自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)指南事件

本文系“港口圈”杯論文大賽三等獎(jiǎng)作品

作者單位丨上港集團(tuán)九江港務(wù)有限公司

近年來(lái)，中國(guó)多個(gè)沿海港口正規(guī)劃建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭。爭(zhēng)先搶占國(guó)內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)和管理的制高點(diǎn)。在借鑒西方發(fā)達(dá)國(guó)家港口自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)碼頭的自動(dòng)化規(guī)劃和建設(shè)、設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型等方面取得了卓有成效的成果。但在自動(dòng)化碼頭業(yè)務(wù)管理和流程，尤其是堆場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面還存在一大塊空白有待填補(bǔ)。本文從分析傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的局限性出發(fā)，提出有關(guān)自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)管理和流程的變革，為中國(guó)沿海各港口即將建成的自動(dòng)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(chǎng)系統(tǒng)的局限性

中國(guó)沿海各港口基本上采用輪胎吊搭配堆高機(jī)（鏟車）的傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有場(chǎng)地利用率高、成本低、設(shè)備操作簡(jiǎn)單靈活、對(duì)集裝箱的損壞少等優(yōu)點(diǎn)。隨著集裝箱運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)得以持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，逐漸形成一套行之有效的管理流程和規(guī)則，加之近年來(lái)對(duì)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(chǎng)系統(tǒng)的效率優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)。然而，隨著自動(dòng)化集裝箱碼頭的興起，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的局限性逐步凸顯。

1、系統(tǒng)的輸入和輸出無(wú)法預(yù)知性

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)無(wú)法預(yù)知出口集裝箱進(jìn)場(chǎng)情況，導(dǎo)致隨機(jī)進(jìn)場(chǎng)的出口集裝箱全憑人工經(jīng)驗(yàn)安排堆場(chǎng)計(jì)劃。另外，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)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(wú)法在安排堆場(chǎng)計(jì)劃前預(yù)知。進(jìn)口集裝箱的情況亦然：雖然在作業(yè)前已知進(jìn)口船圖等部分信息，但無(wú)法在安排進(jìn)口集裝箱卸船堆場(chǎng)計(jì)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(chǎng)計(jì)劃經(jīng)常陷入一種“平衡陷阱”。出口集裝箱堆場(chǎng)過(guò)于分散則會(huì)牽涉過(guò)多機(jī)械，造成機(jī)械資源浪費(fèi)；過(guò)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(shí)際開路數(shù)來(lái)分配出口箱區(qū)，但是上述兩個(gè)不確定性而無(wú)法預(yù)知船舶開路和積配載情況，只能大致憑經(jīng)驗(yàn)或者歷史數(shù)據(jù)估計(jì)達(dá)到一種平衡。在同一箱區(qū)內(nèi)，比如同一港口、噸級(jí)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(huì)形成制約。這種制約主要來(lái)自于傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)的輪胎吊收發(fā)箱工藝，傳統(tǒng)堆場(chǎng)工藝?yán)硐氲牟僮魇鞘?、發(fā)箱時(shí)都能夠集中在一個(gè)箱位上，待一個(gè)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(lái)回行車而造成的成本浪費(fèi)和效率降低。理想狀態(tài)往往是無(wú)法達(dá)到的，沖突和制約無(wú)法避免。傳統(tǒng)堆場(chǎng)還面臨著一個(gè)問(wèn)題，雖然目前集裝箱卡車都安裝有無(wú)線終端（外集卡通過(guò)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(zhǎng)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(gè)箱區(qū)相鄰作業(yè)時(shí)，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(jìn)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(chǎng)的作業(yè)。

3、傳統(tǒng)堆場(chǎng)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(lái)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(jìn)口卸船時(shí)按照分票堆放或者根據(jù)二程船堆放較難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿绻M(jìn)口分票的量較大，并且進(jìn)口無(wú)法做到同票同時(shí)卸船，那么勢(shì)必要多個(gè)箱位堆放，輪胎吊就會(huì)多次反復(fù)來(lái)回行大車，將會(huì)嚴(yán)重影響進(jìn)口的效率和成本。有人會(huì)認(rèn)為整個(gè)操作過(guò)程效率和成本是永恒的，進(jìn)口卸船慢了，提箱或者二程船轉(zhuǎn)船會(huì)快。這種想法其實(shí)進(jìn)入一個(gè)誤區(qū)，因?yàn)樯衔奶岬降妮敵龅臒o(wú)法預(yù)知，所以進(jìn)口卸船雖根據(jù)二程船進(jìn)行分堆，但是由于二程船出口開路和配積載的無(wú)法預(yù)知，仍然造成輪胎吊來(lái)回行車發(fā)箱的情況。出口更不必說(shuō)，傳統(tǒng)堆場(chǎng)工藝的弊端決定了效率和效益的矛盾。

4、堆場(chǎng)計(jì)劃規(guī)則復(fù)雜以致沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，人們對(duì)傳統(tǒng)的堆場(chǎng)計(jì)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(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)堆場(chǎng)計(jì)劃員的經(jīng)驗(yàn)，加之上述系統(tǒng)兩端的不確定性造成無(wú)法判斷堆場(chǎng)計(jì)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(dòng)化堆場(chǎng)計(jì)劃的變革

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

1、全封閉的自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)作業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

從自動(dòng)化碼頭的全封閉作業(yè)和雙機(jī)配置的特性可以看出其特點(diǎn)如下：

（1）收、取箱點(diǎn)固定。傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)的收、取箱點(diǎn)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(dòng)化堆場(chǎng)收、取箱點(diǎn)固定在箱區(qū)的兩端。

（2）雙機(jī)配置形成“緩沖﹠接力”作業(yè)模式。前后場(chǎng)的集裝箱絕大多數(shù)情況下需要進(jìn)行“緩沖﹠接力”，比如進(jìn)口卸船，海側(cè) ARMG 從 AGV 收進(jìn)的進(jìn)口箱一般需要陸側(cè)的ARMG接力運(yùn)輸至靠近陸側(cè)的堆存區(qū)域。因?yàn)橥饧ㄌ嵯渥鳂I(yè)是由陸側(cè)ARMG負(fù)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(jī)作業(yè)的特點(diǎn)。自動(dòng)化堆場(chǎng)的全封閉性解決了水平運(yùn)輸機(jī)械在箱區(qū)內(nèi)、箱箱間的沖突，雙機(jī)緩沖作業(yè)的設(shè)計(jì)則避免了收、發(fā)兩種作業(yè)方式?jīng)_突的問(wèn)題。

2、自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)特點(diǎn)的改變帶來(lái)堆場(chǎng)計(jì)劃的變革

收、取箱點(diǎn)的改變使得每一個(gè)裝卸箱指令變?yōu)橄嗷オ?dú)立的事件。傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)收、取箱下一個(gè)指令受到前一個(gè)指令的制約，前一個(gè)指令的箱位是下一個(gè)指令的開始位置，因?yàn)檩喬サ跖c集卡的交接點(diǎn)隨作業(yè)指令而不斷變化。而自動(dòng)化集裝箱碼頭收、取箱點(diǎn)固定在箱區(qū)兩端，因此每個(gè)指令不受前一個(gè)指令的影響成為一個(gè)獨(dú)立的事件，那么每個(gè)指令所用的時(shí)間和成本都是恒定的。傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)之所以將同類型的集裝箱在箱區(qū)內(nèi)相對(duì)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(fèi)和效率降低。自動(dòng)化集裝箱碼頭的每個(gè)作業(yè)指令是相互獨(dú)立的事件，那么也就無(wú)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(wú)必要，只要同排同類原則即可。同排同類是為了ARMG 無(wú)需翻倒，同類是指同船同航次同噸級(jí)。但是傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)計(jì)劃普遍采用的噸級(jí)概念已顯過(guò)時(shí)，噸級(jí)是為了配積載時(shí)能保證船舶穩(wěn)心而對(duì)出口集裝箱進(jìn)行分噸級(jí)，比如將 1~10 噸 的集裝箱定為 1 級(jí)，10~20 噸 的集裝箱定為 2 級(jí)，以此類推，也可以更加細(xì)分。這種分級(jí)辦法存在嚴(yán)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(jí)，但實(shí)際上一些大型船舶對(duì)配積載的要求不高，總質(zhì)量相差 2 噸 以內(nèi)的集裝箱無(wú)須分別積載。傳統(tǒng)分噸級(jí)原則使得系統(tǒng)無(wú)法判斷和合理安排處于噸級(jí)邊緣的集裝箱。由于自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)收、取箱點(diǎn)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(chǎng)計(jì)劃經(jīng)驗(yàn)必定會(huì)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(jí)，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(jì)劃。同一排內(nèi)重量差不超過(guò)n噸，n根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)或者船公司配積載需求進(jìn)行調(diào)整。舉例來(lái)說(shuō)明，假設(shè)歷史經(jīng)驗(yàn)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(gè)出口箱為 9 噸，第二個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(chǎng)原則可以確保同排出口箱符合同時(shí)配積載的要求。當(dāng)然可以結(jié)合噸級(jí)的概念，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)將不同噸級(jí)再細(xì)分噸差。

雙機(jī)配置的緩沖﹠接力模式，可以彌合整個(gè)堆場(chǎng)系統(tǒng)的間隙，使整個(gè)堆場(chǎng)系統(tǒng)作業(yè)保持連貫性。雙機(jī)緩沖﹠接力模式可以提升堆場(chǎng)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(jìn)口卸船或出口裝船時(shí)通過(guò)接力方式減少海側(cè) ARMG 行車距離，反之亦然。自動(dòng)化堆場(chǎng)雙機(jī)接力沒(méi)有必要設(shè)置專門的緩沖點(diǎn)，各個(gè)暫時(shí)不作業(yè)的箱位和超計(jì)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(gè)指令箱位作為緩沖點(diǎn)，比如海側(cè)ARMG 繁忙，那么它的卸箱緩沖點(diǎn)可以在它發(fā)箱的箱位，如果下一個(gè)指令仍舊是收卸船箱，則可以考慮將兩機(jī)作業(yè)的平衡點(diǎn)位置作為緩沖點(diǎn)。雙機(jī)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(jìn)行整理翻倒以保證整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)效率?？上攵p機(jī)相互彌合的配置突破了傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)區(qū)分進(jìn)口、出口、中轉(zhuǎn)等箱區(qū)的規(guī)劃，使整個(gè)業(yè)務(wù)流程更加均衡。

由于作業(yè)指令相互獨(dú)立性質(zhì)，我們可以精確地預(yù)測(cè)每個(gè)作業(yè)指令的作業(yè)時(shí)間和作業(yè)成本，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)時(shí)間和成本。同時(shí)為更好的自動(dòng)配積載或計(jì)劃的事前優(yōu)劣評(píng)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(chǎng)橋兩端效率的影響，因此AGV 的運(yùn)輸過(guò)程可以在系統(tǒng)中忽略不計(jì)。只要生成如下作業(yè)列表就可以清楚判斷出作業(yè)計(jì)劃的沖突點(diǎn)加以

箱號(hào)作業(yè)路指令次序箱位預(yù)計(jì)時(shí)間預(yù)計(jì)成本

預(yù)控，甚至可以再進(jìn)行事前的優(yōu)化避開沖突，提升效率和效益，也為自動(dòng)化碼頭整個(gè)作業(yè)指揮系統(tǒng)的自動(dòng)化打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。只要總體根據(jù)∑m橋吊效率≧∑n場(chǎng)橋效率制定計(jì)劃。據(jù)此要求，保證n臺(tái)ARMG同時(shí)能夠收、發(fā)箱服務(wù)于前沿的m臺(tái)橋吊。由于各箱區(qū)的作業(yè)指令相互獨(dú)立，那么出口箱的堆放只要滿足在相鄰n個(gè)箱區(qū)內(nèi)（原則上為船舶靠泊泊位所對(duì)應(yīng)的后場(chǎng)箱區(qū)）根據(jù)各船各港口平均隨機(jī)堆放即可。這既是自動(dòng)化堆場(chǎng)計(jì)劃的創(chuàng)新點(diǎn)，自動(dòng)化碼頭集裝箱堆場(chǎng)計(jì)劃完全打破傳統(tǒng)堆場(chǎng)計(jì)劃的所有規(guī)則和原則，只要相對(duì)泊位的堆場(chǎng)隨機(jī)分散同排同類堆放即可。相對(duì)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(duì)應(yīng)的堆場(chǎng)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(chǎng)集中堆放是為了減少輪胎吊行車，由于自動(dòng)化碼頭集裝箱堆場(chǎng)指令的相對(duì)獨(dú)立性，所以分散堆放可以多點(diǎn)發(fā)箱。保證一排 4 層的出口箱同類型，然后按照隨機(jī)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(gè)相對(duì)應(yīng)的箱區(qū)。配積載時(shí)通過(guò)上文的作業(yè)列表調(diào)整將所有的沖突點(diǎn)避免，再輔以雙機(jī)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(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)的固有特點(diǎn)突破了傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)的局限性。我們應(yīng)該打破傳統(tǒng)計(jì)劃的思維約束，用全新的視角去審視自動(dòng)化碼頭的堆場(chǎng)計(jì)劃，以期自動(dòng)化碼頭管理系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)智能高效。