刘志雄　陈玉婷　熊杨

摘要：

为提高件杂货码头作业效率，在对件杂货码头装卸作业进行分析的基础上，借鉴集装箱码头集卡交叉作业工艺模式，提出基于“拖车共享，拖板归线”的件杂货水平运输混合作业工艺模式，主要包括岸边交叉作业模式和全场交叉作业模式。针对全场交叉作业模式，提出“货垛同场+堆场相邻”的拖车交叉作业原则。针对两种混合交叉作业模式，提出相应的拖车调度算法。利用Plant Simulation对传统固定作业模式和两种混合交叉作业模式进行仿真建模，并结合实际生产数据进行仿真。仿真结果表明，在减少门机作业等待时间、提高门机作业效率方面，两种混合交叉作业模式是有效的。相比固定作业模式，岸边交叉作业和全场交叉作业模式下的单船门机装船作业等待时间分别减少1.0%和3.3%。

关键词：

水路运输； 拖车共享； 件杂货； 水平运输； 混合作业

中图分类号： U691.31

文献标志码： A

Abstract：

To improve the operation efficiency of general cargo terminals， based on the analysis of the loading and unloading operation of general cargo terminals， referring to the container terminal truck crossoperation mode， the mode of the general cargo horizontal transportation hybrid operation based on the “truck sharing and trailers fixed to operation line” is proposed. It mainly includes the coast crossoperation mode and the whole crossoperation mode. The principle of truck crossoperation of “stacking in the identical yard and handling among the adjacent yards” is put forward based on the whole crossoperation mode. The truck scheduling algorithms are proposed respectively for two hybrid crossoperation modes. Simulation modeling of the traditional fixed operation mode and two hybrid crossoperation modes are carried out by Plant Simulation， and the simulation is carried out with the actual production data. The simulation results show that， the two hybrid crossoperation modes are effective in reducing the waiting time and improving the operation efficiency of portal cranes. As to the coast crossoperation mode and the whole crossoperation mode， the portal crane waiting time on loading operation for one ship is respectively reduced by 1.0% and 3.3% compared with the fixed operation mode.

Key words：

waterway transportation； truck sharing； general cargo； horizontal transportation； hybrid operation

0引言

港口件雜货码头船舶装卸作业线上的机械配置一般如下：岸边装卸采用门座式起重机（简称门机）；堆场装卸采用轮胎式起重机（简称轮胎吊）或叉式装卸车（简称叉车）；水平运输采用拖车（即牵引车）与拖板（即平板半挂车）的组合配置。其中，水平运输主要采用基于循环甩挂的固定作业模式，即拖车拖板组合和门机固定配置方式，进行船舶装卸作业。在这种传统作业模式下，装卸货类差异、作业堆场距离远近、不同作业环节装卸效率差异等可能导致岸边或堆场装卸机械的闲置等待。一旦船舶装卸作业线的水平运输环节不能及时衔接，就会造成岸边机械暂停等待，船舶装卸中断，进而影响船舶装卸效率。

对件杂货装卸作业的研究比对港口集装箱和散货装卸作业的研究少，已有研究主要集中在装卸设备配置、作业线建模分析、作业仿真分析等方面。薄万明[1]从定性和定量角度分析了件杂货装卸作业系统；李静泉[2]、郑斐城[3]、宓为建等[4]对件杂货码头作业线和整个作业系统的机械配置问题进行了分析；张鹏[5]结合实际生产数据分析了各种机械的装卸效率；董明望等[6]对单一作业机械和单条装卸作业线效率进行了研究，建立了相应的数学模型并对其进行了分析；刘志雄等[7]提出了以拖板为作业单元的装卸作业线建模分析方法；莫之平等[8]基于对件杂货码头装卸工艺成本的调查，提出了分析装卸工艺成本的方法；易应强等[9]结合实际生产数据分析了件杂货码头货场运行情况；樊勇春等[10]从泊位和库场分配角度对件杂货装卸作业能耗优化问题进行了研究；贾智勇等[11]和贺晶晶[12]分别利用Witness和Plant Simulation仿真建模软件对件杂货装卸作业过程进行了仿真建模分析。有关件杂货装卸作业工艺模式改进的研究还比较少。目前，针对港口水平运输混合交叉作业的相关研究[1315]主要集中在集装箱装卸作业方面，且研究成果在集装箱码头已经得到应用。

件杂货装卸工艺模式的革新和发展一直都是码头运营管理者非常关注的问题。然而，件杂货码头信息化水平较低，“信息孤岛”现象较为严重，装卸作业各环节的信息交流与沟通基本上依赖人工完成。近年来，无线网络、地理信息系统（geographic information system，GIS）、物联网、移动终端等技术逐步被应用到件杂货码头生产中。港口信息化的推广和应用为件杂货装卸作业工艺模式的改进提供了良好的基础和机遇。基于件杂货装卸作业的特点和现状，本文借鉴集装箱码头集卡交叉作业工艺模式，提出面向水平运输环节的件杂货混合作业工艺模式，探讨水平运输混合交叉作业工艺对件杂货装卸性能的影响和作用，为件杂货码头作业工艺模式的改进提供决策支持。

1件杂货码头混合作业工艺分析

1.1件杂货固定模式装卸作业分析

在件杂货船舶装卸作业中，门机、拖车、拖板、轮胎吊（或叉车）组成了一条固定的船舶装卸作业线，如图1中的作业线1或作业线2。水平运输作业一般由1辆拖车和3台拖板完成，采用循环甩挂方式，在岸边与堆场之间完成运输任务。为保证岸边与堆场机械作业的连续性，在水平运输甩挂作业中一般要保证岸边和堆场各自都有1台拖板，拖车在岸边与堆场之间的往返运行必须带有空载拖板或重载拖板。以装船作业为例，拖车从堆场将重载拖板拖至岸边后，必须将已经或者即将卸载完的空载拖板拖至堆场。一旦某个货垛作业完毕，拖车就会将空载拖板拖至新的货垛。每条作业线上的拖车只固定地服务本作业线，不会服务其他作业线。

在船舶装卸作业中，要保证门机作业的连续性就要保证水平运输环节能够与门机作业及时有效地衔接。水平运输环节能否与门机作业有效衔接，与装卸货物种类、门机效率、堆场机械效率、岸边与堆场货垛的距离、拖车的运行速度（空载与重载速度）等密切相关。

以装船作业为例分析门机作业等待时间。假设一艘船装船作业线有2条（2台门机）。如果不考虑作业中的转场等待时间，那么装船作业全过程中门机作业等待总时间W可以描述如下：

Tkij=bkijfki，

T′kij=bkijf′ki，

Mki=LkiVe+LkiVl

（1）

Tki（j-1）>Mki，Wkij=Tki（j-1）-Mki

Tki（j-1）≤Mki，Wkij=0 （2）

T′kij>Mki，W′kij=T′kij-Mki

T′kij≤Mki，W′kij=0 （3）

Vkij=Mki+W′kij+Wkij=

LkiVe+LkiVl+W′kij+Wkij

（4）

Tki（j-1）>Vkij，Wkij=0

Tki（j-1）≤Vkij，Wkij=Vkij-Tki（j-1） （5）

Wki=skij=1Wkij，

ski=Gkigki （6）

W=2k=1nki=1Wki=2k=1nki=1skij=1Wkij （7）

式中：k为作业线数量，k=1，2；i为每条作业线对应的作业货垛，i=1，2，…，nk；bkij为第k条作业线第i个货垛第j次作业的拖板装载量，gki为第k条作业线第i个货垛的拖板满载量（拖板的满载量也因货物种类而存在差异[13]），即有bkij≤gki；fki为第k条作业线第i个货垛的门机装卸效率，f′ki为第k条作业线第i个货垛的堆场机械装卸效率；Tkij为第k条作业线第i个货垛第j次作业的单拖板门机作业时间，T′kij为第k条作业线第i个货垛第j次作业的单拖板堆场机械作业时间；Lki为第k条作业线第i个货垛与岸边的距离；Ve为拖车的空载运行速度，Vl为拖车重载运行速度；Mki为拖车在岸边与堆场之间往返一次的运输时间，Vkij为拖车在岸边与堆场之间往返一次的实际作业时间；Wkij和W′kij分别为拖板在第k条作业线第i个货垛进行第j次作业时拖车在岸边和堆场的等待时间；Gki为第k条作业线第i个货垛的装卸量；ski为第k条作业线第i个货垛的拖车往返次数（即拖板装载次数）；Wki为第k条作业线第i个货垛的门机作业等待时间。

当门机前一次作业时间Tki（j-1）大于Mki时，拖板在岸边的等待时间为Tki（j-1）-Mki，否则等待时间为0；当堆场机械作业时间T′kij大于Mki时，拖板在堆场的等待时间为T′kij-Mki，否则等待时间为0。

当门机前一次作业时间Tki（j-1）大于Vkij时，门机的作业等待时间为0，否则等待时间为Vkij-Tki（j-1）。

综上，作业线上门机、拖车和堆场机械的作业等待时间是由货类、货垛位置和机械效率等因素综合决定的，存在不确定性和动态性。对于同船相邻作业线而言，如果能够共享水平运输，实现水平运输在两条作业线之间的混合交叉作业，就有可能避免或者减少上述门机或堆场机械等待拖车的情况的发生，既可以保证水平运输的有效衔接，又可以提高拖车的利用率，从而提高水平运输的效率。

1.2混合作业工艺分析

混合作业工藝主要采用“拖车共享，拖板归线”的作业模式，即3台拖板在各自作业线内部流转，拖车资源在同船相邻作业线之间共享。

在相邻作业线之间考虑拖车共享，主要是为了缩短水平运输时间，充分利用拖车资源，减少岸边门机和堆场机械的作业等待时间。混合交叉作业需要考虑拖车在作业线之间的运行距离大小。运行距离过大会导致水平运输时间增加，使得门机和堆场机械作业等待时间更长。例如，如果相邻作业线的堆场货垛相距较远，在堆场实施拖车共享对于水平运输环节是不利的。因此，本文提出的基于拖车共享的混合作业工艺主要包括岸边交叉作业和全场交叉作业两种模式。

1.2.1岸边交叉作业模式

相邻作业线的两台门机分别针对同艘船的不同舱口进行装卸作业，相隔距离较短，拖车在两台门机之间交叉作业。堆场拖车只服务当前作业线，不考虑交叉作业。

图2为装船作业的拖车岸边交叉作业模式示意图。两条作业线上的拖车从堆场将重拖板拖至岸邊时，会根据两条作业线的作业状态动态分配空拖板，以达到拖车岸边共享。

1.2.2全场交叉作业模式

在岸边交叉作业模式的基础上进一步实施堆场拖车作业共享，即为全场交叉作业模式。

件杂货堆场一般采用“场—区—位”的三级划分方法，即整个堆场由多个场地组成，每个场地又可划分为多个区，一个区划分为多个货位。具体的货垛根据货物类型、垛型大小等占用一个或多个货位，见图3。相邻作业线的堆场货垛可能位于堆场中的同一个场地，也可能分散在不同的场地。

在堆场拖车交叉作业时，为避免拖车运行距离过大，采用“货垛同场+堆场相邻”的作业原则，即在堆场拖车交叉作业时，要对两条作业线的作业堆场位置进行判断。

对相邻堆场的设定如下：若某一堆场刚好位于另一堆场的旁边，则判定两堆场为相邻堆场。本文将相邻堆场设定为如图4所示的3种结构，分别表示与堆场A相邻的堆场、与堆场B相邻的堆场和与堆场C相邻的堆场。

基于上述“货垛同场+堆场相邻”的堆场作业原则，全场交叉作业模式见图5。

在堆场中，当一条作业线的堆场机械完成装货作业，产生重拖板时，若刚好有相邻作业线的拖车在相邻堆场等待重拖板的产生，则相邻堆场处于等待状态的拖车便挂上该堆场中处于等待状态的重拖板，前往码头前沿。全场交叉作业模式下的岸边作业拖车共享与岸边交叉作业模式下的相同。

2件杂货码头混合作业工艺仿真建模

结合传统作业工艺和上述水平运输混合作业工艺，利用Plant Simulation，采用模块化设计方法对件

杂货装卸作业进行仿真建模，仿真流程见图6。

2.1陆运集港作业

在仿真模型中，货物集港包含汽车集港和火车集港两种方式。汽车和火车集港时，仿真模型调用作业机械，建立动态的陆运装卸作业线。作业完毕后，作业线撤销，汽车和火车离港，机械返回车队。集港作业时，堆场数据随着作业进程实时更新。

2.2船舶到离港作业

在仿真模型中，船舶进出港遵循先入先出（FIFO）原则。结合实际生产数据生成船舶装卸量，并根据堆场现有货物情况生成船舶装卸货物明细，包括货场分布和货量分布。

通过连续的装卸船作业，当泊位对应的门机完成所有的作业后，堆场机械和拖车返回车队，作业线撤销，船舶离港。

2.3船舶装卸作业

仿真模型采用先卸后装原则，动态调用门机、堆场机械和拖车建立船舶装卸作业线。堆场机械根据货类和机械空闲情况，随机选择轮胎吊或叉车。在装卸作业线建立后，根据作业线所对应的装卸量和货场分布，依次进行装卸船作业。船舶装卸作业时，堆场数据随着作业进程实时更新。

2.4堆场分配

仿真模型考虑进口和出口双向流程，以出口为主。堆场分配时进口、出口货物独立堆存，互不混堆。因为进口货物量占比小，所以进口货物集中堆放在少量场地上，堆场分配主要考虑出口货物（集港货物）。货物集港时的堆场分配策略如下：分析历史数据得出主要货物比例和周转率以及每种货物的主要货主所占份额，以此份额来分配每个货主每种货类的堆场区域大小。

2.5转场作业

在本模型中，由于装船货物在堆场中分散存放，装船作业阶段会出现转场作业。转场作业时，装卸作业线暂时中断，当前作业场地的装卸作业线自动撤销，轮胎吊自动寻址至新作业场地，并建立新作业场地的作业线。

2.6拖车调度

拖车共享交叉作业时，需要结合岸边交叉作业和全场交叉作业模式对拖车实施动态调度。岸边和堆场作业时的拖车调度分别见图7和8。

3仿真

3.1仿真数据

收集并分析天津港某件杂货码头相关生产数据，确定如下仿真参数：主要货类为吞吐量累计占比95%的前14种钢材货物，汽车集港与火车集港的货物量之比为7∶3，进口与出口货物量之比为95∶5。汽车、火车和船舶到港分布根据实际生产数据统计分析得到。设置6个泊位，每个泊位设置2台门机。堆场作业机械共设置40台，其中：轮胎吊为主要装卸机械，覆盖所有装卸货类；叉车配置数量较少，其能装卸的货类数量也有限。结合现场调研，门机和叉车作业效率统计情况分别见表1和2。

3.2仿真模型布局

结合码头实际布局，布置仿真模型中的堆场场地、铁路轨道、码头道路、泊位等部分，仿真模型布局见图9。

上述仿真模型中的船舶到港规律、船舶载重规律、码头货物占比情况、货物单件质量、门机装卸效

率、轮胎吊装卸效率、拖板载货数量等数据均是由码

头实际调研得到的。在仿真模型细节方面，从模型道路框架的搭建到码头设施设备（包括门机、轮胎吊、叉车、拖车、拖板等）的配置，再到码头作业情况（包括码头装卸作业线的限制、装卸作业线的动态建立与撤销、拖板上货物按数量进行装卸作业、循环甩挂运输、转场作业、不同货类的不同作业时间等）的模拟均按照件杂货码头的实际作业情况进行建模，以求更贴近码头实际生产作业情况。

3.3仿真结果分析

在水平运输固定作业模式和两种混合交叉作业模式下进行仿真，在仿真软件中设置码头作业时间为360 d，得到3种作业模式下的仿真结果，见表4。表5为在固定作业模式下仿真运行后集港货物分货类统计情况。

结合表4和5中固定作业模式下的仿真计算结果，集港货物中各货类的货物量比例与实际生产统计数据基本吻合。在集港货物中，汽车集港货物总量为6 041 785 t，火车集港货物总量为2 691 871 t，汽车集港与火车集港的货物量之比为2.24，与统计数据（7∶3）接近。表4中，固定作业模式下的单船作业转场作业次数、门机作业效率与文献[7，12]中根据实际生产估算的数据较为吻合。因此，从仿真数据、仿真模型细节和仿真结果看，上述仿真模型基本实现了对码头作业情况的模拟。

从表4中3种作业模式的仿真结果看，固定作业模式下的集港货物质量比其他两种混合交叉作业模式下的少，但出港货物质量比其他两种混合交叉作业模式下的多，出港船舶数量也比其他两种混合交叉作业模式下的多，因此，固定作业模式下的在港货物周轉快，堆存期和堆场利用率也比其他两种混合交叉作业模式下的低。从作业效率看，3种作业模式下的门机效率和轮胎吊作业效率相差不大。在仿真模型中，陆运作业中的汽车和火车集港均不涉及交叉作业。由于进口货物数量占比小，并在少数几个场地集中堆放，仿真模型中并未涉及卸船作业的交叉作业，混合交叉作业模式主要涉及装船作业。因此，进一步针对装船作业的3种作业模式进行分析。表6为装船作业的仿真结果，图10为不同作业模式下门机作业等待时间与装船作业总时间的比值。

表6中，门机装船作业时间为门机的单纯装卸作业时间，门机作业效率也是针对门机装船作业时间的单纯作业效率，并未考虑门机作业过程中的等待时间。门机综合作业效率反映的是门机的实际作业效率。由表6可知：固定作业模式下的门机单纯作业效率比混合作业工艺模式下的高，说明在固定作业模式下的仿真模型中，门机作业效率高的货类出港数量在出港货物总量中的比例较大（门机单机效率因货类不同而存在差异性）；相对应地，该模式下的门机装船作业量也比混合作业模式下的高。

从图10可以看出：与传统固定作业模式相比，两种交叉作业模式下的门机作业等待时间占装船作业总时间比例较小，门机综合作业效率较高；全场交叉作业模式下的门机作业等待时间占比比岸边交叉作业模式下的低，门机综合作业效率较高。如果以固定作业模式下的装船货物量和门机装船作业时间为基准，根据两种混合作业模式下门机装船作业时间与门机作业等待时间的比例折算出相应的装船作业总时间，可以得到同一基准下3种作业模式的门机综合作业效率，具体见表7。

从表7可知，混合作业工艺的使用，使得门机综合作业效率有了较为明显的提升。另外，表6中3种作业模式下的单船门机作业平均等待时间分别为39.712 h、39.034 h和38.414 h，与固定作业模式下的单船门机作业平均等待时间相比，岸边交叉作业和全场交叉作业模式下的作业时间分别减少1.0%和3.3%。

4结束语

本文在分析了件杂货装卸作业的特点后，提出基于拖车共享的件杂货混合交叉作业模式，并通过仿真建模对传统作业工艺和混合作业工艺进行比较分析，得出岸边交叉作业模式与全场交叉作业模式在单船门机作业平均等待时间方面优于固定作业模式的结论，交叉作业模式使得门机等待时间减少，从而提高了门机的作业效率。未来的工作主要包括两个方面：一方面是在本文模型的基础上，增加同船作业的门机数量；另一方面是改进和优化全场交叉作业模式中的相邻堆场结构，进一步对混合作业工艺进行分析。

参考文献：

[1]

薄万明. 港口件杂货码头生产线优化配置研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2002.

[2]李静泉. 大连港装卸机械配置相关因素分析及对策研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2006.

[3]郑斐城. 港口件杂货装卸设备配置优化系统的研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2009.

[4]宓为建， 沈银娟. 件杂货码头作业机械配置模型研究[J]. 中国工程机械学报， 2009， 7（2）： 137141.

[5]张鹏. 天津港件杂货码头装卸作业效率改善研究[D]. 天津： 天津大学， 2011.

[6]董明望， 郑斐城. 基于Web Services的件杂货装卸效率优化系统研究[J]. 商品储运与养护， 2008， 30（8）： 4142.

[7]刘志雄， 贺晶晶， 张煜. 基于拖板作业单元的件杂货装卸作业线建模研究[J]. 工业工程， 2015， 18（6）： 17. DOI： 10.3969/j.issn.10077375.2015.06.001.

[8]莫之平， 王钦明. 关于优化件杂货装卸工艺降低装卸成本的思考[J]. 港口装卸， 2003（3）： 1517.

[9]易应强， 刘志雄. 件杂货码头货场装卸作业运行分析[J]. 港口科技， 2012（7）： 47.

[10]樊勇春， 董祺. 件杂货码头装卸作业节能策略研究[J]. 港口装卸， 2012（3）： 4950.

[11]贾智勇， 梅磊， 王雪萍. 基于Witness杂货码头物流系统仿真分析[J]. 物流工程与管理， 2010， 32（10）： 9396. DOI： 10.3969/j.issn.16744993.2010.10.032.

[12]贺晶晶. 基于Plant Simulation的件杂货码头生产作业系统建模与仿真研究[D]. 武汉： 武汉科技大学， 2015.

[13]NISHIMURA E， IMAI A， PAPADIMITRIOU S. Yard trailer routing at a maritime container terminal [J]. Transportation Research Part E： Logistics and Transportation Review， 2005， 41（1）： 5376. DOI： 10.1016/j.tre.2003.12.002.

[14]陈超， 冯春焕. 基于混合交叉作业的码头集卡路径优化模型[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， 2011， 35（6）： 11831186.

[15]陈超， 张哲， 曾庆成. 集装箱码头混合交叉作业集成调度模型[J]. 交通运输工程学报， 2012， 12（3）： 92100.

（编辑贾裙平）