双小车岸桥装卸作业仿真与效率分析

肖 攀 舒 帆 金 毅

1 上海海事大学物流工程学院 2 上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

双小车岸桥相较于传统岸桥拥有更高的装卸效率，是自动化码头较常采用的主要岸边装卸设备，其作业效率在实际操作中受到如双小车岸桥本身的结构参数、小车的运行参数、双小车之间的协同策略等多种因素的影响。国内外学者从不同角度对双小车岸桥的安全、效率等问题展开了研究。

陈建明[1]等分解主小车作业流程，逐步统计分析作业时间，从设备、系统等方面提出自动化码头双小车岸桥主小车作业效率优化方案。王骏[2]等在一般作业流程和特殊工况作业流程下，分别描述主小车与门架小车进出中转平台的逻辑，对其进行合理化安全管控，提高主小车与门架小车协同配合，提高岸桥作业效率。施建华[3]等以LBCT港自动化集装箱码头为例，介绍自动化岸桥的作业流程，分析了ECS、TPC、LPS、SPS等自动化岸桥的主要系统任务，可实现LBCT港岸桥高效率作业。金如新[4]等针对双小车岸桥自动化装卸作业，从工作流程入手，对主小车及门架小车的关键技术展开讨论，并为提高作业效率提供参考意见。王延春[5]从码头运作模式、双小车岸桥作业模式与效率两方面对中转平台布置位置进行分析，得出中转平台布局在陆侧下横梁陆侧位置最佳。张晓龙[6]等考虑如何布置中转平台来保证岸桥装卸效率，分析国内外典型自动化码头双小车岸桥中转平台布置案例，从整体布置、作业路径规划等方面优化创新。法战成[7]等以青岛港自动化码头为例，建立自动化码头桥吊安全作业系统，实时监控船舶高度变化量，将岸桥吊具控制在合理范围内，避免吊具过高导致作业效率下降。Liu[8]等开发双小车岸桥的优化设计软件平台，以重点数值方法实现了轻量化设计思想，通过数值分析，为推动岸桥轻量化设计和安全性评价提供了理论和技术支持。

还有研究着眼于优化算法以解决双小车岸桥的调度问题。马孙豫等[9]以AGV调度问题和卸船作业结束时间最小化为目标建立混合整数规划模型，运用多层编码粒子群算法(PSO)求解自动化集装箱码头双小车岸桥和AGV的协同调度，以提高码头作业效率。Tang[10]考虑集装箱的堆存位置的分配，提出多目标混合整数编程模型，提供近似最优解的模拟退火算法(SAA)，致力于最小化岸桥等待时间与AGV作业时间。Zhang[11]考虑装卸过程中船舶的稳定性，建立了有稳定性约束的岸桥调度优化模型，以启发式算法修复违反稳定性约束的调度序列。Liang[12]考虑岸桥调度配置优化问题，以任务的最早作业时间与要求完工时间，建立岸桥配置和调度优化模型，用循环迭代方法求解每个时间窗内岸桥调度方案。

此外，仿真方法也适用于岸桥作业的分析和评价。周鹏飞[13]等建立4种新型岸桥装卸系统仿真模型，仿真分析在不同设备配置工况下的装卸效率，岸桥与行车参数的影响因素，为集装箱新型岸桥装卸系统的选型提供参考。李锋[14]等分析双小车岸桥作业路径，建立岸桥作业仿真模型，结合实例，对主小车及门架小车速度参数进行优化配置。王旭[15]等研究自动化码头岸桥调度问题，建立岸桥卸船作业仿真优化模型，设计了一种基于双链分子结构的化学反应算法，分别为任务的优先关系和为任务分配的岸桥序列，采用离散时间动态仿真，验证模型和算法的有效性。

2 双小车岸桥作业流程及效率影响因素分析

2.1 双小车岸桥作业流程

与常规集装箱岸桥相比，双小车岸桥配备2台自行式起重小车，1台为主小车、另1台为门架小车。在靠陆侧设置拥有2个集装箱箱位的中转平台，对集装箱进行暂时的存放和相应的操作。主小车运行轨道在大梁上，门架小车运行轨道在门框连接梁上，2辆小车围绕中转平台进行接力式作业。以卸船作业为例，双小车岸桥的主小车将集装箱从船上吊运至中转平台的箱位上，然后返回至船舶吊运下一个集装箱；而门架小车则将中转平台箱位上的集装箱吊运到自动导引车(AGV)上。由门架小车与AGV对接，确保主小车尽可能处在持续的作业状态中。此外，中转平台上则进行拆装锁钮的操作。

2.2 双小车岸作业效率影响因素分析

由于是双小车接力作业，所以双小车岸桥的效率除了取决于主小车、门架小车自身的影响因素外，还取决于两小车之间的协同程度。

从装卸作业的流程分析入手，主小车从船上获取集装箱，作业路径取决于船型大小以及船上箱位的分布情况，而门架小车作业路径相对固定。在集装箱船的某个贝位中，每个箱位对应的主小车作业路径也不相同，当集装箱越靠近陆侧区域，越位于船舶的上方，主小车作业距离相对较短，反之亦然。小车的作业路径中，与双小车岸桥自身的结构也密切相关，中转平台的高度、位置都会对作业效率产生影响。此外，小车的速度对效率也产生直接的影响。

除小车自身的作业路径、运行速度之外，由于2台小车都是围绕中转平台进行作业，所以存在资源的占用冲突，即2台小车之间的协同问题，两小车之间的协同策略对安全、效率都会产生连锁影响。

因此，在不考虑集装箱码头其他设备与岸桥配合的前提下，双小车岸桥的作业效率受任务类型(船舶位置、操作难度等)、岸桥结构、小车速度、平台拆装锁钮等情况及双小车之间协同策略的综合影响，借助仿真模型对其进行分析和评估是一种有效的方法。

3 双小车岸桥作业仿真模型建立

应用Plant Simulation仿真软件，在分析双小车岸桥工作流程和小车间协同策略的前提下，构建双小车岸桥作业仿真模型，利用3D编辑器功能，实现双小车岸桥的三维可视化。

3.1 仿真模型的假设

研究双小车岸桥作业仿真模型有如下假设：

(1)模型暂不考虑岸桥大车移动，即测试单倍作业效率。

(2)模型不考虑岸桥与水平运输机械的耦合情况，即假设水平运输机械(如AGV、无人集卡等)能够及时地服务于岸桥。

(3)模型模拟单起升作业，箱型为40 ft箱，但不考虑双40 ft箱作业工况。

(4)中转平台按照先进先出的服务规则。

(5)假定卸载一个船舶贝位的集装箱时按层卸船，即一层集装箱全部卸完，再卸下一层。

3.2 仿真模型的框架搭建

结合双小车岸桥的工艺流程，其仿真模型由4个模块组成(各模块建模对象的结构、逻辑关系等不尽相同)——主小车、门架小车、岸桥结构、集装箱船；4个模块分别在3个框架中构建：岸桥结构以Buffer的形式在主框架中构建，门架小车在独立框架中构建，为了使主小车轨道及集装箱船的中心线对齐，主小车及集装箱船2个模块共同在同一独立框架中构建；各模块均先在二维框架中建立，再转换成三维模式进行完善；最后将2个独立框架拖入二维主框架中，打开二维主框架连接的3D视图，在3D视图中拼接各模块。所建框架之间的关系见图1。在主框架的3D视图里将主小车及门架小车2个子框架及岸桥结构水平对齐拼接，即得到双小车岸桥3D模型(见图2)。

图1 模型框架关系图

图2 双小车岸桥三维模型

3.3 仿真模型的实现及验证

仿真模型最终依靠物流对象的设置及其运动控制来实现，即合理设置物流对象及编写方法用于控制运动对象。

以门架小车为例，设置主要的物流对象为Track、Transporter、Hook、Buffer、Drain。设置Track来表示门架小车的运行轨道；设置Transporter、Hook表示门架小车的运动和起升机构；设置Buffer表示中转平台的容量；设置Drain模拟落箱至AGV等水平运输设备上。相应地，要编写Method来控制物流对象的运作，表1中列出了模型编写的主要方法。

表1 控制物流对象的主要方法

门架小车的对象及控制方法建模见图3。其他对象的建模方式类同，不再赘述。

图3 门架小车仿真模块

双小车岸桥仿真的进一步实现依托于双小车之间的协同策略，依旧以门架小车为例，门架小车在初始位置生成，以空载速度向中转平台方向移动，在距离中转平台固定位置处(一般取8 m)触发轨道上的传感器，判断中转平台上是否有集装箱，若没有集装箱，则门架小车一直等候在中转区外；若有，则当主小车完全离开中转区，门架小车进入中转区取箱，将重载集装箱吊运至AGV对象处。按照该协同策略运行仿真系统，得到双小车岸桥的各项输出参数(见表2)。

表2 常规策略下岸桥性能指标

表2中的平均单箱作业时间是单倍集装箱全部完成时间与集装箱箱数的比值。第2、3列的等待时间指集装箱在中转平台的等待时间。第4、5列的单次作业时间是针对门架小车的时间。经测试，在卸载1个贝位集装箱的作业规模下，平均单箱作业时间接近实际生产，验证双小车岸桥仿真模型的合理性。

4 双小车岸桥装卸效率仿真分析

基于上文建立的双小车岸桥仿真模型，对影响双小车岸桥装卸效率的因素进行分析。

4.1 双小车协同策略对比分析

传统调度策略触发某个小车进入中转平台的时机是固定的，到达位置才能启动。随着对双小车岸桥效率进一步提高的需求，当协同策略中结合小车的进入或离开趋势时，即从小车到达指定位置时触发判断变为提前扫描中转区作业的小车是否有离开的趋势，从而可以提前判断，将这种协同策略定义为动态策略。

在卸载1个贝位集装箱的作业规模下，通过运行仿真，得到双小车岸桥在动态协同策略下的作业性能指标值，其与常规协同策略的对比见表3。

表3 动态协同策略下的岸桥性能指标对比比较

从表3可知，动态策略下平均单箱等待时间要略小于常规策略，主要在于常规策略下小车达到指定位置才开始判断，导致中转区一台小车只有完成作业状态且另一台正好触发判断时才允许另一台小车进入，因而集装箱在中转平台上等待时间增加，同时也增加了门架小车单次作业时间。动态策略下岸桥运作效率有小幅提高，主小车及门架小车忙的概率在动态策略下稍大，即作业效率要优于常规策略时的效率。从平均单箱等待时间这个角度，集装箱在平台的等待时间有较大幅度的下降，可见动态策略在一定程度上可以增进两小车之间的协同作业。因此，双小车岸桥的小车之间在动态协同策略下，整体作业性能要优于其在常规策略下的作业性能。

4.2 动态调度策略下小车速度对比分析

在动态策略的前提下，以小车速度为变量，分析不同等级的速度参数配置对双小车岸桥仿真模型作业效率的影响。根据现有双小车岸桥的技术参数，将小车速度设为4个等级，取每个等级的平均数作为模型的速度参数(见表4)。

表4 两小车速度参数配置

在卸载1个贝位集装箱的作业规模下，通过运行仿真，得到了双小车岸桥在不同速度参数下的作业性能(见表5)。4种速度等级下双小车忙的概率基本相同，即各速度参数值下主小车和门架小车的作业效率基本相同。从平均单箱作业时间、门架小车平均单次作业时间可知，随着小车速度的提升，岸桥的运作效率有所提高。

表5 4种速度等级下岸桥作业性能指标

5 结语

双小车岸桥的效率是船侧效率的关键，其受双小车间协同策略、设备运行参数及岸桥自身结构参数的影响，因此为了评估效率以及其与影响因素之间的关系，利用仿真软件Plant Simulation对双小车岸桥装卸作业进行三维建模仿真，在验证其可行性的基础上，分析了双小车之间动态协同策略对效率的影响，以及动态协同下不同小车速度配置对效率的影响。未来，对双小车岸桥的各类效率影响因素进行不断地分析和挖掘、对双小车岸桥的结构进行突破是一种必然趋势。文中建立的仿真模型和所提出的分析方法对同类研究具有一定的借鉴作用，同时，仿真模型的运行应根据不同情况进行细化和重新配置。