新型梭车式自动化集装箱码头仿真分析

宓为建+杨小明+舒帆

天津港自动化集装箱码头关键技术研究团队在分析国际上已有自动化集装箱码头方案特点的基础上，结合效率和能耗情况，提出新型梭车式堆场装卸工艺方案。本文对该方案进行仿真分析，以论证其可行性。

1 仿真模型建立

1.1 仿真系统基本模块组成

以尽可能反映实际生产情况为开发原则，按照参数化设计思想建立自动化集装箱码头仿真系统。如图1所示，仿真系统主要包括仿真输入、生产控制、仿真驱动、仿真评价四大模块。

图1 仿真系统架构

1.1.1 仿真输入模块

仿真输入模块的主要功能是对仿真系统进行定义，主要涉及以下3个方面内容。（1）码头平面布局定义。码头平面布局的主要参数有箱区大小、箱区方向、道路设置、岸桥及场桥轨道设置、岸边桩位设置等。（2）设备配置定义。设备配置定义包括岸桥、场桥、跨运车和梭车数量确定及其参数设置。设备参数主要有：跨运车在各种工况下的运行速度、提放集装箱时间；岸桥在空载及重载情况下的平均作业时间、水平移动速度和加速度；场桥作业高度、水平移动速度和加速度、 吊具在空载及重载情况下的起升速度及加速度；梭车在不同载荷情况下的水平运输速度。（3）概率分布定义。概率分布定义主要包括：船舶到达时间分布模型确定；外集卡提箱和集港到达时间分布模型确定；各类型船舶到达概率分布模型确定；各类型船舶装卸箱量概率分布模型确定。

1.1.2 生产控制模块

生产控制模块的主要功能是制订码头作业计划以及发布和执行作业任务。该模块主要涉及以下几个方面内容：（1）靠泊计划，即确定船舶计划靠泊泊位、计划靠泊时间、预计离泊时间、各类型船舶装卸箱量和计划开工路数等；（2）装卸计划，主要包括进出口箱装卸箱区策划及自动选位，中转箱装卸箱区策划及自动选位，疏港、装船提箱计划；（3）任务发布，包括跨运车、场桥和梭车的作业任务发布；（4）设备调度，包括岸桥、场桥、跨运车和梭车的作业调度；（5）路径选择，即为跨运车确定最优作业路径；（6）设备作业，包括对岸桥、场桥、跨运车水平移动和起升作业的控制以及对梭车水平移动的控制等。

1.1.3 仿真驱动模块

仿真驱动模块的主要功能是根据设定的仿真步长，推动仿真过程中各类事件的发生。该模块主要涉及以下3个方面内容：（1）推进步长，涉及船舶预报、船舶到达、岸桥和场桥水平移动和外集卡到达，并根据事件发生频率分为，，和；（2）船舶到达，即在仿真时间跳过间隔步长时，按照相关概率分布生成船舶实体及船舶装卸箱量等；（3）外集卡到达，即在仿真时间跳过间隔步长时，按照相关概率分布生成外集卡实体及外集卡提送集装箱信息等。

1.1.4 仿真评价模块

仿真评价模块可以在设定的时间或事件范围内，对事件的仿真结果进行统计分析，并输出系统评价结果。该模块涉及以下几个方面内容：（1）评价码头整体作业能力，输出码头在特定时间范围内的集装箱吞吐量；（2）评价码头服务水平，如船舶作业时间、外集卡平均在场时间等；（3）评价码头设备作业效率，包括岸桥、场桥、跨运车和梭车的作业效率；（4）评价码头能耗，包括码头在一段时间内的总体能耗情况以及相关设备平均能耗情况；（5）比较在不同设备配置情况下的码头整体作业情况；（6）评价在不同码头布局及设备配置情况下的水平运输设备排队拥堵情况。

1.2 仿真模型构建

1.2.1 码头总体布局

天津港自动化集装箱码头设计岸线长，可同时靠泊1艘10万吨级集装箱船及1艘7万吨级集装箱船。岸边配置8台双小车岸桥，装卸船舶时每台岸桥配置2～3辆跨运车，跨运车在码头前沿作业时可自由超车。码头前沿布置8条宽4.1 m的装卸作业车道、6条宽的快速车道。

码头有14个垂直于岸线的自动化作业箱区，长，每个箱区布置10排箱位，共72个贝位。同时，每个箱区内配置2台自动化轨道式集装箱龙门起重机（Automated Rail-Mounted Container Gantry Crane，ARMG）、1台用于后方提箱和集港的固定吊和2条梭车轨道。每条梭车轨道上配置1辆梭车及3个转承平台（箱区端部2个，尾部1个）。每个箱区端部预留3个40英尺集装箱装卸作业箱位。

码头后方配置6条宽6 m的车道，其中，靠近箱区的4条车道主要用于外集卡倒车及等待，另外2条为快速同行车道。码头后方设置9个进港闸口和4个出港闸口。

1.2.2 船舶及外集卡到达规律

通过分析天津港近年船舶到达比例情况并综合考虑未来船舶大型化趋势，假设各船型到达比例及平均装卸量如表1所示，由此计算出平均单艘船舶装卸量期望值为。

表1 各船型到达比例及平均装卸量

根据设计年集装箱吞吐量可计算出年平均到达船舶艘次为881.19艘；根据码头年作业天数，可计算出船舶平均到达间隔时间为。

负指数分布适用于排队系统中服务对象的到达间隔时间。假设船舶到达时间间隔规律服从均值 为9.39 h的负指数分布，即

f （x）=exp

外集卡到达时间服从三角形分布，即

f （x）=

外集卡集港时间从船舶到达前96 h开始至船舶到达前结束，集港高峰期在船舶到达前，因此，a= 96 h，b= 33 h，c= 12 h。外集卡提箱时间从船舶离港后开始至船舶离港后第10天结束，提箱高峰期在船舶离港后第4天，因此，a=0 d，b=4 d，c=10 d。

2 仿真流程分析

2.1 卸船作业流程

卸船任务指令发布后，岸桥将集装箱卸至装卸车道，跨运车自动寻找作业任务。在确定作业任务及装卸车道后，跨运车通过快速车道驶近装卸点，逐渐并入装卸车道取箱。取箱后，跨运车以运行距离最短原则行驶至目的箱区端部。若目的箱位靠近箱区端部，则跨运车直接将集装箱卸至箱区端部中转区；若目的箱位远离箱区端部，则需要预约梭车道端部转承平台，待有可用转承平台后将集装箱卸至该平台，继续寻找下一任务。

梭车在接到卸船任务指令后，行驶至箱区端部：若任务指定集装箱已经在转承平台，则直接取箱至目的箱位；若任务指定集装箱未到转承平台，则原地等待。

场桥在接到卸船任务指令后，判断是否已经在目的贝位，如果不在则移动至目的贝位等待梭车。梭车运送集装箱至目的贝位后，场桥将集装箱卸至目的箱位。

2.2 装船作业流程

装船任务指令发布后，场桥移动至目的贝位后从箱区提取集装箱。若目的贝位靠近箱区端部，则场桥直接将集装箱卸至箱区端部中转区；若目的贝位远离箱区端部，则场桥将集装箱卸至在接到装船任务指令后行驶至目的贝位的梭车，由梭车将集装箱送至梭车道端部转承平台。

跨运车在接到装船任务指令后，按照运行距离最短原则行驶至箱区端部取箱。若集装箱在箱区端部中转区或梭车道端部转承平台，并且无设备干扰，则跨运车进入集装箱堆放位置取箱至岸桥装卸点。

集装箱被送至岸桥装卸点后，岸桥将集装箱装至船舶贝位。在装船作业过程中，设备之间的相互配合、转承平台的预约及箱区端部作业安全的控制较为复杂。

2.3 集港作业流程

外集卡通过码头闸口后，进入快速车道；当靠近目的箱区时，外集卡逐渐从快速车道并入指定倒车车道，并继续前进至目的箱区；预约装卸点后，外集卡倒车进入装卸区，等待固定吊取箱。

外集卡停稳后，固定吊将集装箱卸至梭车道尾部转承平台。梭车在接到集港任务指令后，行驶至梭车道尾部转承平台取箱，并将集装箱送至目的贝位。场桥在梭车到达目的贝位后将集装箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作业流程

外集卡在提箱作业中的流程与集港作业类似，其到达装卸区后等待固定吊放箱。

场桥在接到提箱任务指令后移动到目的贝位，提取目标集装箱至梭车。梭车将集装箱运至转承平台，固定吊负责将其放到外集卡上。

外集卡若还要取第二个集装箱，则继续行驶至下一目的箱区；否则，外集卡离开装卸区，并道至快速车道离开码头。

3 仿真输出分析

3.1 装卸船作业能力

岸桥单机设计作业能力为40次/h，不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率如图2所示。设备配置方案用数字简化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸桥单机设计作业能力为40次/h，每台岸桥配备2辆跨运车，梭车最高速度为，场桥大车最高速度为。

图2 不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率

卸船作业发箱简单，易均衡安排作业，而装船作业发箱难度大，作业难以均衡；因此，卸船作业效率高于装船作业效率。仿真分析表明，通过增加水平运输能力及场地，可以提高装船作业效率，但对卸船作业效率的提升效果有限。

3.2 系统总体装卸能力

码头整体装卸能力可以用岸桥作业效率来衡量，不同设备配置方案下的岸桥作业效率如图3所示。可见，“35-2-300-120”配置方案可以实现32.52次/h的岸桥作业效率，即使考虑实际作业中的翻箱作业因素后，岸桥作业效率下降为29.27次/h，其也高于当前天津港人工码头28.00次/h的平均水平。提高岸桥单机作业能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以实现的岸桥作业效率为34.55次/h。若考虑实际作业中的翻箱作业因素，换算为自然箱的岸桥作业效率为40.42自然箱/h，达到目前国际先进自动化集装箱码头的水平（约40自然箱/h）。

图3 不同设备配置方案下的岸桥作业效率

3.3 极限作业能力

3.3.1 整体极限作业能力

从码头整体作业角度看，场地设备作业具有一定的灵活性：当设备故障导致船舶装卸作业延误或进行大型船舶装卸作业时，需要暂停部分箱区的提箱、集港作业，以集中码头作业能力保障船舶按时离港。鉴于此，有必要分析在将大部分或全部设备调配至岸边进行装卸作业情况下的码头整体作业效率。

在每台岸桥配置2辆跨运车、梭车速度为/min和场桥大车速度为/min的条件下，设计3组特殊作业方案（见表2），并仿真得到不同作业方案下的岸桥装卸效率（见表3）。可见：当允许抽调后方另一辆梭车进行作业时，可将岸桥装船效率提高4.93次/h，此时岸桥平均装卸效率为37.28次/h；若暂停后方场地作业，则可将岸桥平均装卸效率提高至39.07次/h。

表2 3组特殊作业方案

表3 不同作业方案下的岸桥装卸效率次/h

3.3.2 水平运输环节极限作业能力

为分析水平运输环节的极限作业能力，将岸桥及场内设备的作业能力提高到最高水平，同时配备数量最少的运输设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置2辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为。在此情况下，岸桥平均装卸效率为38.57次/h，装船效率为35.86次/h，卸船效率为42.81次/h。由于1台岸桥配置2辆跨运车，因此水平运输环节的最高作业能力约为每辆跨运车21.40次/h。

3.3.3 场内作业环节极限作业能力

为分析场内作业环节的极限作业能力，将岸桥及水平运输设备的作业能力提高到最高水平，同时配备推荐数量的场内设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置3辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为/min。在此情况下，岸桥平均装卸效率为36.10次/h，装船效率为33.33次/h，卸船效率为40.53次/h。由于1台岸桥对应2个箱区，因此场内作业环节的最高作业能力约为每箱区（1条梭车道和1台场桥）18.05次/h。

3.4 其他堆场装卸工艺

3.4.1 无梭车装卸工艺

现有自动化集装箱码头均未采用梭车式装卸工艺。通常一个箱区的长度在左右，配置2台ARMG，用于堆场集装箱水平运输。该工艺在导致场内大量翻箱作业的同时，还会影响码头整体装卸能力，而且ARMG频繁带箱移动会增加能耗。

为深入分析梭车式装卸工艺与无梭车装卸工艺之间的差异，对下列特殊工况进行仿真分析。工况1：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况2：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况3：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。其他配置与“40-2-300-120”配置方案相同。仿真结果如图4所示。

图4 不同工况下的码头装卸效率

由图4可知，在无梭车且场桥大车速度为/min的情况下，即使所有装卸集装箱均堆存在箱区前，码头装卸效率也只达到27.13次/h，仍然低于有梭车且场桥大车速度为/min时的装卸效率。随着集装箱堆存位置离岸边距离的增加，在没有预先翻箱作业的情况下，码头装卸效率下降。因此，要实现较高的码头装卸效率必须进行大量翻箱作业，而这对比较繁忙的集装箱码头来说，必然是难以承受的工作负担。

3.4.2 自动导引车装卸工艺

带自升降功能自动导引车装卸工艺实现码头在水平运输环节的全自动化，且码头整体作业能力不低于传统人工码头。为分析其作业能力，首先使用跨运车装卸工艺的设备配置参数，即岸桥设计作业能力为40次/h，每台岸桥配置2辆带自升降功能自动导引车，其空载速度为/h，重载速度为/h，梭车速度为/min，场桥大车速度为/min。由表4可见，在相同设备配置的情况下，跨运车装卸工艺仅在卸船效率方面略高于带自升降功能自动导引车装卸工艺。

表4 带自升降功能自动导引车装卸工艺与跨运车装卸工艺

的装卸效率比较次/h

目前，带自升降功能自动导引车的直线行走最高速度为/s，转弯最高速度为/s。为分析带自升降功能自动导引车行驶速度的变化对码头整体装卸能力的影响，在4种特殊工况下进行仿真分析，仿真结果见表5。可见，水平运输设备的行驶速度对码头整体作业能力的影响较小，随着速度的降低，仅卸船效率略微下降。

表5 带自升降功能自动导引车不同行驶速度下的装卸效率

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

梭车在接到卸船任务指令后，行驶至箱区端部：若任务指定集装箱已经在转承平台，则直接取箱至目的箱位；若任务指定集装箱未到转承平台，则原地等待。

场桥在接到卸船任务指令后，判断是否已经在目的贝位，如果不在则移动至目的贝位等待梭车。梭车运送集装箱至目的贝位后，场桥将集装箱卸至目的箱位。

2.2 装船作业流程

装船任务指令发布后，场桥移动至目的贝位后从箱区提取集装箱。若目的贝位靠近箱区端部，则场桥直接将集装箱卸至箱区端部中转区；若目的贝位远离箱区端部，则场桥将集装箱卸至在接到装船任务指令后行驶至目的贝位的梭车，由梭车将集装箱送至梭车道端部转承平台。

跨运车在接到装船任务指令后，按照运行距离最短原则行驶至箱区端部取箱。若集装箱在箱区端部中转区或梭车道端部转承平台，并且无设备干扰，则跨运车进入集装箱堆放位置取箱至岸桥装卸点。

集装箱被送至岸桥装卸点后，岸桥将集装箱装至船舶贝位。在装船作业过程中，设备之间的相互配合、转承平台的预约及箱区端部作业安全的控制较为复杂。

2.3 集港作业流程

外集卡通过码头闸口后，进入快速车道；当靠近目的箱区时，外集卡逐渐从快速车道并入指定倒车车道，并继续前进至目的箱区；预约装卸点后，外集卡倒车进入装卸区，等待固定吊取箱。

外集卡停稳后，固定吊将集装箱卸至梭车道尾部转承平台。梭车在接到集港任务指令后，行驶至梭车道尾部转承平台取箱，并将集装箱送至目的贝位。场桥在梭车到达目的贝位后将集装箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作业流程

外集卡在提箱作业中的流程与集港作业类似，其到达装卸区后等待固定吊放箱。

场桥在接到提箱任务指令后移动到目的贝位，提取目标集装箱至梭车。梭车将集装箱运至转承平台，固定吊负责将其放到外集卡上。

外集卡若还要取第二个集装箱，则继续行驶至下一目的箱区；否则，外集卡离开装卸区，并道至快速车道离开码头。

3 仿真输出分析

3.1 装卸船作业能力

岸桥单机设计作业能力为40次/h，不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率如图2所示。设备配置方案用数字简化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸桥单机设计作业能力为40次/h，每台岸桥配备2辆跨运车，梭车最高速度为，场桥大车最高速度为。

图2 不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率

卸船作业发箱简单，易均衡安排作业，而装船作业发箱难度大，作业难以均衡；因此，卸船作业效率高于装船作业效率。仿真分析表明，通过增加水平运输能力及场地，可以提高装船作业效率，但对卸船作业效率的提升效果有限。

3.2 系统总体装卸能力

码头整体装卸能力可以用岸桥作业效率来衡量，不同设备配置方案下的岸桥作业效率如图3所示。可见，“35-2-300-120”配置方案可以实现32.52次/h的岸桥作业效率，即使考虑实际作业中的翻箱作业因素后，岸桥作业效率下降为29.27次/h，其也高于当前天津港人工码头28.00次/h的平均水平。提高岸桥单机作业能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以实现的岸桥作业效率为34.55次/h。若考虑实际作业中的翻箱作业因素，换算为自然箱的岸桥作业效率为40.42自然箱/h，达到目前国际先进自动化集装箱码头的水平（约40自然箱/h）。

图3 不同设备配置方案下的岸桥作业效率

3.3 极限作业能力

3.3.1 整体极限作业能力

从码头整体作业角度看，场地设备作业具有一定的灵活性：当设备故障导致船舶装卸作业延误或进行大型船舶装卸作业时，需要暂停部分箱区的提箱、集港作业，以集中码头作业能力保障船舶按时离港。鉴于此，有必要分析在将大部分或全部设备调配至岸边进行装卸作业情况下的码头整体作业效率。

在每台岸桥配置2辆跨运车、梭车速度为/min和场桥大车速度为/min的条件下，设计3组特殊作业方案（见表2），并仿真得到不同作业方案下的岸桥装卸效率（见表3）。可见：当允许抽调后方另一辆梭车进行作业时，可将岸桥装船效率提高4.93次/h，此时岸桥平均装卸效率为37.28次/h；若暂停后方场地作业，则可将岸桥平均装卸效率提高至39.07次/h。

表2 3组特殊作业方案

表3 不同作业方案下的岸桥装卸效率次/h

3.3.2 水平运输环节极限作业能力

为分析水平运输环节的极限作业能力，将岸桥及场内设备的作业能力提高到最高水平，同时配备数量最少的运输设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置2辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为。在此情况下，岸桥平均装卸效率为38.57次/h，装船效率为35.86次/h，卸船效率为42.81次/h。由于1台岸桥配置2辆跨运车，因此水平运输环节的最高作业能力约为每辆跨运车21.40次/h。

3.3.3 场内作业环节极限作业能力

为分析场内作业环节的极限作业能力，将岸桥及水平运输设备的作业能力提高到最高水平，同时配备推荐数量的场内设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置3辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为/min。在此情况下，岸桥平均装卸效率为36.10次/h，装船效率为33.33次/h，卸船效率为40.53次/h。由于1台岸桥对应2个箱区，因此场内作业环节的最高作业能力约为每箱区（1条梭车道和1台场桥）18.05次/h。

3.4 其他堆场装卸工艺

3.4.1 无梭车装卸工艺

现有自动化集装箱码头均未采用梭车式装卸工艺。通常一个箱区的长度在左右，配置2台ARMG，用于堆场集装箱水平运输。该工艺在导致场内大量翻箱作业的同时，还会影响码头整体装卸能力，而且ARMG频繁带箱移动会增加能耗。

为深入分析梭车式装卸工艺与无梭车装卸工艺之间的差异，对下列特殊工况进行仿真分析。工况1：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况2：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况3：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。其他配置与“40-2-300-120”配置方案相同。仿真结果如图4所示。

图4 不同工况下的码头装卸效率

由图4可知，在无梭车且场桥大车速度为/min的情况下，即使所有装卸集装箱均堆存在箱区前，码头装卸效率也只达到27.13次/h，仍然低于有梭车且场桥大车速度为/min时的装卸效率。随着集装箱堆存位置离岸边距离的增加，在没有预先翻箱作业的情况下，码头装卸效率下降。因此，要实现较高的码头装卸效率必须进行大量翻箱作业，而这对比较繁忙的集装箱码头来说，必然是难以承受的工作负担。

3.4.2 自动导引车装卸工艺

带自升降功能自动导引车装卸工艺实现码头在水平运输环节的全自动化，且码头整体作业能力不低于传统人工码头。为分析其作业能力，首先使用跨运车装卸工艺的设备配置参数，即岸桥设计作业能力为40次/h，每台岸桥配置2辆带自升降功能自动导引车，其空载速度为/h，重载速度为/h，梭车速度为/min，场桥大车速度为/min。由表4可见，在相同设备配置的情况下，跨运车装卸工艺仅在卸船效率方面略高于带自升降功能自动导引车装卸工艺。

表4 带自升降功能自动导引车装卸工艺与跨运车装卸工艺

的装卸效率比较次/h

目前，带自升降功能自动导引车的直线行走最高速度为/s，转弯最高速度为/s。为分析带自升降功能自动导引车行驶速度的变化对码头整体装卸能力的影响，在4种特殊工况下进行仿真分析，仿真结果见表5。可见，水平运输设备的行驶速度对码头整体作业能力的影响较小，随着速度的降低，仅卸船效率略微下降。

表5 带自升降功能自动导引车不同行驶速度下的装卸效率

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

梭车在接到卸船任务指令后，行驶至箱区端部：若任务指定集装箱已经在转承平台，则直接取箱至目的箱位；若任务指定集装箱未到转承平台，则原地等待。

场桥在接到卸船任务指令后，判断是否已经在目的贝位，如果不在则移动至目的贝位等待梭车。梭车运送集装箱至目的贝位后，场桥将集装箱卸至目的箱位。

2.2 装船作业流程

装船任务指令发布后，场桥移动至目的贝位后从箱区提取集装箱。若目的贝位靠近箱区端部，则场桥直接将集装箱卸至箱区端部中转区；若目的贝位远离箱区端部，则场桥将集装箱卸至在接到装船任务指令后行驶至目的贝位的梭车，由梭车将集装箱送至梭车道端部转承平台。

跨运车在接到装船任务指令后，按照运行距离最短原则行驶至箱区端部取箱。若集装箱在箱区端部中转区或梭车道端部转承平台，并且无设备干扰，则跨运车进入集装箱堆放位置取箱至岸桥装卸点。

集装箱被送至岸桥装卸点后，岸桥将集装箱装至船舶贝位。在装船作业过程中，设备之间的相互配合、转承平台的预约及箱区端部作业安全的控制较为复杂。

2.3 集港作业流程

外集卡通过码头闸口后，进入快速车道；当靠近目的箱区时，外集卡逐渐从快速车道并入指定倒车车道，并继续前进至目的箱区；预约装卸点后，外集卡倒车进入装卸区，等待固定吊取箱。

外集卡停稳后，固定吊将集装箱卸至梭车道尾部转承平台。梭车在接到集港任务指令后，行驶至梭车道尾部转承平台取箱，并将集装箱送至目的贝位。场桥在梭车到达目的贝位后将集装箱卸至目的箱位。

2.4 提箱作业流程

外集卡在提箱作业中的流程与集港作业类似，其到达装卸区后等待固定吊放箱。

场桥在接到提箱任务指令后移动到目的贝位，提取目标集装箱至梭车。梭车将集装箱运至转承平台，固定吊负责将其放到外集卡上。

外集卡若还要取第二个集装箱，则继续行驶至下一目的箱区；否则，外集卡离开装卸区，并道至快速车道离开码头。

3 仿真输出分析

3.1 装卸船作业能力

岸桥单机设计作业能力为40次/h，不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率如图2所示。设备配置方案用数字简化表示，例如，“40-2-300-120”表示岸桥单机设计作业能力为40次/h，每台岸桥配备2辆跨运车，梭车最高速度为，场桥大车最高速度为。

图2 不同设备配置方案下装卸船时的岸桥作业效率

卸船作业发箱简单，易均衡安排作业，而装船作业发箱难度大，作业难以均衡；因此，卸船作业效率高于装船作业效率。仿真分析表明，通过增加水平运输能力及场地，可以提高装船作业效率，但对卸船作业效率的提升效果有限。

3.2 系统总体装卸能力

码头整体装卸能力可以用岸桥作业效率来衡量，不同设备配置方案下的岸桥作业效率如图3所示。可见，“35-2-300-120”配置方案可以实现32.52次/h的岸桥作业效率，即使考虑实际作业中的翻箱作业因素后，岸桥作业效率下降为29.27次/h，其也高于当前天津港人工码头28.00次/h的平均水平。提高岸桥单机作业能力后，“ 40-2-300-120”配置方案可以实现的岸桥作业效率为34.55次/h。若考虑实际作业中的翻箱作业因素，换算为自然箱的岸桥作业效率为40.42自然箱/h，达到目前国际先进自动化集装箱码头的水平（约40自然箱/h）。

图3 不同设备配置方案下的岸桥作业效率

3.3 极限作业能力

3.3.1 整体极限作业能力

从码头整体作业角度看，场地设备作业具有一定的灵活性：当设备故障导致船舶装卸作业延误或进行大型船舶装卸作业时，需要暂停部分箱区的提箱、集港作业，以集中码头作业能力保障船舶按时离港。鉴于此，有必要分析在将大部分或全部设备调配至岸边进行装卸作业情况下的码头整体作业效率。

在每台岸桥配置2辆跨运车、梭车速度为/min和场桥大车速度为/min的条件下，设计3组特殊作业方案（见表2），并仿真得到不同作业方案下的岸桥装卸效率（见表3）。可见：当允许抽调后方另一辆梭车进行作业时，可将岸桥装船效率提高4.93次/h，此时岸桥平均装卸效率为37.28次/h；若暂停后方场地作业，则可将岸桥平均装卸效率提高至39.07次/h。

表2 3组特殊作业方案

表3 不同作业方案下的岸桥装卸效率次/h

3.3.2 水平运输环节极限作业能力

为分析水平运输环节的极限作业能力，将岸桥及场内设备的作业能力提高到最高水平，同时配备数量最少的运输设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置2辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为。在此情况下，岸桥平均装卸效率为38.57次/h，装船效率为35.86次/h，卸船效率为42.81次/h。由于1台岸桥配置2辆跨运车，因此水平运输环节的最高作业能力约为每辆跨运车21.40次/h。

3.3.3 场内作业环节极限作业能力

为分析场内作业环节的极限作业能力，将岸桥及水平运输设备的作业能力提高到最高水平，同时配备推荐数量的场内设备，即岸桥设计作业能力为45次/h，每台岸桥配置3辆跨运车，梭车速度为，场桥大车速度为/min。在此情况下，岸桥平均装卸效率为36.10次/h，装船效率为33.33次/h，卸船效率为40.53次/h。由于1台岸桥对应2个箱区，因此场内作业环节的最高作业能力约为每箱区（1条梭车道和1台场桥）18.05次/h。

3.4 其他堆场装卸工艺

3.4.1 无梭车装卸工艺

现有自动化集装箱码头均未采用梭车式装卸工艺。通常一个箱区的长度在左右，配置2台ARMG，用于堆场集装箱水平运输。该工艺在导致场内大量翻箱作业的同时，还会影响码头整体装卸能力，而且ARMG频繁带箱移动会增加能耗。

为深入分析梭车式装卸工艺与无梭车装卸工艺之间的差异，对下列特殊工况进行仿真分析。工况1：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况2：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。工况3：无梭车，装卸集装箱堆存在箱区前位置。其他配置与“40-2-300-120”配置方案相同。仿真结果如图4所示。

图4 不同工况下的码头装卸效率

由图4可知，在无梭车且场桥大车速度为/min的情况下，即使所有装卸集装箱均堆存在箱区前，码头装卸效率也只达到27.13次/h，仍然低于有梭车且场桥大车速度为/min时的装卸效率。随着集装箱堆存位置离岸边距离的增加，在没有预先翻箱作业的情况下，码头装卸效率下降。因此，要实现较高的码头装卸效率必须进行大量翻箱作业，而这对比较繁忙的集装箱码头来说，必然是难以承受的工作负担。

3.4.2 自动导引车装卸工艺

带自升降功能自动导引车装卸工艺实现码头在水平运输环节的全自动化，且码头整体作业能力不低于传统人工码头。为分析其作业能力，首先使用跨运车装卸工艺的设备配置参数，即岸桥设计作业能力为40次/h，每台岸桥配置2辆带自升降功能自动导引车，其空载速度为/h，重载速度为/h，梭车速度为/min，场桥大车速度为/min。由表4可见，在相同设备配置的情况下，跨运车装卸工艺仅在卸船效率方面略高于带自升降功能自动导引车装卸工艺。

表4 带自升降功能自动导引车装卸工艺与跨运车装卸工艺

的装卸效率比较次/h

目前，带自升降功能自动导引车的直线行走最高速度为/s，转弯最高速度为/s。为分析带自升降功能自动导引车行驶速度的变化对码头整体装卸能力的影响，在4种特殊工况下进行仿真分析，仿真结果见表5。可见，水平运输设备的行驶速度对码头整体作业能力的影响较小，随着速度的降低，仅卸船效率略微下降。

表5 带自升降功能自动导引车不同行驶速度下的装卸效率

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）