自动化集装箱码头道路交通组织仿真技术

2022-05-06冯雪平

港口装卸 2022年2期

王坚冯雪平吴磊

1 太仓港口投资发展有限公司 2 华设设计集团股份有限公司

1 引言

自动化集装箱码头道路规划和交通组织是码头设计中的重要一环，直接影响码头装卸能力，是实现码头自动化建设的关键。近年来，港区集卡交通流量急剧增加，码头堆场集卡等待和道路拥堵情况日益严重，加之土地成本大幅上升，如何科学规划码头道路、优化交通组织以减少集卡等待和周转时间尤为重要。

针对自动化或半自动化码头的路网交通问题，应用仿真建模技术进行深入分析。秦天保利用Flexsim仿真软件对某集装箱码头进行仿真建模，对港口高峰期港口交通流进行实验，验证了码头堆场道路规划的通过能力[1]。张清波等采用Witness软件对国内某集装箱码头2种自动化改造方案进行仿真研究，得出较为适合自动化码头改造的装卸工艺，但是未从路网布置和交通组织的角度进行自动化改造的进一步分析[2]。梅蕾等从集装箱码头的道路交通特性、堆场交通影响因素、港区堆场交通优化等方面探讨了集装箱码头道路交通的优化问题[3]。管政霖研究了堆场垂直布置的自动化码头采用的装卸工艺和路网交通问题，并通过仿真建模的方法定量分析了码头平面布置和装卸工艺对路网交通的影响[4]。针对太仓四期平行布置集装箱码头，采用Witness软件对2种码头路网结构进行仿真建模，并对高峰期码头路网的通过能力进行实验，通过分析仿真结果，选出较优的路网结构。

2 港区路网结构和交通组织

2.1 码头布局及装卸工艺

太仓四期集装箱码头岸线总长度1 292 m，共建设4个50 000 DWT(水工结构设计为100 000 DWT)集装箱泊位。码头配置11台双箱单小车岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)，用于满足10万t级集装箱船的作业要求。

根据港区对相邻码头路网、岸桥轨道衔接和统一管理的需要，以及内、外集卡装卸量大，需要更高的外集卡装卸能力和外集卡停靠位的情况，码头采用平行岸边布置。码头总体划分为4块堆场，堆场纵深约510 m，长度约300 m，每块堆场前期布置6条自动化轨道式龙门起重机(以下简称ARMG)作业线，水平运输采用集卡。

ARMG主要有无悬臂式、单悬臂式和双悬臂式3种机型。无悬臂ARMG适用于堆场端部设置交换区，水平运输设备不进入堆场；单悬臂ARMG适合水水中转比例高的自动化码头。考虑到本码头外集卡装卸作业量大，远期存在人工集卡和无人集卡同时作业现象，交通组织复杂，内、外集卡必须进行分道，因此本方案采用堆场两侧装卸箱作业的双悬臂ARMG。

2.2 码头路网结构

码头的路网结构主要包括闸口、码头主干道、堆场内装卸道、引桥以及泊位前沿道路5个部分。其中码头主干道、引桥和堆场场内装卸道的通过能力和交通流是研究的重点。该港区自动化集装箱码头平面布局及交通路网见图1。

1.泊位前沿 2.5#引桥 3.纬一路 4.堆场内装卸道 5.经五路 6.纬二路 7.纬三路 8.闸口图1 港区布置及路网结构图

码头内主干道呈“三横五纵”的布置形式。考虑到纬二路主要承载外集卡交通流，纬一路承担部分内集卡通行需求，纬三路仅作为辅助道路，所以纬一路至纬三路道路初步设计宽度分别为20 m、25 m、16 m，纬二路为双向6车道；纵向从左至右经一路至经五路的道路宽度分别20 m、25 m、25 m、25 m、20 m。其中经一路和经五路是双向4车道，经二路至经四路是双向6车道。

堆场内装卸道为单向4车道，设计宽度20 m，其中靠近两侧的是装卸道，中间2车道作为超车道。堆场箱区的行车道长度约300 m，最多可以同时容纳10辆集卡进行等待或者作业。

泊位前沿和堆场连接处布置5座引桥，其中1#、2#、4#、5#引桥设计宽度为16 m，可以布置双向共4条集装箱车道。3#引桥考虑重件和ARMG通行引桥宽度设计为24 m，可布置双向6条集装箱车道。

闸口车道数根据《海港总体设计规范》计算按照10道设置，其中进口车道为6道、出口车道数为4道。

2.3 港区交通组织

集卡在经、纬路等主干道上的可以双向行驶，但在堆场内道路上只允许单向行驶。双悬臂式ARMG的装卸工艺将内、外集卡分流到箱区的海侧和岸侧进行堆场装卸作业。这使得港内集卡和集疏运集卡的港内作业流向各形成一个闭合的小循环，实现集疏运集卡和港内集卡在港作业行驶路线的最短(见图2)。港区运营时，ARMG与人工集卡存在较多的作业交叉点，十字路口处ARMG与大量集卡频繁交替穿行，特别是外部集卡在港区内穿行更容易存在一定的交通问题和安全隐患。

图2 方案一堆场交通组织图

因此，提出一种新的交通组织的方案，即取消堆场经二和经四路，仅保留3条纵向路，将4块堆场合并为2块(见图3)。方案二和方案一的区别在于减少作业交叉点和十字路口的数量，一定程度上避免交通堵塞，但同时也可能增加集卡行驶距离和堆场滞留时间，需要增加集卡配置的数量，才能达到和原方案相同的传输效率。因此需要通过仿真分析验证2种方案的优劣性。

图3 方案二堆场交通组织图

3 港区交通流仿真建模

3.1 道路交通模型构建

集装箱码头的主要目的是完成港区集装箱装卸和水平运输任务，将港内、外的集装箱通过港内装卸设备进行相互流转，是一个典型物流系统。因此码头道路交通模型建立需要以集装箱装卸和运输的物流过程为目的。

模型的构成主要包括路段、交叉路口、车辆模型3个部分。

(1)港区道路是路网交通模型的重要组成部分，根据离散动态事件的建模思想，将以路段作为基本单元进行建模。路段由长度、最高限速、车辆容量、装卸点等属性变量描述。集卡在某一路段行驶时，速度、装载量、行驶方向的属性保持不变，并且每个单元可以根据实际交通情况灵活地调整规则。

(2)交叉路口是各种交通冲突最集中的地方，其交通状况的好坏对整个港区路网交通起着至关重要的作用。考虑到交通能力和避免交叉路口产生车辆冲突，交叉路口模块的交通规则设置为：先到达交叉路口的车辆在有可插间隙的情况下优先通行，否则主干道上的直行车辆优先通行，转弯车辆次之，堆场内装卸道上的车辆最后通行；至多允许等同于车道数量的集卡同时进行转弯作业。

(3)车辆模型可以定义集卡起、制动时间、空载和满载行驶速度以及车辆间安全距离等属性变量。根据港口所分配的集装箱装卸位置，利用码头路网到达指定堆场箱区，最终完成集疏运或者装卸船作业。车辆主要分为完成船舶装卸任务的码头内部集卡和进行集疏运作业的外部集卡。

3.2 仿真模型主要组成

自动化集装箱交通路网模型主要基于离散动态的建模思想，结合集装箱水平运输的物流过程与集卡港区路网行驶规则，采用模块化的方法，完成整个模型的搭建。仿真模型主要由船舶计划模块、集卡调度模块、闸口模块、码头路网模块、堆场模块、统计模块和公共变量模块组成。根据模块间所实现的功能不同，将其分为功能类、统计类和辅助类3种类型(见表1)。

表1 交通路网模型组成模块

3.3 仿真模型结构

确定仿真模型总体布局，仿真模型见图4。

图4 仿真模型图

3.4 仿真条件及主要参数

3.4.1 道路交通规则以及限制速度

十字路口根据车道数量只允许至多等同于车道数量的车同时进行转弯作业，先到达十字路口的车辆先通过。车辆按不同作业目的在堆场同步行驶。

根据《海港总体设计规范》(JTS165-2013)中的规定以及结合本工程实际情况，暂定主干道车辆最大速度为30 km/h，十字交叉路口最大通过速度为5 km/h，码头前沿和箱区内道路上最大速度为7.2 km/h。

3.4.2 仿真时长及港区吞吐量

本次仿真模拟港区作业高峰期2昼夜48 h，泊位全部到达5万t级的大型船舶，11台岸桥满负荷工作。

在历史数据和预测数据的基础上，高峰期每艘船舶集装箱装卸量设定为2 500 TEU,其中进口空箱250 TEU,占比10%；进口重箱1 000 TEU,占比40%；出口空箱187 TEU,占比7.5%；出口重箱1 063 TEU，占比42.5%。

码头陆侧每日平均集装箱吞吐量2 000 TEU,其中陆侧进口空箱200 TEU,占比10%；陆侧进口重箱800 TEU，占比40%;陆侧出口空箱200 TEU,占比10%；陆侧出口重箱800 TEU，占比40%。考虑高峰期堆场集装箱容量和船舶集装箱装卸需求，陆侧高峰期进出口集卡频次和集装箱进出口量按照年平均量的4倍计算。

3.4.3 堆场规则

本次仿真方案综合考虑内集卡装卸船作业和外集卡进出港区作业。自动化堆场采用双悬臂ARMG，悬臂两侧分别进行内集卡和外集卡集装箱装卸作业。

3.4.4 码头及堆场初始状态

码头初始状态为船舶已停在各自泊位等待装卸船作业，待装卸船的集装箱已经在相应垛位或贝位，垛位在堆场的位置具有随机性。堆场的初始状态为随机生成堆场容量30%的集装箱，集装箱的位置随机，用以满足船舶装卸作业和陆侧集卡装卸集装箱需求。

4 仿真结果分析

4.1 系统作业效率和集卡堆场滞留时间

2种交通布局不同集卡配比下的集卡堆场滞留时间见表2。可以看出，相同的集卡配置下，方案一的内、外集卡的作业效率和堆场滞留时间明显优于方案二。仅当方案一中集卡配置数量为1∶6 时，集卡配置数量过多会造成集卡等待作业和道路拥堵，出现滞留时间过长的情况。

表2 系统作业效率和集卡堆场滞留时间

系统作业效率与内集卡堆场滞留时间和集卡配置数量成正相关，但对外集卡堆场滞留时间基本无影响。方案一中当集卡配置数量从1∶4增加到1∶5时，系统作业效率和增加明显；当集卡配置数量增加到1∶6时，集卡滞留时间明显增加，但系统作业效率没有明显提升，因此推荐配比为1∶5。针对方案二，集卡配置为1∶6时集卡堆场滞留时间在可接受的范围内，且作业效率最高，故方案二最佳配比为1∶6。