航空集装器处理系统设计与仿真研究

文/伍祖槐 沈利华 吴 娱

新型航空集装器处理系统对于加快货运枢纽机场及转运中心的集装器时效性有重要意义，同时也为未来的航空集装器的全过程智慧化提供基础平台

全球定位为货运枢纽的机场均将中转货物视为其主要货源之一，以香港机场为例，空空中转货物约占了总货运量的25%，大量的中转货物需要快速处理，其中很大比例的货物为整集装器中转货物。这些货物不需拆箱进行分拣，直接进行存储或分拣，这些整集装箱货物称为直转集装器货物。除香港机场以外，孟菲斯、路易斯维尔、莱比锡等快件转运中心同样也存在对直转集装器货物的分拣转运需求，而且这种分拣转运对于时效性的要求很高。

目前直转集装器（Un i t L o a d Device，简称“ULD”）的分拣、转运方式有人工作业和自动化设备两种，两种方式各有优点。在客运机场的集装器直接转运过程中，一般直接在机坪上利用拖车将集装器由到达航班驳运至相应的出发航班，或驳运至专用的中转区，待办理完相关手续后再将集装器驳运至对应航班。这类机场一般空空中转的集装器数量相对较少，少量的人工即可完成集装器的转运作业。

在某些大型的快件转运中心，直转集装器的数量较多，分拣的目的地也较多，集装器的转运依靠人工借助滚轮平台（滚球平台）搬运至其目的地进行分拣，其分拣效率主要依靠于作业人员的数量及作业场地的大小。转运的航空集装器越多，需要的作业人员就越多，对操作场地的要求越大（除去存储位置以外的空间）。这种方式的特点就是分拣快速、自动化程度低、分拣量严格受制于作业人员数量、人员作业强度高。

除了人工分拣作业，航空集装器作为航空货运中相对标准化程度较高的载具，也有自动化的分拣方式。目前多数国际货运站采用升降转运车（ETV）来对集装器进行立体存储和简单分拣，ETV的作业效率约为每小时出入库20～30个左右。

在应对大量航空集装器转运分拣时，特别是在单位小时需分拣二百个以上的航空集装器时，采用升降转运车等设备的方式不具备优势，甚至难以实现。

图1 CHS系统布局示意图

图2 集装器处理系统作业流程图

一、新型航空集装器处理系统

针对以航空货运为主的转运中心对航空集装器的快速分拣转运需求，本文提出了一种航空集装器处理系统（Container Handing System,以下简称CHS），分拣系统能实现对航空集装器的快速分拣和缓存，本系统由辊道输送机、直角转向台、万向轮台等成熟可靠的设备组成，通过矩阵分拣的形式，可实现每小时几十至几百个航空集装器的快速转运分拣作业。

本CHS系统包括入库系统、矩阵分拣系统、出库系统三个主要子系统，其中入库系统包括入库系统交接模块、集装器识别模块、入库系统缓存模块，矩阵分拣系统包括导入模块和分拣模块，出库系统包括出库系统缓存模块和出库系统交接模块。CHS的系统布局图，如图 1所示。

图3 CHS系统布局图

图4 CHS系统分拣时长分布图

图5 CHS系统时效性分析图

1.分拣作业流程（见图2）

2.入库系统

入库系统负责ULD的入库作业，入库系统包括交接模块、识别模块和输送缓存模块。

（1）入库系统交接模块

与快件分拣系统的导入口相似，CHS系统也有导入口，此处命名为入库系统交接模块。入库系统交接模块用于与拖车的对接，通过人工作业或自动化的方式将集装器推入分拣系统。采用人工作业时，入库系统交接模块主要设备为滚球台，不仅方便人工操作，同时也具有很高的灵活性。

（2）集装器识别模块

集装器完成交接作业后，CHS需要对每个集装器上的身份信息进行识别，将集装器的身份信息录入CHS，便于对系统对每个集装器分拣路径的规划，同时实现对每个集装器进行定位追踪。集装器的识别可采用扫码技术和FRID技术实现。

（3）入库系统缓存模块

入库系统缓存模块是连接入库系统交接模块和矩阵分拣系统的输送线，其除作为输送线使用外，同时也起到对集装器的缓存作用。当矩阵分拣系统在遇到高峰时，提供一定的缓存空间。

3.矩阵分拣系统

矩阵分拣系统是整个分拣系统的核心，分拣系统将按照每个集装器的目的地对其进行分拣。矩阵分拣系统也是一条输送线，这条输送线的大多数输送单元由具备直角换向功能的设备组成。矩阵分拣系统包括导入模块和分拣模块。

导入模块与入库系统连接，在ULD从入库系统进入的矩阵分拣系统时，将ULD由横向输送改为纵向输送。在由多条分拣线组成的矩阵分拣系统中，导入模块还具有预分拣的功能，可以提前分配ULD的分拣线。

分拣模块与出库系统连接，出库系统的输送线对应一个分拣模块的单元。ULD的分拣是这样实现的：ULD沿分拣线输送，当输送至出库系统目的地输送线对应的分拣单元处，换向设备将ULD的输送方向，从纵向输送变为横向输送，ULD将从分拣线上被输送至对应的目的地格口。

4.出库系统

出库系统是负责集装器的出库与交接作业，包括缓存模块与交接模块。

（1）出库系统缓存模块

类似于快件分拣系统的格口，出库系统缓存模块便是CHS的格口。出库系统缓存模块由用于缓存的输送线组成，每个目的地对应有一条或几条缓存线。出库系统缓存模块既是集装器处理系统的格口，也是ULD出库前的缓存区。集装器通过矩阵分拣系统的分拣后，进入目的地对应的出库缓存线，在出库缓存线进行缓存和等待，在满足出库条件后，由出库缓存线末端输送出库。出库系统的出库条件要求在满足集装器时效性的基础上，可以根据驳运拖车的调度设置出库条件。

（2）出库系统交接模块

出库系统交接模块与入库系统交接模块类似，都是一个与拖车对接的平台，通过人工作业或自动化的方式将集装器推上拖车，以完成后续的运输作业。其设备组成和入库系统交接模块相同。

二、航空集装器分拣系统案例仿真验证

根据国内某航空枢纽机场的数据，本文进行了集装器处理系统的设计并利用Flexsim软件进行物流仿真。

1.设计参数

根据所提供的数据，本系统需要在20:08～23:22内接收311辆拖车运送到系统的1084个集装器，在5:10分前将1084个集装器通过系统分拣至各自要前往的34个航线，并通过拖车按航线将分拣好的集装器运出本系统。如图 3为CHS系统布局图，本案例中的系统包括8个入库交接区8个入库缓存区（每个区4条缓存线）、4条分拣线、64条出库缓存线和10个出库交接区。

2.仿真参数

本次仿真采用Flexsim物流仿真软件进行集装器的分拣仿真。各仿真参数设置如下：

（1）交接设备：交接设备采用滚球台人工作业，一辆拖车（含有1～4个ULD）的作业时长1min。

（2）输送设备：系统中的输送设备采用辊道输送机和过渡辊道，其中辊道输送机的输送速度为18m/min。过渡辊道长度较短，速度设置为与辊道输送机一致。

（3）分拣设备（正反双向输送）：分拣设备采用直角转向台，输送速度为18m/min，两个方向换向的时间为3s。

3.仿真结果分析

通过在Flexsim中进行建模仿真，得到了每个集装器离开系统的时间 ，以离开时间为基础结果，进行了分拣时长和分拣时效性的分析。

（1）分拣时长分析

原数据中给出了每个ULD到达CHS的时间 ，通过Flexsim仿真可以输出每个集装器完成分拣离开系统的时间。定义一个分拣时长 ，每个ULD的分拣时长为其离开系统的时间减去其进入系统的时间，即 。

如图 4所示为每个ULD的分拣时长统计后形成的分布直方图，可以看出分拣时长在10-20分钟之间的ULD最多，共有458个，占总数的42.3%，集装器的分拣时长集中在10-40分钟之间，共有968个，占总数的89.3%。此外，有18个集装器的分拣时长在10分钟以内，占总数的1.7%；有98个集装器分拣时长在40分钟及以上，占总数的9%。其中集装器的最短分拣时长为7.2分钟，最长为117.9分钟。

（2）时效性分析

为分析分拣时效性，定义一个变量提前离开时间 ，提前离开时间为仿真得到的实际离开分拣系统时间 与初始条件给出的集装器的最晚离开时间

的差值，即 。若

，则集装器的分拣时效性满足要求，反之则不满足。

如图 5为所有集装器的提前离开时间 统计形成的分布直方图，从图中可以看出，所有集装器的提前离开时间

均大于0，即CHS系统能满足了本案例中所有集装器的时效性要求。

此外，有14个ULD的提前离开时间小于20min，分拣时间相对紧张，占总量的1.29%；有52个集装器的提前离开时间在20-40min之间，占总量的4.8%；其余93.91%的集装器提前离开时间都在40分钟以上。

三、结论

本文针对具备较大航空集装器转运量的货运枢纽机场及转运中心，提出了新型航空集装器处理系统。CHS系统能对集装器进行自动化的暂存和高效分拣，本文通过物流系统仿真验证了分拣系统的时效性。CHS系统对于加快货运枢纽机场及转运中心的集装器时效性有重要意义，同时也为未来的航空集装器的全过程智慧化提供基础平台。