航空集裝器處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究

文/伍祖槐 沈利華 吳 娛

新型航空集裝器處理系統(tǒng)對(duì)于加快貨運(yùn)樞紐機(jī)場(chǎng)及轉(zhuǎn)運(yùn)中心的集裝器時(shí)效性有重要意義，同時(shí)也為未來的航空集裝器的全過程智慧化提供基礎(chǔ)平臺(tái)

全球定位為貨運(yùn)樞紐的機(jī)場(chǎng)均將中轉(zhuǎn)貨物視為其主要貨源之一，以香港機(jī)場(chǎng)為例，空空中轉(zhuǎn)貨物約占了總貨運(yùn)量的25%，大量的中轉(zhuǎn)貨物需要快速處理，其中很大比例的貨物為整集裝器中轉(zhuǎn)貨物。這些貨物不需拆箱進(jìn)行分揀，直接進(jìn)行存儲(chǔ)或分揀，這些整集裝箱貨物稱為直轉(zhuǎn)集裝器貨物。除香港機(jī)場(chǎng)以外，孟菲斯、路易斯維爾、萊比錫等快件轉(zhuǎn)運(yùn)中心同樣也存在對(duì)直轉(zhuǎn)集裝器貨物的分揀轉(zhuǎn)運(yùn)需求，而且這種分揀轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)于時(shí)效性的要求很高。

目前直轉(zhuǎn)集裝器（Un i t L o a d Device，簡(jiǎn)稱“ULD”）的分揀、轉(zhuǎn)運(yùn)方式有人工作業(yè)和自動(dòng)化設(shè)備兩種，兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)。在客運(yùn)機(jī)場(chǎng)的集裝器直接轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，一般直接在機(jī)坪上利用拖車將集裝器由到達(dá)航班駁運(yùn)至相應(yīng)的出發(fā)航班，或駁運(yùn)至專用的中轉(zhuǎn)區(qū)，待辦理完相關(guān)手續(xù)后再將集裝器駁運(yùn)至對(duì)應(yīng)航班。這類機(jī)場(chǎng)一般空空中轉(zhuǎn)的集裝器數(shù)量相對(duì)較少，少量的人工即可完成集裝器的轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。

在某些大型的快件轉(zhuǎn)運(yùn)中心，直轉(zhuǎn)集裝器的數(shù)量較多，分揀的目的地也較多，集裝器的轉(zhuǎn)運(yùn)依靠人工借助滾輪平臺(tái)（滾球平臺(tái)）搬運(yùn)至其目的地進(jìn)行分揀，其分揀效率主要依靠于作業(yè)人員的數(shù)量及作業(yè)場(chǎng)地的大小。轉(zhuǎn)運(yùn)的航空集裝器越多，需要的作業(yè)人員就越多，對(duì)操作場(chǎng)地的要求越大（除去存儲(chǔ)位置以外的空間）。這種方式的特點(diǎn)就是分揀快速、自動(dòng)化程度低、分揀量嚴(yán)格受制于作業(yè)人員數(shù)量、人員作業(yè)強(qiáng)度高。

除了人工分揀作業(yè)，航空集裝器作為航空貨運(yùn)中相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的載具，也有自動(dòng)化的分揀方式。目前多數(shù)國(guó)際貨運(yùn)站采用升降轉(zhuǎn)運(yùn)車（ETV）來對(duì)集裝器進(jìn)行立體存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單分揀，ETV的作業(yè)效率約為每小時(shí)出入庫(kù)20～30個(gè)左右。

在應(yīng)對(duì)大量航空集裝器轉(zhuǎn)運(yùn)分揀時(shí)，特別是在單位小時(shí)需分揀二百個(gè)以上的航空集裝器時(shí)，采用升降轉(zhuǎn)運(yùn)車等設(shè)備的方式不具備優(yōu)勢(shì)，甚至難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 CHS系統(tǒng)布局示意圖

圖2 集裝器處理系統(tǒng)作業(yè)流程圖

一、新型航空集裝器處理系統(tǒng)

針對(duì)以航空貨運(yùn)為主的轉(zhuǎn)運(yùn)中心對(duì)航空集裝器的快速分揀轉(zhuǎn)運(yùn)需求，本文提出了一種航空集裝器處理系統(tǒng)（Container Handing System,以下簡(jiǎn)稱CHS），分揀系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)航空集裝器的快速分揀和緩存，本系統(tǒng)由輥道輸送機(jī)、直角轉(zhuǎn)向臺(tái)、萬向輪臺(tái)等成熟可靠的設(shè)備組成，通過矩陣分揀的形式，可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)幾十至幾百個(gè)航空集裝器的快速轉(zhuǎn)運(yùn)分揀作業(yè)。

本CHS系統(tǒng)包括入庫(kù)系統(tǒng)、矩陣分揀系統(tǒng)、出庫(kù)系統(tǒng)三個(gè)主要子系統(tǒng)，其中入庫(kù)系統(tǒng)包括入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊、集裝器識(shí)別模塊、入庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊，矩陣分揀系統(tǒng)包括導(dǎo)入模塊和分揀模塊，出庫(kù)系統(tǒng)包括出庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊和出庫(kù)系統(tǒng)交接模塊。CHS的系統(tǒng)布局圖，如圖 1所示。

圖3 CHS系統(tǒng)布局圖

圖4 CHS系統(tǒng)分揀時(shí)長(zhǎng)分布圖

圖5 CHS系統(tǒng)時(shí)效性分析圖

1.分揀作業(yè)流程（見圖2）

2.入庫(kù)系統(tǒng)

入庫(kù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)ULD的入庫(kù)作業(yè)，入庫(kù)系統(tǒng)包括交接模塊、識(shí)別模塊和輸送緩存模塊。

（1）入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊

與快件分揀系統(tǒng)的導(dǎo)入口相似，CHS系統(tǒng)也有導(dǎo)入口，此處命名為入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊。入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊用于與拖車的對(duì)接，通過人工作業(yè)或自動(dòng)化的方式將集裝器推入分揀系統(tǒng)。采用人工作業(yè)時(shí)，入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊主要設(shè)備為滾球臺(tái)，不僅方便人工操作，同時(shí)也具有很高的靈活性。

（2）集裝器識(shí)別模塊

集裝器完成交接作業(yè)后，CHS需要對(duì)每個(gè)集裝器上的身份信息進(jìn)行識(shí)別，將集裝器的身份信息錄入CHS，便于對(duì)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)集裝器分揀路徑的規(guī)劃，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)集裝器進(jìn)行定位追蹤。集裝器的識(shí)別可采用掃碼技術(shù)和FRID技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（3）入庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊

入庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊是連接入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊和矩陣分揀系統(tǒng)的輸送線，其除作為輸送線使用外，同時(shí)也起到對(duì)集裝器的緩存作用。當(dāng)矩陣分揀系統(tǒng)在遇到高峰時(shí)，提供一定的緩存空間。

3.矩陣分揀系統(tǒng)

矩陣分揀系統(tǒng)是整個(gè)分揀系統(tǒng)的核心，分揀系統(tǒng)將按照每個(gè)集裝器的目的地對(duì)其進(jìn)行分揀。矩陣分揀系統(tǒng)也是一條輸送線，這條輸送線的大多數(shù)輸送單元由具備直角換向功能的設(shè)備組成。矩陣分揀系統(tǒng)包括導(dǎo)入模塊和分揀模塊。

導(dǎo)入模塊與入庫(kù)系統(tǒng)連接，在ULD從入庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)入的矩陣分揀系統(tǒng)時(shí)，將ULD由橫向輸送改為縱向輸送。在由多條分揀線組成的矩陣分揀系統(tǒng)中，導(dǎo)入模塊還具有預(yù)分揀的功能，可以提前分配ULD的分揀線。

分揀模塊與出庫(kù)系統(tǒng)連接，出庫(kù)系統(tǒng)的輸送線對(duì)應(yīng)一個(gè)分揀模塊的單元。ULD的分揀是這樣實(shí)現(xiàn)的：ULD沿分揀線輸送，當(dāng)輸送至出庫(kù)系統(tǒng)目的地輸送線對(duì)應(yīng)的分揀單元處，換向設(shè)備將ULD的輸送方向，從縱向輸送變?yōu)闄M向輸送，ULD將從分揀線上被輸送至對(duì)應(yīng)的目的地格口。

4.出庫(kù)系統(tǒng)

出庫(kù)系統(tǒng)是負(fù)責(zé)集裝器的出庫(kù)與交接作業(yè)，包括緩存模塊與交接模塊。

（1）出庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊

類似于快件分揀系統(tǒng)的格口，出庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊便是CHS的格口。出庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊由用于緩存的輸送線組成，每個(gè)目的地對(duì)應(yīng)有一條或幾條緩存線。出庫(kù)系統(tǒng)緩存模塊既是集裝器處理系統(tǒng)的格口，也是ULD出庫(kù)前的緩存區(qū)。集裝器通過矩陣分揀系統(tǒng)的分揀后，進(jìn)入目的地對(duì)應(yīng)的出庫(kù)緩存線，在出庫(kù)緩存線進(jìn)行緩存和等待，在滿足出庫(kù)條件后，由出庫(kù)緩存線末端輸送出庫(kù)。出庫(kù)系統(tǒng)的出庫(kù)條件要求在滿足集裝器時(shí)效性的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)駁運(yùn)拖車的調(diào)度設(shè)置出庫(kù)條件。

（2）出庫(kù)系統(tǒng)交接模塊

出庫(kù)系統(tǒng)交接模塊與入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊類似，都是一個(gè)與拖車對(duì)接的平臺(tái)，通過人工作業(yè)或自動(dòng)化的方式將集裝器推上拖車，以完成后續(xù)的運(yùn)輸作業(yè)。其設(shè)備組成和入庫(kù)系統(tǒng)交接模塊相同。

二、航空集裝器分揀系統(tǒng)案例仿真驗(yàn)證

根據(jù)國(guó)內(nèi)某航空樞紐機(jī)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，本文進(jìn)行了集裝器處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并利用Flexsim軟件進(jìn)行物流仿真。

1.設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)需要在20:08～23:22內(nèi)接收311輛拖車運(yùn)送到系統(tǒng)的1084個(gè)集裝器，在5:10分前將1084個(gè)集裝器通過系統(tǒng)分揀至各自要前往的34個(gè)航線，并通過拖車按航線將分揀好的集裝器運(yùn)出本系統(tǒng)。如圖 3為CHS系統(tǒng)布局圖，本案例中的系統(tǒng)包括8個(gè)入庫(kù)交接區(qū)8個(gè)入庫(kù)緩存區(qū)（每個(gè)區(qū)4條緩存線）、4條分揀線、64條出庫(kù)緩存線和10個(gè)出庫(kù)交接區(qū)。

2.仿真參數(shù)

本次仿真采用Flexsim物流仿真軟件進(jìn)行集裝器的分揀仿真。各仿真參數(shù)設(shè)置如下：

（1）交接設(shè)備：交接設(shè)備采用滾球臺(tái)人工作業(yè)，一輛拖車（含有1～4個(gè)ULD）的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)1min。

（2）輸送設(shè)備：系統(tǒng)中的輸送設(shè)備采用輥道輸送機(jī)和過渡輥道，其中輥道輸送機(jī)的輸送速度為18m/min。過渡輥道長(zhǎng)度較短，速度設(shè)置為與輥道輸送機(jī)一致。

（3）分揀設(shè)備（正反雙向輸送）：分揀設(shè)備采用直角轉(zhuǎn)向臺(tái)，輸送速度為18m/min，兩個(gè)方向換向的時(shí)間為3s。

3.仿真結(jié)果分析

通過在Flexsim中進(jìn)行建模仿真，得到了每個(gè)集裝器離開系統(tǒng)的時(shí)間 ，以離開時(shí)間為基礎(chǔ)結(jié)果，進(jìn)行了分揀時(shí)長(zhǎng)和分揀時(shí)效性的分析。

（1）分揀時(shí)長(zhǎng)分析

原數(shù)據(jù)中給出了每個(gè)ULD到達(dá)CHS的時(shí)間 ，通過Flexsim仿真可以輸出每個(gè)集裝器完成分揀離開系統(tǒng)的時(shí)間。定義一個(gè)分揀時(shí)長(zhǎng) ，每個(gè)ULD的分揀時(shí)長(zhǎng)為其離開系統(tǒng)的時(shí)間減去其進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間，即 。

如圖 4所示為每個(gè)ULD的分揀時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)后形成的分布直方圖，可以看出分揀時(shí)長(zhǎng)在10-20分鐘之間的ULD最多，共有458個(gè)，占總數(shù)的42.3%，集裝器的分揀時(shí)長(zhǎng)集中在10-40分鐘之間，共有968個(gè)，占總數(shù)的89.3%。此外，有18個(gè)集裝器的分揀時(shí)長(zhǎng)在10分鐘以內(nèi)，占總數(shù)的1.7%；有98個(gè)集裝器分揀時(shí)長(zhǎng)在40分鐘及以上，占總數(shù)的9%。其中集裝器的最短分揀時(shí)長(zhǎng)為7.2分鐘，最長(zhǎng)為117.9分鐘。

（2）時(shí)效性分析

為分析分揀時(shí)效性，定義一個(gè)變量提前離開時(shí)間 ，提前離開時(shí)間為仿真得到的實(shí)際離開分揀系統(tǒng)時(shí)間 與初始條件給出的集裝器的最晚離開時(shí)間

的差值，即 。若

，則集裝器的分揀時(shí)效性滿足要求，反之則不滿足。

如圖 5為所有集裝器的提前離開時(shí)間 統(tǒng)計(jì)形成的分布直方圖，從圖中可以看出，所有集裝器的提前離開時(shí)間

均大于0，即CHS系統(tǒng)能滿足了本案例中所有集裝器的時(shí)效性要求。

此外，有14個(gè)ULD的提前離開時(shí)間小于20min，分揀時(shí)間相對(duì)緊張，占總量的1.29%；有52個(gè)集裝器的提前離開時(shí)間在20-40min之間，占總量的4.8%；其余93.91%的集裝器提前離開時(shí)間都在40分鐘以上。

三、結(jié)論

本文針對(duì)具備較大航空集裝器轉(zhuǎn)運(yùn)量的貨運(yùn)樞紐機(jī)場(chǎng)及轉(zhuǎn)運(yùn)中心，提出了新型航空集裝器處理系統(tǒng)。CHS系統(tǒng)能對(duì)集裝器進(jìn)行自動(dòng)化的暫存和高效分揀，本文通過物流系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了分揀系統(tǒng)的時(shí)效性。CHS系統(tǒng)對(duì)于加快貨運(yùn)樞紐機(jī)場(chǎng)及轉(zhuǎn)運(yùn)中心的集裝器時(shí)效性有重要意義，同時(shí)也為未來的航空集裝器的全過程智慧化提供基礎(chǔ)平臺(tái)。