高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真建模與分析

周鵬飛，李玉登，范璐璐，姜萌

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

0 引 言

隨著國(guó)際貿(mào)易和集裝箱航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，集裝箱船舶趨于大型化。碼頭吞吐量的增長(zhǎng)和船舶的大型化都對(duì)碼頭裝卸能力和效率提出了更高的要求。為適應(yīng)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展需求和應(yīng)對(duì)人力成本的不斷攀升的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外許多大中型港口(如上海港、青島港、鹿特丹港等)都在積極發(fā)展自動(dòng)化集裝箱碼頭。新型自動(dòng)化集裝箱碼頭是該領(lǐng)域的重要研究方向。

近年來，針對(duì)新型碼頭系統(tǒng)發(fā)展：宓為建等[1]提出了梭車式自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)，以減少集裝箱在堆場(chǎng)海側(cè)與陸側(cè)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，研究表明梭車式碼頭作業(yè)系統(tǒng)能有效減少堆場(chǎng)翻箱作業(yè)，提高碼頭裝卸效率；梁燕等[2]提出了一種立體軌道式自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)，并與現(xiàn)有碼頭裝卸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明立體軌道式系統(tǒng)在裝卸效率和節(jié)能環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；劉廣紅等[3]對(duì)10種典型自動(dòng)化碼頭的總體布局模式進(jìn)行了定性對(duì)比分析；PETERING[4]分析了集裝箱碼頭堆場(chǎng)容量、內(nèi)集卡數(shù)量等因素對(duì)岸橋平均利用率的影響；LIU等[5-6]仿真分析了營(yíng)運(yùn)條件相同的不同自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)，對(duì)比分析了其作業(yè)效率和碼頭效益；DEMIRCI[7]針對(duì)土耳其特拉布松港建立仿真模型，分析了集裝箱碼頭吞吐能力的瓶頸問題；周鵬飛等[8]仿真分析了自動(dòng)導(dǎo)引小車(automated guided vehicle,AGV)碼頭系統(tǒng)、自動(dòng)裝載小車(automated lifting vehicle,ALV)碼頭系統(tǒng)和立體軌道式碼頭系統(tǒng)的作業(yè)效率和設(shè)備利用率，研究表明立體軌道式碼頭系統(tǒng)的應(yīng)用性更強(qiáng)，BAE等[9]也做了類似的研究；梁燕等[10]利用Witness仿真分析了立體軌道式自動(dòng)化碼頭的工藝系統(tǒng)及其設(shè)備的作業(yè)效率和調(diào)度策略。

周強(qiáng)等[11]提出了一種新型立體交叉高架軌道式集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，能夠很好地解決集裝箱碼頭港內(nèi)和港外車流的組織和干擾問題，有效減少集裝箱堆取的垂直移動(dòng)距離。該系統(tǒng)還處于概念階段，未見對(duì)其性能和配置進(jìn)行較系統(tǒng)的定量分析的研究。本文在分析高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)裝卸工藝的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建仿真模型，仿真分析該概念系統(tǒng)作業(yè)性能指標(biāo)。

1 高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭分析

高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)主要包括岸橋、高架軌道式水平運(yùn)輸系統(tǒng)、地面集疏運(yùn)系統(tǒng)、軌道龍門吊、閘口系統(tǒng)等，其中高架軌道式水平運(yùn)輸系統(tǒng)由高架軌道、高架小車、變道控制系統(tǒng)(控制小車路徑選擇和分叉變道)等組成，典型布置見圖1。[11]碼頭作業(yè)可分為高架軌道裝卸船作業(yè)和地面集疏運(yùn)作業(yè)。前者工藝流程為岸橋?高架小車?軌道龍門吊，以卸船過程為例：船舶靠泊后，岸橋抓取集裝箱放置于高架小車上，高架小車在變道控制系統(tǒng)導(dǎo)引下搬運(yùn)集裝箱到指定堆場(chǎng)箱位，龍門吊抓取高架小車上的集裝箱到目標(biāo)箱位。后者工藝流程為外集卡?軌道龍門吊，以集運(yùn)過程為例：碼頭根據(jù)船舶計(jì)劃安排外集卡進(jìn)港交箱，外集卡將出口箱運(yùn)送到指定堆場(chǎng)龍門吊臂下交接區(qū)，龍門吊抓取外集卡上的集裝箱堆放到目標(biāo)箱位。

圖1 高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭示意圖

高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)的特點(diǎn)：(1)裝卸船作業(yè)采用的小車在高架軌道上行駛，與地面集疏運(yùn)作業(yè)車流分離，可減少兩種作業(yè)活動(dòng)的干擾，提高碼頭裝卸船效率；(2)高架軌道與岸橋和龍門吊距離較傳統(tǒng)作業(yè)方式的更近，可縮短岸橋和龍門吊的吊具運(yùn)行距離，進(jìn)一步提高裝卸船效率；(3)高架軌道伸入堆場(chǎng)內(nèi)部，可有效縮短龍門吊大車移動(dòng)距離，提高龍門吊堆取箱效率。

2 基于Plant Simulation的仿真模型

高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)是一個(gè)典型的離散事件物流系統(tǒng)，Plant Simulation是一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形化的仿真軟件平臺(tái)，對(duì)于解決大規(guī)模港口物流系統(tǒng)仿真問題具有很強(qiáng)的適用性。本文應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭裝卸作業(yè)過程的模擬。在輸入的基本參數(shù)一定的情況下，設(shè)計(jì)3種方案并獲得不同方案下的輸出數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)分析高架軌道式物流系統(tǒng)的作業(yè)性能。

高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)涉及碼頭裝卸船系統(tǒng)、堆場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)和高架小車水平運(yùn)輸系統(tǒng)，作業(yè)環(huán)節(jié)較多。為降低仿真模型的復(fù)雜性，必須結(jié)合建模的目標(biāo)和原則，將碼頭實(shí)體和作業(yè)過程合理簡(jiǎn)化。本文對(duì)比分析高架軌道系統(tǒng)與傳統(tǒng)碼頭系統(tǒng)的作業(yè)性能，以及高架小車數(shù)量與作業(yè)指標(biāo)的關(guān)系。針對(duì)高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭各對(duì)象要素的特點(diǎn)選擇主要仿真單元(表1)，仿真流程見圖2。主要事件仿真實(shí)現(xiàn)如下：

(1)船舶到離港和靠泊仿真。根據(jù)船舶信息表(TableFile)，時(shí)間觸發(fā)器Trigger調(diào)用Method單元生成船舶，用于模擬船舶到港。泊位空閑時(shí)船舶靠泊，否則船舶在錨地等待(Buffer)。船舶靠泊后更新泊位狀態(tài)，并設(shè)置全局變量記錄船舶剩余裝卸任務(wù)。利用時(shí)間觸發(fā)器Trigger調(diào)用Method單元判斷船舶裝卸作業(yè)是否完成，船舶是否滿足離港條件。

(2)裝卸船作業(yè)仿真。卸船過程仿真：船舶靠泊后，MultiPortalCrane模擬岸橋?qū)⒓b箱(Entity)從船上卸到高架小車(Transporter)上，然后高架小車沿高架軌道(Track)駛?cè)胫付ǘ褕?chǎng)箱區(qū)貝位(Sensors控制點(diǎn))，利用Track的出口控制Method單元模擬高架小車在軌道分叉道口的變道，StorageCrane模擬堆場(chǎng)龍門吊從高架小車上抓取集裝箱并卸載到指定堆場(chǎng)箱區(qū)貝位，完成一個(gè)卸箱任務(wù)。裝船過程與卸船過程相反，仿真方法與其類似。

(3)重卡交箱和輕卡取箱。重卡交箱：首先利用兩個(gè)Source單元依據(jù)TableFile中的出口箱到港時(shí)間(由車輛到港分布產(chǎn)生)分別生成外集卡和出口箱，然后利用TransferStation加載生成到港重卡，利用SingleProc模擬重卡通閘檢查，重卡通過地面車道(Track)行駛到指定堆場(chǎng)箱區(qū)貝位，StorageCrane模擬堆場(chǎng)龍門吊抓取外集卡上的集裝箱并堆放到堆棧(Store)，最后重卡完成交箱駛離碼頭。時(shí)間觸發(fā)器Trigger調(diào)用Method單元依據(jù)進(jìn)口箱出港時(shí)間生成輕卡，模擬輕卡到港，后續(xù)仿真與重卡類似。

表1 仿真模型采用的主要仿真單元

3 仿真與分析

3.1 仿真基本參數(shù)與模型檢驗(yàn)

依據(jù)北方某碼頭資料設(shè)計(jì)仿真工況，3個(gè)順岸式碼頭泊位，岸線長(zhǎng)度1 000 m，每個(gè)泊位后方均設(shè)10個(gè)箱區(qū)，堆場(chǎng)容量50 400 TEU，碼頭共配置9臺(tái)岸橋、30臺(tái)軌道龍門吊和36輛高架小車，閘口設(shè)置6條通道，到港船型容量為1 000Int(U(1,8.2))TEU，裝卸箱量為容量20%～40%的均勻分布。主要設(shè)備參數(shù)見表2。仿真系統(tǒng)可視部分見圖3。

圖2 高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真流程

表2 高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)參數(shù)

圖3 高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)截圖

仿真系統(tǒng)的檢驗(yàn)：通過檢查仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行可以看出，過程仿真模型與概念系統(tǒng)流程吻合，且未發(fā)現(xiàn)仿真系統(tǒng)中岸橋、高架小車、集裝箱位置、外集卡和閘口等模塊運(yùn)行異常；對(duì)輸入分布進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，得到進(jìn)出口箱在港堆存時(shí)間分布的檢驗(yàn)結(jié)果(見表3)和堆場(chǎng)箱量分配的卡方檢驗(yàn)結(jié)果(見表4)。表3中的顯著性檢驗(yàn)P值(雙側(cè))為0.421(大于0.1)，表明仿真試驗(yàn)的進(jìn)出口箱在港堆存時(shí)間分布與假設(shè)無顯著性差異。表4中的顯著性檢驗(yàn)P值遠(yuǎn)大于0.1，表明各堆場(chǎng)箱量分配無顯著性差異。

表3 進(jìn)出口箱在港堆存時(shí)間分布的K-S檢驗(yàn)

表4 堆場(chǎng)箱量分配的卡方檢驗(yàn)

3.2 仿真分析

為了對(duì)比分析高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭性能和車輛配置影響，設(shè)計(jì)多組仿真工況(見表5)，其中方案A和C為高架軌道式系統(tǒng)，方案B為傳統(tǒng)地面AGV系統(tǒng)，仿真參數(shù)設(shè)置相同，仿真時(shí)長(zhǎng)為1 a。

表5 仿真工況參數(shù)設(shè)置

表6為兩種不同工藝系統(tǒng)的碼頭服務(wù)水平(船舶平均在港時(shí)間、岸橋裝卸效率)和資源占用率(泊位和岸橋占用率)指標(biāo)的對(duì)比。由表6可以看出：(1)高架軌道式系統(tǒng)較傳統(tǒng)地面AGV系統(tǒng)的船舶在港時(shí)間平均減少6.8%，船舶裝卸時(shí)間平均減少6.3%，岸橋臺(tái)時(shí)效率平均提高5.8%，顯著改善了碼頭服務(wù)水平；(2)與傳統(tǒng)地面AGV系統(tǒng)相比，高架軌道式系統(tǒng)的資源利用率有下降的趨勢(shì)，如泊位利用率平均降低7.3%，岸橋利用率平均降低6.9%，小車?yán)寐势骄陆?.0%，明顯節(jié)約了碼頭資源，提高了碼頭裝卸作業(yè)能力。高架軌道式系統(tǒng)較傳統(tǒng)地面AGV系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了碼頭裝卸與集疏運(yùn)的車輛分流，避免了交通擁擠和等待，并且由于高架小車位置高，可以節(jié)省場(chǎng)吊和岸橋的抓取移動(dòng)距離。

表6 兩種碼頭系統(tǒng)的作業(yè)指標(biāo)對(duì)比

由圖4可以看出：高架小車配置數(shù)量與碼頭主要指標(biāo)呈近似二次關(guān)系(擬合優(yōu)度檢驗(yàn)R2均大于0.99)；當(dāng)高架小車配置數(shù)量較少時(shí)，增加車輛配置數(shù)量可顯著提高碼頭服務(wù)水平，減少資源占用率，如高架小車配置數(shù)量從3輛增加到5輛時(shí)船舶平均在港時(shí)間縮短29.9%，岸橋臺(tái)時(shí)效率提高25.0%，泊位占用率下降21.3%，岸橋占用率下降18.9%；隨著高架小車數(shù)量的增加，相關(guān)指標(biāo)改善程度越來越小，如高架小車配置數(shù)量從5輛增加到6輛時(shí)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)改善很小。

a) 船舶平均在港時(shí)間

b) 岸橋臺(tái)時(shí)效率

c) 泊位和岸橋占用率

4 結(jié) 論

在分析高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱新系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建了集裝箱碼頭仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。仿真表明：(1)應(yīng)用Plant Simulation構(gòu)建的仿真模型滿足仿真驗(yàn)證條件，仿真模型具有可信性；(2)在相同岸線、岸橋和堆場(chǎng)資源條件下，新系統(tǒng)的服務(wù)水平和資源占用率指標(biāo)均比基于地面AGV的自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)的好，船舶在港時(shí)間平均縮短約6.8%，岸橋臺(tái)時(shí)效率平均提高5.8%，節(jié)約碼頭資源占用率約7.0%；(3)高架小車配置數(shù)量與碼頭主要指標(biāo)呈近似二次關(guān)系，仿真工況中小車配置從3輛增加到5輛時(shí)船舶在港時(shí)間顯著縮短，岸橋臺(tái)時(shí)效率提高25.0%，當(dāng)車輛配置數(shù)量大于5輛時(shí)碼頭主要指標(biāo)基本沒有變化，故各作業(yè)線上的高架小車配置不宜過少，建議5～6輛。研究成果可為高架軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭的后續(xù)研發(fā)和設(shè)計(jì)提供參考。