自動化集裝箱碼頭建設(shè)指南

本文系“港口圈”杯論文大賽三等獎作品

作者單位丨上港集團九江港務(wù)有限公司

近年來，中國多個沿海港口正規(guī)劃建設(shè)自動化集裝箱碼頭。爭先搶占國內(nèi)自動化集裝箱碼頭技術(shù)和管理的制高點。在借鑒西方發(fā)達國家港口自動化集裝箱碼頭建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國碼頭的自動化規(guī)劃和建設(shè)、設(shè)備的設(shè)計和選型等方面取得了卓有成效的成果。但在自動化碼頭業(yè)務(wù)管理和流程，尤其是堆場系統(tǒng)設(shè)計方面還存在一大塊空白有待填補。本文從分析傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)的局限性出發(fā)，提出有關(guān)自動化集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)管理和流程的變革，為中國沿海各港口即將建成的自動化集裝箱碼頭的管理提供參考依據(jù)。

一、傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)的局限性

中國沿海各港口基本上采用輪胎吊搭配堆高機（鏟車）的傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有場地利用率高、成本低、設(shè)備操作簡單靈活、對集裝箱的損壞少等優(yōu)點。隨著集裝箱運輸業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)得以持續(xù)優(yōu)化和改進，逐漸形成一套行之有效的管理流程和規(guī)則，加之近年來對數(shù)學(xué)模型和仿真科技的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)的效率優(yōu)勢進一步體現(xiàn)。然而，隨著自動化集裝箱碼頭的興起，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)的局限性逐步凸顯。

1、系統(tǒng)的輸入和輸出無法預(yù)知性

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場系統(tǒng)無法預(yù)知出口集裝箱進場情況，導(dǎo)致隨機進場的出口集裝箱全憑人工經(jīng)驗安排堆場計劃。另外，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場計劃受后續(xù)船舶配積載的制約，難以適應(yīng)船舶配積載要求的變化。例如，開工作業(yè)路數(shù)、出口集裝箱在船上的具體貝位等都無法在安排堆場計劃前預(yù)知。進口集裝箱的情況亦然：雖然在作業(yè)前已知進口船圖等部分信息，但無法在安排進口集裝箱卸船堆場計劃前預(yù)知后續(xù)的中轉(zhuǎn)二程船或客戶提箱等信息。

2、多種制約和沖突并存

傳統(tǒng)的堆場計劃經(jīng)常陷入一種“平衡陷阱”。出口集裝箱堆場過于分散則會牽涉過多機械，造成機械資源浪費；過于集中則造成作業(yè)路間的沖突。最好是能夠根據(jù)船舶實際開路數(shù)來分配出口箱區(qū)，但是上述兩個不確定性而無法預(yù)知船舶開路和積配載情況，只能大致憑經(jīng)驗或者歷史數(shù)據(jù)估計達到一種平衡。在同一箱區(qū)內(nèi)，比如同一港口、噸級基本上集中放置，但是指令的先后次序也將形成箱與箱之間的制約，另一箱區(qū)存在兩條路甚至更多作業(yè)路同樣會形成制約。這種制約主要來自于傳統(tǒng)集裝箱堆場的輪胎吊收發(fā)箱工藝，傳統(tǒng)堆場工藝理想的操作是收、發(fā)箱時都能夠集中在一個箱位上，待一個箱位的所有箱子都收發(fā)完畢再行車到旁邊箱位收、發(fā)。減少輪胎吊收發(fā)箱來回行車而造成的成本浪費和效率降低。理想狀態(tài)往往是無法達到的，沖突和制約無法避免。傳統(tǒng)堆場還面臨著一個問題，雖然目前集裝箱卡車都安裝有無線終端（外集卡通過道口小票信息）可以知曉自己的取箱和收箱位置，但是集裝箱卡車長度大于箱位，當(dāng)不同作業(yè)路或者不同箱位的指令卡車在同一個箱區(qū)相鄰作業(yè)時，往往需要彼此交流協(xié)調(diào)，存在協(xié)調(diào)的“成本”。

總之，指令相互制約，箱區(qū)間、箱箱間制約，進箱與裝船的沖突，提箱與卸船的沖突都將影響傳統(tǒng)集裝箱堆場的作業(yè)。

3、傳統(tǒng)堆場工藝的弊端決定效益和效率的矛盾

由于上述沖突、制約等原因，輪胎吊不可避免要來回行車收、發(fā)箱，并且存在集卡等待成本，普遍翻箱率很高，進口卸船時按照分票堆放或者根據(jù)二程船堆放較難實現(xiàn)。因為如果進口分票的量較大，并且進口無法做到同票同時卸船，那么勢必要多個箱位堆放，輪胎吊就會多次反復(fù)來回行大車，將會嚴重影響進口的效率和成本。有人會認為整個操作過程效率和成本是永恒的，進口卸船慢了，提箱或者二程船轉(zhuǎn)船會快。這種想法其實進入一個誤區(qū)，因為上文提到的輸出的無法預(yù)知，所以進口卸船雖根據(jù)二程船進行分堆，但是由于二程船出口開路和配積載的無法預(yù)知，仍然造成輪胎吊來回行車發(fā)箱的情況。出口更不必說，傳統(tǒng)堆場工藝的弊端決定了效率和效益的矛盾。

4、堆場計劃規(guī)則復(fù)雜以致沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

在長期的實踐中，人們對傳統(tǒng)的堆場計劃制訂了各種規(guī)則。比如分船分港分噸、按位堆放原則、按排堆放原則、重壓輕堆放原則等。這些規(guī)則的應(yīng)用至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)堆場計劃員的經(jīng)驗，加之上述系統(tǒng)兩端的不確定性造成無法判斷堆場計劃的好壞，所以規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)化難以衡量和統(tǒng)一。

二、自動化堆場計劃的變革

自動化堆場國內(nèi)外普遍采取自動化軌道式龍門起重機（ARMG）作業(yè)工藝，每條箱區(qū)采用雙機配置（如下圖所示）。海側(cè)軌道吊通過AGV與岸橋?qū)有纬勺詣踊a頭海側(cè)船舶裝卸系統(tǒng)，陸側(cè)軌道吊直接對接外集卡形成自動化碼頭陸側(cè)作業(yè)系統(tǒng)，中間自動化軌道式龍門起重機作業(yè)的堆場區(qū)域形成了一個全封閉式的作業(yè)區(qū)間。

1、全封閉的自動化軌道式龍門起重機作業(yè)系統(tǒng)的特點

從自動化碼頭的全封閉作業(yè)和雙機配置的特性可以看出其特點如下：

（1）收、取箱點固定。傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場的收、取箱點隨著輪胎吊作業(yè)箱位的不同而變化，由集卡行駛到指令所在箱位取箱。而全封閉的自動化堆場收、取箱點固定在箱區(qū)的兩端。

（2）雙機配置形成“緩沖﹠接力”作業(yè)模式。前后場的集裝箱絕大多數(shù)情況下需要進行“緩沖﹠接力”，比如進口卸船，海側(cè) ARMG 從 AGV 收進的進口箱一般需要陸側(cè)的ARMG接力運輸至靠近陸側(cè)的堆存區(qū)域。因為外集卡提箱作業(yè)是由陸側(cè)ARMG負責(zé)，所以必須由海側(cè)ARMG放置在特定的緩沖區(qū)域，再由陸側(cè)ARMG接力發(fā)給外集卡。

（3）全封閉性雙機作業(yè)的特點。自動化堆場的全封閉性解決了水平運輸機械在箱區(qū)內(nèi)、箱箱間的沖突，雙機緩沖作業(yè)的設(shè)計則避免了收、發(fā)兩種作業(yè)方式?jīng)_突的問題。

2、自動化碼頭堆場特點的改變帶來堆場計劃的變革

收、取箱點的改變使得每一個裝卸箱指令變?yōu)橄嗷オ毩⒌氖录?。傳統(tǒng)集裝箱堆場收、取箱下一個指令受到前一個指令的制約，前一個指令的箱位是下一個指令的開始位置，因為輪胎吊與集卡的交接點隨作業(yè)指令而不斷變化。而自動化集裝箱碼頭收、取箱點固定在箱區(qū)兩端，因此每個指令不受前一個指令的影響成為一個獨立的事件，那么每個指令所用的時間和成本都是恒定的。傳統(tǒng)集裝箱堆場之所以將同類型的集裝箱在箱區(qū)內(nèi)相對集中，主要是為了使相鄰指令盡可能堆放在一起，避免輪胎吊行車而造成成本浪費和效率降低。自動化集裝箱碼頭的每個作業(yè)指令是相互獨立的事件，那么也就無需要遵守傳統(tǒng)裝卸的限制，比如按位堆放、按排堆放，甚至分港分噸都無必要，只要同排同類原則即可。同排同類是為了ARMG 無需翻倒，同類是指同船同航次同噸級。但是傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場計劃普遍采用的噸級概念已顯過時，噸級是為了配積載時能保證船舶穩(wěn)心而對出口集裝箱進行分噸級，比如將 1~10 噸 的集裝箱定為 1 級，10~20 噸 的集裝箱定為 2 級，以此類推，也可以更加細分。這種分級辦法存在嚴重缺陷，例如，9 噸 的集裝箱與 11 噸 的集裝箱本不屬于同一噸級，但實際上一些大型船舶對配積載的要求不高，總質(zhì)量相差 2 噸 以內(nèi)的集裝箱無須分別積載。傳統(tǒng)分噸級原則使得系統(tǒng)無法判斷和合理安排處于噸級邊緣的集裝箱。由于自動化集裝箱碼頭堆場收、取箱點的變化，那么箱與箱之間的聯(lián)系減弱，只需考慮同排內(nèi)集裝箱的關(guān)系。如果按傳統(tǒng)的堆場計劃經(jīng)驗必定會按同排重壓輕堆放原則。突破傳統(tǒng)思維只分港不區(qū)分噸級，引入同排“重量差”的概念。根據(jù)同排內(nèi)重量差安排堆存計劃。同一排內(nèi)重量差不超過n噸，n根據(jù)歷史經(jīng)驗或者船公司配積載需求進行調(diào)整。舉例來說明，假設(shè)歷史經(jīng)驗設(shè)定某船所載同排集裝箱的質(zhì)量差為 2 噸，一排內(nèi)第一個出口箱為 9 噸，第二個箱為 11 噸，那么同排 4 層出口箱形成 2 噸 的噸差，那么該排剩余2 個箱子的重量差必須在 9~11 噸 的范圍內(nèi)任何重量的出口箱。如果第一個出口箱為 9 噸，與其質(zhì)量差小于2 噸 的出口箱可以堆放在其上層；如果第二個箱子 10 噸，則第三層出口集裝箱要么與 9 噸 集裝箱形成大 2 噸 的噸差，要么與 10 噸 集裝箱形成小 2 噸 的噸差。假設(shè)第三層出口箱 8 噸，則第四層只能堆放 8~10 噸 的出口箱。這種同排內(nèi)根據(jù)“噸差”的堆場原則可以確保同排出口箱符合同時配積載的要求。當(dāng)然可以結(jié)合噸級的概念，根據(jù)歷史經(jīng)驗將不同噸級再細分噸差。

雙機配置的緩沖﹠接力模式，可以彌合整個堆場系統(tǒng)的間隙，使整個堆場系統(tǒng)作業(yè)保持連貫性。雙機緩沖﹠接力模式可以提升堆場系統(tǒng)作業(yè)能力。比如陸側(cè)ARMG 空閑可以幫助海側(cè)ARMG 完成翻倒箱等業(yè)務(wù)，還可以在進口卸船或出口裝船時通過接力方式減少海側(cè) ARMG 行車距離，反之亦然。自動化堆場雙機接力沒有必要設(shè)置專門的緩沖點，各個暫時不作業(yè)的箱位和超計劃層高的箱位都可以作為緩沖。原則上以繁忙的ARMG 的下一個指令箱位作為緩沖點，比如海側(cè)ARMG 繁忙，那么它的卸箱緩沖點可以在它發(fā)箱的箱位，如果下一個指令仍舊是收卸船箱，則可以考慮將兩機作業(yè)的平衡點位置作為緩沖點。雙機的配置也為箱區(qū)整理提供了便利，空閑的ARMG 可以利用其進行整理翻倒以保證整個系統(tǒng)的作業(yè)效率。可想而知，雙機相互彌合的配置突破了傳統(tǒng)集裝箱堆場區(qū)分進口、出口、中轉(zhuǎn)等箱區(qū)的規(guī)劃，使整個業(yè)務(wù)流程更加均衡。

由于作業(yè)指令相互獨立性質(zhì)，我們可以精確地預(yù)測每個作業(yè)指令的作業(yè)時間和作業(yè)成本，進而預(yù)測整個作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)時間和成本。同時為更好的自動配積載或計劃的事前優(yōu)劣評估提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。另外，與傳統(tǒng)集卡工藝也存在很大不同，AGV 端由于不受岸橋和場橋兩端效率的影響，因此AGV 的運輸過程可以在系統(tǒng)中忽略不計。只要生成如下作業(yè)列表就可以清楚判斷出作業(yè)計劃的沖突點加以

箱號作業(yè)路指令次序箱位預(yù)計時間預(yù)計成本

預(yù)控，甚至可以再進行事前的優(yōu)化避開沖突，提升效率和效益，也為自動化碼頭整個作業(yè)指揮系統(tǒng)的自動化打下了堅實基礎(chǔ)。只要總體根據(jù)∑m橋吊效率≧∑n場橋效率制定計劃。據(jù)此要求，保證n臺ARMG同時能夠收、發(fā)箱服務(wù)于前沿的m臺橋吊。由于各箱區(qū)的作業(yè)指令相互獨立，那么出口箱的堆放只要滿足在相鄰n個箱區(qū)內(nèi)（原則上為船舶靠泊泊位所對應(yīng)的后場箱區(qū)）根據(jù)各船各港口平均隨機堆放即可。這既是自動化堆場計劃的創(chuàng)新點，自動化碼頭集裝箱堆場計劃完全打破傳統(tǒng)堆場計劃的所有規(guī)則和原則，只要相對泊位的堆場隨機分散同排同類堆放即可。相對泊位是使AGV減少行駛距離，只要滿足作業(yè)船舶所在泊位對應(yīng)的堆場即可，中轉(zhuǎn)貨物可以根據(jù)二程船的箱區(qū)堆放。

傳統(tǒng)集裝箱堆場集中堆放是為了減少輪胎吊行車，由于自動化碼頭集裝箱堆場指令的相對獨立性，所以分散堆放可以多點發(fā)箱。保證一排 4 層的出口箱同類型，然后按照隨機分散原則將一排同類型的出口箱看成一組平均分散在各個相對應(yīng)的箱區(qū)。配積載時通過上文的作業(yè)列表調(diào)整將所有的沖突點避免，再輔以雙機配置的緩沖和接力，完全克服了傳統(tǒng)集裝箱碼頭輸入、輸出不可預(yù)知的弊端。

綜上所述，自動化集裝箱碼頭堆場的固有特點突破了傳統(tǒng)集裝箱堆場的局限性。我們應(yīng)該打破傳統(tǒng)計劃的思維約束，用全新的視角去審視自動化碼頭的堆場計劃，以期自動化碼頭管理系統(tǒng)同步實現(xiàn)智能高效。