CN103723532B - 多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***及其装卸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层框架式集装箱自动化码头堆场***及其装卸方法。采用框架桥水平运输***，岸边采用高低架桥配合的形式，堆场内部也同样设有若干层的轨道框架，堆场平板小车可以在这些层上随意互不干扰穿梭于岸边和堆场。利用完全由电驱动的电动平板小车和多层框架式轨道桥的配合方案，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆场场桥间的快捷立体传送，便于实现智能化调度、自动化控制，提高集装箱传送效率。该堆场装卸***的使用使得高速穿梭的堆场平板小车减少了场桥大车的移动距离，大大提高了堆场内的装卸船、提箱集港的作业效率。该堆场装卸***可极大地减少码头箱区的占地面积、减少码头造价。

Description

多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***及其装卸方法

[技术领域]

本发明涉及集装箱码头的集装箱装卸技术，具体是一种多层框架式集装箱自动化码头堆场***及其装卸方法。

[背景技术]

随着世界集装箱海运量的大幅增长和集装箱船舶的大型化趋势，如何有效地提高码头装卸船效率、降低营运成本已成为业内人员关注的重点^[1]。在这种形势下，自动化集装箱码头也得到了港口设计规划人员们的肯定，对自动化码头的装卸工艺的研究也受到了国内外很多专家学者的关注，如朱明华等^[2]详细分析了由双40英尺集装箱岸桥、低架桥分配***和轨道式集装箱起重机构成的一种自动化集装箱码头新型装卸工艺，分析了在该新型工艺***下岸桥和低架桥的装卸作业特性，并计算了该工艺方案关键设备的作业效率。最后利用***明其有效性。史飞^[3]分析了全球主要港口所应用的先进装卸设备。针对上海振华重工自主研发的高效经济型自动化集装箱码头，基于自动导引小车和基于自动搬运车的自动化集装箱码头的装卸工艺进行仿真分析。史飞，张新艳等^[4]针对港口未来期望的作业量，计算出自动化集装箱码头内部各装卸设备数量，并确定码头的总体布局，在此说明书高型轨道吊和矮型轨道吊接力式的集装箱自动化码头的装卸工艺。赵彦虎^[6]阐述了新型集装箱岸桥的结构、特点、工作过程以及集装箱堆场自动化堆存若干关键技术问题。提出了一种基于自动化仓储技术的新型自动化集装箱装卸工艺。LuZhen等^[7]对两种采用不同水平运输设备的自动化集装箱码头进行了对比分析，建立对比指标，最后通过仿真验证两种方案各自的优势和不足。HyoYoungBae^[8]对基于自动导引小车和基于自动搬运车的水平运输***进行对比分析，通过调整机械的设备，对两种运输***的作业率进行了对比，得出当使用双小车岸边集装箱起重机时，自动搬运车的作业效率要远高于自动导引小车。温智民等^[9]以最小化船舶靠岸后装卸作业的总时间和最大化各种设备的操作效率为目标，利用仿真优化方法搜索优化调度方案，建立了自动化集装箱码头中间运输***的仿真优化模型。并且通过仿真计算表明能够非枚举地从所有可能的动态调度方案中搜到最佳方案。邱惠清等^[10]介绍了振华港机新提出的低架桥电动小车立体水平运输***和堆场轨道式龙门起重机方案，将该方案在码头利用率、自动化与智能化程度、泊位设备、能耗与环保等主要技术性能方面与常规码头和已有的自动化码头进行比较分析，得出了该方案更实际、高效的结论，从而更易得到推广和应用。郑见粹等^[11]介绍了自动化集装箱码头装卸工艺***的发展、工作过程及应用情况，对基于自动导引小车和框架桥的两种自动化集装箱码头装卸工艺***方案的技术特点进行了全面的分析比较。梁燕等^[12]介绍了一种节能环保的立体轨道式自动化集装箱码头，对其水平运输能耗进行了分析，并与现***头的水平运输能耗进行了对比。分析结果表明，立体轨道式自动化集装箱码头在节能减排方面具有明显优势，该环保型自动化码头是港口发展的必然趋势。魏恒州^[13]认为采用节能减排技术、新型高效的岸边装卸桥和堆场水平运输机械设备，建设自动化集装箱堆场和全自动化的集装箱码头已成为今后海港集装箱码头发展的方向。根据新时期我国海港集装箱码头发展的特点，提出集装箱码头和堆场装卸工艺模式创新的设想，并建议创造条件尽快建设我国第1座全自动化集装箱码头。魏丹^[14]将立体自动化仓储技术应用于港口集装箱堆场，并对自动化集装箱仓库的设计和仿真中一些关键技术进行研究，在建立了仿真模型后，通过Flexsim仿真软件对模型进行了数据分析，将其与传统的集装箱堆场进行比较分析各自的优缺点。LuZhen等^[15]对两种采用不同水平运输设备的自动化集装箱码头进行了对比分析，建立了水平运输***的评价指标，最后通过仿真验证两种方案各自的优势和不足。HyoYoungBae^[16]对基于自动导引小车和基于自动搬运车的水平运输***进行对比分析，通过调整机械的设备，对两种运输***的作业率进行了对比，得出当使用双小车岸边集装箱起重机时，自动搬运车的作业效率要远高于自动导引小车。Chin-I.Liu等^[17]设计，分析和评估四种不同的自动化集装箱码头的概念，这些概念包括：在自动化集装箱码头的基础上使用自动引导小车，直线电机输送***，架空电网铁路***，和高层的自动化存储和检索结构。S.Hoshino等^[18]建立了基于自动导引小车的自动化集装箱码头的工艺评价***，并建立了评价指标和数学模型。B.K.Lee^[19]研究分析了堆场内起重机的各种作业状态，包括集港、装箱、卸箱、和提箱作业的时间周期。一个操作周期内包含不同的基本操作，根据数学期望和方差公式对每个基本作业进行分析。并通过仿真对其准确性进行研究及评估。D.Steenken，S^[20]指出现在的集装箱码头作业如果脱离有效的信息化技术和合适的优化方法(运筹学方法)几乎是无法完成的。并对集装箱码头内的主要物流环节和作业过程进行了描述和分类，并总结了一些文献中涉及计划调度等方面的优化方法。R.Stahlbock^[21]近几年专家和学者对集装箱作业优化问题的关注不断提高和相关文献的大量涌出，作者对运筹学在码头作业中的应用进行了综合、总结和分类，为后人研究提供帮助。BaeHY^[22]对基于自动导引小车和自动搬运车与不同绩效的起重机结合的自动化集装箱码头的作业效率进行对比研究。通过仿真研究得出，如果自动导引小车的数量足够大，则基于自动导引小车码头的效率超过基于自动搬运车，但是当岸桥用于装船作业时，无论自动导引小车的个数增加到多少，基于自动导引小车码头的效率都低于基于自动搬运车。VisIFA^[23]提出在建设自动化集装箱码头选取水平运输设备时应该考虑的各种因素，如装卸船时间、占用率和所设备数量。重点分析了自动导引小车和自动搬运车两种设备，通过仿真分析，得出同样规模的码头，所需自动导引小车的数量比自动搬运车多38％。YangCH^[24]研究了如何在不影响码头效率的前提下提高码头中自动搬运车的选用。根据运输设备的循环时间，即完成一次装卸作业所需时间得出了四种参考方案，最终利用仿真验证各方案的机械效率。DuinkerkenMB^[25]对三种自动化集装箱码头水平运输设备进行了比较，即拖车、自动导引小车和自动搬运车。并将三种设备配合基于规则的控制***和相应的优化算法应用于荷兰鹿特丹港口的Maasvlakte物流园区的实际作业模拟中，总结了各个运输***的特点和与作业设备如岸桥等的相互配合。通过成本分析，为将来码头建设的运输设备选型提供帮助。

上海振华港口机械(集团)股份有限公司创新研发了新一代高效智能型立体装卸集装箱码头的方案，即基于低架桥***的自动化集装箱码头。其平面布局图如下图2-1所示。该集装箱码头的装卸工艺可以分为三个步骤，岸桥，低架桥平板小车和场桥完成集装箱的起吊过程，低架桥平板小车和地面平板下车完成集装箱的水平运输。这三个步骤完成了一次集装箱的卸船作业，装船作业是卸船作业的逆过程。

第一步：在进行装卸作业时，岸桥的海侧小车将集装箱从船舶上吊起，运送至岸桥转接平台，人工取下集装箱旋锁。海测小车进行下一次起吊作业。然后岸桥陆测小车将集装箱转运到平板小车上。

第二步：低架桥平板小车将集装箱运送至指定箱区的转接处，此时低架桥起重小车也随之运行到该转接处，起重小车将集装箱吊起，待低架桥平板下车离开后，带着集装箱旋转90度后，将集装箱落入地面平板小车上。

第三步：地面平板小车载着集装箱运输到箱区的指定的贝位旁，待场桥到达后，将集装箱吊起并落入指定的箱位。

该轨道式自动化集装箱码头取消了内燃机驱动的水平运输设备和昂贵的导航***，采用电驱动的平板小车和轨道定位***，节能环保，且易于实现自动化。但是该码头也存在着许多不足，堆场利用率不高，作业***的柔性差等。如箱区内的每一条轨道上只能放置一辆平板小车，作业时，必须等待该辆平板小车作业完成后，才能进行下一次作业；且当卸船、装船和集港作业同时进行时，地面平板下车的个数无法满足工作强度的要求。故提出了多层轨道式自动化集装箱堆场装卸工艺，以克服该缺点。

[发明内容]

本发明在前人研究的基础上，提出了一种多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，该***采用完全由电驱动的电动平板小车和多层框架桥轨道桥的配合方案，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆场场桥间的快捷立体传送，便于实现智能化调度、自动化控制，提高集装箱传送效率。该堆场装卸***的使用使得高速穿梭的堆场平板小车减少了场桥大车的移动距离，大大提高了堆场内的装卸船、提箱集港的作业效率。该堆场装卸***可极大地减少码头箱区的占地面积、减少码头造价。码头的布局图如图1和图2所示。

本发明采用框架桥水平运输***，岸边采用高低架桥配合的形式，堆场内部也同样设有若干层的轨道框架，堆场平板小车可以在这些层上随意互不干扰穿梭于岸边和堆场。并在此运输***下，调整堆场的布局，来减少场桥的移动距离，在提高场桥的作业效率的同时也可以提高堆场的利用率。最后通过案例分析，给出码头前沿和堆场框架桥的配合层数，在该配合方案下，使得码头的装卸效率有所提高。

该自动化集装箱码头与由上海振华重工自主开发的基于高低架桥的装卸***有所不同，其框架桥采用多层式，框架桥的层数与平板小车的个数互相配合，以达到作业效率最高。多层的轨道，相当于将原来的串联***转化成为并联作业***，大大提高其***的可靠性。

原方案每个箱区内布置一条半轨道，不仅占用了堆场的空间资源，而且水平运输设备运行不流畅，存在场桥大车与平板小车等待和接力作业的情况。而多层的设置方式使得装卸船作业和集港作业同时进行时，平板小车之间可以互不干扰的进行各自的作业，有效地避免了接力作业，减少了场桥大车的运行距离。而且，集装箱从堆场前沿到箱区之间有多个运输通道可以选择，有效地较少了等待的情况，从而减少装卸船时间。该多层堆场轨道***中，码头前沿的轨道要高于箱区内轨道的最大层数，如箱区轨道最高为4层，则码头前沿轨道的高度至少起于第五层，如图3中所示的安全高度，该高度至少为一个集装箱的高度。码头前沿框架桥和箱区框架桥平面结构布置图如图4至图5所示。

堆场的布局也有所改善，采用左右堆放集装箱，中间设置多层框架桥轨道，从码头前沿直通堆场后方。这样集港时集卡可以不需进入堆场，而直接将集装箱放入堆场后方的平板小车上，再将其运输到堆场内。框架桥轨道设置在堆场中间，可以将场桥小车在横向的水平移动距离减少到原来的二分之一。一条多层框架桥轨道取代一条半单层轨道，大大的提高了堆场的空间利用率，特别是码头纵向长度比较大时。

采用设备

如下表1所示为本文所研究的自动化集装箱码头的装卸和运输设备。码头前沿的岸边集装箱装卸桥采用双40英尺双小车岸桥，可以同时抓两个40尺集装箱或8个20尺集装箱。沿海岸线方向的水平运输采用低架桥起重机和低架桥平板小车，垂直海岸线方向采用堆场平板小车。在堆场后方，采用门式起重机。

表1设备及参数

以一个集装箱的装卸船过程为例，集装箱船舶靠泊，先由岸桥起重机将集装箱从集装船上吊起，送至起重机门框平台上，人工拿下集装箱旋锁(自动化码头中唯一需要人工的操作)，再由起重机将集装箱卸到低架桥平板小车上(FT)，平板小车将集装箱运送到指定的箱区交接位置，低架桥起重机抓箱，待低架桥平板小车离开后，且集装箱落入安全距离之后，转接平台(TP)将集装箱旋转90度，此时将集装箱落入堆场平板小车上(GT)。堆场平板小车载着集装箱运行到箱区指定箱位对应的贝位，待场桥到达时，将集装箱吊到指定的箱位，平板车进入下一个工作循环。装船过程和卸船过程基本相似，为其逆过程。装船时，岸桥移动到指定装船的集装箱所在箱位，吊起集装箱，待堆场平板小车到达该贝位旁时，将集装箱落入轨道小车中，堆场平板小车载着集装箱运行至指定的交接位置，待低价桥空闲时将集装箱吊起，提至安全高度后转接平台将集装箱旋转90度，并等待低架桥平板小车到达时将集装箱落入小车内，小车将集装箱运送至岸桥起重机旁，待岸桥起重机空闲时将集装箱吊起并落入起重机门框平台上，人工装上集装箱旋锁后，再由岸桥起重机将集装箱装入船舶指定位置。另外，在集装箱进行集港时，由堆场后方起重机将集装箱提起并落入堆场平板小车上，再由堆场平板小车将集装箱放入指定的箱位。提箱作业为其逆过程。其卸船流程图如图6所示。

具体地，本发明提供了一种多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，包括：

相互平行的海侧轨道和陆侧轨道以及与之垂直的岸桥，船舶在海侧平行于海侧轨道排列，岸桥从海侧穿过海侧轨道和陆侧轨道，岸桥包括海侧起重机、海侧岸桥小车、陆侧岸桥小车以及位于海侧轨道和陆侧轨道之间的转接平台；

多层低架桥转接***，所述多层低架桥转接***包括低架桥轨道、低架桥起重机和低架桥平板小车；

多个场桥，所述场桥平行于陆侧轨道，包括沿垂直于陆侧轨道的方向运行的场桥起重机。

本发明的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的优点在于，还包括多层框架式***，所述多层框架式***包括垂直于陆侧轨道方向的多个多层框架桥轨道和沿所述多层框架桥轨道运行的堆场平板小车，堆场的集装箱堆放在各个多层框架桥轨道两旁，每个场桥对应一个多层框架桥轨道，场桥起重机能把对应多层框架桥轨道两旁的集装箱提起并置放到多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上，也能把多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上的集装箱吊起并放置到堆场的相应箱位上；

多层低架桥转接***上任何一层上的任何一辆低架桥平板小车可以和多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车通过低架桥起重机和场桥起重机相互转运集装箱。

本发明的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的多层框架式***的层数为2-6层；而多层低架桥转接***的层数和多层框架式***的层数可以相同也可以不同。

优选地，本发明的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的设备分配采用实时设备分配调度方案：船舶进行卸船作业时，已分配的岸桥可对应多条已分配的低架桥作业线；每条低架桥作业线其上有两组低架桥平板小车和低架桥起重小车；每个低架桥平板小车对应在同一条低架桥作业线上的多个低架桥起重小车；每个低架桥起重小车又可对应多层框架桥轨道上的多台堆场平板小车，每个箱区内的堆场平板小车再跟相应场桥对应；装船也同样采用此调度方案，设备的选择如下：第一种情况，存在同一作业有多个设备可供选择，当低架桥起重小车将集装箱吊装到该堆场的堆场平板小车上时，可能有多个箱区的堆场平板小车可供选择，此时同一箱区上的堆场平板小车均可供选择，不存在优先级别；第二种情况，存在多个作业选择同一设备，当堆场平板小车进行装船作业时，载箱运送到码头前沿的箱区转接处进行卸箱后，并不是直接空箱返回，接受下一个场桥作业指令，而是接受低架桥起重小车的作业任务，载进口箱入堆场；当岸桥和低架桥起重小车对低架桥平板小车同时发出作业指令时，应该以岸桥优先。

优选地，本发明的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***安装了程控调度***，所述程控调度***可以同时安排集装箱的装船、卸船、集港和提箱，并可以控制装船、卸船、集港和提箱相关作业之任务的安排、混排和调度，以及集装箱从船舶通过海侧起重机、海侧岸桥小车、转接平台、陆侧岸桥小车、低架桥平板小车、低架桥轨道、低架桥起重机、堆场平板小车、多层框架桥轨道、场桥起重机，到达堆场整个过程的安排和对接；以及相反过程集装箱从堆场通过场桥起重机、堆场平板小车、多层框架桥轨道、低架桥起重机、低架桥轨道、低架桥平板小车、低架桥轨道、陆侧岸桥小车、转接平台、海侧起重机，到达船舶的整个过程的安排和对接。

本发明还提供了上述多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的装卸方法，所述装卸方法能分别或同时进行集装箱的装船、卸船、集港和提箱；

卸船方法和集港方法步骤如下：

一、岸桥起重机将集装箱从船舶上吊起，送至起重机门框平台上，人工拿下集装箱旋锁，

二、由岸桥起重机将集装箱卸到低架桥平板小车上，

三、低架桥平板小车将集装箱通过低架桥轨道运送到指定的箱区交接位置，

四、低架桥起重机抓箱，待低架桥平板小车离开后，且集装箱落入安全距离之后，旋转平台将集装箱旋转90度，此时将集装箱落入堆场平板小车上，

五、堆场平板小车载着集装箱通过多层框架桥轨道运行到箱区指定箱位对应的贝位，待场桥到达时，将集装箱吊到指定的箱位，堆场平板小车进入下一个工作循环，

其中，除步骤一的人工拿下集装箱旋锁外，步骤一至五都为自动化；

装船方法和提箱方法步骤如下：

一、场桥移动到指定装船的集装箱所在箱位，吊起集装箱，待所述堆场平板小车到达该贝位旁时，将集装箱落入堆场平板小车中，

二、由堆场平板小车载着集装箱通过多层框架桥轨道运行至指定的交接位置，

三、待低架桥起重机空闲时将集装箱吊起，提至安全高度后旋转平台将集装箱旋转90度，并等待低架桥平板小车到达时将集装箱落入低架桥平板小车内，

四、低架桥平板小车将集装箱运送至岸桥起重机旁，待岸桥起重机空闲时将集装箱吊起并落入起重机门框平台上，

五、人工装上集装箱旋锁后，再由岸桥起重机将集装箱装入船舶指定位置，

其中，除步骤五的人工装上集装箱旋锁外，步骤一至五都为自动化。

优选地，本发明的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的装卸方法受程控调度***控制，程控调度***根据相关集装箱的装船、卸船、集港和提箱任务，所需完成的时间，相关起重机、平板小车的数量和运力，多层低架桥轨道和多层框架桥轨道的状况和运力，来安排、控制和调度作业。

[附图说明]

图1和图2为本发明的立体布局图；

图3是本发明码头前沿多层框架桥的立体结构图；

图4是本发明码头前沿多层框架桥的平面结构图；

图5是本发明箱区内多层框架桥的平面布局图；

图6是本发明的卸船流程图；

图7岸桥装卸作业实施方式

图8场桥作业实施方式(装船和提箱作业统称为装箱作业，卸船和集港统称为卸箱作业

图9集装箱卸船设备实时分配图

图10和图11用于两种码头堆场内各箱区所包含集装箱数的计算；

图12用于d_GT和d_FT的计算；

图13用于d’_GT和d’_FT的计算；

图14是本发明的多层低架桥平板小车服务过程图；

图15和图16是本发明的水平运输效率对比图；

附图标记：

1：船舶、2：岸桥、3：海侧轨道、4：陆侧轨道、5：转接平台、6：海侧岸桥小车、7：陆侧岸桥小车、21：低架桥平板小车、24：低架桥起重机、27：低架桥轨道、31：堆场、35：场桥、38：多层框架桥轨道、51：堆场平板小车、55：场桥起重机、91：安全高度

[具体实施方式]

多层框架桥轨道和多层低架桥轨道相互配合，以达到多作业线目的。码头前沿布置平行于岸线的多层框架桥，其最低层数需高于箱区框架桥的层数，并留有安全距离，且其最高层上布置有低架桥起重小车，该小车的数量与箱区的数量相等，根据作业任务的需求，移动到指定作业位置。除最高层外，其余层分别布置一辆低架桥平板小车，这些小车可以在轨道上的任意位置互不干扰的进行作业；堆场内，在每个箱区的中间，并垂直于岸线的方向布置一条多层箱区轨道，该轨道贯穿整个堆场，前至码头前沿岸壁线，后至堆场后。该轨道每一层布置一辆堆场平板小车。每个箱区内根据堆场的纵向长度布置一到两台场桥，负责装卸船、集港和提箱的堆场内作业。在堆场后方布置一台龙门起重机，负责外部集卡进行集港和提箱作业。岸桥和场桥的作业流程分别如图7，图8所示。

在本发明的一个实施例中，多层框架桥轨道的层数为2。本发明的另一个实施例中，多层框架桥轨道的层数为6。在本发明的又一个实施例中，多层框架桥轨道的层数为4。

设备调度方案

从自动化码头集装箱运输过程来看，一个集装箱装卸需要分配多个设备：岸桥、低架桥平板小车、低架桥起重小车、堆场平板小车、场桥。也就是说，一个装卸任务的完成需要分配多个串行资源。如果某种类型设备没有分配，那么这个任务就可能阻塞。

考虑到实际工程状况，以及装卸***的稳定性、可靠性和实用性，这里采用实时设备分配调度方案。实时设备分配调度方案：船舶进行卸船作业时，已分配的岸桥可对应多条已分配的低架桥作业线；每条低架桥作业线其上有两组低架桥平板小车和低架桥起重小车；每个低架桥平板小车对应在同一条低架桥作业线上的多个低架桥起重小车；每个低架桥起重小车又可对应箱区轨道上的多台堆场平板小车，每个箱区内的堆场平板小车再跟相应场桥对应。装船也同样采用此调度方案。但在上述过程中存在着设备的选择问题，第一种情况，存在同一作业有多个设备可供选择如，当低架桥起重小车将集装箱吊装到该堆场的堆场平板小车上时，可能有多个堆场平板小车可供选择，在本调度方案中，同一箱区上的堆场平板小车均可供选择，不存在优先级别。第二种情况，存在多个作业选择同一设备如，当堆场平板小车进行装船作业时，载箱运送到码头前沿的箱区转接处进行卸箱后，并不是直接空箱返回，接受下一个场桥作业指令，而是接受低架桥起重小车的作业任务，载进口箱入堆场，该种调度策略有效的减少了平板小车空载的行程，提高水平作业效率。且为了保证岸桥的连续作业，当岸桥和低架桥起重小车对低架桥平板小车同时发出作业指令时，应该以岸桥优先。且实时设备分配调度方案如下图9所示。

工艺特点

(1)在实际作业过程中，装船、卸船、集港和提箱事件是同时进行的，如果采用多层的堆场框架桥，使堆场平板小车可以任意层穿梭，这样可以避免同时作业造成的装卸设备等待的问题。如，集装箱要落入箱区的末端，平板小车可以直接运准确的运行到落箱箱位所对应的贝位旁，而不是场桥将集装箱从堆场前沿运到堆场后方，平板小车载箱运行的距离增大，场桥大车带着集装箱高速运行的距离减少。

(2)多层式框架桥方案大大提高了轨道式自动化集装箱码头的柔性和设备故障的处理能力。集装箱在码头前沿和堆场间可以有多条路径可以选择，如果某一轨道上的平板小车发生故障，整个***仍可以正常运行。

(3)堆场空间利用率得到了明显的提高。每个箱区采用左右布置方式，中间设置多层轨道式框架桥的布置方式，这样的布局不仅大大的提高了堆场的空间利用率，同时也减少了场桥小车在码头横向的水平移动距离。

(4)集港作业时，集卡不需进入堆场，直接由堆场后方的起重机将集装箱提起，放在堆场平板小车上，这样堆场可以不用设置车道，不仅提高了堆场的利用率，减少造价成本，同时也有利于实现堆的全自动化操作。

实施效果分析

堆存能力比较

假设两码头的几何面积相等。两种自动化集装箱码头堆场部分布局如下图10和图11所示。设场桥的跨距为W，箱区垂直岸线方向的长度为L，集装箱的长度为L_TEU，集装箱宽与高相等，均为W_TEU。在沿岸线方向所包含集装箱个数为W/W_TEU，垂直岸线方向所包含的集装箱个数为L/L_TEU，高度方向上所包含的集装箱个数为H。则两种堆场所包含集装箱个数为：

$C_{FB}=\frac{B}{W}\·\frac{L}{L_{TEU}}\·(\frac{W}{W_{TEU}}-3)\·H---\left(1\right)$

${C_{FB}}^{\′}=\frac{B}{W^{\′}}\·\frac{L}{L_{TEU}}\·(\frac{W^{\′}}{W_{TEU}}-2)\·H---\left(2\right)$

其中C_FB表示原方案的堆存能力，C_FB ^’表示新方案的堆存能力；和分别表示箱区中去除一个半轨道和一个轨道的间距，且平板小车可以承载双四十英尺集装箱。

水平运输效率比较

(1)建立运输效率指标

以集装箱完成一次装卸作业为一个循环过程，无论集装箱进行装船作业还是卸船作业，都必须经过这一循环过程。那么完成这一循环过程所需的时间可表示如下：

T_c＝h_QC+h_YCS+T_GT+T_FT(3)

其中，h_QC表示平板小车等待岸桥作业完成的时间，h_YCS表示平板小车等待场桥作业完成的时间，T_GT表示堆场平板小车完成一次装卸事件的运行时间，即T_GT＝2t_GT+w_GT；T_FT表示低架桥平板小车完成一次装卸事件的运行时间，即T_FT＝2t_FT+w_FT。其中w_GT与w_FT是表示平板小车等待转运平台完成作业的时间。上述循环过程可以拆成两部分，一是完成一次提交作业过程为一个循环，一是低架桥平板小车完成一次提交作业为一个循环过程，这两部分循环所需时间可以表示为：

O_GT＝2t_GT+w_GT+h_YC(4)

O_FT＝2t_FT+w_FT+h_QC(5)

1)计算t_GT时，即计算图12中任意A和B两点间的距离。由于堆场平板小车停在指定的箱位旁的框架轨道上和每个箱区对应的框架桥上，故应该采用离散型变量求期望的方法。L_AB计算如下：

$OA=\underset{i=1}{\overset{r}{\Σ}}i\·L_{FB}\·\frac{1}{r}---\left(6\right)$

$OB=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·L_{TEU}\·\frac{1}{n}---\left(7\right)$

其中n为垂直岸线方向集装箱的个数，n＝L/L_TEU；L_FB为每列框架桥的宽度，且L_FB＝F/r，r为岸边框架桥的列数，即d_GT与d’_GT均可表示为：

$d_{GT}={d^{\′}}_{GT}=OA+OB==\underset{i=1}{\overset{r}{\Σ}}i\·L_{FB}\·\frac{1}{r}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·L_{TEU}\·\frac{1}{n}---\left(8\right)$

则根据t_GT＝d_GT/v_GT求得t_GT与t'_GT。

2)计算t_FT时，假设集装箱在框架桥上的提箱和落箱事件均发生在A点处。那么从任意P点到A点所运行的距离为d_FT，则d_FT可计算如下：

$d_{FT}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\{(\underset{j=0}{\overset{N-i}{\Σ}}j+\underset{k=1}{\overset{i-1}{\Σ}}k)\·\frac{B}{N}\·\frac{1}{N}\}\·\frac{1}{N}---\left(9\right)$

如图13所示，A和P分别有N种位置可能，那么(A，P)就有N²种可能。对于任意A，P两点间的距离的均值可计算如下：

同理，可得d_FT’：

${d_{FT}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{2N}{\Σ}}\{(\underset{j=0}{\overset{2N-i}{\Σ}}j+\underset{k=1}{\overset{i-1}{\Σ}}k)\·\frac{B}{2N}\·\frac{1}{2N}\}\·\frac{1}{2N}---\left(10\right)$

根据t_FT＝d_FT/v_FT求得t_FT与t'_FT。

3)计算等待时间w_FT时，可以将低架桥平板小车的运行过程简化为如图14的服务过程。利用排队论建立求解模型^[26]。此过程可表示为M/M/S模型，第一个M表示低架桥平板小车的到达过程是泊松(Possion)流，第二个M表示低架桥平板小车服务过程所需时间服从负指数分布，S表示该服务***共有S个服务平台，且S＝M_GT·s_GT，其中s_GT为堆场平板小车轨道的层数。

根据M/M/S排队论模型平均等待时间的公式，可以得到等待时间w_FT的平均值为：

$w_{GT}=\frac{{\left(S\mathrm{\ρ}\right)}^s}{S!}\·{\[(1-\mathrm{\ρ})\underset{n=0}{\overset{S-1}{\Σ}}\frac{{\left(S\mathrm{\ρ}\right)}^n}{n!}+\frac{{\left(S\mathrm{\ρ}\right)}^s}{S!}\]}^{-1}\·\frac{t}{(1-\mathrm{\ρ})\·S}---\left(11\right)$

其中，ρ＝(λ·t)·S表示堆场内的交通强度；λ表示低架桥平板小车的平均到达率；t＝2t_GT+h_YCS，表示堆场平板小车从离开转运平台到再次来到转运平台的时间。

假设码头在相当长的一段运营时间T内，某一低架桥平板小车完成提交事件循环的过程共有T/O_FT次，则每一列框架桥轨道上共有的循环个数为M_FT·s_FT·T/O_FT，在T时间内每一个转运平台都要进行M_FT·s_FT·T/(M_TP·O_FT)个作业循环。其中，M_FT为每列每层框架桥上低架桥平板小车的个数，s_FT为低架桥平板小车轨道的层数。通过以上分析可得低架桥平板小车的平均达到率λ，即单位时间到达一个转运平台的低架桥平板小车个数为：

λ＝M_FT·s_FT/(M_TP·O_FT)(12)

交通强度ρ表示在某一段时间t内到达某一服务台的服务对象个数，则其可以表示为：

$\mathrm{\ρ}=\mathrm{\λ}\·t/S=\frac{M_{FT}\·s_{FT}\·t}{M_{TP}\·O_{FT}\·S}=\frac{M_{FT}\·s_{FT}\·t}{M_{TP}\·(2t_{FT}+w_{FT}+h_{QC})\·S}---\left(13\right)$

将式(12)，(13)带入到式(11)，再结合公式(4)即可求出低架桥平板小车的等待时间w_FT。

4)计算w_GT时，因为在码头运营的相当长一段时间内，M_GT·s_GT·N个堆场平板小车与M_FT·r·s_FT个低架桥平板小车所完成装卸作业的循环次数应该是相等的，由于每一个平板小车的平均效率分别为1/O_GT,1/O_FT。则有M_GT·s_GT·N/O_GT＝M_FT·r·s_FT/O_FT，且等式两边均可以表示该自动化集装箱码头水平运输***的效率。即M_GT·s_GT·N/(2t_GT+w_GT+h_YC)＝M_FT·r·s_FT/(2t_FT+w_FT+h_QC)。则由此式可得出w_GT。

(2)水平运输效率及比较

该***的水平运输效率可以表示为M_GT·s_GT·N/O_GT与M_FT·r·s_FT/O_FT两种形式。又因O_FT＝2t_FT+w_FT+h_QC，则η_FB可表示为：

η_FB＝M_FT·r·s_FT/O_FT＝M_FT·r·s_FT/(2t_FT+w_FT+h_QC)(14)

η'_FB的求法与上述相同，只需将s_GT改为s’_GT，s_FT改为s’_FT，M_GT改为M’_GT，h_YC改为h’_YC。

案例分析

堆存能力比较

为了便于比较，取两种码头箱区所放集装箱的贝数相等，那么两种集装箱堆存能力之比为若取一个箱区内集装箱的排数为14，传统方案集装箱的年吞吐量为200万TEU，则新型的码头可以容纳218万TEU，堆存能力提高了9％。

水平运输效率比较

通过上面得到的效率，可以对在不同条件下，对比两类码头的运输效率。在比较前，首先确定各个参数的值^[9]，如下表所示：

表2两种码头的各参数取值

结合表1和表2中的参数设置，利用Matlab进行求解，可以得到当箱区框架桥取不同层数，每层低架桥上低架桥平板小车数量不同时，两种自动化集装箱码头的水平运输效率的比较。但由于框架桥的层数受到场桥和岸桥的高度限制，箱区内轨道层数最多取4层。其效率之比如下表所示：

表3水平运输效率对比表

为了更加直观的分析数据，其折线图如图15和16。

通过上两图可以看出，增加箱区内框架桥的层数和低架桥平板小车的数量对水平运输效率有一定的提高，因为增加了框架桥的层数，减少了交通堵塞等情况。但是随着箱区内框架桥的层数和低架桥上每层每列上所包含的低架桥平板小车数量的增加，运输效率缓慢提高，由此可分析，箱区内框架桥层数增多，平板小车接受服务的等待时间已经不是其主要瓶颈，而是在在场桥和岸桥的个数不变的情况下，每个场桥或岸桥等待平板小车的时间增长了，从而运输效率会下降。当低架桥平板小车个数不多时，在转运平台个数增加的情况下，效率没有明显提升，说明此时转运平台的个数不是该***的主要瓶颈，反而是因为设备的增多，产生空闲，从而降低了运输效率值。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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Claims (6)

1.一种多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，包括：

相互平行的海侧轨道和陆侧轨道以及与之垂直的岸桥，船舶在海侧平行于海侧轨道排列，所述岸桥从海侧穿过所述海侧轨道和陆侧轨道，所述岸桥包括海侧起重机、海侧岸桥小车、陆侧岸桥小车以及位于海侧轨道和陆侧轨道之间的转接平台；

多层低架桥转接***，所述多层低架桥转接***包括低架桥轨道、低架桥起重机和低架桥平板小车；

多个场桥，所述场桥平行于陆侧轨道，包括沿垂直于陆侧轨道的方向运行的场桥起重机；

其特征在于，还包括多层框架式***，所述多层框架式***包括垂直于陆侧轨道方向的多个多层框架桥轨道和沿所述多层框架桥轨道运行的堆场平板小车，堆场的集装箱堆放在各个所述多层框架桥轨道两旁，每个所述场桥对应一个所述多层框架桥轨道所述场桥起重机能把对应所述多层框架桥轨道两旁的集装箱提起并置放到多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上，也能把所述多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上的集装箱吊起并放置到堆场的相应箱位上；

所述多层低架桥转接***上任何一层上的任何一辆所述低架桥平板小车可以和所述多层框架桥轨道的任何一层的任何一辆所述堆场平板小车通过所述低架桥起重机和所述场桥起重机相互转运集装箱。

2.根据权利要求1所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，其特征在于，所述多层框架式***的层数为2-6层；所述多层低架桥转接***的层数和所述多层框架式***的层数可以相同也可以不同。

3.根据权利要求1所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，其特征在于，设备分配采用实时设备分配调度方案：船舶进行卸船作业时，已分配的所述岸桥可对应多条已分配的低架桥作业线；每条低架桥作业线其上有两组所述低架桥平板小车和所述低架桥起重小车；每个所述低架桥平板小车对应在同一条所述低架桥作业线上的多个低架桥起重小车；每个低架桥起重小车又可对应所述多层框架桥轨道上的多台所述堆场平板小车，每个箱区内的所述堆场平板小车再跟相应所述场桥对应；装船也同样采用此调度方案，设备的选择如下：第一种情况，存在同一作业有多个设备可供选择，当所述低架桥起重小车将集装箱吊装到该堆场的所述堆场平板小车上时，可能有多个箱区的所述堆场平板小车可供选择，此时同一箱区上的所述堆场平板小车均可供选择，不存在优先级别；第二种情况，存在多个作业选择同一设备，当所述堆场平板小车进行装船作业时，载箱运送到码头前沿的箱区转接处进行卸箱后，并不是直接空箱返回，接受下一个场桥作业指令，而是接受所述低架桥起重小车的作业任务，载进口箱入堆场；当所述岸桥和所述低架桥起重小车对所述低架桥平板小车同时发出作业指令时，应该以所述岸桥优先。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***，其特征在于，所述多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***安装程控调度***，所述程控调度***可以同时安排集装箱的装船、卸船、集港和提箱，并可以控制所述装船、卸船、集港和提箱相关作业之任务的安排、混排和调度，以及集装箱从船舶通过所述海侧起重机、所述海侧岸桥小车、所述转接平台、所述陆侧岸桥小车、所述低架桥平板小车、所述低架桥轨道、所述低架桥起重机、所述堆场平板小车、所述多层框架桥轨道、所述场桥起重机，到达所述堆场整个过程的安排和对接；以及相反过程集装箱从所述堆场通过所述场桥起重机、所述堆场平板小车、所述多层框架桥轨道、所述低架桥起重机、所述低架桥轨道、所述低架桥平板小车、所述低架桥轨道、所述陆侧岸桥小车、所述转接平台、所述海侧起重机，到达所属船舶的整个过程的安排和对接。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的装卸方法，所述装卸方法能分别或同时进行集装箱的装船、卸船、集港和提箱；

卸船方法和集港方法步骤如下：

一、所述岸桥起重机将集装箱从船舶上吊起，送至起重机门框平台上，人工拿下集装箱旋锁，

二、由所述岸桥起重机将集装箱卸到所述低架桥平板小车上，

三、所述低架桥平板小车将集装箱通过所述低架桥轨道运送到指定的箱区交接位置，

四、所述低架桥起重机抓箱，待所述低架桥平板小车离开后，且集装箱落入安全距离之后，旋转平台将集装箱旋转90度，此时将集装箱落入所述堆场平板小车上，

五、所述堆场平板小车载着集装箱通过所述多层框架桥轨道运行到箱区指定箱位对应的贝位，待所述场桥到达时，将集装箱吊到指定的箱位，堆场平板小车进入下一个工作循环，

其中，除步骤一的所述人工拿下集装箱旋锁外，步骤一至五都为自动化；

装船方法和提箱方法步骤如下：

一、所述场桥移动到指定装船的集装箱所在箱位，吊起集装箱，待所述堆场平板小车到达该贝位旁时，将集装箱落入所述堆场平板小车中，

二、由所述堆场平板小车载着集装箱通过所述多层框架桥轨道运行至指定的交接位置，

三、待低架桥起重机空闲时将集装箱吊起，提至安全高度后旋转平台将集装箱旋转90度，并等待所述低架桥平板小车到达时将集装箱落入所述低架桥平板小车内，

四、所述低架桥平板小车将集装箱运送至所述岸桥起重机旁，待所述岸桥起重机空闲时将集装箱吊起并落入起重机门框平台上，

五、人工装上集装箱旋锁后，再由所述岸桥起重机将集装箱装入船舶指定位置，

其中，除步骤五的所述人工装上集装箱旋锁后外，步骤一至五都为自动化。

6.根据权利要求5所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸***的装卸方法，该方法受所述程控调度***控制，所述程控调度***根据相关集装箱的装船、卸船、集港和提箱任务，所需完成的时间，相关起重机、平板小车的数量和运力，所述多层低架桥轨道和所述多层框架桥轨道的状况和运力，来安排、控制和调度作业。