彭駿駿,麥宇雄,梁 浩
(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510290)
自動(dòng)化集裝箱碼頭是一個(gè)復(fù)雜的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng),存在各種不確定因素[1]。對(duì)于自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)的研究,目前主流的方法是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立系統(tǒng)模擬模型,通過(guò)仿真試驗(yàn)研究碼頭通過(guò)能力、設(shè)備配置、交通組織等問(wèn)題,確保碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的合理性[2]。
欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭采用全新的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)及布局模式,該工程相關(guān)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)少有案例參考,筆者利用仿真的手段研究欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng),確保工程建設(shè)的科學(xué)性和合理性,并為碼頭決策提供依據(jù)和指導(dǎo),進(jìn)一步降低碼頭后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。
欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)4個(gè)泊位,工程岸線總長(zhǎng)1 301.5 m,碼頭計(jì)劃設(shè)計(jì)吞吐量260萬(wàn)TEU。堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線,堆箱區(qū)域總長(zhǎng)約563 m,港區(qū)范圍內(nèi)共布置21條堆場(chǎng),采用重、空箱混堆模式,地面箱位約1.738萬(wàn)TEU。
碼頭前沿采用自動(dòng)化雙小車岸橋作業(yè),其中岸橋軌內(nèi)布置艙蓋板堆放區(qū)和特殊箱作業(yè)通道,岸橋陸側(cè)軌后布置自動(dòng)化水平運(yùn)輸裝卸作業(yè)通道;集裝箱堆場(chǎng)采用自動(dòng)化雙懸臂集裝箱軌道龍門吊(ARMG)作業(yè),近期每條箱區(qū)配置2臺(tái)雙懸臂ARMG,港內(nèi)集裝箱水平運(yùn)輸采用智能導(dǎo)引車(IGV),港外集卡和IGV分別在ARMG懸臂兩側(cè)進(jìn)行裝卸作業(yè)。港區(qū)主要裝卸設(shè)備配置見表1。
表1 港區(qū)主要裝卸設(shè)備配置
該自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)及布置典型特征為:港外集卡在堆場(chǎng)內(nèi)的裝卸運(yùn)輸車道呈U形布置,外集卡在ARMG一側(cè)懸臂裝卸完成后繞至ARMG軌內(nèi)的車道掉頭出堆場(chǎng)(圖1),港外集卡和港內(nèi)自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備交通組織物理分離、互不干涉。
圖1 U形全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝特征
根據(jù)欽州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙、裝卸工藝流程、道路交通組織、裝卸工藝設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(chǎn)的整個(gè)過(guò)程。
圖2 欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭仿真模型
根據(jù)欽州港大欖坪港區(qū)集裝箱的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn),并結(jié)合周邊工程的調(diào)研情況,本仿真模型主要輸入數(shù)據(jù)及邏輯假設(shè)如下:
1)到港集裝箱標(biāo)箱折算系數(shù)為1.3 TEU/自然箱。
2)集裝箱集疏運(yùn)流向占比:陸路集疏運(yùn)60%、水水中轉(zhuǎn)30%、鐵路集疏運(yùn)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(shí)間:重箱7 d、空箱12 d、冷藏箱4 d。
5)外集卡進(jìn)出港裝卸數(shù)據(jù):進(jìn)港峰值系數(shù)1.44,平均進(jìn)港送/提箱數(shù)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(shè):IGV工作電量區(qū)間20%~90%,該區(qū)間內(nèi)總續(xù)航時(shí)間為3 h。當(dāng)電量剩余20%~30%時(shí),IGV應(yīng)完成當(dāng)前作業(yè)立刻安排充電;當(dāng)電量剩余30%~60%時(shí),IGV可根據(jù)作業(yè)計(jì)劃靈活安排時(shí)間充電;剩余電量為60%~90%時(shí),可無(wú)作業(yè)任務(wù)時(shí)充電。IGV電量由30%充至90%需要30 min。
7)到港裝卸船型假設(shè):到港船舶靠泊裝卸優(yōu)先級(jí)外貿(mào)班輪>內(nèi)貿(mào)班輪>駁船,內(nèi)貿(mào)和外貿(mào)裝卸箱量各占比約50%。
根據(jù)仿真模型運(yùn)行結(jié)果,在設(shè)計(jì)配置的裝卸設(shè)備條件下,碼頭可完成260萬(wàn)TEU的年作業(yè)任務(wù)量,其中岸橋可取得的平均作業(yè)效率為36.2 TEU/h,泊位占用率約59%(小于60%),岸橋平均工作時(shí)長(zhǎng)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(shí)間段(8 760 h)內(nèi),碼頭前沿全部12臺(tái)岸橋同時(shí)使用率約占20.8%(圖3),全部12臺(tái)岸橋同時(shí)使用率相對(duì)過(guò)高。建議碼頭合理安排岸橋維修保養(yǎng)計(jì)劃,盡量保證作業(yè)過(guò)程中所有岸橋均處于良好的工作狀態(tài)。
圖3 碼頭前沿岸橋同時(shí)使用率
在既定的船舶靠泊策略條件下(優(yōu)先級(jí)外貿(mào)班輪>內(nèi)貿(mào)班輪>駁船),各類型船舶等待靠泊裝卸的時(shí)間見表2,駁船等待時(shí)間明顯高于其他類型船舶,且駁船等待超過(guò)8 h的船舶占總到港駁船數(shù)的18.7%。
表2 各類型船舶靠泊裝卸等待時(shí)長(zhǎng)
根據(jù)仿真模型運(yùn)行結(jié)果,堆場(chǎng)平均占用率約為64.3%,完成260萬(wàn)TEU年任務(wù)量條件下,堆場(chǎng)內(nèi)ARMG的年平均工作時(shí)長(zhǎng)約為5 135 h(年設(shè)備利用率約58%),所布置的堆場(chǎng)能力有一定富余,但堆場(chǎng)內(nèi)軌道吊的利用率相對(duì)稍高。ARMG平均作業(yè)效率約為17.3 move/h,見表3,作業(yè)過(guò)程中平均每小時(shí)運(yùn)行距離約為1 426 m。
表3 ARMG裝卸效率及大車運(yùn)行距離
港外集卡主要通過(guò)港區(qū)橫二路(圖4)進(jìn)出集裝箱堆場(chǎng)進(jìn)行送、提箱作業(yè),經(jīng)仿真模型模擬統(tǒng)計(jì),外集卡進(jìn)出港區(qū)最大交通量集中在與進(jìn)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(jù)相關(guān)研究成果,港區(qū)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(shí)際可用為5車道,考慮車道修正系數(shù)(4、5車道的車道數(shù)修正系數(shù)分別為3.2和3.7),從表4可知,港區(qū)外集卡車道道路服務(wù)水平為一級(jí)(道路飽和度小于0.4則為一級(jí))。
表4 重點(diǎn)路段交通量及道路飽和度指標(biāo)
集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備IGV是銜接堆場(chǎng)和碼頭前沿的紐帶,其配置數(shù)量決定著碼頭的裝卸效率,基于IGV配置數(shù)量的不同,對(duì)仿真模型進(jìn)行敏感性分析。
1)岸橋平均裝卸效率隨著IGV配置數(shù)量的增加而逐漸提高(圖5),增加一定的IGV數(shù)量能夠減少岸橋裝卸船過(guò)程中等水平運(yùn)輸設(shè)備的時(shí)間,從而提高岸橋作業(yè)效率。
圖5 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV配置數(shù)量之間的關(guān)系
2)IGV數(shù)量增加,ARMG平均裝卸效率也有所增加,但增加得不明顯,說(shuō)明堆場(chǎng)配置的ARMG能力發(fā)揮得接近飽和。
3)IGV運(yùn)輸單個(gè)集裝箱的平均運(yùn)距為920~930 m,隨著IGV配置數(shù)量的增加,IGV平均運(yùn)行速度呈下降趨勢(shì)(圖6),說(shuō)明隨著IGV的增多,IGV之間相互減速避讓的情況增多,但I(xiàn)GV速度整體降低不明顯。
圖6 IGV運(yùn)行距離/速度與IGV配置數(shù)量之間的關(guān)系
IGV充電樁數(shù)量若配置得不夠,容易導(dǎo)致IGV等待充電時(shí)間延長(zhǎng),進(jìn)而影響碼頭前沿岸橋和堆場(chǎng)ARMG的作業(yè)效率。港區(qū)目前設(shè)計(jì)配備16臺(tái)IGV充電樁,考慮遠(yuǎn)期IGV有可能增配至84臺(tái)的基準(zhǔn)條件下,針對(duì)充電樁的配置數(shù)量進(jìn)行敏感性分析,見圖7。當(dāng)IGV充電樁數(shù)量降低至8臺(tái)時(shí),對(duì)岸橋和軌道吊裝卸效率有一定影響;當(dāng)充電樁數(shù)量大于或等于12臺(tái)時(shí),岸橋和軌道吊裝卸效率基本無(wú)變化。說(shuō)明港區(qū)目前配置的16臺(tái)充電樁可滿足IGV作業(yè)過(guò)程中的充電需求。
圖7 岸橋/ARMG裝卸效率與IGV充電樁配置數(shù)量之間的關(guān)系
1)仿真分析表明,港區(qū)裝卸工藝系統(tǒng)及道路交通設(shè)計(jì)基本合理,可滿足碼頭設(shè)計(jì)吞吐量260萬(wàn)TEU的裝卸需求。
2)集裝箱堆場(chǎng)堆存能力有一定富余,但目前配置的ARMG能力趨于飽和,遠(yuǎn)期隨著吞吐量的增加可考慮適當(dāng)增加一定的ARMG設(shè)備。
3)道路最大交通量集中在港區(qū)橫二路與進(jìn)出港閘口的銜接路段,港區(qū)交通較為順暢,且道路整體通行能力有一定富余。
4)適當(dāng)增加碼頭IGV數(shù)量可進(jìn)一步提高碼頭前沿裝卸效率和通過(guò)能力。
5)港區(qū)IGV充電樁配置較為充裕,可滿足IGV作業(yè)過(guò)程中的充電需求。