（交通运输规划与管理专业论文）集装箱码头堆场系统通过能力研究.pdf

中文摘要 摘要 伴随着全球经济一体化和国际贸易的迅猛发展，集装箱吞吐量出现了高速增 长的势头。作为资本密集型的经济实体，集装箱码头资源的有效管理和调度是集 装箱码头畅通的必要保证，更关系到企业成本控制和客户需求的满足，如何有效 提高集装箱码头堆场的通过能力，影响着港口企业的竞争力。 本文以集装箱码头堆场系统为研究对象，充分考虑了集装箱码头堆场系统调 度问题的动态性、不确定性和复杂性，通过理论分析找出影响集装箱码头堆场系 统通过能力的因素。对集装箱码头堆场系统调度问题的基础理论、应用模型和求 解算法迸行了较为系统地研究。论文涉及管理学、运筹学、港口规划等相关学科， 文中对集装箱码头堆场通过能力的研究具有重要的现实意义和理论价值。本文的 主要研究内容如下： 1 系统地分析了集装箱码头堆场系统的作业过程和装卸工艺； 2 对集装箱码头堆场通过能力的理论和影响因素进行了研究； 3 建立了轮胎式龙门吊调度的混合整数规划模型，设计了模型的求解算法， 并运用m a t l a b 软件编程，可以计算出任意段位作业量，任意数量的轮胎式龙 门吊的优化调度问题； 4 分析了集装箱码头堆场的倒箱原因，以及实践中使用的倒箱原则。根据集 装箱码头进口堆场的实际情况，建立了改进型倒箱原则模型，运用启发式算法求 解模型。通过m a t l a b 软件编程，可以计算在额定高度下任意贝的倒箱次数与 取箱步骤。并通过仿真实验将改进型倒箱原则与现有的倒箱原则进行了比较，分 析了改进型倒箱原则与传统倒箱原则的优劣性。 关键词：集装箱码头堆场系统；堆场通过能力；轮胎式龙门吊调度；倒箱原则 英文摘要 a b s t r a c t a c c o m p a n i e db yg l o b a le c o n o m i ci n t e g r a t i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e r n a t i o n a lt r a d e ，c o n t a i n e rt h r o u g h p u ti se n t e r i n gah i g h - s p e e dg r o w t hm o m e n t u m a sac a p i t a l - i n t e n s i v ee c o n o m i ce n t i t y ，c o n t a i n e rt e r m i n a lo ft h ee f f e c t i v em a n a g e m e n t o fr e s o u r c e sa n ds c h e d u l i n gi sab o xo ft h en e e dt of i s s u r eas m o o t hf l o wo f , a n di ti s a l s or e l a t e dt oc o s tc o n t r o la n dc u s t o m e rb u s i n e s sn e e d st om e e t , b o wt oe f f e c t i v e l y i m p r o v et h ec o n t a i n e rt e r m i n a ly a r d ，t h r o u g ht h ea b i l i t yt oa f f e c tt h ec o m p e t i t i v e n e s s o f p o r te n t e r p r i s e s t h et h e s i st a k e st e r m i n a le q m p m e ms y s t e mu n d e rs t u d y ，t a k i n gf u l la c c o u n to ft h e c o n t a i n e rt e r m i n a lo ft h ed y n a m i cs c h e d u l i n gp r o b l e m ，u n c e r t a i n t ya n dc o m p l e x i t y ， a n df i n d st h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ei m p a c to fc o n t a i n e rt e m a i n a ly a r dc a p a c i t y f a c t o rs y s t e m t h et h e s i sr e l a t i n gt om a n a g e m e n t , o p e r a t i o n sr e s e a r c h , p o r tp l a n n i n g a n do t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e s ，t h et e x to ft h ec o n t a i n e rt e m a i n a ly a r dc a p a c i t yo ft h e r e s e a r c hh a si m p o r t a n tp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u e n em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a ly a r do p e r a t i n gs y s t e mp r o c e s sa n d t h el o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s s ； 2 y a r do fc o n t a i n e rt e r m i n a lc a p a c i t yo ft h et h e o r ya n dr e s e a r c ho nt h ei m p a c to f f a c t o r s ； 3 t h ee s t a b l i s h m e n to far t g cs c h e d u l i n go fm i x e d i n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e l ， d e s i g no ft h em o d e la l g o r i t h m ，a n dt h eu s eo fm a t l a bs o f t w a r e ，a n yn u m b e ro f r u b b e rt i r e dg a n t r yo ft h eo p t i m a ls c h e d u l i n gp r o b l e m ； 4 a n a l y s i so ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a ly a r db o xw a st h ec a u s eo f , a n dp r a c t i c e st h e p r i n c i p l e so ft h eu s eo ft h ee x c h a n g e db o x t h r o u g ht h em a t l a bs o f t w a r ec a nb e r a t e dh i g h l yi nt h eb a yu n d e rt h eb a c kb o xo fa r b i t r a r yn u m b e ro fs t e p sa n dc h e c k b o x e s a n dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s 、析t 1 1t h e e x i s t i n gp r i n c i p l eo ft h e e x c h a n g e db o xc o m p a r i s o n ,a n a l y s i s o ft h em o d i f i e de x c h a n g e db o xd o w nt h e p r i n c i p l e sa n d t r a d i t i o n so ft h em e r i t so ft h ep r i n c i p l e k e yw o r d s ：t h ey | a r ds y s t e mo fc o n t a i n e r t e r m i n a l ；y a r dc a p a c i t y ；r t g c s c h e d u l i n g ；e x c h a n g ec o n t a i n e rp r i n c i p l e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 塞苤筵塑基蕉扬丕筮逼过能左硒究：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 铡磷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀博 硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密回( 请在以上方框内打“ ) 缘弼耄。辆 集装箱码头堆场系统通过能力研究 第1 章绪论 1 1 论文选题的背景 随着世界经济全球化、一体化趋势的发展以及我国社会主义市场经济的不断 完善，我国的经济得到了快速的发展。特别是对外贸易的不断增加，使我国港口 的集装箱吞吐量以惊人的速度增长。进入2 1 世纪的几年间，我国集装箱吞吐量以 年均2 6 1 的速度增长。2 0 0 3 年，我国港口集装箱吞吐量跃居世界第一。2 0 0 8 年， 集装箱吞吐量更是创记录的达到1 2 6 亿标箱【1 1 。从表1 1 中，可以看到我国主要 港口集装箱吞吐量的世界排名从2 0 0 0 年排名相对靠后，发展到2 0 0 7 年有9 个港 口排名进入前3 0 名。从而可以看出我国近些年沿海港口集装箱吞吐量迅猛增长的 态势。 表1 1 我国主要港口集装箱吞吐量的世界排名 t a b 1 1c o n t a i n e rt h r o u g h o u tw o r l dr a n k i n g so f t h ec h i e f p o r t si no u rc o u n t r y 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 数据来源：中国港口集装箱( w w w p o r t c o n t a i n e r e o m ) 伴随着集装箱吞吐量的大幅度增长，我国港口的建设速度也日益加快，港口 的建设规模逐步加大，但是仍然不能满足集装箱吞吐量大幅度增加的需求。以上 海港为例：1 9 9 8 年集装箱码头通过能力2 3 0 万标箱，实际完成吞吐量3 0 7 万标箱； 1 9 9 9 年集装箱码头通过能力3 2 2 万标箱，实际完成吞吐量4 2 2 万标箱；2 0 0 0 年集 装箱码头通过能力4 0 0 万标箱，实际完成吞吐量5 6 1 万标箱1 2 1 ；2 0 0 3 年集装箱码 头通过能力8 5 0 万标箱，实际完成吞吐量11 2 8 万标箱l a l ：2 0 0 7 年集装箱码头通过 能力8 5 0 万标箱，实际完成吞吐量2 6 0 0 万标箱1 4 1 。 波一6 9 2 2 7 5 3 r - 一6 4 3 2 1 l l l 连一1 o 3 4 4 1 8 6 赶一6 5 5 4 3 3 2 2 f o 6 6 9 6 3 2 2 夏一5 4 3 2 2 2 2 2 卉一8 3 7 3 2 8 5 2 l 一3 3 2 2 2 1 l 1 津一2 8 4 1 8 6 7 7 天一3 2 2 2 1 1 l 1 第1 章绪论 港口通过能力是港口企业的生产能力，它是在外部环境条件为一定时，港口 各项生产要素和经营管理诸条件综合作用的结果1 5 1 。集装箱港口通过能力是集装 箱港口企业的生产能力，是指泊位、堆场、装卸、集疏运等各环节通过能力的合 理组合而构成的综合能力。在集装箱港口通过能力中，堆场起到了缓冲器的作用， 堆场的通过能力影响着船舶装卸效率和在港时间。在国内各大主要港口现有的泊 位、水平运输机械水平一定的情况下，集装箱泊位通过能力和集装箱堆场的通过 能力成为了制约集装箱港口通过能力的瓶颈。提升堆场通过能力的关键是堆场的 容量和疏运能力。 1 2 研究的目的和意义 综观2 0 0 8 年我国集装箱港口的发展，规模以上港口完成货物吞吐量5 8 7 亿 吨，完成集装箱吞吐量1 2 6 亿标准箱，同比分别增长1 1 5 和1 2 2 ，可以看出 集装箱的发展特点。 ( 1 ) 我国集装箱进出口业务主要集中在沿海港口 2 0 0 8 年沿海集装箱吞吐量占全国集装箱量的9 1 ，其中九成以上由十大港口 完成，充分体现了集装箱运输船舶大型化对集装箱干线港的需求。与此不相适应 的是目前主要港口实际吞吐能力明显大于设计吞吐能力，大型集装箱枢纽港口超 负荷转运；长江、珠江口出海航道及沿海主枢纽港进出口航道水深仍然不足，适 应不了我国贸易吞吐量日益增长的需要。 ( 2 ) 港口集装箱码头发展态势良好 高速增长的外贸集装箱进出口吞吐量以及集装箱运输码头运输效益的大幅攀 升吸引了越来越多国内外投资者的目光，集装箱码头进入快速发展阶段。 现今世界，集装箱运输需求随着世界经济的良好增长，仍会维持比较旺盛的 态势；面临全球集装箱船舶运力增长加快，主干航线压力将继续加大：集装箱运 输市场仍然会继续繁荣，供求关系趋于平衡。 1 2 1 研究的目的 科学合理的确定港口通过能力是港口规划、设计以及今后发展的基础，也是 关系着港口与社会经济协调发展的要素之一。因此，本文研究预期达到的目标是， 正确分析影响港口通过能力的因素，结合我国国情确定适合各港实际情况的通过 集装箱码头堆场系统通过能力研究 能力，为政府部门制定行业规范、做出重大决策提供参考依据。本研究按照理论 和实际情况相结合的研究方法，以科学的理论为指导，以实用性为目标，确定适 合我国集装箱码头堆场系统通过能力的方法。 1 2 2 研究的意义 ( 1 ) 为政府部门修改完善相关标准、技术规范、制定产业规范以及设计施工单 位建设现代化集装箱码头提供理论参考依据。 过去十多年我国集装箱运输发展迅速，为适应集装箱吞吐量的快速增长新建、 改建了一批集装箱堆场，但由于港口设施的改进、计算机操作e d i 的使用、以及 现代化集装箱运输的需求，码头堆场原有的设计通过能力已明显不适应实际运用 情况，因此，本研究以集装箱码头堆场系统为研究对象，充分考虑了集装箱码头 调度问题的不确定性和复杂性，通过理论分析找出影响集装箱码头堆场系统通过 能力的因素。对集装箱码头调度问题的基础理论、应用模型和求解算法进行了较 为系统地研究。 ( 2 ) 为提高我国港口群的竞争力，促进地区港口的良性发展提供建设性意见。 欧洲、美洲班轮航线挂靠我国港口较多，确定合理的港口通过能力，整合我国沿 海港口资源，为班轮航线提供科学合理的码头供给，是吸引班轮航线的重要因素， 也是在激烈的市场竞争中赢得份额的关键。 1 3 论文的内容和技术路线 本文就集装箱码头堆场系统通过能力问题分六章进行了论证： ( 1 ) 第一章是本文的绪论。分析了本文选题的背景及意义，列出文章的技术路 线； 。 ( 2 ) 第二章回顾了国内外学术界对集装箱码头通过能力的研究成果，并对其进 行了评述，提出了本文的创新点； ( 3 ) 第三章介绍了一些集装箱的基本知识和集装箱码头堆场的基本组成和布 局，阐述了目前集装箱码头堆场的装卸工艺和集装箱堆场的配置规则，分析了码 头通过能力的计算方法，以及影响码头通过能力的因素，并列举出了集装箱码头 的评价指标。通过对这些指标体系的分析，指出了增加集装箱码头堆存效率的方 法，引出了本文研究的两个问题轮胎式龙门吊调度问题和倒箱率问题。本章 第1 章绪论 节是本文的理论部分； ( 4 ) 第四章分析了轮胎式龙门吊调度问题，研究了给定作业条件下的r t g c 优 化调度问题，构建了混合整数规划模型，并且求解。通过作业案例，运用m a t l a b 程序计算分析了各段位内r t g c 作业最早结束时间及r t g c 在段位之间移动的作 业调度方案，在集成优化调度过程中为r t g c 作业环节提供决策支持； ( 5 ) 第五章从集装箱进口堆场最基本的收发箱操作出发，提出了改进型的倒箱 原则，对不同倒箱原则下进口堆场的倒箱效率进行仿真，对不同的倒箱原则进行 了比较，为提高集装箱码头通过能力，提高设备使用效率和进口堆场管理水平提 供理论依据； ( 6 ) 第六章是本文的结论，总结本文所做的研究工作、创新之处，分析文章的 不足之处，进而提出未来研究的发展方向。 本文的技术路线如图1 1 所示。 集装箱码头堆场系统通过能力研究 图1 1 论文的技术路线 f i g 1 1t e c h n i c a ll i n eo fp a p e r 第2 章集装箱堆存研究与方法综述 第2 章集装箱堆存研究与方法综述 2 1 国内外相关研究进展 现代工业大规模专业化生产，必然伴随着大量的物流运输。相比陆运和空运， 水运是最省力、最经济、最方便的运输方式。现代发达国家货物运输，集装箱方 式占的比例很高。标准化的集装箱运输提高了装卸速度，实现了门到门运输，减 少了货损，改善了过去码头的杂乱局面。 世界上最早的海上集装箱运输出现在上世纪五十年代后半期，最初只限于美 国和澳大利亚本国的国内沿海运输航线。六十年代后半期逐步发展到欧洲、北美、 日本等工业发达的国家。七十年代后，逐渐形成了以海运为中心的两端向内地延 伸的集装箱运输体系【6 1 。 我国自1 9 7 3 年9 月开始在天津、上海和日本神户、横滨之间开展集装箱运输 后，青岛、黄浦、大连、张家港等港口也相继办理集装箱运输。1 9 7 8 年9 月，上 海港开辟了军工路码头至澳大利亚的集装箱班轮航线，正式拉开了我国集装箱运 输的序幕。 从近几年全球集装箱吞吐量前1 5 名港口所完成的集装箱吞吐量可以看出：集 装箱海上运输的发展十分迅速，我国的集装箱码头更是保持每年两位数的箱量增 长。 目前的研究大多还是凭以往的经验，其中的经验公式和数据难免有些陈旧过 时。有关集装箱码头装卸工艺的教科书，也大都只有码头通过能力和设备生产能 力的计算公式，并没有给出优化配置码头装卸设备、提高生产效率以及降低成本 的合理方法。 从参考文献资料来看，已经有许多科研部门或院校对码头装卸设备优化配置 进行了研究，并取得一定的成效。虽然他们研究的针对性很强，但是同实际应用 的结合却不够紧密，特别是很少贯穿码头建设和管理全过程，所以结论偏于理想 化，直接应用有一定的局限性。 2 2 场内资源配置研究综述 在国外，r i c h a r dl i n n l 7 1 研究了多个工作班的龙门吊配置问题。作者在文中 集装箱码头堆场系统通过能力研究 假定每一个工作班内都有一定的工作量，龙门吊可以在各个段位之间相互移动。 在每个工作班之内的翻动次数不超过一次的基础上，最大限度地降低倒箱率。 c h l h l g l 卅最早提出了龙门吊路径选择问题，目的是减少龙门吊的不必要移动，提高 龙门吊的工作效率。k a p h w a n k i m 和y o u n g m a n p a r k l 9 1 考虑了龙门吊操作不同的 限制条件，运用混合整数规划模型，采用了分支界定法( b & b ) 进行求解，并用贪 婪随机适应搜索过程来克服分支界定法在计算机求解时的不足。w c n g l l o , n 1 等研 究了龙门吊优化调度问题，目标函数是等待时间最小化，通过物流作业计算实验， 应用分支定界算法对调度模型求解。 在国内，魏众、申金升1 1 2 1 等提出了轮胎式龙门吊优化调度混合整数规划模型， 研究了定量作业条件下的龙门吊优化调度问题，通过实际案例分析为码头管理者 提供决策支持。何军良、_ 宓为建和严伟l ”l 采用一种基于整数规划模型和启发式算 法( 爬山算法) 的场桥调度混合策略，将场桥调度和堆存空间分配作为整体构建场 桥动态调度模型。 2 3 集装箱堆存方式研究综述 在国外，d ec a s t i h n o 和d a g a n o i l 4 】也研究了两种策略下的进口集装箱的堆存 问题，一种策略是按照集装箱大小分类堆放，另一种策略是按照到达时间依次堆 放。k h k i m l l s l 考虑了具有权重的出港集装箱的堆放配位问题，以及最小化倒箱 作业量问题。k a ph w a nk i m 和j o n gw o o kb a e i l 6 】以码头堆场中最小的倒箱数及最 小的移动距离为目标，来进行码头堆场中箱位的合理设置。k o z n a 和p r e s t n o l l 7 l 使用基于混合变异自然数编码的模型，确定了优化的集装箱堆放和相应的堆场起 重机分配方案，从而减少了服务于一艘船的所有起重机的最大工作时间。 在国内，武汉理工大学物流工程学院的计三有和高月文i 埔l 运用搜索技术提出 了出口箱箱位的合理分配及减少倒箱率的合理措施，对如何减少集装箱堆场倒箱 率进行了研究，重点研究了集装箱堆场物流系统的优化。青岛大学的陈庆伟和王 继荣1 1 9 l 提出了不同箱重、不同目的港的集装箱按照一定顺序随机到达堆场的堆存 模型，考虑了集装箱箱重、目的港和作业难度三个因素，这样可以保证装船时尽 量少倒箱，极大地提高了装船效率。东北大学信息科学与工程学院的李浩渊和汪 定1 2 0 l 伟针对集装箱码头堆场中的箱区规划问题，采用仿真模型与优化算法相结合 第2 章集装箱堆存研究与方法综述 的仿真优化方法( s b o ) 进行了求解，并将基于m p i 消息传递标准的并行集群计算 方法引入该求解过程，很好地解决了仿真优化方法中存在的计算代价过大的问题。 大连理工大学的张涛和苗明1 2 1 1 运用仿真优化方法对集装箱堆场资源配置问题进 行了研究。他们首先建立了堆场资源配置问题的数学模型，优化目标是堆场的资 源利用率最大化的前提下，资源配置成本最小；然后，根据系统作业中存在的不 确定性、随机性等活动特点，建立了堆场作业系统的离散事件仿真模型，并运用 仿真模型与组合优化相结合的仿真优化方法对模型进行求解；最后，运用案例分 析验证了该方法的有效性及其优势，同时进行了敏感性分析。南开大学的徐亚和 陈秋双1 2 2 】等为降低集装箱堆场的倒箱率，对翻倒箱落箱位置的确定问题进行了研 究，提出了一种启发式算法h 及其改进算法m 。利用仿真实验将所提出的两种 启发式算法与最优解及已有启发式算法o h 进行了比较，结果表明，提出的两种 启发式算法在解的效果和稳定性上均明显优于算法o h ，其中改进算法i h 相对算 法h 又有进一步的提高。 2 4 国内外研究评述 从国内外对集装箱码头的研究现状可以看出：目前多采取定性与定量相结合 的方法对集装箱码头堆场子系统进行研究，仿真优化方法被广泛应用于堆场内的 资源调度问题中。然而，目前国内外学者对龙门吊调度问题的研究都着眼于龙门 吊的最优路径和最高效率，并未考虑在龙门吊数和段位数给定的情况下总作业时 间最短的情况。国内外关于倒箱率的研究都着眼于提出各种倒箱方法，并未考虑 现有倒箱方法的合理性。本文将研究轮胎式龙门吊调度和倒箱率问题，通过模拟 仿真比较了新提出和现有的方法，分析了两者的优劣性。本文旨在通过研究堆场 资源配置问题，提高堆场的作业效率，进而提高整个码头的通过能力，此研究在 学术界处于领先。 8 集装箱码头堆场系统通过能力研究 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 3 1 集装箱码头堆场的组成和布局 3 1 1 集装箱码头堆场的组成和空间布局 集装箱码头主要包括岸壁、码头前沿、集装箱堆场( 包括前方堆场、后方堆 场和空箱堆场) 、集装箱货运站、控制中心( 通常在办公楼内) 、维修车间、道口 ( 闸口或大门) 等固定设施1 2 3 2 4 l 。其中，集装箱堆场是供装卸船舶堆放集装箱的 场所，同时也是向货主交接集装箱的场所。在堆场上对集装箱进行分区分类堆放， 并按照集装箱的规格尺寸，在堆场上划出“箱位 线，标明号码。尽管业务模式 的差异使得各类堆场场站的服务功能不尽相同，但所有业务功能都是在堆场核心 服务功能之上发展而来，在关键业务上是大同小异的。堆场的主要业务工作是办 理集装箱的装卸、转运、装箱、拆箱、收发、交接保管、堆存、捆扎、掏载、搬 运、以及承揽货源等，此外，还受理集装箱的修理、冲洗、熏蒸和有关衡量等工 作瞄l 。 港口集装箱堆场通常被分为三个部分：集装箱前方堆场( m a r s h a l l i n gy a r d ) 、 集装箱后方堆场( c o n t a i n e ry a r d ) 、空箱堆场( v a np 0 0 1 ) 。图3 1 为某集装箱码头堆 场的简要布局。 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 幽3l 集装箱码头堆场简耍布局图 f i 9 31 a b r i e f l a y o u t o f c o n t a i n e r t e r m i n a l y a r d 集装箱前方堆场是指在靠近集装箱码头前沿处，为加速船舶装卸作业，暂时 堆放集装箱船直接装卸的集装箱的场地。其作业内容是：当集装箱船到港前，有 计划有次序地按积载要求将出口集装箱整齐地集中堆放，卸船时将进口集装箱暂 时堆放在码头前方，以加速船舶装卸作业。 集装箱后方堆场则包括重箱区、空箱区、冷藏箱区、拆箱库、停车场等功能 区域嘲。 ( 1 ) 重箱区：重箱区是专门堆存集装箱重箱的区域，约占堆场区总面积的 5 0 - 8 0 。在堆场内用白线或黄线画“箱位”并为其编号，一般单号放置2 0 尺桓， 双号放置4 0 尺柜，箱间距约03m 。集装箱在场地上的排列方式为“并排方式”， 六排为一箱位，堆场内作业通道1 3 - 1 5m 。堆场区可以按i f l 的地、进口或出口、 重量等级，有时还可按航线或疏运安排，分门别类地堆放。重箱一般堆4 层高。 堆场中集装箱箱位布置要考虑到集装箱的方向性，一般装船时箱门均向船尾，集 卡运输时也是箱门朝后。 ( 2 ) 空箱区：约占堆场区总面积的4 0 6 0 ，甚至只有2 0 0 - 3 0 。空箱堆场的 集装箱码头堆场系统通过能力研究 位置通常设在集装箱货运站旁边或维修车间的附近，也有的沿堆场四周布置，视 堆场业务情况而定。空箱一般堆高5 - 6 层。 ( 3 ) 冷藏箱区：冷藏箱堆场区应布置在重箱区内，占重箱区的面积的 1 5 3 5 。冷藏集装箱在运输、存储过程中需要供电，故冷藏箱区也应布置在接 近供电设施处，每两排冷藏集装箱间应设专用的电源插座箱和检查平台。冷藏箱 的堆高一般为2 _ 4 层。 ( 4 ) 拆箱库：港口从生产需要考虑，应具备一定的拆装箱能力，一般拆装箱所 占重箱比例为5 1 5 。拆箱库是集装箱码头的重要组成部分，必须要有合理的 布局。拆箱库的位置要尽量减少与堆场内集装箱运输的干扰，尽可能减少叉车作 业距离，通常布置成矩形。 ( 5 ) 停车场：停放集卡，通常停放场内拖车。 集装箱空箱堆场是专门办理空箱收集、保管、堆存或交接的场地。这种堆场 不办理重箱或货物交接。它可以单独经营，也可以由集装箱装卸区在区外另设。 有些国家对集装箱堆场并不分前方堆场或后方堆场，而统称为堆场。 3 1 2 集装箱码头堆场系统与码头其他系统的外部联系 集装箱码头各子系统之间有着千丝万缕的联系，根据装卸工艺的不同，联系 的方式和设施也有所不同。 采用滚装工艺时，码头前沿不需要配备其他装卸船舶的固定机械，只需要利 用牵引车连同集装箱和底盘车一起通过船岸之间的连接桥板和码头上的站台，滚 上滚下完成作业。 采用吊装工艺时，通常是利用配置在码头前沿的集装箱装卸桥来完成装卸船 工艺。在水平搬运和堆场作业时通常采用与之配套的跨运车，或叉车，或门式起 重机等组成的不同工艺系统。而无论采用何种装卸工艺，堆场系统与码头前沿都 需要一定的机械设备来完成作业。 大门是集装箱码头的出入口，通过大门交接集装箱、集装箱货物和集装箱货 物的各种单据。大门是很多场站操作得以顺利进行的前提之一。外集卡通过大门 进出码头，完成集装箱从外围市区到堆场的集疏运。 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 3 2 集装箱堆场装卸工艺研究 3 2 1 集装箱码头堆场装卸工艺 集装箱装卸工艺系统按照装卸工艺方式可分为滚装工艺系统和吊装工艺系 统。 滚装工艺系统适用于集装箱滚装船型。集装箱装载在底盘车上，集装箱装船、 卸船时，利用牵引车连同集装箱和底盘车一起，通过船岸之间的连接桥板和码头 上的站台，滚上滚下完成作业。 非滚装船使用底盘车系统时，通常运用装卸桥将集装箱从上直接吊到底盘车 上，集装箱不落地，有牵引托头把底盘车托运往堆场，进行存放。存放在堆场上 的底盘车可以由牵引车拖走。 这种装卸工艺的优点是倒运环节少，集装箱破损率小，管理系统简单，节省 人力，输运效率高；缺点是码头堆场占用面积大，只能单层堆放，码头投资大， 对自动化适应性差，成本较高。 吊装工艺系统适于普通吊上吊下作业的集装箱船。集装箱码头简要吊装装卸 工艺如图3 2 所示。 图3 2 集装箱码头简要吊装装卸工艺 f i g 3 2a b r i e fc a r g o h a n d l i n gt e c h n o l o g yo fc o n t a i n e rt e r m i n a l 吊装工艺系统主要包括跨运车系统、叉车系统、龙门起重机系统等等。各种 集装箱码头堆场系统通过能力研究 吊装装卸工艺的比较如表3 1 所示。 表3 1 吊装装卸工艺方式的比较 t a b 3 1c o m p a r i s o no fd i f f e r e n th o i s th a n d i c r a f t s 工艺方式 。比较项目 底盘车跨运车轮胎龙门起重机轨道龙门起重机 初期投资 堆场能力 系统简单 装卸效率 码头效率 机动性 箱损量 维修量 灵活性 扩大生产适应性 装卸车辆适应性 自动化适应性 国外应用较多的系统仍然是跨运车系统、叉车系统和底盘车系统，其中尤以 跨运车方式较为普遍。 我国港口集装箱码头采用跨运车、叉车系统完成“船一场”之间搬运较少， 而多采用龙门起重机一底盘车一龙门起重机系统。下面将就轮胎式龙门起重机系 统进行介绍。 轮胎龙门起重机系统是，国内集装箱码头用得最多的工艺系统。码头前沿采用 岸边集装箱起重机承担船舶的装卸作业，水平运输采用集装箱拖挂车，堆场作业 采用轮胎龙门起重机。轮胎龙门起重机可跨6 列集装箱和l 条拖挂车通道，可堆 码3 5 层集装箱。我国大部分集装箱码头采用这种装卸工艺系统。 轮胎龙门起重机具有装卸效率高、操作简单、作业面大、故障率低、堆场面 积利用率高，特别适合于大、中型专业化集装箱码头的堆场及装卸作业。 此种工艺系统是目前国内外应用较多的一种装卸工艺系统，在管理、使用、 维修和保养等方面都积累了比较成熟的经验。除我国以外，香港、新加坡等亚洲 优优差良差差良优差差优优优优差差差差良优差良良良 良良良良优良差差优良差差差差优优差优优良优优差差 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 大型集装箱港口均采用轮胎龙门起重机工艺系统。 随着大型现代化集装箱码头的不断发展，出现了几种龙门吊方式的新工艺。 其工艺特点主要是在码头前沿到堆场的集装箱搬运，采用了沿环形轨道运行的自 动搬运车，特殊设计的移箱输送机以及其它机械，主要的新工艺有1 2 7 1 ： 底盘车列与轮胎式龙门吊配合 在一般的龙门吊方式中，从码头前沿到堆场是由场地牵引车拖带一节底盘车 运行的。而这种新工艺方式是采用一台牵引车同时牵引两台以上的底盘车组成的 底盘车列运行，所以可减少牵引车的周转次数，相应的节省牵引车的燃料消耗， 从而降低装卸成本。在场地大、装卸量多、运输距离远的条件下，采用本工艺更 适合，不仅装卸效率高，也可减轻司机的疲劳程度，并降低装卸成本。 自动搬运车与轨道式龙门吊配合 自动搬运车是无人驾驶的沿环形轨道运行的集装箱搬运小车，它由龙门吊司 机或由另外专设的控制室进行遥控。自动搬运车的轨道有单轨和双轨两种布置方 式，轨道线通过装卸桥和龙门吊的机腿间呈环状敷设，自动搬运车就沿着这一轨 道绕场地回转运行。为了能使岸边装卸桥连续工作，通常需要配多台( 一般为6 8 台) 自动搬运车，且龙门吊的工作循环时间要比装卸桥的工作循环时间短，否则 将难以保证装卸桥连续不断地工作而不使装卸船作业停顿。该工艺方式对设备管 理及自动化程度要求较高。 自动搬运车是目前国际上较先进的水平运输系统，具有高效、经济、准确和 易于实现集装箱装卸自动化的优点，适用于集装箱运量大，劳动力成本高的大型 集装箱枢纽港，如荷兰鹿特丹港的e c t - s e a l a n d 码头、德国汉堡港和新加坡巴西 班让新集装箱码头的水平运输都是采用的该工艺方式。 移箱输送机与轨道式龙门吊配合 移箱输送机是一长条形的机械，其长度一般能放置6 0 9 6 m ( 2 0 f t ) 型集装箱 4 6 个。它设置在与前方堆场交接处的轨道上，使岸边装卸桥的后伸臂和轨道式 龙门吊的悬臂都能达到。移箱输送机是为了解决装卸桥后伸臂与龙门吊悬臂重叠 交叉的问题而设置的。作业时，当装卸桥从这一舱口移到另一舱口时，移箱输送 机被装卸桥腿牵引，与装卸桥一起沿轨道拖行，而场上的龙门吊虽然可以沿轨道 任意运行，但在船舶装卸过程中必须与移箱输送机连接，因此只能在移箱输送机 集装箱码头堆场系统通过能力研究 的长度范围内移动，故堆放出口集装箱时应注意，最好使堆放的位置与集装箱船 的舱口位置相对应，避免装卸过程中移机。由于预先可以知道什么箱子应堆放在 什么位置，故可尽量使集装箱堆高，充分利用场地面积，且有利于用计算机控制 进行快速装卸。这种工艺方式全部作业都可以用计算机控制操作，使集装箱装卸 作业全部实现自动化。 3 2 2 基于轮胎式龙门吊方式的堆场设备资源研究 由于轮胎龙门起重机系统是国内集装箱码头使用最多的工艺系统。所以这里 着重介绍一下轮胎式龙门吊。 轮胎式龙门吊( r u b b e r - t i r e dg a n t r yc r a n e ，r t g c ) 是一种大跨距高架起重机， 相比轨道式龙门吊它具有可靠性高、机动灵活、通用性强、维修保养工作量小、 易于实现自动化操作等优点，可从一个堆场转向另一个堆场进行作业。轮胎式龙 门吊是主要的堆场作业设备，负责集装箱的堆码和提取，其目标是准确及时地装 卸进出场集卡，进而提高集卡到达岸桥的及时和准确率。 在所搜集的资料中，每个集装箱堆场的轮胎式门式起重机的技术参数略 有不同。由于大连港湾集装箱码头有限公司( d p c m ) 的轮胎式门式起重机的 技术参数比较全面，在此列举出来，如表3 2 所示。 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 表3 2 d p c m 轮胎式门式起重机的技术参数 t a b 3 2t e c h n i c a lp a r a m e t e ro fr t g co fd p c m 吊具下额定起重量( t ) r a t e dh o i s tc a p a c i t y ( t 1 4 1 适用集装箱尺寸c o n t a i n e rs i z e st ob eh a n d l e d2 0 4 0 f t 起升高度( m ) h o i s th e i g h t ( m ) 1 8 1 跨度( m ) s p a n ( m ) 2 3 4 7 门腿内净宽( m ) i n s i d ec l e a rs p a n ( m ) m i n 2 1 9 基距( m ) w h e e lb a s e ( m ) 6 4 堆箱层数( 层) s t a c kh e i g h t ( c o n t a i n e r s ) 5 过箱层数( 层) p a s s a g eo v e r ( c o n t a i n e r s ) 6 每组大车行走机构车轮数 n u m b e r0 fw h e e l sp e rc o m e r 2 轮胎尺寸s i z eo ft i e r1 8 0 0 2 5 轮载( t ) w h e e ll o a d ( t )m a x 3 5 吊具水平回转4 - 5d e g r e e sa b o u tav e r t i c a lp l a n ea t4 s k e wm e t e r sa b o v eg r o u n dl e v e l 吊具左右倾 10 0m i l la b o u tt h eh o r i z o n t a lp l a n et h r o u g h t 订tt h ec e n t r eo ne i t h e re n d 防摇机械式 a n t i - s w a y m e c h a n i c a lo p e r a t e dt y p e 满载 起升速度 f u l ll o a d 2 6 m m i n h o i s ts p e e d 空载 n o l o a d 5 2 m m i n 满载 大车速度 f u l l l o a d 2 5 m m i n g a n t r yt r a v e ls p e e d空载 n o l o a d 9 0 m m i n 小车速度t r o l l e yt r a v e ls p e e d 7 0 r n m i n 电控方式交流变频 e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma cf r e q u e n c yi n v e r t e rt y p e 1 每 集装箱码头堆场系统通过能力研究 3 3 集装箱堆场计划原则 3 3 1 堆场作业计划的概念 堆场计划i 冽是对集装箱在堆场内进行装卸、搬运、堆存、保管的安排。这是 为了合理、经济地使用码头堆场场地和机械设备资源、有计划地进行集装箱装卸 工作而制定的。堆场计划的主要内容有：确定重箱、空箱的堆放位置以及堆高层 数。按船舶到港先后顺序、集装箱的种类、目的港、重量等条件分别堆放。通过 尽量减少无效操作，充分利用堆场机械资源，合理分配场地交通流向，达到提高 堆场操作效率的目标。 3 3 2 堆场作业计划的规则 对于要装船的集装箱进入堆场后，需要为其分配堆场中的临时放置箱位等待 装船，船舱配载对集装箱重量等级有一定的要求。理想情况下，堆场中集装箱按 照配载图摆放，设备可以依次将集装箱放入船中。然而，载入期内不同重量等级 的集装箱到港时间是随机的，产生完全符合装船配载要求的箱位分配结果较困难 【2 9 j 。而通过等待全部集装箱到达后重新分配位置来产生完全符合配载要求的集装 箱堆场的方法，由于堆场面积有限，很难给到达同一目的港的同类箱组划出完整 连续的区域堆放，也难以给到达箱预留缓冲区空间，试图累积到一定数量后重新 优化堆垛设计，而且从成本角度考虑这样做也是不经济的。堆场计划通常遵循以 下的配置原则： ( 1 ) 2 0 尺箱和4 0 尺箱分开堆码； ( 2 ) 冷藏箱、危险品箱、大件箱单独堆码； ( 3 ) 空箱、重箱分开堆码； ( 4 ) 同一持有人的集装箱集中堆码； ( 5 ) 作出口计划时，同一卸货港的集装箱按照重量等级单独堆码； ( 6 ) 作进口计划时，同一提单下的集装箱集中堆码； ( 7 ) 桥位就近原则，岸桥要就近放置到码放位置； ( 8 ) 避免同时期操作的船舶争堆场。 在同一批作业计划中，每辆集卡到堆场的时间间隔基本上是均匀的，服从标 准正态分布。一般每个作业计划的装卸量是不同的，但是装卸量分布不是连续的， 第3 章集装箱码头堆场系统及通过能力分析 而是集中在几个离散数值附近。在作业计划中，装卸量( t e u ) 分布为正态分布， 其概率密度 f ( x ) ：妄p 辑1x - , u ) 0 x ( 3 1 ) 式中，和仃分别为箱量x 的均值和方差。装卸量的概率分布函数为 m ( x 圳= r 去p 渺或0 ，进行 如下指派：垦( 2 r t g c ) ，马( 0 r t g c ) ，色( 2 r t g c ) ，岛( 2 r t g c ) ，马( 1 r t g c ) ， b ( 1 r t g c ) ，最( i r t g c ) ，e ( 1 r t g c ) 开始第二轮作业； s t e p 4 ：重复s t e p 3 的过程， s t e p 5 ：整个装卸搬运过程结束。 整个过程可使用m a t l a b 7 4 0 ( i 匕0 0 7 a ) 进行仿真计算，程序代码及相关函 数见附录一。通过改变程序代码中的变量值，该程序可以实现任意段位任意龙门 吊数的仿真计算，本例输出结果见表4 3 。 表4