冷藏集装箱港口装卸作业中质量损失研究

邹建强

（中交第四航务工程勘察设计院，广东广州 510230）

引言

近年来，随着我国经济的快速发展和人民物质生活水平的提高，生鲜货物的市场份额和进出口贸易持续增长。冷藏集装箱以其运输成本低、货物损耗小等优势，被广泛应用于生鲜货物的冷链运输中。港口是冷藏集装箱海陆运输的关键连接节点，其作业效率在很大程度上决定了生鲜货物的保质情况[1]。2018 年都乐公司、澳牛集团等几家大型生鲜公司给出的年度统计报告中都指出，生鲜货物在港口作业中造成的品质下降超出预期，货物在港的平均腐损占全程运输腐损的比例超过18 %。在诸多作业环节中，冷藏集装箱在装卸过程中是全程断电，因此装卸作业成为影响最大的一个因素，如果不能尽快地把冷藏集装箱由船舶装卸运输至堆场并接电，就会造成箱内温度快速上升，引起货物腐损[2]。因此本文基于软件仿真平台，采用计算机仿真技术，建立港口冷藏集装箱装卸作业系统仿真模型，研究不同货物在装卸过程中的质量损失情况，以便为港口优化冷藏集装箱装卸流程和合理分配资源提供参考。

1 冷藏集装箱港口装卸作业分析

1.1 冷藏集装箱港口装卸作业系统

本文重点考虑冷藏集装箱在港口装卸过程中制冷中断的部分，结合冷藏集装箱在港口装卸作业的实际流程，将整体装卸作业系统分为六个子系统，分别为卸船作业、运输等待、集卡运输、堆场等待、堆场卸箱和集卡返回[3]，具体见图1 所示。

图1 冷藏集装箱港口装卸作业系统流程图

1）卸船作业：在有空余集卡的情况下，由场桥将冷藏集装箱由集装箱船卸至集卡，在卸船作业开始的瞬间，冷藏集装箱供电切断。

2）运输等待：集卡对运行线路上的同向集卡、逆向集卡、安全距离进行判断，如若满足则开始运输，不满足则在原地等待。

3）集卡运输：集卡将冷藏集装箱由码头前沿运送至冷藏集装箱堆场，运输时间由运输距离和时速确定。

4）堆场等待：集卡到达堆场后，进入指定位置排队，并对场桥进行判断，如满足则开始进行卸箱作业，不满足则在原地等待。

5）堆场卸箱：场桥将冷藏集装箱由集卡卸至指定箱位，完成卸箱后即恢复供电。

6）集卡返回：集卡在堆场等待，满足行驶要求后返回码头前沿，具体过程与运输等待一致。

1.2 冷藏集装箱货物质量损失情况

货物质量损失受到多方面因素的影响，目前比较通用的计算方法是根据化学反应速率理论得出[4-5]，具体的公式如下：

式中：q——货物的质量；t—持续时间；k—货物质量损失速率；n—反应阶数。

对于冷藏集装箱，温度、通风和化学条件是影响货物质量的最主要因素，因此货物质量损失速率通常根据阿伦尼乌斯所提出的化学反应速率与温度变化关系的经验公式确定[6]，如下式所示：

式中：k0—速率常数；Ea—活化能；R—摩尔气体常量；T—绝对温度，其中在供电情况下，默认绝对温度为箱内贮存温度；在断电情况下，温度变化情况根据柯普提出的经验公式确定，如下：

其中TH、TL分别为箱外温度和箱内温度，K为动态系数，由冷藏集装箱的规格、通风性等因素确定。

2 模型构建

2.1 基本假设

1）假设港口内自然条件稳定，装卸及运输作业不受天气、暴乱等极端因素影响；

2）港口内运营状态良好，岸桥、集卡和场桥能够保持稳定的工作效率；

3）港口的冷藏集装箱堆场箱位充足，能够满足全部冷藏集装箱的存放需求；

4）冷藏集装箱与普通集装箱采用同一种集卡运输，不考虑专用冷藏集卡的使用。

2.2 仿真模型建立

利用仿真软件建立冷藏集装箱装卸作业系统仿真模型，并借助软件内置的java 语言编程实现温度变化和质量损失的函数。

2.3 仿真模型参数

1）输入参数

①船舶到港规律：船舶按泊松过程到港，到港的集装箱船舶吨级、比例和冷藏集装箱数量及装卸量根据目前世界船队运营情况及现行规范确定。

②岸桥及集卡数量：参考现有港口的配置情况和现行规范确定岸桥和集卡数量。

③冷藏集装箱堆场规模及场桥数量：冷藏集装箱堆场规模根据现有港口规模和实际吞吐量综合确定，场桥数量参考现有港口配置情况确定。

④冷藏集装箱内外温度：箱内温度按照货物要求的贮存温度确定，箱外温度根据港口气候统计资料确定。

⑤集卡服务原则：采用“先到先服务”的原则，并且冷藏集装箱与普通集装箱的优先性相同，集卡运输速度取为20 km/h，安全距离取120 m。

2）输出参数

①断电时间：断电时间分为五个部分，分别为卸船时间、运输等待时间、集卡运输时间、堆场等待时间和堆场卸箱时间。

②货物质量损失：将第一部分输出的断电时间作为输入参数输入到温度变化函数中，然后将温度变化函数套入质量变化函数，得出在断电时间内的货物质量损失情况。

3 算例分析

以我国北方某港口为例，分析冷藏集装箱在港口装卸作业过程中的质量损失情况。

3.1 到港船舶

到港的集装箱船分为五个级别，分别是 1 000 TEU、2 500 TEU、5 000 TEU、8 000 TEU 和10 000 TEU，其中冷藏集装箱的本港装卸量范围为150～1 200 TEU。

3.2 港口基础设施配置

码头前沿共设6 个集装箱船泊位，根据集装箱船的吨级为每艘船舶配置4～8 个岸桥，每个岸桥配置4 个集卡，冷藏集装箱堆场规模为8 行乘5 列，每行配备两个场桥。

3.3 温度条件

本文只考虑夏季这一货物损耗最严重的时节，根据港口的气候统计资料，港区平均温度取为21摄氏度，货物方面考虑三种常见货物，每种货物的贮存温度、反应阶数和变质温度点见表1。

表1 常见货物的贮存要求

其余计算参数：

3.4 仿真结果分析

香蕉、虾类和牛肉类货物初始质量为100 %，运行仿真模型100 次，得到香蕉、虾类和牛肉三类货物的质量变化曲线，如图2 所示。

图2 冷藏集装箱货物质量变化表

从图3 中可以看出，当断电时间在20 分钟以内时，三类货物均未出现明显的质量损失，平均每分钟的质损仅为0.004 %。当断电时间超过20 分钟时，三类货物的质量变化情况有所差异。对于香蕉类货物，质量呈线性下降，平均每分钟的质损在 0.15 %左右，以质损10 %为临界点，则断电时间不应超过60分钟。对于牛肉类货物，断电时间为20～36分钟时，质量呈线性下降，平均每分钟质损在 0.32 %左右，但当断电时间超过36 分钟时，质量呈指数下降，在60 分钟时质损超过20 %。对于虾类货物，断电时间为20～42 分钟时，质量呈线性下降，平均每分钟质损在0.41 %左右，但当断电时间超过42 分钟时，质量呈指数下降，在60 分钟时质损达到了22.8 %。

根据表2 中的结果，在当前配置情况下，冷藏集装箱的平均断电时间为44.6 分钟，高于图3 所确定的理想时间。其中运输等待时间和堆场等待时间占比分别达到32.3 %和28.7 %，说明在集卡的调度方面有待优化，并且场桥的作业效率难以满足需求。以图3 所确定的时间节点来看，运输等待时间和堆场等待时间应相应缩减18 %以上，方可实现控制货物质损在合理范围内。

表2 断电时间分布

4 结语

港口装卸作业的效率决定了冷藏集装箱的断电时间，也是影响货物质量损失的最主要因素之一。本文建立了冷藏集装箱港口装卸作业系统仿真模型，分析冷藏集装箱在港口装卸过程中的质量变化情况，得出以下结论：

1）对于香蕉、虾类和牛肉三类货物，断电时间控制在20 分钟以内时，货物质量损失不明显。当断电时间超过20 分钟时，香蕉的货物质量呈线性下降。牛肉类货物的断电时间在20～36 分钟时，质量呈线性下降，但当断电时间超过36 分钟，质量呈指数下降。虾类货物断电时间为20～42 分钟时，质量呈线性下降，但当断电时间超过42 分钟时，质量呈指数下降，在60 分钟时质损达到了22.8 %。

2）通过优化集卡调度以及合理分配场桥数量，可以进一步缩减集卡等待时间，从而控制货物质损。本文得出的三类货物的理想断电时间上限分别为60 分钟、36 分钟和42 分钟，因此综合研究分析得出集卡等待时间应缩减18 %以上。