自动化集装箱码头箱区作业仿真分析

宓为建+杨小明+舒帆

自动化集装箱码头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，典型的装卸设备为自动化轨道式集装箱龙门起重机（Automated Rail-MountedContainer Gantry Crane，ARMG）。按照ARMG的尺寸，分为穿越式ARMG装卸工艺和对等式ARMG装卸工艺。两者的共同点在于均仅由ARMG完成堆场集装箱水平运输和装卸作业；不同点在于，穿越式ARMG可以全堆场行走，但其匹配方式过于严苛，作业情况不理想；对等式ARMG作业有明显的海陆侧分工，不可避免地带来海陆侧任务交互时的翻箱作业，影响堆场装卸效率。本文提出梭车式自动化集装箱码头概念，并对传统无梭车系统及新型有梭车系统自动化集装箱码头堆场作业进行仿真分析。由于穿越式ARMG装卸工艺已被证明作业效果不理想，本文提到的无梭车系统指的是对等式ARMG装卸工艺系统。

1 无梭车系统箱区作业能力

传统无梭车系统箱区布局如图1所示。在该类自动化集装箱码头箱区：进口箱通常放置在海侧箱区前端H区，然后由场桥A搬运至B区，再由场桥B搬运至C区等待提箱；出口箱一般放置在陆侧箱区前端E区，然后由场桥B搬运至B区，再由场桥A搬运至A区等待装船。由于2台场桥不能相互穿越，进出口箱需要经多次转运才能到达理想位置。

图1 传统无梭车系统箱区布局

传统无梭车系统箱区海侧装卸效率仿真结果如图2所示。西班牙TTI自动化码头的箱区长度为，岸桥平均装卸效率为36～40自然箱/h，则其箱区海侧装卸效率为18～20自然箱/h，与箱区长度为的仿真数据相近。当堆场箱区长度为时，在不同场桥大车速度下的无梭车系统箱区海侧装卸效率分别下降为16.0自然箱/h，16.8自然箱/h和17.9自然箱/h，无法满足岸桥作业要求。

图2 传统无梭车系统箱区海侧装卸效率仿真结果

2 有梭车系统箱区作业能力

配备1辆梭车的系统箱区布局如图3所示。在该类自动化集装箱码头箱区，卸船时，进口箱被跨运车放置在梭车上，由梭车运至C区，再由场桥B卸至C区；提箱时，场桥B将进口箱从C区直接转运至E区集卡上，或场桥A将A区或B区的进口箱放置在梭车上，由梭车转运至E区，等待场桥B装车。集港过程与提箱过程相反，装船过程与卸船过程相反。

图3 配备1辆梭车的系统箱区布局

2.1 配备高速场桥方案

配备1辆梭车和2台/min高速场桥方案的总调度规则是：当进行卸船、装船、集港、提箱作业时，如果梭车在可用状态，则优先使用梭车，否则直接使用场桥。场桥与梭车同时充当堆场内水平运输工具的角色。

某箱区长度为，有72个贝位，配备高速场桥的有平台系统箱区装卸效率仿真结果如图4所示，其装卸效率较高。当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为21.8自然箱/h，平均陆侧装卸效率为15.4自然箱/h；当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为20.9自然箱/h，平均陆侧装卸效率为15.3自然箱/h。

注：方案1～6的梭车速度为300 m/min，方案7～12的梭车速度为/min

图4 配备高速场桥的有平台系统箱区装卸效率仿真结果

配备高速场桥的无平台系统箱区装卸效率仿真结果如图5所示，其与有平台系统具有基本相当的装卸效率。当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为21.8自然箱/h，平均陆侧装卸效率为16.3自然箱/h；当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为20.8自然箱/h，平均陆侧装卸效率为15.6自然箱/h。

注：方案1～6的梭车速度为300 m/min，方案7～12的梭车速度为/min

图5 配备高速场桥的无平台系统箱区装卸效率仿真结果

由图4和图5可知，在高速场桥的配合下，当梭车可用时，优先选用梭车，当梭车不可用时，立即启用高速场桥；因此，平台配置对码头装卸效率影响不大。

2.2 配备低速场桥方案

配备1辆梭车和2台/min低速场桥方案的总调度规则是：当进行卸船、装船、集港、提箱作业时，如果梭车在可用状态，则优先使用梭车，否则直接使用场桥。场桥与梭车同时充当堆场内水平运输工具的角色。

某箱区长度为，有72个贝位，配备低速场桥的有平台系统箱区装卸效率仿真结果如图6所示，其装卸效率较低。当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为16.9自然箱/h，平均陆侧装卸效率为11.1自然箱/h；当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为15.8自然箱/h，平均陆侧装卸效率为11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭车速度为300 m/min，方案7～12的梭车速度为/min

图6 配备低速场桥的有平台系统箱区装卸效率仿真结果

配备低速场桥的无平台系统箱区装卸效率仿真结果如图7所示，其与有平台系统具有基本相当的装卸效率。当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为18.0自然箱/h，平均陆侧装卸效率为11.3自然箱/h；当梭车速度为/min时，平均海侧装卸效率为15.5自然箱/h，平均陆侧装卸效率为11.7自然箱/h。

注：方案1～6的梭车速度为300 m/min，方案7～12的梭车速度为/min

图7 配备低速场桥的无平台系统箱区装卸效率仿真结果

由图6和图7可知，该方案下虽然有无平台的装卸效率差别不大，但是其总体装卸效率偏低，无法满足岸桥36～40自然箱/h的作业效率要求。

2.3 以梭车为主、低速场桥为辅方案

如前所述，若将梭车和低速场桥同时作为堆场内水平运输设备，则低速场桥将对系统装卸效率产生较大影响，从而导致码头整体作业能力较低。因此，调整系统总调度规则为：当进行卸船、装船、集港、提箱作业时，将梭车作为主要水平运输设备，低速场桥负责箱区内部装卸作业。在此规则下，以梭车为主、低速场桥为辅系统的箱区海侧装卸效率仿真结果如图8所示。可见，在有平台的情况下，箱区海侧装卸效率为19～20自然箱/h，能够满足岸桥作业要求。由于梭车为箱区水平运输设备，因此，有无平台对箱区海侧装卸效率影响较大。

图8 以梭车为主、低速场桥为辅系统的箱区海侧

装卸效率仿真结果

3 有无梭车系统比较

3.1 能耗比较

对于传统无梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有2次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。对于有梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有1次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。因此，使用梭车可在卸船作业中减少1次场桥起升能耗。

配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果见表1。可见，在卸船作业过程

中梭车平均使用比例为38%，因此38%的进口箱单箱作业可节省场桥1次起升能耗。经查，场桥1次起升装卸集装箱的能耗为 h。假设吊具自重，能耗与起升物质量成正比，则1次起升装卸20 t集装箱的能耗为 h。假设20英尺集装箱和40英尺集装箱的平均质量分别为20 t和40 t，其数量比例为1：1，码头年集装箱吞吐量为150万TEU，进口箱与出口箱数量相等且中转箱比例为5%，则进口20英尺集装箱和进口40英尺集装箱的数量均为25万个，使用梭车的进口箱数量均为9.025万个。由此可知，在不考虑堆场内部水平移动梭车能耗与场桥带箱运输能耗差异以及翻箱作业增加能耗的情况下，年集装箱吞吐量为150 万TEU的码头配备1辆梭车后可节省能耗33.48万kW h。

表1 配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果

3.2 完成能力比较

在图1和图3中：对于箱区作业来说，卸船时只需要将集装箱卸至箱区A，B，C任何区域即可；但对于箱区整体作业来说，集装箱卸至A或B区将对后续提箱作业造成较大困难，因此当集装箱转运至C区时作业才算真正完成。在自动化集装箱码头中，装卸船舶完成后的整理箱区作业主要是将进口箱转运至C区和将进口箱转运至A区。

由表1可知，对于配备1辆梭车和2台240 m/min场桥的系统，平均有41%的进口箱直接卸至C区，有31%的出口箱直接集港至A区，这能在很大程度上减少后续整理箱区作业任务量，降低翻箱率。

4 结束语

随着箱区长度的增加，传统无梭车系统自动化集装箱码头的箱区作业能力逐渐下降，因此，其箱区长度不宜超过。单个箱区配备1辆梭车和2台高速场桥的自动化集装箱码头具有以下优点：（1）作业效率较高，有助于实现进出口箱一次性到达目的箱位、减少翻箱作业的目的；（2）在船舶装卸作业时形成双条作业路线，这比传统无梭车系统具有更高灵活性，可以充分发挥系统作业能力，降低船舶滞港概率。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

图8 以梭车为主、低速场桥为辅系统的箱区海侧

装卸效率仿真结果

3 有无梭车系统比较

3.1 能耗比较

对于传统无梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有2次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。对于有梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有1次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。因此，使用梭车可在卸船作业中减少1次场桥起升能耗。

配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果见表1。可见，在卸船作业过程

中梭车平均使用比例为38%，因此38%的进口箱单箱作业可节省场桥1次起升能耗。经查，场桥1次起升装卸集装箱的能耗为 h。假设吊具自重，能耗与起升物质量成正比，则1次起升装卸20 t集装箱的能耗为 h。假设20英尺集装箱和40英尺集装箱的平均质量分别为20 t和40 t，其数量比例为1：1，码头年集装箱吞吐量为150万TEU，进口箱与出口箱数量相等且中转箱比例为5%，则进口20英尺集装箱和进口40英尺集装箱的数量均为25万个，使用梭车的进口箱数量均为9.025万个。由此可知，在不考虑堆场内部水平移动梭车能耗与场桥带箱运输能耗差异以及翻箱作业增加能耗的情况下，年集装箱吞吐量为150 万TEU的码头配备1辆梭车后可节省能耗33.48万kW h。

表1 配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果

3.2 完成能力比较

在图1和图3中：对于箱区作业来说，卸船时只需要将集装箱卸至箱区A，B，C任何区域即可；但对于箱区整体作业来说，集装箱卸至A或B区将对后续提箱作业造成较大困难，因此当集装箱转运至C区时作业才算真正完成。在自动化集装箱码头中，装卸船舶完成后的整理箱区作业主要是将进口箱转运至C区和将进口箱转运至A区。

由表1可知，对于配备1辆梭车和2台240 m/min场桥的系统，平均有41%的进口箱直接卸至C区，有31%的出口箱直接集港至A区，这能在很大程度上减少后续整理箱区作业任务量，降低翻箱率。

4 结束语

随着箱区长度的增加，传统无梭车系统自动化集装箱码头的箱区作业能力逐渐下降，因此，其箱区长度不宜超过。单个箱区配备1辆梭车和2台高速场桥的自动化集装箱码头具有以下优点：（1）作业效率较高，有助于实现进出口箱一次性到达目的箱位、减少翻箱作业的目的；（2）在船舶装卸作业时形成双条作业路线，这比传统无梭车系统具有更高灵活性，可以充分发挥系统作业能力，降低船舶滞港概率。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

图8 以梭车为主、低速场桥为辅系统的箱区海侧

装卸效率仿真结果

3 有无梭车系统比较

3.1 能耗比较

对于传统无梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有2次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。对于有梭车系统，场桥在垂直方向上的能耗为：卸船作业有1次起升能耗；装船作业有1次起升能耗；集港作业有2次起升能耗；提箱作业有1次起升能耗。因此，使用梭车可在卸船作业中减少1次场桥起升能耗。

配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果见表1。可见，在卸船作业过程

中梭车平均使用比例为38%，因此38%的进口箱单箱作业可节省场桥1次起升能耗。经查，场桥1次起升装卸集装箱的能耗为 h。假设吊具自重，能耗与起升物质量成正比，则1次起升装卸20 t集装箱的能耗为 h。假设20英尺集装箱和40英尺集装箱的平均质量分别为20 t和40 t，其数量比例为1：1，码头年集装箱吞吐量为150万TEU，进口箱与出口箱数量相等且中转箱比例为5%，则进口20英尺集装箱和进口40英尺集装箱的数量均为25万个，使用梭车的进口箱数量均为9.025万个。由此可知，在不考虑堆场内部水平移动梭车能耗与场桥带箱运输能耗差异以及翻箱作业增加能耗的情况下，年集装箱吞吐量为150 万TEU的码头配备1辆梭车后可节省能耗33.48万kW h。

表1 配备1辆梭车和2台/min场桥系统各类作业效率仿真结果

3.2 完成能力比较

在图1和图3中：对于箱区作业来说，卸船时只需要将集装箱卸至箱区A，B，C任何区域即可；但对于箱区整体作业来说，集装箱卸至A或B区将对后续提箱作业造成较大困难，因此当集装箱转运至C区时作业才算真正完成。在自动化集装箱码头中，装卸船舶完成后的整理箱区作业主要是将进口箱转运至C区和将进口箱转运至A区。

由表1可知，对于配备1辆梭车和2台240 m/min场桥的系统，平均有41%的进口箱直接卸至C区，有31%的出口箱直接集港至A区，这能在很大程度上减少后续整理箱区作业任务量，降低翻箱率。

4 结束语

随着箱区长度的增加，传统无梭车系统自动化集装箱码头的箱区作业能力逐渐下降，因此，其箱区长度不宜超过。单个箱区配备1辆梭车和2台高速场桥的自动化集装箱码头具有以下优点：（1）作业效率较高，有助于实现进出口箱一次性到达目的箱位、减少翻箱作业的目的；（2）在船舶装卸作业时形成双条作业路线，这比传统无梭车系统具有更高灵活性，可以充分发挥系统作业能力，降低船舶滞港概率。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）