自动化集装箱码头新型布局下的海侧路口交通组织研究

单 佳，倪敏敏，边志成

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200120)

近年来，国内码头劳动力短缺现象日趋显现，加之船舶大型化对码头管理水平的要求越来越高，国内港口运营者对自动化码头的需求也是愈加迫切，国内外学者也做了很多探索研究。有学者研究在陆域资源受限的情况下，堆场采用立体式布局的模式，以此来提高堆场有效堆存容量[1-2]；亦有学者探讨不同形式的自动化集装箱装卸工艺的适用性及优缺点[3-4]，为自动化集装箱码头装卸工艺方案设计提供参考。目前世界上的典型自动化集装箱码头工艺布局以端部装卸为主，即多采用 “双小车岸桥+AGV+自动化轨道吊”和“单小车岸桥+跨运车+自动化轨道吊”两种模式[5-6]。尽管端部装卸工艺布局模式在当前世界应用最为普遍，且自动化装卸工艺和信息系统均较为成熟，但这始终存在着堆场设备能耗高、堆场作业点少、整体作业效率降低、对码头调度人员要求高等痛点。针对这些痛点，本研究结合码头业务操作流程的特点，提出了一种新的集装箱自动化码头装卸工艺布局模式。

鉴于该装卸工艺为创新方案，没有相关成熟的设计及运营经验借鉴。在进行自动化码头规划时，如果能事先对初步规划的码头进行仿真模拟运行，及早发现设计缺陷并加以修正，则可以提高码头设计成功率并降低不必要的损失，因此计算机仿真分析在该新工艺方案优化、改进中的意义举足轻重[7]。考虑到由于水平运输系统是一个动态的系统，本文采用flexsim仿真来构建新工艺自动化集装箱码头工艺布局模型，并分析在相关策略下新工艺中海侧水平运输设备进入堆场的交通组织情况。

1 码头新型工艺布局下的交通组织

新型工艺布局方案区别于原有典型自动化集装箱码头的布局主要在于水平运输系统交通组织，如图1所示，堆场垂直于岸线，堆区侧面装卸，场内、外水平运输路径分离(虚线路径表示场内水平运输设备路径，直线路径表示场外水平运输设备路径)，场内水平运输设备通过I型的双向通道直进直出直达堆场目标位置，场外水平运输设备(集卡)通过U型路径进出堆场。

由于集装箱码头水平运输系统承担了集装箱在码头内的装卸和运输，因而它对于提高运输效率和周转率起到了至关重要的作用[8]。为了更全面的评估该方案，本文将重点围绕海侧路口的交通组织展开研究。本文选取跨运车作为场内水平运输设备，研究在以跨运车为场内水平运输设备的情况下海侧道口进出堆场的交通组织情况。

2 堆场海侧路口交通组织

现有自动化码头普遍采用的端部装卸形式，如图2所示，场内水平运输设备自动化导引车或自动化跨运车的装卸作业点均设置在堆场海侧区域。在该模式下采用跨运车作为场内水平运输设备时，跨运车集中进出前沿海侧交互区进行交互作业，因此大部分交通流量都集中在前沿水平运输区域和海侧交互区。

图1 水平运输设备路径示意图Fig.1 Travelling path of horizontal transportation equipment图2 端部装卸海侧交通组织Fig.2 Traffic arrangement on seaside under end-loading mode

新工艺布局则无需设置专用的交互区，如图3所示，场内运输道路呈I型的双向通道，跨运车直接深入堆场和轨道吊进行交互，充分利用跨运车能双向行驶的特点来形成直进直出的简洁路径；装卸点从端部装卸有限个海侧交互区固定的位置拓展成侧面整个堆区长度可灵活变化的区域。

在新工艺布局下，由于跨运车进出堆场集中于几个进出堆场的路口，存在多个交叉合流分流的点，路口交通组织相对复杂。因此，需要验证进出堆场路口的交通能力是否满足整体系统需求。受道路功能的定义，水平运输设备转弯半径参数时和路径交叉避让的影响[9]，本文主要研究在堆场海侧作业繁忙时单进单出的道路策略下路口的道路组织情况。在该策略下又细分为进出堆场道路是否可以同时转弯两种情况进行对比分析，同时综合考虑设备参数的因素进行敏感性分析。

3 仿真建模

3.1 仿真输入

为进行专项模拟仿真，本研究重点对一个泊位，两个箱区的路口通过能力和交通情况进行分析。通过设置不同的海侧流量和堆场效率来控制跨运车的到达频率，从而对路口进行压力测试。其中海侧流量通过配置不同的岸桥数量再乘以不同的效率波动系数(0.75～1.08)进行调节，单小车岸桥单机效率取30自然箱/h作为基准；堆场按照2个箱区共计4台双悬臂轨道吊进行配置，其中双悬臂轨道吊单机效率取25自然箱/h再乘以不同的效率波动系数对堆场效率进行调节。仿真中采用的设备单机效率及速度参数如表1所示。

总体仿真模型布局如图4所示。每个箱区设置两个固定的装卸点，分别位于海侧和陆侧；考虑到在实际箱区中水平运输设备有排队情况，因此在装卸点后依次从海侧到陆侧设置3个等待缓冲位。双悬臂轨道吊悬臂下设置两根车道，靠近轨道吊的车道为装卸道，另一根为通行道。

跨运车需要先从通行道进入箱区，当跨运车行驶到接近装卸点缓冲位时提前转入装卸道并同时判断该装卸点上是否有其他跨运车作业，若无，则跨运车直接行驶到装卸位进行作业；反之则需要先在缓冲位等待作业，装卸点和缓冲的布置如图5所示。

图4 模型总体布局图Fig.4 Simulation model overall layout图5 堆场内装卸位和缓冲位设置Fig.5 Loading/unloading point and buffer point configuration in yard

前沿岸桥装卸区域与堆场间设置双向共4条高速通行车道，进入堆场后设置单进单出双向通行道，另两根车道为装卸车道。当车辆通过交叉口时，会发生合流或分流，进而会存在交叉冲突，合流冲突和分流冲突[10]。为更接近进出堆场路口的实际交通情况，对图6所示跨运车进出堆场道路布置图进行交通分析。通过研究发现跨运车进出堆场进行作业时所经区域共有8个交叉冲突点(圆形所示)，5个合流冲突点(正方形所示)和5个分流冲突点(三角形所示)。在仿真模型过程中也综合考虑了以上冲突点对于交通的影响。

图6 跨运车进出堆场道路布置图Fig.6 Lane configuration for straddle carriers in/out of yard

3.3 仿真实验工况

表2例举了本次仿真实验所采用的5组案例。通过改变海侧流量，转弯车速，效率波动系数和跨运车数量等参数对路口交通能力和堵塞情况进行了仿真分析，同时再结合两组不同的道路使用策略(堆场道路单进单出，进出道可同时转弯策略和堆场道路单进单出，进出道不可同时转弯策略)进行5组案例的对比仿真。

表2 研究道路使用策略情况下的实验案例Tab.2 Study the experimental case of road use strategy

跨运车的转弯车速根据实际设备参数设置为2 m/s，跨运车数量按照1台岸桥配置5台跨运车的配比设置为20台。在海侧配置4台岸桥的情况下，将单机效率30自然箱/h的乘以相应的效率波动系数改变海侧总输入流量，使得海侧总输入流量从90自然箱/h开始逐步增大到130自然箱/h；通过5组实验案例测试得出最大路口通过能力和交通堵塞情况。

4.1 道路使用策略分析

针对不同道路使用策略(堆场道路单进单出，进出道可同时转弯策略和堆场道路单进单出，进出道不可同时转弯策略)，通过仿真实验得出路口的通过能力并分析跨运车的堵塞时间和堵塞率。由于本文仅研究路口交通，所以堵塞时间的统计仅包含从跨运车离开岸桥到进入堆场入口前这一路段。堵塞率指在卸船情况下跨运车从岸桥下装卸点开始运输集装箱到堆场内再返回到原岸桥下装卸点的整个循环里其中处于堵塞状态的时间占比。

(1)单进单出，进出道可同时转弯。

在单进单出，进出道可同时转弯情况下，进口最大通过能力为113.28辆/h，出口最大通过能力为111.71辆/h，可满足前沿约110自然箱/h的作业效率。每辆跨运车堵塞时间和堵塞率随海侧流量的增加而增加，当海侧流量达到120自然箱/h以上时,路口能力也趋于饱和状态，此时堵塞时间达到峰值并趋于稳定，路口通过能力仿真结果如图7所示。交通堵塞情况如图8所示。

图7 可同时转弯策略下的路口通过能力Fig.7 Crossing-road capacity when straddles carriers can take turns at same time图8 可同时转弯策略下的路口交通堵塞情况Fig.8 Crossing-road traffic condition when straddle carriers can take turns at same time

(2)单进单出，进出道不可同时转弯。

在单进单出，进出道不可同时转弯时，进口最大通过能力为102.92辆/h，出口最大通过能力为101.38辆/h，可满足前沿约100自然箱/h的作业效率。每辆跨运车堵塞时间和堵塞率随海侧流量的增加而增加，当海侧流量达到100自然箱/h以上时, 路口能力也趋于饱和状态，堵塞时间达到峰值趋于稳定。路口通过能力仿真结果如图9所示。交通堵塞情况仿真结果如图10所示。

图9 不可同时转弯策略下的路口通过能力Fig.9 Crossing-road capacity when straddle carriers cannot take turns at same time图10 不可同时转弯策略下的路口交通堵塞情况Fig.10 Crossing-road traffic condition when straddle carriers cannot take turns at same time

通过以上仿真结果对比可得，路口可同时转弯时的通过能力要高于不能同时转弯时的通过能力。通过该对比结果说明路口车道布置是否能满足车辆同时转弯对路口通过能力存在一定影响。

4.2 设备参数敏感性分析

由于在实际中不同中跨运车车速设置也存在不同，本文着重研究路口的交通，因此主要研究跨运车转弯车速对于路口通过能力的影响。道路使用策略采用堆场道路单进单出，进出道可同时转弯策略[11]。通过对跨运车转弯车速进行敏感性分析，在合理范围内选取 2 m/s、1.5 m/s、1 m/s三组参数进行仿真实验，从图11中可看出，随着转弯车速的降低，路口通过能力也随之下降。

图11 不同车速下路口通过能力Fig.11 Crossing-road capacity under different straddle carrier speed

通过以上仿真结果可得，转弯车速对路口通过能力也存在一定影响，路口通过能力随转弯车速的提高而提高。

5 结论与建议

通过仿真分析[12]，当跨运车进出堆场采用单进单出且同时转弯时，路口的最大通过能力为113辆/h；当跨运车进出堆场采用单进单出且不能同时转弯时，路口的最大通过能力为103辆/h；跨运车单机性能比如转弯半径(决定是否可以相邻道同时转弯)及转弯车速对路口通过能力都有影响；对于进出堆场路口的布局应尽量满足可同时转进转出的要求从而使路口通过能力达到最大。

由于受道路功能的定义和水平运输设备转弯时的路径交叉避让影响，当堆场海侧作业繁忙时，单进单出的道路策略其路口的车流量可能不足以支撑道路两旁堆场设备装卸船作业需求。这时需要对路口车流量进行扩容来满足需求；以下几种方式可以对路口车流量进行优化扩容[13]。

(1)当码头地理位置或其他约束条件造成跨运车在路口无法同时转进转出时，可以提高跨运车的单机性能比如转弯速度来提高路口通过能力。

(2)将策略一两条道的单进单出车道适当增加宽度，使其能容纳水平运输设备在这两根相邻车道上同时转进转出，减少车辆在路口的交叉避让频次。

(3)采用四车道双进双出的策略，除了车道适当增加宽度，使其能容纳水平运输设备在相邻车道上同时转进转出，减少车辆在路口的交叉避让频次外；将装卸车道优化成装卸通行车道，通过增加车道数量来扩大路口的车流量。

以上堆区内道路的使用策略需要结合水平运输设备的路径特性和堆场海侧作业情况进行使用。这种优化调整主要影响的是堆区内道路的宽度，它对水平运输交通的影响是正面的，然而对集装箱堆场容量的影响是负面的。