摘 要

当今世界是个开放的世界，世界各国越来越需要与其他各国进行贸易往来，而世界被各个大洋分割成几个大洲，这些洲与洲之间的联系显然需要船舶来提供便利。随着时代的进步，贸易往来所产生的经济利益俨然成为国家必不可少的经济来源。由于贸易越来越向着国际化、标准化的方向发展，集装箱的出现势在必行，于是，集装箱码头便成了各国经济贸易往来中不可小觑的力量。所以，实现集装箱码头自动化对国家来说具有深远意义。

本文研究了目前国内外集装箱自动化码头的布局方式和装卸工艺，并分析了系统仿真在国内外的应用和现状，通过对自动化码头装卸工艺和装卸设备的了解，并查阅调研了我国青岛港口某一自动化码头的作业流程，在现有码头建设的基础上，研究了实现自动化码头的工艺流程和方案，设计了集装箱自动化码头的整体方案，并利用Em-Plant软件建立了仿真模型对其进行仿真和模拟运行，随后，通过对仿真结果的分析，根据运行效率将模型中的参数进行优化，完成了模型的优化。最后，研究了仿真模型与实际系统的对接接口，为仿真系统与实际系统的仿真结果修正做好了准备。

关键词：集装箱；自动化码头；Em-Plant；仿真优化

Abstract

The world today is an open world. Countries all over the world need to trade with other countries. The world is divided into several continents by various oceans. The connection between these continents and continents obviously needs ships to facilitate. With the progress of the times, the economic benefits generated by trade exchanges have become an indispensable source of income for the country. As trade is increasingly moving towards internationalization and standardization, the emergence of containers is imperative. Therefore, container terminals have become an indispensable force in the economic and trade exchanges between countries. Therefore, the realization of container terminal automation has far-reaching significance for the country.

This paper studies the current layout and loading and unloading technology of container automation terminals at home and abroad, and analyzes the application and status quo of system simulation at home and abroad. Through the understanding of the automated terminal loading and unloading process and loading and unloading equipment, and the investigation and investigation of a certain Qingdao port in China Based on the existing terminal construction, the workflow of the automated terminal was studied. The overall scheme of the container automation terminal was designed. The simulation model was built by Em-Plant software to simulate it. The simulation runs, and then, through the analysis of the simulation results, the parameters in the model are optimized according to the operating efficiency, and the optimization of the model is completed. Finally, the interface between the simulation model and the actual system is studied, and the simulation results of the simulation system and the actual system are prepared.

Key Words：container；automated terminal；Em-Plant；simulation optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外现状分析 2

1.2.1 集装箱码头现状分析 2

1.2.2 系统仿真现状分析 9

1.3 研究内容与技术方案 9

1.3.1 研究内容 9

1.3.2 技术方案 9

1.4 本章小结 11

第2章 自动化集装箱码头简介 12

2.1 概述 12

2.2 自动化集装箱码头装卸工艺 12

2.2.1 装卸方案 12

2.2.2 装卸设备 13

2.3 本章小结 16

第3章 基于Plant Simulation的仿真建模 17

3.1 仿真系统概述 17

3.2 仿真模型建立 18

3.3 仿真性能指标 20

3.3.1 泊位利用率 20

3.3.2 岸桥利用率 21

3.3.3 日装卸量 21

3.3.4 AGV运行效率 21

3.4 仿真模型模块划分 21

3.4.1 锚地模块 22

3.4.2 泊位模块 22

3.4.3 岸桥模块 23

3.4.4 堆场模块 24

3.5 仿真模型参数设定 24

3.5.1 岸桥装卸效率 24

3.5.2 船舶到港时间间隔分布 25

3.5.3 到港船型占比 27

3.5.4 AGV运行速率 27

3.6 程序设计 28

3.6.1 泊位数据赋值程序 28

3.6.2 AGV到达检测程序 28

3.6.3 AGV运行程序 29

3.6.4 岸桥作业程序 29

3.6.5 记录数据程序 30

3.6.6 重置程序 30

3.7 仿真运行 31

3.7.1 整体模块运行 31

3.7.2 岸桥模块运行 31

3.7.3 数据记录 32

3.8 本章小结 32

第4章 仿真结果研究 33

4.1 仿真结果分析 33

4.2 仿真参数优化 34

4.2.1 AGV数量优化 35

4.2.2 船舶属性优化 36

4.2.3 优化结果 38

4.3 仿真系统与实际系统对接 38

4.3.1 现有技术研究 38

4.3.2 模型与实际对接应用 38

4.4 本章小结 40

第5章 研究总结与展望 41

5.1 全文总结 41

5.2 展望 41

参考文献 42

致谢 43

第1章 绪论

1.1 背景及意义

1.1.1 研究背景

改革开放30多年来，我国 GDP总值、工农业产品产量、货物进出口额、利用外资等经济指标规模不断扩大，对国民经济的影响大大增强，海上运输已成为推动世界经济发展的重要力量。随着我国经济的发展、我国与其他国家贸易往来增多，海上运输在国民经济中的地位越来越重要。人们已经意识到，在整个社会和经济生活中，特别是在社会和经济生活日益国际化的时代，港口发展规划日益影响着国民经济的整体发展水平和发展方向^[1]。

由于港口吞吐量的不断加大，集装箱便因为其标准、快捷以及高效的特点应运而生，随之便涌现出大量的集装箱码头^[2]。近几年来，我国港口的发展蒸蒸日上，集装箱吞吐量与日俱增，如表1.1所示为我国2015年完成货物的吞吐量及集装箱吞吐量的数据。

表1.1 2015年货物吞吐量及集装箱吞吐量数据

1.1.2 研究意义

虽然我国港口发展很迅速，迄今，我国大陆港口货物吞吐量、集装箱吞吐量已连续14年位居世界第一^[3]。但是，当前阶段，我国港口在发展过程中出现了一些新问题，在一定程度上影响和制约了我国港口持续健康发展。比如，一些港口重视基础设施建设规模而忽视结构优化；一些港口集疏运体系不完善造成运输瓶颈日益突出；许多港口提供的服务仍停留在传统货物运输和装卸层面，物流供应链服务、商贸服务等功能还未得到充分发展；一些港口由于吞吐量太大，随着船舶燃料价格的不断上涨，人力、物理成本越来越高。

虽然中国港口发展迅速，货物吞吐量和集装箱吞吐量在连续14年间位居世界第一。但是，当前阶段，我国港口在发展过程中出现了一些新问题，在一定程度上影响和制约了我国港口持续健康发展^[4]。例如，一些港口的收集和分配系统并不完善，导致运输瓶颈日益突出；一些港口由于吞吐量太大，随着船舶燃料价格的不断上涨，人力、物理成本越来越高；等。

在新的形势下，如何在保证吞吐量的前提下，尽可能实现高效、低成本的目标，同时又进一步提高港口的国际核心竞争力是关乎我国经济发展的重要问题。因此，对集装箱自动化码头设计与仿真研究是新时期推进我国港口合理布局、科学发展的一项非常迫切和重要的工作。其重要意义主要体现在以下四个方面：

①直观。人们为了满足自身的基本需要，发明了越来越多的手段对世界进行认识和描述。相比于纯数学手段来说，建模仿真能让人们对复杂事物和复杂系统的认识更加直观，用数学公式、图、表等形式对真实事物的描述更加形象，从而更直观地认识事物。

②便于分析。建模可以对具体事物进行抽象概括，模型所反映的内容也是系统的本质所反映的现象，通过对系统的抽象化理解建立模型，能更好地分析系统、了解系统，通过不断地分析系统才能对现实世界有更深刻的认识。

③便于系统优化。模拟仿真时通过对系统的分析，用物理模型或者数学模型对系统进行定量地描述，以体现系统发展变化规律性的一种方法。就模型而言，建模以后可进行系统分析，需要不断接受实际系统的反馈，所以，利用仿真建模的方法，可以跟实际情况进行实时分析，从而对模型进行优化。

④降低成本。大型港口在建造时需要耗费大量的人力、物力和财力，若不事先进行仿真建模，直接建造，容易出现对预期的估计有误，从而成很大的成本浪费。通过建模仿真运行，对建成后的码头进行事先模拟实验，能有效降低因预估失误造成的损失。

1.2 国内外现状分析

1.2.1 集装箱码头现状分析

a.国外研究现状

1）伦敦港

伦敦港是一个重要的国际航运中心和全球航运定价中心和管理中心。伦敦港在20世纪40年代时，为了打破禁锢，实行了新的政策，将港口重新布局，并一起将硬件设施移至市中心以外，并采取了战略性政策，开拓了世界上领先的品牌，在航运融资，海事保险和海事仲裁方面有了新的建树。从而使得伦敦港在全球港口发展迅速的趋势下，虽然不能保持其领先地位，但在航海服务方面独树一帜，成为世界领先水平，其他港口纷纷效仿^[5]。据统计，2007-2015年伦敦港口的集装箱吞吐量基本呈现逐年上涨的趋势，其增长率也在平稳上升阶段。具体数据如表1.2所示。

表1.2 2007-2015年伦敦港港口集装箱吞吐量

2）鹿特丹港

鹿特丹作为荷兰第二大港口城市，位于莱茵河和马斯河以及新马斯河两岸的交汇处。鹿特丹港可以实现与葡萄牙、西班牙、斯堪的纳维亚和波罗的海地区等国家的贸易往来，它还可以将货物运输到英国和爱尔兰等国家，同时将货物运输到俄罗斯等中东和东欧国家。鹿特丹港拥有大量的土地，服务于整个欧洲腹地。丰富的土地资源和发达的欧洲经济腹地为鹿特丹港口物流园区的“储运”发展模式做出了贡献。鹿特丹港在1993年成为世界上第一个实现自动化集装箱码头的港口^[6]。

鹿特丹港ECT自动化集装箱码头占地280公顷，码头的前集装箱部分使用集装箱起重机进行装卸作业。有25个岸上起重机，总长度为3400米，AGV共配有187台，总通过能力为140万TEU。

据统计，2015年鹿特丹港的货物吞吐量总量为4.67亿吨，其中集装箱为1233万TEU。自2007年以来，集装箱吞吐量每年都在持续增长，如图1.1所示。据预测，鹿特丹港的总货运量将保持基本稳定，2020年将达到4.6亿吨。随着技术的发展和港口配送及运输技术的改进，到2026年，码头集装箱吞吐量将达到3400万TEU。

图1.1 鹿特丹港2007-2018年集装箱吞吐量及增长率示意图

3）汉堡港

汉堡港位于德国北部易北河畔，距离北海110km，被北海和波罗的海所环绕，北接石勒苏益格——荷尔施泰因州，南邻下萨克森州并与中西欧各发达国家以及斯堪的纳维亚地区毗邻。汉堡港是德国最大的港口（仅次于荷兰鹿特丹港）和世界第十五大港口。它不仅是德国北部的经济中心，也是中欧之间最大，最重要的贸易港口。 毗邻的欧洲主要市场和深腹地已成为该地区最佳的分销和物流配送点。

汉堡港位于德国北部易北河畔，距离北海110km，被北海和波罗的海所环绕，北接石勒苏益格——荷尔施泰因州，南邻下萨克森州并与中西欧各发达国家以及斯堪的纳维亚地区毗邻。汉堡港是德国第一大港（仅次于荷兰鹿特丹港），世界第十五大港口。汉堡港在德国北部地区占有重要的经济地位，也是中欧贸易往来很重要的港口，地处东西、南北两大贸易线的交汇点，成为该地区最佳的货物配送和物流集散点^[6]。

汉堡港总占地面积为7197hm²，水域面积为2931hm²，目前已投入使用的面积达到6347hm²，其中陆地面积为3416hm²，水域面积为2931hm²，另有840hm²用于今后扩大建设，这为汉堡港今后的发展提供了坚实的物质基础。

图1.2 汉堡港Altenwerder自动化集装箱码头示意图

汉堡港的集装箱运输发展突出，汉堡港Altenwerder自动化集装箱码头（如图1.2所示）于2004年开始投入使用，此自动化码头占地面积为22.5万平方公里，采用岸边起重机和AGV组合的方式实现自动化装卸作业，设计的年通过力可达190万TEU。2007年汉堡港集装箱吞吐量最高达到990万TEU，2011年汉堡港转运的集装箱占世界总量的1.5%。

4）新加坡港

新加坡是一个因港而兴的国家，目前已成为亚太地区重要的国际贸易、国际金融和国际航运中心。新加坡位于新加坡的南部沿海，是连接亚洲、欧洲、非洲和大洋洲的海上枢纽，是东南亚的重要门户，被称为“东方十字路口”。从地理位置来看，新加坡港位居马六甲海峡，处于太平洋和印度洋间贸易主干航道的要冲，腹地辐射范围遍及东南亚诸港，地理条件得天独厚，软硬件条件发展成熟。

新加坡港Pasir Panjang自动化集装箱码头于1998年开始使用，是一个优良的自动化码头典范，目前可通过能力为95万TEU。该码头拥有6个泊位，码头总长度1830m，总面积84hm²，最大水深15m，共有岸边起重机22台。能实现高效率自动化的原因主要是在其堆场上方采用高架桥式起重机，使得堆场空间容量增大，同时可以让操作员远程控制6台起重机工作，实现了自动化的目标^[7]。如图1.3为新加坡港Pasir Panjang自动化集装箱码头的高架桥式作业示意图。

图1.3 新加坡港Pasir Panjang自动化集装箱码头的高架桥式作业示意图

b.国内研究现状

目前，我国正在实现从港口大国向港口强国的转变。我国经济正在快速发展，经济总量位居世界前列，港口发展内在需求强劲；我国对世界经济贡献越来越大，在全球资源配置中发挥着重要作用；我国逐步实现了全方位对外开放，港口市场化程度迅速提高。

2001年至2015年我国港口吞吐量与国内生产总值数据如表1.3所示。

表1.3 2001年至2015年我国港口吞吐量与国内生产总值数据分析表

通过对2001年至2015年我国港口吞吐量和GDP增长进行回归分析可以得出以下结论：港口吞吐量同经济发展存在正相关关系，反映我国国民经济与我国港口发展形成了互动发展的良性循环，如图1.4所示。且港口吞吐量对中国经济增长存在显著性影响；港口货物吞吐量每增加1亿吨，可带动GDP增长5539亿元。

图1.4 我国港口货物吞吐量与GDP线性相关趋势图

目前我国已经建成和在建的全自动化码头共有三个，其中厦门远海自动化码头属于传统集装箱码头改造项目，已于2016年开始运行；上海港洋山港区四期自动化码头和青岛港自动化码头则属于新建全自动化码头，目前已初步建成。随着纯电力驱动AGV、AGV顶升功能、高速轨道吊等多种新技术在我国自动化集装箱码头的应用，标志着我国已经率先进入到第四代自动化码头的发展阶段^[8]。

1）厦门远海自动化码头

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