余 政，唐勤华

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

集装箱运输是一种高效、快捷的运输方式，需要码头在短时间内接纳大量集装箱的进出。如果港区工艺系统设计不合理，势必造成港口的堵塞和混乱[1]。采用计算机模拟仿真技术验证码头在一定的设备资源条件下的生产能力、验证闸口车辆等待时间和排队长度、分析评价港口交通路网的合理性、预演码头作业计划并分析可能出现的问题等，能够在工程规划初期及时发现问题并进行针对性的优化，确保工艺系统的合理性。阿布扎比哈里发港集装箱码头二期项目采用堆场自动化工艺系统，自动化程度较高，码头中转量大，交通组织复杂，如何优化工艺布置、合理配置设备、保障交通舒畅，尽可能充分发挥装卸系统效率，保证整个港区运作流畅、高效是工艺设计的重点。通过模拟仿真验证该项目工艺系统合理性，同时在设备调度和交通管理等方面给出操作建议，对营运方有针对性地进行生产管理和实现港区装卸系统高效运行具有重要的意义。

1 仿真系统简介

自动化码头仿真系统基于PlantSimuation(eM-Plant)二次开发建立。eM-Plant是以色列Tecnomatix公司开发的功能强大的仿真软件系统，主要用于离散事件系统的仿真。它采用面向对象建模(object-oriented modeling)的编程方法，打破以往仿真软件面向过程的方式，因而建模灵活、使用方便。自动化码头仿真系统按照参数化设计思想，以尽可能真实地反映实际生产为开发原则，主要包括仿真输入、生产控制、仿真驱动、仿真评价4大模块[2]。

1)仿真输入模块。主要功能是仿真系统的定义，包括码头平面布局定义、设备配置定义和各类概率分布定义。

2)生产控制模块。主要功能是实现码头作业计划的制定和作业任务的发布与执行。该模块主要包括靠泊计划、装卸计划、长度计划、任务发布、设备调度、路径选择和设备作业。

3)仿真驱动模块。主要功能是依据设定的仿真步长，推动仿真过程中各类事件的发生。该模块主要包括推进步长、船舶到达和外集卡到达。

4)仿真评价模块。可以在设定的时间范围内或是在设定的事件范围内，对所关心事件的仿真结果进行统计分析，输出系统评价。仿真评价模块包括设备作业效率(岸桥效率、场桥效率、集卡效率和闸口效率)、设备配置、排队堵塞和能耗统计。

2 仿真模型的构建

根据总体设计方案，码头年设计吞吐量为250万TEU，设计码头岸线长约1 200 m，可同时靠泊3条14.6万t集装箱船舶，最大泊位可停靠400 m长、59 m宽、16 m吃水深度的大型集装箱船舶。岸边配置12台岸桥，布置32个自动化箱区，箱区内配置1台单悬臂ARMG(自动化轨道吊)，3个空箱堆场，配置5台空箱堆高机和1台叉车。装卸船舶时每台岸桥配置4～6台集卡。普通重箱堆高5层，空箱堆场堆高7层，冷藏箱堆高4层。码头总体布局仿真模型如图1所示，其中道路交接处为道口模块[3]。

图1 码头总体布局仿真模型

3 仿真分析

3.1 码头整体作业能力仿真分析

码头总体能力仿真分析，主要是在假定岸桥设计作业效率(机械最高装卸效率)的前提下，综合考虑码头现有设计方案，模拟整个码头作业，以评估码头实际能支撑的岸桥真实装卸效率，进而评估码头的年吞吐能力。

设计方案考虑3个泊位，每个泊位配置4台岸桥。岸桥设计效率及集卡配置数量为仿真输入的主要变量，据此设置8组工况(表1)。

表1 仿真工况

根据仿真输出各工况下岸桥实际效率(图2)，当岸桥机械效率不变时，集卡配置数量提高对岸桥实际效率影响较大；当集卡配置数量固定、提高岸桥机械效率时，岸桥实际效率有所提高，但提高幅度较小。

图2 各工况下岸桥实际效率

根据仿真输出各工况下预计吞吐量(图3)，配置方案E-45-1-6，即岸桥机械效率为45 moveh，每台岸桥配置6台集卡，可实现岸桥实际效率31.3 moveh，约为47.0自然箱h，码头年吞吐能力达到256.10万TEU，满足250万TEU的设计能力需求。

图3 各工况下预计吞吐量

3.2 水平运输能力仿真分析

水平运输能力仿真主要针对港区内各道路交叉路口通过车辆情况进行模拟，反映各交叉口的繁忙程度和交通压力。在正常情况下(1倍外集卡到达强度)，在24 h内通过车辆排名前5的路口车辆统计见表2，其位置标识见图4。

表2 1倍外集卡强度下排名前5路口车辆数

图4 交叉口通过车辆数排名前5的位置标识

通过仿真可知，车流量较大的交叉口主要分布于外集卡进出码头主干道上以及船舶装卸作业时内集卡进出泊位路口。

3.3 箱区极限装卸能力仿真分析

自动化堆场共布置32个自动化箱区(分别为A1～A8、B1～B8、C1～C8、D1～D8)，各箱区内配置1台单悬臂ARMG。箱区极限装卸能力仿真主要分两种工况，主要差异为场桥起升机构吊具下的空载和满载速度[4]。工况1场桥起升机构吊具下重载起升速度60 mmin，空载起升速度30 mmin；工况2场桥起升机构吊具下重载起升速度90 mmin，空载起升速度45 mmin。同时考虑捣箱率为45%。

为分析箱区装卸能力极限，须做如下假设：

1)所有任务集卡都能准时到位，即无集卡延误；

2)每次任务集装箱装卸位置随机指派，即随机指派取放箱的贝、排、层；

3)作业过程按照指定概率决定是否发生翻倒箱操作；

4)平均一次翻倒箱操作耗时60 s；

5)两贝间距6.5 m，两排间距2.8 m，层高2.4 m，每次场桥需要起升至13 m高度。

经仿真分析，工况1各箱区极限装卸能力如图5a)所示，各箱区极限装卸能力分布在45～49自然箱h，均值约为46.4自然箱h，已实现较高箱区作业效率；工况2各箱区极限装卸能力如图5b)所示，各箱区极限装卸能力分布在56.12～60.41自然箱h，均值约为58.6自然箱h，箱区作业效率约提升25%。

图5 箱区极限能力

3.4 闸口通过能力仿真分析

闸口按分离式进、出港闸口布置，均设置2道卡口。第1道卡口为智能化闸口，进港集卡通过该智能卡口进行预检，完成车号识别、箱号识别及验残等信息的采集；车辆预检完成后，经第2道主闸口进入港区[5]。进、出港主闸口分别设置7条集卡车道数，进、出港智能化闸口分别设置3条集卡车道数。

经仿真模拟，在正常情况下(1倍外集卡到达强度)，外集卡进出智能化闸口时不须排队，进出主闸口时须排队。

仿真输出外集卡进主闸口排队情况如图6所示。在1倍外集卡到达强度下，有37.9%外集卡无须排队即可直接进入码头，58.0%外集卡须等待1辆集卡，4.1%外集卡须等待2辆集卡，只有0.1%外集卡须等待3辆集卡。外集卡进闸过程中，最大通过时间为425 s，最小通过时间为44 s，中位数在99 s，平均通过时间112 s。

图6 外集卡进主闸口排队情况

仿真输出外集卡出主闸口排队情况如图7所示。56.5%外集卡须等待1辆集卡，5.3%外集卡须等待2辆集卡，只有0.1%外集卡须等待3辆集卡。外集卡出闸过程中，最大通过时间为469 s，最小通过时间为52 s，中位数在105 s，平均通过时间122 s。

图7 外集卡出主闸口排队情况

4 结语

1)仿真分析表明，设计方案的码头通过能力能够满足吞吐量的需求，岸桥和场桥的效率、主要道路及闸口交通压力等主要指标基本在合理范围之内。

3) 外集卡到达高峰时段在港区主要路口易发生拥堵，须加强管理保障这些路口的交通通行能力。

4) 自动化箱区在每箱区配置单个场桥情况下，当场桥大车速度为120 mmin，重载起升速度60 mmin，空载起升速度30 mmin，即可满足较高箱区作业效率。

5) 设计方案正常情况下能满足外集卡作业强度要求，在条件允许的情况下建议适当增加1～2个主闸口，以缓解特殊情况下外集卡集中到达时的排队问题。