全自动集装箱码头集中式锁站动态分配与管理方案

全自动集装箱码头集中式锁站动态分配与管理方案

赵伯超

天津港集装箱码头有限公司 天津市  300459

摘要：在科学技术快速发展的背景下，集装箱码头经营管理者为提升码头作业效率，不断优化业务流程，逐渐提高码头自动化水平。例如，鹿特丹港、釜山港、汉堡港等港口成功实现集装箱码头堆场全自动化作业。集装箱码头作为集装箱运输体系的重要节点和综合枢纽，应加大技术创新力度，发展作业效率及环保能力更优的自动化码头，寻求优化设备布局及管理策略，提高港口作业效率。基于此，本文主要对全自动集装箱码头集中式锁站动态分配与管理方案进行分析探讨。

关键词：全自动集装箱码头；集中式锁站；动态分配；管理方案

1、前言

现有文献对自动化集装箱码头的研究主要集中在码头总体布局及水平运输设备的调度上，缺少对自动化码头锁站分配及管理方法的研究。因此，本文在分析解挂锁流程及工艺特点的基础上，提出一种集中式锁站动态布置方法，考虑前后缓冲区的设置，介绍缓冲区管理策略及锁站动态分配策略。

2、地面锁站布置方法

集装箱解挂锁是确保集装箱能够被安全运输至目的地的重要环节，锁站是集装箱解挂锁作业的主要设备。在解锁作业中，岸桥将进口集装箱放置于ＡＲＴ（ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＲｏｂｏｔｏｆＴｒａｎｓ⁃ｐｏｒｔａｔｉｏｎ，智能运输机器人）上，ＡＲＴ载箱前往锁站进行解锁作业，解锁完成后进入堆场区域；在挂锁作业中，场桥将出口集装箱放置于ＡＲＴ上，ＡＲＴ载箱前往锁站进行挂锁作业，挂锁完成后进入岸桥区域。在此作业流程中，锁站布置形式是影响解挂锁作业效率的重要因素。

２．１传统布置方法

传统人工锁站布置方法是将锁站布置在岸桥作业区车道上，锁站均匀分布在岸桥作业区域。在该策略下，锁站位于岸桥作业区域，人员与岸桥及拖车交叉作业，安全风险高。升级版上一代全自动化集装箱码头采用双小车岸桥平台解锁，成功解决了效率及人员安全问题，但同时带来了能耗高、投资大的新问题。

２．２锁站动态布置方法

为解决采用单小车岸桥的新一代全自动化集装箱码头地面解锁问题，提出一种新型锁站布置方法。该方法将锁站集中布置在岸桥与堆场之间的车道上，不再占用岸桥作业区的车道，可实现锁站人工作业区与自动作业区的空间隔离。地面锁站系统布置见图1，主要包括地面锁站、前置缓冲区、后置缓冲区。锁站位于舱盖区陆侧方向，与舱盖摆放区之间有１条３．５ｍ长的通道，用于操作员和叉车穿行。２座锁站之间规定间隔５５ｍ，锁站长度为２０ｍ，船头及船尾与首尾锁站之间的间隔为３５ｍ。

图 1 锁站动态布置方式

３、缓冲区管理策略

结合锁站动态布置方法，制定缓冲区管理策略（见图５），解锁站缓冲区分为进锁站前的缓冲区（简称前缓冲区）和出锁站后的缓冲区（简称后缓冲区）。前缓冲区用于在进锁站之前调整装船时序或等待空闲锁站，此时还未进行解挂锁，ＡＲＴ等待进入锁站作业；后缓冲区用于在锁站后调整装船次序及卸船时的临时停车位，卸船时空车在此等待进入岸桥区作业，装船时已经完成解挂锁，等待进入岸桥区作业。

基于上述缓冲区功能介绍，完成前后缓冲区布置，锁站的前缓冲区位于沿船头方向的上一个锁站陆域侧，第一个锁站的前缓冲区位于ＡＲＴ掉头前的区域；锁站的后缓冲区位于沿船尾方向第一个或第二个锁站陆域侧，最后一个锁站的后缓冲区位于垂直岸线的舱盖摆放区平行位置，位于ＡＲＴ驶往岸桥的道路上。在该布局方案中，若作业船舶较大，导致ＡＲＴ在后缓冲区等待时间过长，则灵活调整ＡＲＴ进入岸桥作业区的顺序，缩短总ＡＲＴ等待时间。

上述缓冲区布置形式需配合卸船作业及多种装船作业模式，在满足作业次序的前提下，可为ＡＲＴ合理分配前缓冲区位、锁站作业位及后缓冲区位，保障码头前沿交通顺畅性，提高锁站利用率。

４、锁站分配策略

在解挂锁作业流程中，需要为ＡＲＴ分配前缓冲区、锁站及后缓冲区，ＡＲＴ根据分配结果前往目标锁站进行解挂锁作业，锁站分配策略对集装箱码头解锁区域作业效率及码头整体作业效率具有重要意义。

４．１传统分配策略

目前人工集装箱码头由于人工调度及时性和稳定性不足，采用的固定锁站策略，在自动化码头应用会造成锁站数量增加布置不开、锁站利用率低、人员闲置、作业不均匀及道路拥堵等问题，严重影响作业效率和交通组织。

４．２锁站动态分配策略

针对传统锁站分配策略下锁站利用率及缓冲区排队长度不均衡等问题，提出一种考虑前后缓冲区的地面锁站动态分配策略。该锁站分配策略主要包括装船挂锁作业动态分配策略和卸船解锁作业动态分配策略。

（１）装船挂锁作业动态分配策略

在装船挂锁作业过程中，ＡＲＴ从堆场取箱后前往锁站作业区域，根据锁站分配策略确定目标前缓冲区及锁站。在此过程中，锁站分配策略见图2，该策略考虑前缓冲区的排队长度，优先分配离岸桥更近的最右侧锁站，同时预估ＡＲＴ到达锁站的行驶时间及在前缓冲区的等待时间之和，将时间总和最短的锁站分配给ＡＲＴ，ＡＲＴ进入该锁站前缓冲区等待锁站空闲。１条船多个锁站协同作业时，通过水平运输系统统一调度，在接近锁站区域动态分配锁站，取得全局最优解，提高锁站利用效率，实现调序及锁站平衡使用，为整体生产效率提供保障。

图2装船锁站分配策略

（２）卸船解锁作业动态分配策略

在卸船解锁作业过程中，岸桥将集装箱放置在ＡＲＴ上，ＡＲＴ载箱前往锁站作业区域，根据锁站分配策略确定目标前缓冲区及锁站。在此过程中，锁站分配策略见图3，该策略考虑目标堆场位置，优先选择前缓冲区队列最短、距离最近且剩余作业时间最短的锁站分配给ＡＲＴ。同时空车上岸桥卸船作业时，还可以利用后缓冲区调节上档车辆数量，防止岸桥作业区拥堵。

图3卸船锁站分配策略

４．３　锁站安全策略

虽然锁站区域被定义为人工区域，但是存在ＡＲＴ进出锁站与人工作业区交叉安全隐患。为确保人员安全，首先在锁站固定安全区域（锁岛操作室）加装安全联锁装置，保证只有人员处于安全区域时，ＡＲＴ才能进出锁站，一旦人员离开安全区域ＡＲＴ就会急停，保护人员安全。另外，在ＡＲＴ上设置状态指示灯，让人员方便观察到ＡＲＴ状态，在完成锁车后才进行作业，解锁车辆需要全部人员确认。目前同步开展自动解锁研究，期待以后采用完全无人自动机械手替代人工。

５、结语

自动化码头集中式锁站动态分配及管理方法集锁站布置形式、缓冲区管理策略、锁站动态分配策略于一体，其优点主要体现在３个方面：

（１）集中式锁站布置方式通过锁站与岸桥作业区的空间隔离，缓解岸桥与锁站作业区域的拥堵情况。同时，根据船舶尺寸计算锁站数量，提高了锁站利用率，可适应船舶大型化发展趋势。

（２）三级缓冲区管理策略控制缓冲区布局及各缓冲区功能，实现集装箱装船次序的调整，满足岸桥连续作业需求。

（３）锁站动态分配策略考虑包括锁站距离、前缓冲区队列长度、ＡＲＴ行驶时间、锁站剩余作业时间在内的多方面因素，根据缓冲区与锁站当前作业情况完成动态分配，保证各设备负载的均衡性，提高锁站利用率，避免局部拥堵情况。由于该方案调度策略复杂，需要自动化系统协同调度，仅能应用于有对应智能水平运输系统的全自动集装箱码头，人工调度码头难以采用。

参考文献

［１］周鹏飞，邢小伟．一种新型自动化集装箱码头工艺布局仿真［Ｊ］．大连理工大学学报，２０１８，５８（４）：３６３⁃３７０．

［２］刘志雄，董宇，张春君．件杂货码头堆场布局优化研究［Ｊ］．系统仿真学报，２０２１，３３（６）：１４３６⁃１４４３．