基于系统仿真的集装箱港区岸桥集卡配置

唐国磊,张 冉，彭 云，周 勇

(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

基于系统仿真的集装箱港区岸桥集卡配置

唐国磊,张 冉，彭 云，周 勇

(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

集装箱船舶大型化促使双40英尺岸桥不断投入使用，然而我国现行规范对于面向双40英尺岸桥的集装箱港区规划期的集卡配置数量尚未给出推荐取值。基于系统仿真理论，考虑集装箱港区双40英尺岸桥的作业特点，以大连某大型集装箱港区为例，利用VISSIM仿真软件建立了包括码头前沿、堆场以及港区大门在内的集装箱港区陆域微观交通系统仿真模型。通过运行仿真模型获得仿真结果，分析配备了双40英尺岸桥的大型自动化集装箱港区内部交通运行规律，得到了大连某大型集装箱港区的双40英尺岸桥平均装卸效率与集卡配置数量间的关系，给出了该港区的在规划期的集卡配置建议，为采用双40英尺岸桥的集装箱港区在规划期的集卡配置提供经验与参考。

交通运输工程；集装箱港区；双40英尺岸桥；集卡配置；交通系统仿真

0 引 言

受全球经济一体化发展影响，沿海港口集装箱业务量呈高速增长态势，“马士基.迈克-凯尼.穆勒”号集装箱船投入亚欧航线的运营，宣告世界集装箱运输正式进入18 000 TEU时代。为了与船舶大型化趋势相适应，国内部分大型集装箱港区，如上海港洋山港区，开始陆续引入双40英尺岸桥用于码头前沿装卸作业。理论上，双40英尺岸桥因为可以同时装卸两个40英尺的集装箱，其单台装卸效率应较普通岸桥高50%以上，然而实际使用情况并不理想[1]，其中一个重要原因就是港内集卡数量配置合理性不足，导致水平运输系统与双40英尺岸桥的有效衔接、协调作业存在问题。集装箱码头的集卡问题主要包括两个方面，一是运营期的集卡调度，二是规划期的集卡配置。国外学者主要侧重于码头运营期的集卡优化调度和策略研究。L.H.LEE等[2]基于混合整数规划、遗传算法和最小费用流建立了数学模型，对集装箱中转枢纽港的车辆调度算法进行了研究；X.LI等[3]考虑车辆行驶时间和路径选择的随机性，对港内车辆路径问题进行了研究；D.LEE等[4]基于启发式算法，将集卡调度和堆场分配两大问题结合起来进行了研究；此外，还有部分学者提出了集卡预约制度、内部集卡共用制度等有利于提高港口运营效率的集卡策略[5-6]。国内学者对于集卡配置的研究更为重视，且研究与我国工程实际更为切合。刘德鹏[7]基于进化论-遗传算法建立港内集卡配置仿真模型，在保持岸桥利用率变化不大的条件下，以集卡服务时间最小为优化目标，得到了合理的集卡配置数量；杨静蕾等[8]以上海港外高桥集装箱码头为例，通过构建一个包括锚地、泊位、桥吊、龙门吊和集卡的动态多级排队网络，分析得到外高桥集装箱码头的最优机械配比和最优的桥吊台数；张少凯等[9]通过建立集装箱港口作业仿真模型，分析了新旧不同工艺下港口装卸设备配置对港口作业的影响，为不同策略下装卸设备数量配置提供了参考依据。对于配备双40英尺岸桥的集装箱港区，现有研究较少，仅有的少量研究主要集中于运营期的集卡调度优化算法问题[10-11]，缺乏相应系统仿真模型的建立，也缺乏在规划期对集卡进行合理配置的建议。

在分析双40英尺岸桥装卸作业特点的基础上，以大连某大型集装箱港区为例，利用VISSIM仿真软件建立了面向双40英尺岸桥的集装箱港区陆域微观交通系统仿真模型。通过运行该系统仿真模型，分析配备了双40英尺岸桥的集装箱港区内部交通运行规律，得到了大连某大型集装箱港区的双40英尺岸桥平均装卸效率与集卡配置数量间的关系，给出了该港区在规划期的集卡配置建议。为采用双40英尺岸桥的集装箱港区规划期间如何合理配置集卡提供了经验和参考。

1 双40英尺岸桥装卸作业特点

双40英尺岸桥与目前常用的单40英尺岸桥的差别主要在于，双40英尺岸桥拥有两套独立的起吊装置，两吊具同步协调控制，每次作业可以同时起吊2个40英尺集装箱。单40英尺岸桥一次吊装作业循环中仅需2次对箱，而双40英尺岸桥需要操作人员进行4次对箱[12]。因此，如图1，双40英尺岸桥一次吊装作业循环比单40英尺岸桥多出两次对位、两次锁紧与两次脱钩时间。

图1 双40英尺岸桥单次吊装作业Fig.1 One lifting operation of twin 40 feet quay crane

与普通单40英尺岸桥相比，双40英尺岸桥装卸作业时码头前沿的交通情况更加复杂。一方面，由于港内集卡配置数量增多和单次吊装作业时间延长，双40英尺岸桥下的集卡排队等待长度更长，对在码头前沿位于岸桥后方的集卡驶离码头前沿产生了较大的干扰；另一方面，单个岸桥下作业点数量由一个增加为两个，导致港内集卡需要在码头前沿进行更为复杂的换道行驶，产生了较大的变道干扰。两方面的干扰交织影响，对水平运输系统与双40英尺岸桥的协调作业产生了较大的不利影响，进而也影响了双40英尺岸桥装卸效率的充分发挥。

2 系统仿真建模

以大连市某集装箱港区为原型，构建面向双40英尺岸桥的集装箱港区陆域微观交通系统仿真模型，并依据双40英尺岸桥装卸工艺和实际情况设置集卡在港内的行驶路径、参数分布与性能参数等。该系统仿真模型实现了港内生产作业和交通运行的整体性建模，建立了完整的运输道路网络，不仅能够从宏观层面反映港内生产作业过程中集卡的路径选择，而且能够从微观层面有效地模拟集卡在港区内部跟驰、换道、超车等微观交通特性。

2.1 模型路网建立

双40英尺岸桥集卡的配置一方面应与具体集装箱港区的陆域布置和作业线布置相适应，另一方面还应与集装箱港区的港内道路布置实际情况相匹配，本文以大连市某集装箱港区为例，其平面布置如图2，码头前沿双40英尺岸桥下作业点布置如图3。

图2 集装箱港区平面布置Fig.2 Container terminal plane layout

图3 双40英尺岸桥下作业点布置Fig.3 Operation points layout under twin 40 feet quay cranes

大连市某集装箱港区的码头岸线长为1 200 m，陆域纵深800 m，码头前沿配备双40英尺岸桥15台，堆场区配备轮胎式龙门起重机66台。该港区内主要包括“四横四纵”8条主干道，1条岸桥下作业通道和66条场桥下作业通道(一个场桥对应1条作业通道)。8条主干道均为双向六车道。岸桥下作业通道为单向八车道，作业通道居中隔离开，分为两个方向相同的四车道作业通道。同时，为了保证集卡在岸桥下具有较高的通行效率，双40英尺岸桥下作业点错位布置。

2.2 模型基本设置

2.2.1 行驶路径与参数分布

根据双40英尺岸桥的装卸工艺设置集卡行驶路径：港外集卡从港区大门驶入后，依各自作业计划驶向相对应的重箱、空箱或冷藏箱堆场，在场桥下排队等候吊装作业，完成吊装作业后驶离港区大门；港内集卡从港内集卡停车场(位于港区大门附近)出发，驶向码头前沿，在岸桥下排队等候吊装作业，完成一次吊装作业循环后随机驶向对应的重箱、空箱或冷藏箱堆场，在相应堆场的场桥下排队等候吊装作业，完成吊装作业后重新驶向码头前沿。

调研得到，集卡在场桥处的装卸作业时间服从正态分布，平均值120 s，标准差5 s。双40英尺岸桥在码头前沿的装卸工艺较为复杂，本研究采用VISSIM自带的VAP模块，通过感应信号控制，实现集卡抵达双40英尺岸桥作业点前的放行控制，放行后，集卡驶入双40英尺岸桥作业点开始吊装。目前双40英尺岸桥完成一次吊装作业用时的调研数据并不充分，因此，对双40英尺岸桥单次吊装作业用时为80，100，120，140，160 s展开5组平行试验，分别进行不同集卡数量配置时的港区陆域微观交通仿真。

根据历史调研数据，港外集卡抵达港区大门的到港时间分布基本符合泊松分布，且港区入港闸口的通过能力为240 辆/小时。

2.2.2 集卡性能与驾驶行为参数

集卡在港内行驶的目标车速为25～30 km/h，其主要性能参数如表1。为客观反映实际交通运行状况，需正确标定模型中的驾驶行为参数。选用的跟车模型为Wiedemann 74模型，横向运动规则选用自由车道选择，即允许车辆在任何车道上超车，经校正后集卡的跟车行为参数和变道行为参数的标定值如表2[13]。

表1 集卡主要性能参数

表2 集卡主要驾驶行为参数

3 仿真结果分析

通过运行大连某集装箱港区的陆域微观交通系统仿真模型，模型的运行状况基本反映了配备双40英尺岸桥的大型自动化集装箱港区的交通系统运行客观规律：进行单个大型船舶装卸时，堆场的大型化与港区管理的自动化使得由装卸该船舶引起的堆场交通压力得到了较大程度的分散，与此相应，双40英尺岸桥作业点布置与装卸工艺更加复杂，集卡不可避免的在码头前沿集中使得码头前沿成为装卸该大型船舶时的交通瓶颈区。

以双40英尺岸桥的平均装卸效率作为判断依据，岸桥单次吊装作业用时T为80，100，120，140，160 s时，双40英尺岸桥平均装卸效率P与每个岸桥平均配置集卡数量n的关系如图4。

图4 平均配置集卡数量与双40英尺岸桥平均装卸效率关系Fig.4 Relationship between average number of configured trucks and average handling effiency of twin 40 feet quay cranes

可以明显看出，对于该集装箱港区：

1)随着每个岸桥平均配置集卡数量的增多，双40英尺岸桥的平均装卸效率将逐渐增大，到达峰值后，岸桥平均装卸效率变化不再明显。

2)当平均每个双40英尺岸桥配置港内集卡数量≤8个时，岸桥平均装卸效率随着集卡配置数量增多提高较快；当平均每个双40英尺岸桥配置港内集卡数量≥12个时，随着集卡配置数量增多，岸桥装卸效率变化不大。因此，对于大连某配备了双40英尺岸桥的大型自动化集装箱港区，若每个岸桥平均配备集卡数量12个左右，能够基本满足水平运输系统内集卡的实时调度需求，若每个岸桥平均配备集卡数量<8个时，可以认为集卡的配置数量无法满足使用需求。

3)双40英尺岸桥单次吊装作业用时为80，100，120，140，160 s时，每个岸桥平均配置集卡数量达到16，14，12，12，10个，岸桥平均装卸效率分别达到峰值68.1，57.5，44.8，43.5，38.7箱/小时。因此，随着双40英尺岸桥操作经验日益丰富，操作人员操作水平更加纯熟，岸桥装卸计划更加完备，岸桥单次吊装作业时间将逐渐减少，此时，可以根据港区实际情况适当为每个岸桥平均增配集卡2～4个。

目前，国内仅有上海港等少数集装箱港口配备了双40英尺岸桥。在现有装卸需求下，上海港单个双40英尺岸桥平均配置集卡数量约为8～12个(单次吊装作业用时约为90～120 s)，仿真结果误差较小，具有一定的参考意义。

4 结 语

通过分析双40英尺岸桥装卸作业特点，以大连某集装箱港区为例，利用VISSIM仿真软件建立了包括码头前沿、堆场以及港区大门在内的面向双40英尺岸桥的集装箱港区陆域微观交通系统仿真模型，利用该仿真模型展开了双40英尺岸桥单次吊装用时分别为80，100，120，140，160 s的5组平行仿真试验。研究结果表明，对于大连某配备了双40英尺岸桥的大型自动化集装箱港区，每个岸桥平均配备集卡数量12个左右时，能够基本满足水平运输系统内集卡的实时调度需求，集卡数量<8个时，可以认为集卡的配置数量无法满足调度使用需求；同时，随着双40英尺岸桥操作经验日益丰富，可以根据港区实际情况适当为每个岸桥平均增配集卡2～4个。对于面向双40英尺的集装箱码头集卡配置研究取得一定进展，为采用双40英尺岸桥的集装箱港区集卡配置提供了经验与参考，对于配备了双40英尺岸桥的集装箱港区规划具有借鉴意义。

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(责任编辑 朱汉容)

Simulation-Based Trucks Allocation for Quay Cranes in Container Terminals

TANG Guolei，ZHANG Ran，PENG Yun，ZHOU Yong

(Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，P.R.China)

Twin 40 feet quay cranes are used to improve handling efficiency in container terminals. However, the recommended value of container trucks quantity is not given in national norms for the planned port area equipped with 40 feet quay cranes . Based on the operating characteristics of the twin 40 feet quay cranes, a microscopic traffic simulation model was built for a container terminal with twin 40 feet quay cranes in Dalian to address the trucks allocation problem. Operations in container terminal apron, yard and port gate area were included in this model. By running the simulation model, the traffic operation rule in container terminals with twin 40 feet quay cranes and the relationship between container trucks allocation quantity and the average handling efficiency of twin 40 feet quay cranes can be observed. Lastly, the recommended optimal quantity of container trucks allocated are provided , which can provide experience and reference for planning of container terminals to be equipped with twin 40 feet quay cranes.

traffic and transportation engineering；container terminals；twin 40 feet quay cranes；trucks allocation；traffic simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.16

2015-11-24；

2016-01-07

国家自然科学基金项目(51279026；51309049；51579035)

唐国磊(1980—)，男，山东烟台人，副教授，博士,主要从事港口规划、港口系统仿真优化方面的研究。E-mail：tangguolei@dlut.edu.cn。

U651

A

1674-0696(2017)02- 091- 04