自动化集装箱码头堆场系统变革

金健

近年来，我国多个沿海港口加紧规划建设自动化集装箱码头，争相抢占国内自动化集装箱码头技术和管理的制高点。在借鉴西方发达国家港口自动化集装箱码头建设经验的基础上，我国自动化集装箱码头在规划建设及设备设计和选型等方面均有所突破，但在业务管理和流程，尤其是堆场系统设计方面还存在薄弱之处。本文分析传统集装箱码头堆场系统的局限性，介绍自动化集装箱码头堆场系统的特点，并探讨自动化集装箱码头堆场系统变革的主要内容，以期为我国沿海港口自动化集装箱码头优化堆场管理系统提供参考。

1 传统集装箱码头堆场系统的局限性

我国沿海港口基本上采用轮胎吊搭配堆高机（铲车）的传统集装箱码头堆场系统，该系统具有场地利用率高、成本低、设备操作简单灵活、对集装箱的损坏少等优点。随着集装箱运输业的发展，传统集装箱码头堆场系统得以持续优化和改进，逐渐形成一套行之有效的管理流程和规则，加之近年来对数学模型和仿真科技的应用，使得传统集装箱码头堆场系统的效率优势进一步体现。然而，随着自动化集装箱码头的兴起，传统集装箱码头堆场系统的局限性逐步凸显。

1.1 系统输入和输出无法预知

传统集装箱码头堆场系统无法预知出口集装箱进场情况，导致随机进场的出口集装箱全憑人工经验安排堆场计划。另外，传统集装箱码头堆场计划受后续船舶配积载的制约，难以适应船舶配积载要求的变化。例如，开工作业路数、出口集装箱在船上的具体贝位等都无法在安排堆场计划前预知。进口集装箱的情况亦然：虽然在作业前已知进口船图等部分信息，但无法在安排进口集装箱卸船堆场计划前预知后续的中转二程船或客户提箱等信息。

1.2 制约和冲突并存

传统集装箱码头堆场计划经常陷入一种“平衡陷阱”：若出口集装箱堆场过于分散，则会牵涉过多机械，造成机械资源浪费；若其过于集中，则会造成作业路间的冲突，导致作业效率下降。究其原因，由于无法预知后续船舶开路和配积载情况，不能根据船舶实际开路数来分配出口集装箱箱区，只能大致凭经验或历史数据安排堆场计划。在同一箱区内，来自同一港口或同一吨级的集装箱基本上集中堆放，但这会受指令先后次序的影响；另外，同一箱区存在2条甚至更多作业路，这同样会对堆场安排形成制约。

在传统集装箱码头堆场轮胎吊收发箱工艺模式下，同一箱位的收发箱作业最好集中进行，待该箱位的所有集装箱收发完毕，轮胎吊再行车到邻近箱位实施收发箱作业，从而降低作业成本，提高作业效率。此外，虽然目前集卡司机可通过无线终端（外集卡司机可通过道口小票）获悉取箱和收箱位置，但由于集卡长度大于箱位长度，当不同作业路或不同箱位的指令集卡在同一箱区相邻作业时，往往需要协调作业，导致成本增加。

1.3 效益与效率的矛盾突出

在传统集装箱码头堆场系统作业模式下，轮胎吊需要来回行车收发箱，集卡等待成本和翻箱率较高，并且进口集装箱难以分票堆放或根据二程船堆放。如果进口集装箱分票量较大，且同票集装箱无法同时卸船，则势必需要将集装箱堆放在多个箱位，促使轮胎吊频繁来回行车，导致进口集装箱作业效率下降，作业成本上升。此外，由于在安排进口集装箱堆场计划前无法预知客户提箱或二程船装船情况，同样会造成轮胎吊频繁来回行车发箱的情况，导致作业效率下降。

1.4 堆场计划规则复杂

传统集装箱码头堆场计划的制订受诸多规则的制约，其中包括分船、分港、分吨级、按位、按排、重压轻等堆放原则。堆场计划员往往仅凭经验应用规则，致使规则应用难以实现标准化。

2 自动化集装箱码头堆场系统的特点

国内外自动化集装箱码头普遍采用自动化轨道式龙门起重机（Automated Rail-Mounted Gantry Crane，ARMG）作业工艺：海侧ARMG通过自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）与岸桥对接，形成码头海侧船舶装卸系统；陆侧ARMG直接对接外集卡，形成码头陆侧作业系统；海侧与陆侧之间形成全封闭式的ARMG作业区域（见图1）。该作业系统的特点如下。

（1）收取箱点固定。传统集装箱码头堆场的收取箱点随着轮胎吊作业箱位的变化而变化，由集卡行驶到指令所在箱位取箱；全封闭式自动化集装箱码头堆场收取箱点固定在箱区两端。

（2）双机配置形成“缓冲-接力”作业模式。以进口集装箱卸船作业为例，“缓冲-接力”作业模式指海侧ARMG从AGV收进的进口集装箱由陆侧ARMG接力运输至靠近陆侧的堆存区域，并由陆侧ARMG发给外集卡。

（3）全封闭式双机作业。自动化集装箱码头全封闭式堆场解决了水平运输机械在箱区内、箱区间和集装箱间的作业冲突问题，双机缓冲作业的设计则避免了收发箱作业冲突问题。

3 自动化集装箱码头堆场系统变革

收取箱点固定使得每个装卸箱指令变为相互独立的事件。传统集装箱码头堆场收取箱指令受到上一个指令的制约，上一个指令的箱位是下一个指令的开始位置，因为轮胎吊与集卡的交接点随作业指令而不断变化。自动化集装箱码头堆场收取箱点固定在箱区两端，收取箱指令不受上一个指令的影响；因此，完成每个指令所需的时间和成本都是恒定的。在传统集装箱码头堆场，同类型集装箱在箱区内尽量集中堆放，以免因轮胎吊频繁行车而造成成本上升和效率下降。自动化集装箱码头堆场的每个作业指令相互独立，不受传统堆放规则的限制，只须遵循同排、同类原则即可，以免ARMG翻箱，其中，同类原则指集装箱同船、同航次、同吨级原则。

传统集装箱码头堆场计划普遍采用的分吨级原则已经过时。分吨级指在配积载时为确保船舶稳性而对出口集装箱按总质量分级，例如，将1～的集装箱定为1级，10～的集装箱定为2级，以此类推，也可以更加细分。这种分级办法存在严重缺陷，例如，的集装箱与的集装箱本不属于同一吨级，但实际上一些大型船舶对配积载的要求不高，总质量相差以内的集装箱无须分别积载。传统分吨级原则使得系统无法判断和合理安排处于吨级边缘的集装箱。

由于自动化集装箱码头堆场收取箱点固定，集装箱之间的联系减弱，只须考虑同排集装箱的关系，即如果按传统的堆场计划经验，必定采取同排集装箱重压轻堆放原则。自动化集装箱码头堆场计划突破传统思维，只区分港口而不区分吨级，引入同排质量差的概念，即根据同排集装箱的质量差安排堆存计划。举例来说明，假设历史经验设定某船所载同排集装箱的质量差为，某排内第一个出口集装箱的质量为，第二个出口集装箱的质量为，同排4层出口集装箱形成的质量差，那么该排剩余2个出口集装箱的质量必须在9～的范围内。如果第一个出口集装箱的质量为，与其质量差小于的出口集装箱可以堆放在其上层；如果第二个出口集装箱的质量为，则第三层出口集装箱要么与9 t集装箱形成大的质量差，要么与集装箱形成小的质量差。假设第三层出口集装箱的质量为，则第四层只能堆放8～的出口集装箱。这种同排集装箱根据质量差堆存的原则可以确保同排出口集装箱符合同时配积载的要求。当然，还可以结合吨级的概念，根据历史经验将不同吨级集装箱按质量差再加以细分。

双机配置下的“缓冲-接力”模式可以弥合整个堆场系统的间隙，使堆场作业保持连贯性，有利于提升堆场作业能力。例如，当陆侧ARMG空闲时，其可以帮助海侧ARMG完成翻箱等作业，还可以在进口集装箱卸船或出口集装箱装船过程中，通过接力方式減少海侧ARMG行车。自动化集装箱码头堆场没有必要设置专门的缓冲点，暂时不作业的箱位和超计划层高的箱位都可以作为缓冲点，原则上以繁忙的ARMG的下一个指令箱位作为缓冲点。例如：若海侧ARMG繁忙，则其发箱箱位可以作为其卸箱缓冲点；若下一个指令仍旧是收卸船箱，则可以考虑将双机作业的平衡点位置作为缓冲点。此外，双机配置为箱区整理提供了便利，例如，可以利用空闲的ARMG实施理箱、翻箱作业，以保证整个系统的作业效率。总之，双机配置突破了传统集装箱码头堆场区分进口集装箱、出口集装箱、中转集装箱等的箱区规划，使整个业务流程更加均衡。

由于作业指令相互独立，便于精确地预测每个作业指令的作业时间和成本，进而预测整个作业系统的作业时间和成本，同时可为自动配积载或事前优劣评估提供准确的数据支持。另外，与传统集卡工艺相比，由于AGV端不受岸桥和场桥两端效率的影响，AGV的运输过程可以在系统中忽略不计。系统自动生成包括箱号、作业路指令次序、箱位、预计时间、预计成本等信息的作业列表，从而可以清楚地判断作业计划的冲突点并加以预控，甚至可以通过事前优化避开冲突，提升效率和效益。

根据桥吊效率大于等于场桥效率的原则来制订堆场计划，保证ARMG能够配合码头前沿的桥吊同时进行收发箱作业。由于各箱区的作业指令相互独立，出口集装箱在相邻箱区（原则上为船舶靠泊泊位所对应的后场箱区）内按船舶和港口随机堆放。自动化集装箱码头堆场系统的创新点在于，打破传统集装箱码头堆场计划的规则，只须在与泊位相对应的堆场遵循同排、同类集装箱随机分散堆放的原则即可，中转箱一般堆放在二程船箱区。

传统集装箱码头堆场集中堆放集装箱是为了减少轮胎吊行车；而自动化集装箱码头堆场指令相对独立，将集装箱分散堆放利于发箱。在自动化集装箱码头堆场系统下：需要保证同排4层出口集装箱的类型相同，按照随机分散的原则将同排同类型的出口集装箱看成1组，使其平均分散堆放在各个相对应的箱区；配积载时通过作业列表调整并避免冲突点，辅以双机配置形成的缓冲和接力，克服传统集装箱码头堆场系统输入和输出无法预知的弊端。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2017-03-10）