無(wú)法預(yù)知后續(xù)船舶開(kāi)路和配積載情況，不能根據(jù)船舶實(shí)際開(kāi)路數(shù)來(lái)分配出口集裝箱箱區(qū)，只能大致憑經(jīng)驗(yàn)或歷史數(shù)據(jù)安排堆場(chǎng)計(jì)劃。在同一箱區(qū)內(nèi)，來(lái)自同一港口或同一噸級(jí)的集裝箱基本上集中堆放，但這會(huì)受指令先后次序的影響；另外，同一箱區(qū)存在2條甚至更多作業(yè)路，這同樣會(huì)對(duì)堆場(chǎng)安排形成制約。

在傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)輪胎吊收發(fā)箱工藝模式下，同一箱位的收發(fā)箱作業(yè)最好集中進(jìn)行，待該箱位的所有集裝箱收發(fā)完畢，輪胎吊再行車(chē)到鄰近箱位實(shí)施收發(fā)箱作業(yè)，從而降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率。此外，雖然目前集卡司機(jī)可通過(guò)無(wú)線終端（外集卡司機(jī)可通過(guò)道口小票）獲悉取箱和收箱位置，但由于集卡長(zhǎng)度大于箱位長(zhǎng)度，當(dāng)不同作業(yè)路或不同箱位的指令集卡在同一箱區(qū)相鄰作業(yè)時(shí)，往往需要協(xié)調(diào)作業(yè)，導(dǎo)致成本增加。

1.3 效益與效率的矛盾突出

在傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)作業(yè)模式下，輪胎吊需要來(lái)回行車(chē)收發(fā)箱，集卡等待成本和翻箱率較高，并且進(jìn)口集裝箱難以分票堆放或根據(jù)二程船堆放。如果進(jìn)口集裝箱分票量較大，且同票集裝箱無(wú)法同時(shí)卸船，則勢(shì)必需要將集裝箱堆放在多個(gè)箱位，促使輪胎吊頻繁來(lái)回行車(chē)，導(dǎo)致進(jìn)口集裝箱作業(yè)效率下降，作業(yè)成本上升。此外，由于在安排進(jìn)口集裝箱堆場(chǎng)計(jì)劃前無(wú)法預(yù)知客戶提箱或二程船裝船情況，同樣會(huì)造成輪胎吊頻繁來(lái)回行車(chē)發(fā)箱的情況，導(dǎo)致作業(yè)效率下降。

1.4 堆場(chǎng)計(jì)劃規(guī)則復(fù)雜

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃的制訂受諸多規(guī)則的制約，其中包括分船、分港、分噸級(jí)、按位、按排、重壓輕等堆放原則。堆場(chǎng)計(jì)劃員往往僅憑經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用規(guī)則，致使規(guī)則應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭普遍采用自動(dòng)化軌道式龍門(mén)起重機(jī)（Automated Rail-Mounted Gantry Crane，ARMG）作業(yè)工藝：海側(cè)ARMG通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）與岸橋?qū)?，形成碼頭海側(cè)船舶裝卸系統(tǒng)；陸側(cè)ARMG直接對(duì)接外集卡，形成碼頭陸側(cè)作業(yè)系統(tǒng)；海側(cè)與陸側(cè)之間形成全封閉式的ARMG作業(yè)區(qū)域（見(jiàn)圖1）。該作業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

（1）收取箱點(diǎn)固定。傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)的收取箱點(diǎn)隨著輪胎吊作業(yè)箱位的變化而變化，由集卡行駛到指令所在箱位取箱；全封閉式自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)收取箱點(diǎn)固定在箱區(qū)兩端。

（2）雙機(jī)配置形成“緩沖-接力”作業(yè)模式。以進(jìn)口集裝箱卸船作業(yè)為例，“緩沖-接力”作業(yè)模式指海側(cè)ARMG從AGV收進(jìn)的進(jìn)口集裝箱由陸側(cè)ARMG接力運(yùn)輸至靠近陸側(cè)的堆存區(qū)域，并由陸側(cè)ARMG發(fā)給外集卡。

（3）全封閉式雙機(jī)作業(yè)。自動(dòng)化集裝箱碼頭全封閉式堆場(chǎng)解決了水平運(yùn)輸機(jī)械在箱區(qū)內(nèi)、箱區(qū)間和集裝箱間的作業(yè)沖突問(wèn)題，雙機(jī)緩沖作業(yè)的設(shè)計(jì)則避免了收發(fā)箱作業(yè)沖突問(wèn)題。

3 自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)變革

收取箱點(diǎn)固定使得每個(gè)裝卸箱指令變?yōu)橄嗷オ?dú)立的事件。傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)收取箱指令受到上一個(gè)指令的制約，上一個(gè)指令的箱位是下一個(gè)指令的開(kāi)始位置，因?yàn)檩喬サ跖c集卡的交接點(diǎn)隨作業(yè)指令而不斷變化。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)收取箱點(diǎn)固定在箱區(qū)兩端，收取箱指令不受上一個(gè)指令的影響；因此，完成每個(gè)指令所需的時(shí)間和成本都是恒定的。在傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)，同類型集裝箱在箱區(qū)內(nèi)盡量集中堆放，以免因輪胎吊頻繁行車(chē)而造成成本上升和效率下降。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)的每個(gè)作業(yè)指令相互獨(dú)立，不受傳統(tǒng)堆放規(guī)則的限制，只須遵循同排、同類原則即可，以免ARMG翻箱，其中，同類原則指集裝箱同船、同航次、同噸級(jí)原則。

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃普遍采用的分噸級(jí)原則已經(jīng)過(guò)時(shí)。分噸級(jí)指在配積載時(shí)為確保船舶穩(wěn)性而對(duì)出口集裝箱按總質(zhì)量分級(jí)，例如，將1～的集裝箱定為1級(jí)，10～的集裝箱定為2級(jí)，以此類推，也可以更加細(xì)分。這種分級(jí)辦法存在嚴(yán)重缺陷，例如，的集裝箱與的集裝箱本不屬于同一噸級(jí)，但實(shí)際上一些大型船舶對(duì)配積載的要求不高，總質(zhì)量相差以內(nèi)的集裝箱無(wú)須分別積載。傳統(tǒng)分噸級(jí)原則使得系統(tǒng)無(wú)法判斷和合理安排處于噸級(jí)邊緣的集裝箱。

由于自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)收取箱點(diǎn)固定，集裝箱之間的聯(lián)系減弱，只須考慮同排集裝箱的關(guān)系，即如果按傳統(tǒng)的堆場(chǎng)計(jì)劃經(jīng)驗(yàn)，必定采取同排集裝箱重壓輕堆放原則。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃突破傳統(tǒng)思維，只區(qū)分港口而不區(qū)分噸級(jí)，引入同排質(zhì)量差的概念，即根據(jù)同排集裝箱的質(zhì)量差安排堆存計(jì)劃。舉例來(lái)說(shuō)明，假設(shè)歷史經(jīng)驗(yàn)設(shè)定某船所載同排集裝箱的質(zhì)量差為，某排內(nèi)第一個(gè)出口集裝箱的質(zhì)量為，第二個(gè)出口集裝箱的質(zhì)量為，同排4層出口集裝箱形成的質(zhì)量差，那么該排剩余2個(gè)出口集裝箱的質(zhì)量必須在9～的范圍內(nèi)。如果第一個(gè)出口集裝箱的質(zhì)量為，與其質(zhì)量差小于的出口集裝箱可以堆放在其上層；如果第二個(gè)出口集裝箱的質(zhì)量為，則第三層出口集裝箱要么與9 t集裝箱形成大的質(zhì)量差，要么與集裝箱形成小的質(zhì)量差。假設(shè)第三層出口集裝箱的質(zhì)量為，則第四層只能堆放8～的出口集裝箱。這種同排集裝箱根據(jù)質(zhì)量差堆存的原則可以確保同排出口集裝箱符合同時(shí)配積載的要求。當(dāng)然，還可以結(jié)合噸級(jí)的概念，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)將不同噸級(jí)集裝箱按質(zhì)量差再加以細(xì)分。

雙機(jī)配置下的“緩沖-接力”模式可以彌合整個(gè)堆場(chǎng)系統(tǒng)的間隙，使堆場(chǎng)作業(yè)保持連貫性，有利于提升堆場(chǎng)作業(yè)能力。例如，當(dāng)陸側(cè)ARMG空閑時(shí)，其可以幫助海側(cè)ARMG完成翻箱等作業(yè)，還可以在進(jìn)口集裝箱卸船或出口集裝箱裝船過(guò)程中，通過(guò)接力方式減少海側(cè)ARMG行車(chē)。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)沒(méi)有必要設(shè)置專門(mén)的緩沖點(diǎn)，暫時(shí)不作業(yè)的箱位和超計(jì)劃層高的箱位都可以作為緩沖點(diǎn)，原則上以繁忙的ARMG的下一個(gè)指令箱位作為緩沖點(diǎn)。例如：若海側(cè)ARMG繁忙，則其發(fā)箱箱位可以作為其卸箱緩沖點(diǎn)；若下一個(gè)指令仍舊是收卸船箱，則可以考慮將雙機(jī)作業(yè)的平衡點(diǎn)位置作為緩沖點(diǎn)。此外，雙機(jī)配置為箱區(qū)整理提供了便利，例如，可以利用空閑的ARMG實(shí)施理箱、翻箱作業(yè)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)效率?？傊?，雙機(jī)配置突破了傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)區(qū)分進(jìn)口集裝箱、出口集裝箱、中轉(zhuǎn)集裝箱等的箱區(qū)規(guī)劃，使整個(gè)業(yè)務(wù)流程更加均衡。

由于作業(yè)指令相互獨(dú)立，便于精確地預(yù)測(cè)每個(gè)作業(yè)指令的作業(yè)時(shí)間和成本，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)時(shí)間和成本，同時(shí)可為自動(dòng)配積載或事前優(yōu)劣評(píng)估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。另外，與傳統(tǒng)集卡工藝相比，由于AGV端不受岸橋和場(chǎng)橋兩端效率的影響，AGV的運(yùn)輸過(guò)程可以在系統(tǒng)中忽略不計(jì)。系統(tǒng)自動(dòng)生成包括箱號(hào)、作業(yè)路指令次序、箱位、預(yù)計(jì)時(shí)間、預(yù)計(jì)成本等信息的作業(yè)列表，從而可以清楚地判斷作業(yè)計(jì)劃的沖突點(diǎn)并加以預(yù)控，甚至可以通過(guò)事前優(yōu)化避開(kāi)沖突，提升效率和效益。

根據(jù)橋吊效率大于等于場(chǎng)橋效率的原則來(lái)制訂堆場(chǎng)計(jì)劃，保證ARMG能夠配合碼頭前沿的橋吊同時(shí)進(jìn)行收發(fā)箱作業(yè)。由于各箱區(qū)的作業(yè)指令相互獨(dú)立，出口集裝箱在相鄰箱區(qū)（原則上為船舶靠泊泊位所對(duì)應(yīng)的后場(chǎng)箱區(qū)）內(nèi)按船舶和港口隨機(jī)堆放。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于，打破傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃的規(guī)則，只須在與泊位相對(duì)應(yīng)的堆場(chǎng)遵循同排、同類集裝箱隨機(jī)分散堆放的原則即可，中轉(zhuǎn)箱一般堆放在二程船箱區(qū)。

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)集中堆放集裝箱是為了減少輪胎吊行車(chē)；而自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)指令相對(duì)獨(dú)立，將集裝箱分散堆放利于發(fā)箱。在自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)下：需要保證同排4層出口集裝箱的類型相同，按照隨機(jī)分散的原則將同排同類型的出口集裝箱看成1組，使其平均分散堆放在各個(gè)相對(duì)應(yīng)的箱區(qū)；配積載時(shí)通過(guò)作業(yè)列表調(diào)整并避免沖突點(diǎn)，輔以雙機(jī)配置形成的緩沖和接力，克服傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)輸入和輸出無(wú)法預(yù)知的弊端。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2017-03-10）