欽州港全自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統仿真

彭駿駿，麥宇雄，梁 浩

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動化集裝箱碼頭是一個復雜的離散事件動態系統，存在各種不確定因素[1]。對于自動化碼頭裝卸系統的研究，目前主流的方法是利用計算機仿真技術建立系統模擬模型，通過仿真試驗研究碼頭通過能力、設備配置、交通組織等問題，確保碼頭裝卸工藝系統的合理性[2]。

欽州港全自動化集裝箱碼頭采用全新的自動化裝卸工藝系統及布局模式，該工程相關設計和運營少有案例參考，筆者利用仿真的手段研究欽州港全自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統，確保工程建設的科學性和合理性，并為碼頭決策提供依據和指導，進一步降低碼頭后期運營風險。

1 裝卸工藝系統布置

欽州港全自動化集裝箱碼頭建設4個泊位，工程岸線總長1 301.5 m，碼頭計劃設計吞吐量260萬TEU。堆場垂直于碼頭岸線，堆箱區域總長約563 m，港區范圍內共布置21條堆場，采用重、空箱混堆模式，地面箱位約1.738萬TEU。

碼頭前沿采用自動化雙小車岸橋作業，其中岸橋軌內布置艙蓋板堆放區和特殊箱作業通道，岸橋陸側軌后布置自動化水平運輸裝卸作業通道；集裝箱堆場采用自動化雙懸臂集裝箱軌道龍門吊(ARMG)作業，近期每條箱區配置2臺雙懸臂ARMG，港內集裝箱水平運輸采用智能導引車(IGV)，港外集卡和IGV分別在ARMG懸臂兩側進行裝卸作業。港區主要裝卸設備配置見表1。

表1 港區主要裝卸設備配置

該自動化裝卸工藝系統及布置典型特征為：港外集卡在堆場內的裝卸運輸車道呈U形布置，外集卡在ARMG一側懸臂裝卸完成后繞至ARMG軌內的車道掉頭出堆場(圖1)，港外集卡和港內自動化水平運輸設備交通組織物理分離、互不干涉。

圖1 U形全自動化集裝箱碼頭裝卸工藝特征

2 仿真模型構建

根據欽州港全自動化集裝箱碼頭相關設計圖紙、裝卸工藝流程、道路交通組織、裝卸工藝設備等基礎設計資料[3-4]，利用FlexTerm仿真軟件[5]建立碼頭仿真模型(圖2)，模擬碼頭裝卸生產的整個過程。

圖2 欽州港自動化集裝箱碼頭仿真模型

根據欽州港大欖坪港區集裝箱的營運特點，并結合周邊工程的調研情況，本仿真模型主要輸入數據及邏輯假設如下：

1)到港集裝箱標箱折算系數為1.3 TEU/自然箱。

2)集裝箱集疏運流向占比：陸路集疏運60%、水水中轉30%、鐵路集疏運占10%。

3)到港各類集裝箱占比：重箱68%、空箱30%、冷藏箱2%。

4)集裝箱在港堆存時間：重箱7 d、空箱12 d、冷藏箱4 d。

5)外集卡進出港裝卸數據：進港峰值系數1.44，平均進港送/提箱數為1.3自然箱，又提又送箱的外集卡占比約25%。

6)IGV充電策略假設：IGV工作電量區間20%～90%，該區間內總續航時間為3 h。當電量剩余20%～30%時，IGV應完成當前作業立刻安排充電；當電量剩余30%～60%時，IGV可根據作業計劃靈活安排時間充電；剩余電量為60%～90%時，可無作業任務時充電。IGV電量由30%充至90%需要30 min。

7)到港裝卸船型假設：到港船舶靠泊裝卸優先級外貿班輪>內貿班輪>駁船，內貿和外貿裝卸箱量各占比約50%。

3 仿真結果分析

3.1 碼頭前沿作業狀態仿真分析

根據仿真模型運行結果，在設計配置的裝卸設備條件下，碼頭可完成260萬TEU的年作業任務量，其中岸橋可取得的平均作業效率為36.2 TEU/h，泊位占用率約59%(小于60%)，岸橋平均工作時長約為4 852 h(利用率小于70%)，碼頭泊位和岸橋能力均有一定富余。

模擬時間段(8 760 h)內，碼頭前沿全部12臺岸橋同時使用率約占20.8%(圖3)，全部12臺岸橋同時使用率相對過高。建議碼頭合理安排岸橋維修保養計劃，盡量保證作業過程中所有岸橋均處于良好的工作狀態。

圖3 碼頭前沿岸橋同時使用率

在既定的船舶靠泊策略條件下(優先級外貿班輪>內貿班輪>駁船)，各類型船舶等待靠泊裝卸的時間見表2，駁船等待時間明顯高于其他類型船舶，且駁船等待超過8 h的船舶占總到港駁船數的18.7%。

表2 各類型船舶靠泊裝卸等待時長

3.2 堆場作業狀態仿真分析

根據仿真模型運行結果，堆場平均占用率約為64.3%，完成260萬TEU年任務量條件下，堆場內ARMG的年平均工作時長約為5 135 h(年設備利用率約58%)，所布置的堆場能力有一定富余，但堆場內軌道吊的利用率相對稍高。ARMG平均作業效率約為17.3 move/h，見表3，作業過程中平均每小時運行距離約為1 426 m。

表3 ARMG裝卸效率及大車運行距離

3.3 港區交通量仿真分析

港外集卡主要通過港區橫二路(圖4)進出集裝箱堆場進行送、提箱作業，經仿真模型模擬統計，外集卡進出港區最大交通量集中在與進港和出港閘口銜接的路段1和路段2，其中路段1最大交通量約為192輛/h、路段2最大交通量約為217輛/h，道路通行狀況良好。

圖4 外集卡車道

根據相關研究成果，港區單條道路的最大通行能力約為720輛/h[6]，路段1為4車道、路段2實際可用為5車道，考慮車道修正系數(4、5車道的車道數修正系數分別為3.2和3.7)，從表4可知，港區外集卡車道道路服務水平為一級(道路飽和度小于0.4則為一級)。

表4 重點路段交通量及道路飽和度指標

3.4 基于IGV配置數量的敏感性仿真分析

集裝箱自動化水平運輸設備IGV是銜接堆場和碼頭前沿的紐帶，其配置數量決定著碼頭的裝卸效率，基于IGV配置數量的不同，對仿真模型進行敏感性分析。

1)岸橋平均裝卸效率隨著IGV配置數量的增加而逐漸提高(圖5)，增加一定的IGV數量能夠減少岸橋裝卸船過程中等水平運輸設備的時間，從而提高岸橋作業效率。

圖5 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV配置數量之間的關系

2)IGV數量增加，ARMG平均裝卸效率也有所增加，但增加得不明顯，說明堆場配置的ARMG能力發揮得接近飽和。

3)IGV運輸單個集裝箱的平均運距為920～930 m，隨著IGV配置數量的增加，IGV平均運行速度呈下降趨勢(圖6)，說明隨著IGV的增多，IGV之間相互減速避讓的情況增多，但IGV速度整體降低不明顯。

圖6 IGV運行距離/速度與IGV配置數量之間的關系

3.5 基于IGV充電樁配置數量的敏感性仿真分析

IGV充電樁數量若配置得不夠，容易導致IGV等待充電時間延長，進而影響碼頭前沿岸橋和堆場ARMG的作業效率。港區目前設計配備16臺IGV充電樁，考慮遠期IGV有可能增配至84臺的基準條件下，針對充電樁的配置數量進行敏感性分析，見圖7。當IGV充電樁數量降低至8臺時，對岸橋和軌道吊裝卸效率有一定影響；當充電樁數量大于或等于12臺時，岸橋和軌道吊裝卸效率基本無變化。說明港區目前配置的16臺充電樁可滿足IGV作業過程中的充電需求。

圖7 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV充電樁配置數量之間的關系

4 結語

1)仿真分析表明，港區裝卸工藝系統及道路交通設計基本合理，可滿足碼頭設計吞吐量260萬TEU的裝卸需求。

2)集裝箱堆場堆存能力有一定富余，但目前配置的ARMG能力趨于飽和，遠期隨著吞吐量的增加可考慮適當增加一定的ARMG設備。

3)道路最大交通量集中在港區橫二路與進出港閘口的銜接路段，港區交通較為順暢，且道路整體通行能力有一定富余。

4)適當增加碼頭IGV數量可進一步提高碼頭前沿裝卸效率和通過能力。

5)港區IGV充電樁配置較為充裕，可滿足IGV作業過程中的充電需求。