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两种类型的自动化集装箱码头系统的比较研究

摘要 本文介绍了一种新型的自动化集装箱码头系统，它在码头和堆场之间采用高架桥和轨道车对集装箱进行运输。本文就这个新的设计概念进行了探索性的研究的以验证，其被应用在转运中心的挑战和机遇。我们在运输效率和堆放能力方面，对新系统和广泛使用的AGV系统进行了比较。提出了几种定量比较这两种自动化集装箱码头系统的分析模型和性能的措施。

对于从业人员—对于港口运营商，自动化集装箱码头（ACT）是一个热门的话题。工业从业人员已经提出了各种可供选择的设计。在中国，我们看到了一个新的设计：使用高架桥和轨道车在码头前沿和堆场间运输集装箱。在这个设计中，首先集装箱通过普通的岸桥从船舶运输到安装在起重机上的空中调运车上；然后，采用一种可以将集装箱起升和旋转90度的新的机器，将集装箱从高架桥轨道车移动到在地面上的地面调运车（GT）。使用GT，集装箱被运输到堆场存储位置附近的堆场起重机。本研究探讨了这一新举措的设计理念，这能够帮助有兴趣建设新的自动化集装箱码头的港口运营商，更好的了解这种新的设计的相关优点，并决定这项新技术在他们的码头上是否适用。

一 引言

全球集装箱运输的增长促成了港口的显著投资和发展。直到最近的经济危机，它见证了港口的吞吐量下跌了创纪录的数字。现在人们已经有广泛的共识，人们对港口装卸能力不断增长的需求将超过港口基础设施的发展的步伐。此外，当经济危机结束，复苏开始，港口的处理能力将可能再次。因此自动化集装箱码头（ACT）作为一个提高效率，降低成本，提高容量的方法在港口运营商中很受欢迎。

自动化集装箱码头有数种不同的设计，其中许多设计与自动导引车（AGV）、自动堆垛机（ASC），和自动跨运车相结合。一些设计已经显示出相比于传统的码头的绩效的提升。鹿特丹的欧洲集装箱码头（ECT）便是一个很好的AGV-ASC组合的例子。此外，布里斯班港应用了基于跨运车的设计。然而，ACT利用AGV、ASC可能需要大量的初始投资和维护成本，从而降低其对港口运营商的吸引力。由于AGV相对较低的速度，AGV-ASC的组合不是总能跟有效率的运行。在另一方面，基于跨运车的ACT将有一个较低的空间利用率，使其在更大，更忙的集装箱码头缺少适用性。现有ACT设计法的缺点，促使更便宜和更高效的集装箱码头设计的发展。在一个新出现的概念中，被普遍使用的AGV被废弃，并提出了利用高架桥的新的解决方案。这种新的设计概念在本文中被称为基于高架桥的自动化集装箱码头（FB-ACT）。

本文介绍了这种新型的ACT系统，即FB-ACT，并对其在转运中心的应用的机遇和挑战进行了探索性研究。我们比较了FB-ACT和基于AGV的系统的运输效率和堆垛能力。利用理论分析和仿真研究对这两种行为系统进行定量比较。

本文的结构如下。第二节介绍FB-ACT系统。第三节对FB-ACT和AGV系统比较研究。此外，第四节则是仿真研究研究，最终在第五节得出结论。

二 FB-ACT：基于高架桥的自动化集装箱码头系统

顾名思义，FB-ACT是一个基于高架桥和铁轨的新系统，轨道车在码头前沿和堆场之间运输集装箱。图1为一FB-ACT的插图（不按比例）。

如图1所示，FB-ACT的运输工具分为两种类型的轨道车：地面调运车（GT）运行在垂直于轨道的方向，高架桥轨道小车(FT)在两层桥架上沿水平方向运行。这两种类型的小车之间用转运平台（TP）进行连接，即一种桥吊机，其可以在高架桥的最高层的轨道上缓慢移动。

图1 高架桥式自动化集装箱码头的配置

图2 FB-ACT系统的一些可能的扩展。 （a）三层高架桥。 （b）箱区内的两层店面轨道

在运行过程中，TP停留在地面轨道和高架桥的交叉点。他们不是固定的，可以在高架桥上缓缓移动。TP的主要功能是在集装箱多层高架桥的地面轨道和铁轨之间提升（或放下）集装箱；在此过程中，集装箱被TP旋转90度。堆场采用垂直式布局，并且每个储存箱区都伴随着GT的地面轨道。在卸载操作中，集装箱从岸桥（QC）放到高架桥轨道小车上，然后沿着导轨水平运输。在TP上，集装箱转动90度并从FT放下到GT上。GT再沿着垂直轨道将集装箱运送到的计划的堆放位置。装卸作业则以相反的顺序进行。

图1展示了一个FB-ACT系统的例子。在实际实施中，它可以在某些方面进行扩展。例如，高架桥可以多于两层构成（如图2所示）。GT的地面轨道也可以具有多层结构。以这种方式，FB-ACT的处理能力和的效率可明显增加，并能完全发挥其潜力。

这个有趣的新设计方案与其他主流ACT设计有一些根本性的区别。第一个区别是，它摒弃了地面运输车辆（AGV），并采用轨道车（平车），从而降低了初始投资，AGV系统通常是相当昂贵的。此外，轨道车还保证了比AGV更高的速度。另一个优点是减少了了过多的堆场起重机（YC）。在此设计中，GT能够运输（或拾取）集装箱准确进入箱区，减少了YC的缓慢移动。这些变化可以增加堆场区的效率。另外，FB-ACT的一些优点如下：

（1）环保：它是由电力而不是由柴油发动机提供动力，成本较低并且对环境无害；

（2）高效：轨道车只在他们的专用铁轨直线运行，因此他们运行速度快，每辆小车可携带2个40英尺并排放置的集装箱；

（3）简单的控制：没有必要使用驱动器，导航设备，也没有复杂的控制系统；

（4）低投资：它的成本会比其他一些常用的ACT系统低。

目前，FB-ACT还没有在港口被建造和使用；但ZPMC（上海振华港口机械股份有限公司）在2008年已建设了一个相当于上海一个岛的真实大小的原型系统。据cargosystems.net的消息，这种新的ACT系统将建在曹妃甸港（中国在建规模最大的基础设施项目）的东侧。此外，SSA海运似乎将在两年内成为在长堤安装此项目的国内首家港口运营商。

FB-ACT给港口运营商带来了一系列的挑战和机遇。这个新的ACT设计需要重新考虑很多新的运行规划。现有的研究主要集中在传统的或基于AGV港口的分析。例如，Hoshino等。提出了在水平和垂直方向来评估AGV-ACT的方法；Liu利用仿真方法来比较四种类型的ACT，AGV系统，线性输送系统，网格轨道系统，自动化存储和检索系统。一些分析模型为了设计和研究AGV系统及其性能发展了起来。对于传统的码头，Kim等人最近提出的一些用于布局设计的优化的分析方法。据我们所知，目前很少有学者研究这一新的ACT系统。本文对这一新主题进行探索性研究，并通过与其他广泛使用的系统，即基于AGV-ACT进行比较研究，评估FB-ACT的性能。

自动导引车（AGV）为基础的ACT，主要利用的AGV实现一个堆场内的运输作业。这些AGV就像是FB-ACT中的高架桥轨道小车（FT）。AGV比FT更自主，所以AGV-ACT更像是一个多智能系统。此外，AGV需要在他们的运输区域内转弯，因此它们的轨道可能会比FB-ACT

中的FT占用更大的土地面积。AVG-ACT有两种类型，即根据箱区在堆场里的布局分为纵向系统和横向系统。图3为AGV-ACT的一个横向系统的例子，亦为现实中的主流。下一节将对具有全新的设计理念的FB-ACT和广泛使用的AGV-ACT之间进行比较。

图3 两种ACT的堆垛能力的比较（不按比例）

三 FB-ACT和AVG-ACT之间的比较

总装卸率（GCR）是码头的一个重要性能指标。GCR是通过所有集装箱被处理的时间来划分的。另一项与GCR息息相关的重要指标是船舶平均周转时间。FB-ACT和AGV-ACT是两个堆场运输系统。它们之间的公平比较的重点应放在堆场上，例如，堆场内的运输效率，堆场堆垛的能力。以下两节将对这两个方面进行比较。

在比较研究之前，我们列出了在下述研究一些常用的参数表示法。

本研究的假设如下。

（1）假设终端在满载条件下运行，这意味着所有的箱区和泊位总是在执行装载/装卸作业。这些起吊和运输的地点沿码头水平方向和垂直方向均匀分布。假设所有的装载/卸载作业在所有的场区中平均分配。通常在集装箱码头进行分析研究我们均这样假设。

（2）在这两个系统的设备，例如QC和YC，为了进行公平的比较，我们假设这两种ACT的QC，YC的类型和处理能力相同

（3)这两种ACT之间的区别主要在于运输工具的不同。在本次比较研究中，我们将集中考虑特别的部分，但对相同的部分进行简化。对于QC和YC的处理时间，我们用h_QC来表示这两种ACT的平均处理时间，并用h_YC,来表示YC在FB-ACT，AGV-ACT的平均处理时间。在对AGV-ACT或常规码头的分析中，使用QCS和YCS的平均处理时间作为参数是很常见的。

（4）我们不考虑YCS和外部卡车对运输集装箱的相互作用。

（5）港口进行装载或卸载操作需要一段很长的时间，它不能频繁改变工作模式。

A 堆垛能力方面的比较

为了对堆垛能力进行公平的比较，我们假设这两种ACT都具有相同的水平长度和垂直长度，分别用B和D表示。如图3所示，堆垛能力取决于：1）由适宜的YC决定的箱区的宽度。2）高架桥区域宽度（F）或AGV轨道区域宽度（Q）所影响的箱区长度，对于FB-ACT来说，小车的设计最大容量为双40英尺集装箱，从而高架桥每行的宽度为大约5米。由于QC的背距离（双40英尺双小车）是约25m，高架桥的排数（R）最多为五。在这里，我们设置的F=30m，包括高架桥和箱区之间的一些间隙。对于AGV-ATC，Q大约为110米。

假设跨度（箱）和YC的堆垛高度分别由X_YC,H_YC表示。这两种ACT的堆垛能力（TEU）计算如下：A^AGV=·X_YC··H_YC A^FB=·（X_YC-2）··H_YC

上述公式即为：箱区数量*宽度*长度*箱区高度

对于FB-ACT，小车的（地面轨道）的宽度为2个箱位，所以上式有“X_YC-2”

这里ɯ_YC是YC的宽度，B/ɯ_YC是箱区的数量，L_TEUasymp;6m即为TEU的数量。堆垛能力的比较可以通过下列的比率反映。

=asymp;

上式表明若Dlt;F X_YC·（Q-F）/2，则A^FBgt; A^AGV,例如：若采用六排跨度的RTG，当马投资的垂直方向长度少于270m，则FB-ACT的表现优于AGV-ACT

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