集装箱码头堆场车道工艺仿真分析

张清波 柴佳祺 张雨婷

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

集装箱码头的建设投资成本高、持续周期长，前期规划设计决定了集装箱码头运营以后的装卸工艺，计算机仿真技术的应用为集装箱码头的布局规划提供了有力的数据支撑。很多专业人士对此进行了深入研究，王燕文[1]建立了基于集装箱码头作业的计算机仿真模型，该模型可以对码头岸线长度、机械台数、堆场容量做出优化；真虹[2]构建了集装箱码头装卸工艺设计仿真通用平台，提出了基于仿真的集装箱码头装卸工艺方案评价指标体系；梁燕等[3]对立体轨道式自动化集装箱码头的作业流程进行了仿真分析，评估及优化了不同工况下的设备调度策略；何成忠等[4]通过仿真分析在水平和垂直布置方案下的港内集装箱牵引半挂车的作业循环时间，得出了两种布置方案的优缺点；张玉[5]对集装箱码头堆场闸口系统进行了仿真研究,对闸口系统的控制决策具有指导作用。

本文着眼于集装箱码头的堆场细节，以堆场内的车道工艺为研究对象，通过仿真软件Wintess建立仿真模型，对比分析不同车道工艺下的仿真结果，为集装箱码头堆场的规划设计提供理论依据。

1 码头概况及2种堆场车道工艺

1.1 码头概况

国内某集装箱码头四期工程岸线长1 292 m，设计年吞吐量200万TEU，设有4个泊位，配备11台岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）。该集装箱码头重箱占比80%，空箱占比20%，堆场采用空重箱混堆的方式进行堆存，堆高5层。堆场平行于码头岸线布置，横向规划布置4排箱区，纵向规划每排布置8个箱区，其中靠纬三路的2个箱区预留，配备28台轨距40 m的自动化双悬臂轨道式起重机（以下简称轨道吊），如图1所示。另外，码头水平运输配置了77辆内集卡。

图1 码头布局图

1.2 堆场车道工艺

该集装箱码头通过射频技术识别内外集卡，对内集卡和堆箱区采用自动化作业，对外集卡采用远程操控的方式，堆场采用轨道吊进行作业，堆场中每个箱区的海陆两侧均布置了2条集卡车道，一条为装卸道，另一条为穿行道。目前有2种可选的车道工艺，第一种为内外集卡车道分离，如图2所示；第二种为内外集卡车道共用，如图3所示。

图2 内外集卡车道分离

图3 内外集卡车道共用

将通过仿真建模对2种车道工艺的码头系统效率、设备效率、设备利用率以及交通状况等码头关键业绩指标进行对比分析。

2 集装箱码头作业仿真建模

2.1 仿真参数设置

该集装箱码头的峰值作业工况为：在外集卡到达频率为50辆/h的前提下，11台岸桥同时作业，对该工况进行仿真建模，参数设置如表1所示。

表1 仿真参数表

由表1可知，岸桥目标实效率为48箱/h，若仿真时不考虑设备故障、设备信号延迟等因素，一般可设置岸桥的目标仿真效率是其目标实效率的1.1倍，单台岸桥目标仿真效率为52.8箱/h，11台岸桥系统目标仿真效率为580.8箱/h。

2.2 基于Witness的仿真建模

Witness仿真软件主要用于对离散事件系统进行仿真，而集装箱码头作业系统正是由岸桥、堆场、轮胎式集装箱起重机（场桥）、内外集卡、道路、设备控制系统、码头操作系统等组成的1个离散事件动态系统，其特点为规模大、不确定性因素多、紧密耦合。图4以卸船为例，展示了集装箱码头的作业流程，Witness据此建立集装箱码头作业仿真模型。

图4 卸船流程图

在使用Witness软件建模时，首先按照实际码头功能分区构建Module，再利用Machine、Buffer等元素构建静态实体（如箱区、交互区等），最后通过运输型元素Vehicle与Track的配合，实现对于系统中所有动态实体的运动定义，集装箱码头仿真模型界面如图5所示。

图5 仿真界面

3 仿真实验及结果分析

3.1 仿真实验设置

根据堆场内外集卡车道是否分离，将实验分成2组，即车道分离和共用车道。

3.2 仿真结果及分析

集装箱码头的生产效率及其交通状况对于码头的运营至关重要，故本文将从码头设备作业效率、水平运输的排队情况等方面进行仿真分析。

1）轨道吊效率

如图6所示，与采用车道分离工艺相比，采用共用车道工艺时的轨道吊效率和作业能力更高（轨道吊作业能力是指单台轨道吊在无空闲、等待时的作业效率）。

图6 轨道吊效率曲线图

当内外集卡共用车道时，内外集卡可根据目标箱位所在排数来选择箱区海陆侧车道，即若目标箱位靠近海测，则集卡去海侧车道；反之，集卡去陆侧车道。因此，作业时的轨道吊小车平均行驶距离较内外集卡车道分离时要少，作业效率和作业能力更高。

与采用车道分离工艺相比，该集装箱码头采用共用车道工艺时，轨道吊的作业能力可提升2.3 箱/h。

2）内集卡效率

如图7所示，相比采用车道分离工艺，采用共用车道工艺时的内集卡效率和利用率更高，但内集卡作业能力略低。

图7 内集卡效率和利用率

内集卡的作业能力与其平均行驶距离有关，采用车道分离工艺时，内集卡均在堆区海侧装卸道装卸；采用车道共用工艺时，内集卡选择距离目标箱位较近的车道，即内集卡也可能会选择陆侧装卸道。因此，共用车道时内集卡平均行驶距离比车道分离时长，作业能力低。与车道分离工艺相比，共用车道工艺的内集卡利用率更高，更能发挥出内集卡的作业能力，内集卡效率更高。

3）岸桥效率

如图8所示，在车道分离工艺下，岸桥效率未达到52.8 箱/h的目标仿真效率；在共用车道工艺下，岸桥效率可满足52.8 箱/h的目标仿真效率。与采用车道分离工艺相比，该集装箱码头采用共用车道工艺时，岸桥效率可提升2.6 箱/h。

图8 岸桥效率和利用率

4）设备系统效率

如图9所示，与采用车道分离工艺相比，该集装箱码头采用共用车道工艺时可使堆场系统效率提升30.6箱/h、内集卡系统效率提升29.5 箱/h、岸桥系统效率提升28.6 箱/h。当采用车道分离工艺时，该集装箱码头岸桥系统效率为570.7 箱/h，未达到580.8 箱/h 的目标仿真效率；当采用共用车道工艺时，该集装箱码头岸桥系统效率为599.3 箱/h，满足目标仿真效率。

图9 设备系统效率

5）轨道吊下集卡排队状况

定义排队队长为排队等待作业的集卡数量，不包含正在作业的集卡。例如：轨道吊下集卡排队队长为2，代表此时轨道吊下有3辆集卡。

如图10所示，该集装箱码头采用共用车道工艺时，由于轨道吊作业能力提升，其下集卡排队时间及平均排队队长均比采用车道分离工艺时低。无论采用哪种车道工艺，集卡平均排队队长均未超过2辆，说明堆场基本不会出现集卡拥堵。

图10 轨道吊下集卡排队状况

6）岸桥下集卡排队状况

如图11所示，该集装箱码头采用共用车道工艺时，岸桥下集卡排队时间比采用车道分离工艺时略高。与采用车道分离工艺相比，采用共用车道工艺时集卡在堆区内排队时间减少，因而在堆场内循环周转时间减小，内集卡有更多时间在岸桥下等待作业，也就更有利于提高岸桥效率。在这2种车道工艺下，集卡平均排队队长均为2.5辆，说明岸桥下不会出现集卡拥堵。

图11 岸桥下集卡排队状况

4 结语

与采用车道分离工艺相比，该集装箱码头采用共用车道工艺时岸桥、轨道吊以及内集卡的效率均有所提升。该集装箱码头岸桥系统效率采用车道分离工艺时，无法满足目标仿真效率；而采用共用车道工艺时则可满足。无论采用哪种车道工艺，堆场和岸桥下基本不会出现集卡拥堵。

从码头生产效率方面来看，共用车道工艺要优于车道分离工艺，但共用车道工艺在码头管理方面更加复杂，故堆场车道工艺的选择需要码头在规划设计阶段综合考虑和决策。