新型梭车式自动化集装箱码头堆场作业工艺设计

安国利+舒帆

集装箱码头是承载货物装卸的重要节点，在世界贸易量剧增的推动下，世界各国集装箱码头快速发展。随着人力资源日益匮乏，集装箱码头向自动化方向发展，自动化集装箱码头作业工艺规划和设计成为业界研究重点。本文在分析现有自动化集装箱码头堆场作业工艺特点的基础上，提出新型梭车式自动化集装箱码头堆场作业工艺，并通过仿真模型的建立和分析，论证新工艺的可行性。

1 自动化集装箱码头堆场作业工艺发展现状

1.1 自动化轨道吊交接方案

自动化集装箱码头通常依靠装卸设备的联动实现堆场集装箱水平运输和装卸作业，其典型堆场的作业工艺原理与传统集装箱码头堆场的作业工艺原理相似，一般通过配置自动化轨道吊来实现集装箱装卸作业。按照自动化轨道吊的布置特点，该工艺方案可分为穿越式自动化轨道吊工艺方案和对等式自动化轨道吊工艺方案。

穿越式自动化轨道吊工艺方案依靠一大一小2台轨道吊在一定条件下开展穿越式作业，以保证每块场地有2台轨道吊可以同时进行装卸船和集疏港作业，从而提升堆场海侧和陆侧装卸作业能力。在这种工艺方案下，只有当大尺寸自动化轨道吊吊具位于轨道最右侧时，才能完成与小尺寸自动化轨道吊的穿越作业。这需要码头系统具有复杂的任务控制能力，尤其是调度控制系统的优劣对该工艺方案下穿越作业优势的体现影响较大。

在对等式自动化轨道吊工艺方案下，同一箱区布置2台同等大小的轨道吊，海侧自动化轨道吊以完成海侧装卸船作业为主，陆侧自动化轨道吊以完成陆侧集疏港作业为主。海侧自动化轨道吊将集装箱优先卸至堆场海侧，然后将其转到堆场陆侧，由陆侧自动化轨道吊完成提箱作业。堆场堆存策略对该作业工艺效率影响较大。PARK等[1]针对自动化码头进场集装箱进行堆存策略研究，以跨运车和双自动堆箱设备典型工艺为基础提出在线搜索算法，动态计算堆存策略的变量值，从而实现对堆存策略的动态调整和优化。仿真结果表明，与传统离线式优化方法相比，该算法有利于提高堆场作业效率。

上述两种堆场作业工艺方案的共同点是均采用自动化轨道吊完成堆场集装箱水平运输和装卸作业。两种工艺方案的不同之处在于：在穿越式自动化轨道吊方案下，自动化轨道吊可以全堆场行走，这对2台自动化轨道吊的匹配方式要求较高；在对等式自动化轨道吊工艺方案下，2台自动化轨道吊的作业任务各有侧重，有明显的堆场海陆侧作业分工，在海陆侧任务交互时常常导致堆场翻箱作业，从而使堆场作业效率降低。由此可见，穿越式自动化轨道吊工艺方案与对等式自动化轨道吊工艺方案相比，前者的码头前沿作业效率高于后者，而其堆场作业效率略低于后者（见表1）。[2]

表1 穿越式自动化轨道吊工艺方案与对等式自动化轨道吊工艺方案的比较

1.2 立体轨道式分配系统工艺方案

由上海振华港口机械股份有限公司（以下简称振华港机）研发的立体轨道式分配系统由低架桥结构件、起重小车、低架桥平板车和地面平板车等构成。[3]起重小车负责低架桥平板车与地面平板车间的集装箱转运，并具有90€白蚬δ埽坏图芮牌桨宄蹈涸鸢肚庞肫鹬匦〕导涞募跋渥耍坏孛嫫桨宄蹈涸鸾跋湓怂偷蕉殉∧谌我恢付ㄎ恢谩F桨宄悼刹捎萌缌η9斓郎璞竿ü捎么懦叩认执侄问迪值亩ㄎ痪龋笨墒迪钟行П苷弦约敖艏鼻榭鱿碌慕敉2僮鳌S捎诖死喙ひ辗桨感枰诼胪非把毓菇ǜ招粤⑻迨焦斓溃孀怕胪凡次坏睦┙ǎ⑻迨焦斓赖姆峙浣夏咽迪郑虼耍胪非把氐牟贾眯问皆诤艽蟪潭壬嫌跋炝肆⑻骞斓朗椒峙湎低车挠τ谩？

立体轨道式分配系统工艺方案的优点在于：堆场轨道吊无须带箱长距离行走，从而降低对轨道吊各类技术参数的要求；设备以较为固化的模式展开交叉作业，提高运行的可靠性。此工艺方案的缺点是投资较高且扩展性较低，导致其推广应用的难度较大。在此基础上，林浩等[4]提出高架式立体轨道分配系统。目前，上海长兴岛基地建成自动化集装箱码头立体轨道式分配系统示范线，但尚未投入商业运营。近期，振华港机提出在码头岸边布置分层式轨道，以解决系统扩展性问题，其有效性有待进一步验证。

1.3 跨运车进场工艺方案

跨运车进场工艺方案以澳大利亚布里斯班港的Patrick码头为代表，其采用跨运车进行码头岸边集装箱水平运输及堆场集装箱装卸和水平运输，适用于集装箱堆高层数较少的场地。跨运车路径优化是此类工艺方案研究较集中的领域。SKINNER等[5]针对该工艺研究跨运车使用率最低的方法，以集装箱装卸转运总成本最小为目标建立模型，采用双种群遗传算法求解生成作业序列。YUAN Shuai等[6]针对该工艺提出工作组方法，考虑在有限的码头空间使用更多跨运车，同时全面考虑集装箱堆码高度、堆存顺序、箱门方向及跨运车加减速等实际难点，并通过建立数学模型加以分析，以证明该工艺方案是有效的；但将该工艺方案应用于我国自动化集装箱码头的可能性较小。

2 新型梭车式自动化集装箱码头堆场作业工艺设计

2.1 方案设计背景

自动化轨道吊是自动化集装箱码头的主流堆场装卸设备。穿越式自动化轨道吊工艺方案的应用局限性较大，实现穿越作业的条件较为严苛，从而使系统控制难度较大；相比之下，对等式自动化轨道吊工艺方案的应用范围较广，但由于自动化轨道吊需要带箱长距离高速行走，电气系统装机容量较大，能耗较高。这表明自动化轨道吊在堆场集装箱水平运输方面存在一定缺陷。若堆场配置1台自动化轨道吊，使其同时进行装卸船和集疏港作业，则由于其需要带箱长距离行走，导致作业耗时较长且能耗较高，往往无法满足码头对堆场设备装卸能力的要求；若堆场配置多台自动化轨道吊，则由于其不能交叉作业，集装箱往往需要多次转运才能到达指定箱位，导致堆场翻箱率较高。考虑到自动化轨道吊带箱行走距离以及集装箱转运次数，为保证堆场集装箱作业效率，箱区长度一般限制在以内。

为弥补对等式自动化轨道吊在堆场集装箱水平运输方面的缺陷，在现有自动化轨道吊工艺的基础上，引入立体轨道式分配系统工艺的思路，开发出新型梭车（地面轨道式小车）式自动化集装箱码头堆场作业工艺，将堆场作业分为水平运输作业和装卸作业，水平运输作业由梭车完成，装卸作业由自动化轨道吊完成。

新型梭车式工艺的优点在于：梭车替代自动化轨道吊带箱长距离行走，适用于箱区较长堆场集装箱作业要求，有利于码头扩展堆存空间，降低作业能耗；梭车的引入使集装箱场地位置计划的灵活性增强，集装箱可以一次性到达指定位置，有效降低堆场整体翻箱率；对自动化轨道吊带箱行走速度的要求降低，减少“啃轨”次数，提高设备运行稳定性；自动化轨道吊的建造成本降低。由表2可见，与对等式自动化轨道吊工艺方案相比，新型梭车式工艺方案在设备成本和水平运输能耗方面均具有一定优势。

表2 新型梭车式工艺方案与对等式自动化轨道吊工艺方案的成本和能耗比较

2.2 方案设计

新型梭车式工艺方案的设计重点包括梭车与自动化轨道吊的配比、梭车道的设计以及梭车与海陆侧水平运输设备的交接等。根据堆场配置的梭车道数量，梭车式工艺方案可以分成双梭车双自动化轨道吊方案和单梭车双自动化轨道吊方案；堆场海陆侧水平运输设备与梭车的交接作业可以利用转承平台来实现，也可以直接与梭车进行交接作业；轨道内部可以设中转平台，以实现2辆梭车间的转接作业，也可以不设中转平台，采用单梭车作业（见表3）。

表3 新型梭车式工艺方案的分类

“中转平台+双梭车”方案的优点在于：1条梭车道上可以同时进行2个任务，作业不会因1辆梭车发生故障而完全中断。该方案的缺点在于：转承平台及2辆梭车同时作业容易导致设备间的流向冲突；单条梭车道只能选择同流向作业，影响箱区总体作业效率；为协调中转平台的作业任务，码头操作系统和码头设备控制系统的设计复杂且成本较高；设备的投资和维护成本较高；装卸船作业时，陆侧自动化轨道吊的任务集装箱须经转承平台中转，单次中转耗时约，导致陆侧自动化轨道吊的作业效率较低。

单梭车方案的优点在于：梭车道上没有其他设备作业，梭车可以在任意时间选择任意流向作业任务；后方自动化轨道吊装卸船作业无须在中转平台进行交接，有利于提高作业效率；前后2台自动化轨道吊的作业效率均衡，码头操作系统和码头设备控制系统设计简单，设备投资及维护成本较低。该方案的缺点在于：由于只有1辆梭车，导致梭车任务繁忙，若梭车因故障停运，将严重影响码头正常作业。

2.3 方案仿真模型分析

本文选择双梭车道、梭车直接交接作业以及单梭车的组合方案（简称双轨单车直接式方案）进行分析。利用仿真软件建立所选方案的仿真模型，在堆场外侧布置2条梭车道，轨道内部不设中转平台，轨道端部不设转承平台（见图1）。假设：海侧自动化轨道吊进行卸船和提箱作业，陆侧自动化轨道吊进行集港和装船作业；一条梭车道进行装卸船作业，另一条梭车道进行集疏港作业。在该假设条件下，测定双轨单车直接式方案下的堆场海侧、陆侧作业能力。通过仿真分析，在跨运车完全满足岸边装卸效率，梭车速度/min，自动化轨道吊大车速度/min的条件下，堆场海侧作业能力达19自然箱/h，陆侧作业能力达15自然箱/h。

图1 双轨单车直接式方案仿真模型

参考文献：

[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] 彭传圣. 汉堡港的自动化集装箱码头[J]. 集装箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吴富生，叶军. 立体轨道式自动化码头设备调度策略仿真分析[J]. 起重运输机械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤华. 新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨[J]. 水运工程，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.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）

新型梭车式工艺的优点在于：梭车替代自动化轨道吊带箱长距离行走，适用于箱区较长堆场集装箱作业要求，有利于码头扩展堆存空间，降低作业能耗；梭车的引入使集装箱场地位置计划的灵活性增强，集装箱可以一次性到达指定位置，有效降低堆场整体翻箱率；对自动化轨道吊带箱行走速度的要求降低，减少“啃轨”次数，提高设备运行稳定性；自动化轨道吊的建造成本降低。由表2可见，与对等式自动化轨道吊工艺方案相比，新型梭车式工艺方案在设备成本和水平运输能耗方面均具有一定优势。

表2 新型梭车式工艺方案与对等式自动化轨道吊工艺方案的成本和能耗比较

2.2 方案设计

新型梭车式工艺方案的设计重点包括梭车与自动化轨道吊的配比、梭车道的设计以及梭车与海陆侧水平运输设备的交接等。根据堆场配置的梭车道数量，梭车式工艺方案可以分成双梭车双自动化轨道吊方案和单梭车双自动化轨道吊方案；堆场海陆侧水平运输设备与梭车的交接作业可以利用转承平台来实现，也可以直接与梭车进行交接作业；轨道内部可以设中转平台，以实现2辆梭车间的转接作业，也可以不设中转平台，采用单梭车作业（见表3）。

表3 新型梭车式工艺方案的分类

“中转平台+双梭车”方案的优点在于：1条梭车道上可以同时进行2个任务，作业不会因1辆梭车发生故障而完全中断。该方案的缺点在于：转承平台及2辆梭车同时作业容易导致设备间的流向冲突；单条梭车道只能选择同流向作业，影响箱区总体作业效率；为协调中转平台的作业任务，码头操作系统和码头设备控制系统的设计复杂且成本较高；设备的投资和维护成本较高；装卸船作业时，陆侧自动化轨道吊的任务集装箱须经转承平台中转，单次中转耗时约，导致陆侧自动化轨道吊的作业效率较低。

单梭车方案的优点在于：梭车道上没有其他设备作业，梭车可以在任意时间选择任意流向作业任务；后方自动化轨道吊装卸船作业无须在中转平台进行交接，有利于提高作业效率；前后2台自动化轨道吊的作业效率均衡，码头操作系统和码头设备控制系统设计简单，设备投资及维护成本较低。该方案的缺点在于：由于只有1辆梭车，导致梭车任务繁忙，若梭车因故障停运，将严重影响码头正常作业。

2.3 方案仿真模型分析

本文选择双梭车道、梭车直接交接作业以及单梭车的组合方案（简称双轨单车直接式方案）进行分析。利用仿真软件建立所选方案的仿真模型，在堆场外侧布置2条梭车道，轨道内部不设中转平台，轨道端部不设转承平台（见图1）。假设：海侧自动化轨道吊进行卸船和提箱作业，陆侧自动化轨道吊进行集港和装船作业；一条梭车道进行装卸船作业，另一条梭车道进行集疏港作业。在该假设条件下，测定双轨单车直接式方案下的堆场海侧、陆侧作业能力。通过仿真分析，在跨运车完全满足岸边装卸效率，梭车速度/min，自动化轨道吊大车速度/min的条件下，堆场海侧作业能力达19自然箱/h，陆侧作业能力达15自然箱/h。

图1 双轨单车直接式方案仿真模型

参考文献：

[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] 彭传圣. 汉堡港的自动化集装箱码头[J]. 集装箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吴富生，叶军. 立体轨道式自动化码头设备调度策略仿真分析[J]. 起重运输机械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤华. 新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨[J]. 水运工程，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.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）

新型梭车式工艺的优点在于：梭车替代自动化轨道吊带箱长距离行走，适用于箱区较长堆场集装箱作业要求，有利于码头扩展堆存空间，降低作业能耗；梭车的引入使集装箱场地位置计划的灵活性增强，集装箱可以一次性到达指定位置，有效降低堆场整体翻箱率；对自动化轨道吊带箱行走速度的要求降低，减少“啃轨”次数，提高设备运行稳定性；自动化轨道吊的建造成本降低。由表2可见，与对等式自动化轨道吊工艺方案相比，新型梭车式工艺方案在设备成本和水平运输能耗方面均具有一定优势。

表2 新型梭车式工艺方案与对等式自动化轨道吊工艺方案的成本和能耗比较

2.2 方案设计

新型梭车式工艺方案的设计重点包括梭车与自动化轨道吊的配比、梭车道的设计以及梭车与海陆侧水平运输设备的交接等。根据堆场配置的梭车道数量，梭车式工艺方案可以分成双梭车双自动化轨道吊方案和单梭车双自动化轨道吊方案；堆场海陆侧水平运输设备与梭车的交接作业可以利用转承平台来实现，也可以直接与梭车进行交接作业；轨道内部可以设中转平台，以实现2辆梭车间的转接作业，也可以不设中转平台，采用单梭车作业（见表3）。

表3 新型梭车式工艺方案的分类

“中转平台+双梭车”方案的优点在于：1条梭车道上可以同时进行2个任务，作业不会因1辆梭车发生故障而完全中断。该方案的缺点在于：转承平台及2辆梭车同时作业容易导致设备间的流向冲突；单条梭车道只能选择同流向作业，影响箱区总体作业效率；为协调中转平台的作业任务，码头操作系统和码头设备控制系统的设计复杂且成本较高；设备的投资和维护成本较高；装卸船作业时，陆侧自动化轨道吊的任务集装箱须经转承平台中转，单次中转耗时约，导致陆侧自动化轨道吊的作业效率较低。

单梭车方案的优点在于：梭车道上没有其他设备作业，梭车可以在任意时间选择任意流向作业任务；后方自动化轨道吊装卸船作业无须在中转平台进行交接，有利于提高作业效率；前后2台自动化轨道吊的作业效率均衡，码头操作系统和码头设备控制系统设计简单，设备投资及维护成本较低。该方案的缺点在于：由于只有1辆梭车，导致梭车任务繁忙，若梭车因故障停运，将严重影响码头正常作业。

2.3 方案仿真模型分析

本文选择双梭车道、梭车直接交接作业以及单梭车的组合方案（简称双轨单车直接式方案）进行分析。利用仿真软件建立所选方案的仿真模型，在堆场外侧布置2条梭车道，轨道内部不设中转平台，轨道端部不设转承平台（见图1）。假设：海侧自动化轨道吊进行卸船和提箱作业，陆侧自动化轨道吊进行集港和装船作业；一条梭车道进行装卸船作业，另一条梭车道进行集疏港作业。在该假设条件下，测定双轨单车直接式方案下的堆场海侧、陆侧作业能力。通过仿真分析，在跨运车完全满足岸边装卸效率，梭车速度/min，自动化轨道吊大车速度/min的条件下，堆场海侧作业能力达19自然箱/h，陆侧作业能力达15自然箱/h。

图1 双轨单车直接式方案仿真模型

参考文献：

[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] 彭传圣. 汉堡港的自动化集装箱码头[J]. 集装箱化，2005，16（2）：21-23.

[3] 梁燕，吴富生，叶军. 立体轨道式自动化码头设备调度策略仿真分析[J]. 起重运输机械，2012（2）：8-13.

[4] 林浩，唐勤华. 新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨[J]. 水运工程，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.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）