Параметрическая модель контейнерной площадки
Введение
Одним из направлений развития методов проектирования морских портов является параметрическое проектирование [1-3]. Этот подход рассматривает математические соотношения между объектами, которые задают проектные ограничения. Идея здесь заключается в том, что вместо создания технического чертежа проектировщик порта стремится создать параметрическую модель объекта, чтобы:
- найти оптимальное решение для некоторых параметров модели;
- провести более глубокий анализ чувствительности разрабатываемого объекта и посмотреть, как весь проект изменится в случае увеличения или уменьшения тех или иных параметров;
- Экономьте время на составлении чертежей.
Разработка подобных моделей представляет собой отдельное направление деятельности проектировщиков портов, поскольку требует параметризации практически каждого элемента объекта.
Одним из важнейших элементов контейнерного терминала является контейнерная площадка, где контейнеры хранятся до момента погрузки на транспортное средство. Поэтому данная статья посвящена разработке параметрической модели контейнерной площадки. Для большей ясности материала в тексте будут рассматриваться только сухие контейнеры, не теряя при этом общности метода.
Ограничения модели
Независимо от того, выполняется ли в проекте реконструкция или строительство нового терминала, контейнерный терминал располагается на ограниченной территории, которая включает в себя здания, оборудование, железные дороги, причалы и контейнерную площадку [4-5]. Несмотря на то, что оператору терминала хотелось бы разместить контейнерные штабели по всей площади терминала, для перемещения контейнеров с контейнерной площадки и обратно терминалу необходимы технологические и пожарные проезды. Расположение проездов зависит от технологии обработки контейнеров, то есть от оборудования для обработки контейнеров.
Контейнерная площадка состоит из штабелей контейнеров (рис. 1).
Таким образом, конфигурация контейнерной площадки в первую очередь определяется направлением штабелей контейнеров. Одна из наиболее популярных классификаций конфигурации контейнерной площадки представлена Дж. П. Родригом и Т. Ноттебомом , которые выделили конфигурации для автоматизированных и обычных контейнерных терминалов (рис. 2).
Разница между этими двумя конфигурациями определяется инженерным стремлением отделить транспортные потоки автоматизированного транспорта.
Кроме того, контейнерной площадке необходимы проезды для движения транспортных средств и проходы для перемещения контейнерного оборудования. В связи с этим, контейнерные штабели разделены транспортными дорогами. Каждая дорога включает в себя: дорогу для терминального оборудования, дорогу для автомобильных транспортных средств и системы освещения (рис. 3).
Иногда это расстояние может включать пешеходные переходы и разделительные полосы на дороге (рис. 4).
Для ускорения транспортировки контейнеров контейнерная площадка разделена на блоки штабелей. Блоки разделены перпендикулярными проездами, которые позволяют погрузочно-разгрузочному оборудованию свободно перемещаться между блоками и снижают риск распространения пожара в случае чрезвычайной ситуации (рис. 5).
Если бы таких дорог не существовало, перемещение оборудования контейнерного терминала между штабелями занимало бы больше времени. Количество таких проездов и расстояние между ними — один из вопросов проектирования контейнерных площадок.
Возможные конфигурации контейнерной площадки для различных типов оборудования представлены в Табл. 1.
Таблица 1. Направление штабелей контейнеров для различных систем обработки контейнеров [7-9]
| # | Оборудование | Конфигурация контейнерной площадки | Пример |
| 1 | Straddle Carrier |   |
 Антверпен  Готбург |
| 2 | Reachstacker |  |
 Антверпен |
| 3 | RTG |  |
 Гданьск |
| 4 | RMG |  |
 Пусан |
| 5 | ASC |  |
 Роттердам |
Пространство для технологических проездов по периметру контейнерной площадки и внутри нее определяется оборудованием, используемым на терминале для погрузочно-разгрузочных работ.
Каждый контейнерный блок состоит из штабелей, включающих секции. Между каждыми двумя секциями существует расстояние, необходимое для обеспечения операций по обработке контейнеров [10]. Каждая секция состоит из рядов, которые также разделены определенным расстоянием, определяемым оборудованием для обработки контейнеров.
Типичные или примерные расстояния представлены в профессиональных публикациях PIANC и UNCTAD [11]. Разработанное программное обеспечение учитывает представленные конфигурации оборудования для обработки контейнеров и типичное расстояние между элементами контейнерной площадки.
Большинство терминалов имеют стандартную конфигурацию, при которой контейнеры размещаются в соответствии с наиболее эффективным способом размещения погрузочно-разгрузочного оборудования (табл. 2).
Таблица 2. Примеры простых конфигураций контейнерных площадок.
| Порт | система обработки контейнеров | Пример |
| Дубай | RMG |  |
| Лос-Анджелес | RTG |  |
| Лаем Чабанг | RTG |  |
| Лондон | ASC |  |
| Роттердам | ASC |  |
В то же время, некоторые терминалы имеют более сложную конфигурацию с контейнерами, хранящимися в разных направлениях в разных зонах порта (Табл. 3).
Таблица 3. Примеры сложных конфигураций контейнерных площадок.
| Порт | система обработки контейнеров | Пример |
| Стамбул | RTG |  |
| Готбург | SC |  |
| Хайфон | RS |  |
| Кувейт | RS |  |
Таким образом, предлагаемая параметрическая модель учитывает:
- ограничения контейнерных терминалов ;
- типы оборудования для обработки контейнеров ;
- контейнерными площадками ;
- Различные варианты направления движения контейнерной площадки.
Алгоритмы
В основе разработанного программного обеспечения лежит методология вычислительной геометрии [12].
Разработанное программное обеспечение рассматривает две модели: с простой и сложной конфигурацией.
Простой алгоритм конфигурации контейнерной площадки учитывает только одно направление штабелей контейнеров. Входными данными алгоритма являются границы терминала, оборудование для обработки контейнеров и существующие здания.
Перед тем как приступить к генерации штабелей, алгоритм формирует смещенные границы терминала (рис. 6).
Алгоритм учитывает каждый сегмент границ терминала и строит параллельные сегменты. Расстояние между параллельными линиями равно расстоянию, необходимому для размещения контейнерного терминала и безопасной работы оборудования для обработки контейнеров (рис. 7).
Эти линии будут представлять собой штабели контейнеров.
После этого строятся перпендикулярные линии, включающие проезды для транспортного оборудования (рис. 8).
Расстояние между перпендикулярными линиями варьируется. Оно больше, если линии ограничивают контейнерный штабель, и меньше, если они ограничивают технологический проезд.
При построении линий алгоритм ищет точки пересечения между границами терминала и параллельными линиями. Для каждого найденного сегмента алгоритм проверяет, находится ли он внутри конечного предела или за его пределами [13]. После этого алгоритм ищет сегменты, разделенные перпендикулярными линиями (рис. 9).
После этого для каждого сегмента строится штабель контейнеров. Штабель контейнеров строится по секциям, чтобы дополнительно проверить, находится ли секция в пределах границ терминала и не пересекается ли она с существующим зданием. Результат генерации представлен на рис. 10.
Алгоритм генерации сложной конфигурации контейнерной площадки учитывает различное направление штабелей контейнеров для отдельных зон контейнерного терминала. Эта программа использует алгоритм разложения для поиска многоугольников в пределах границ терминала [14]. Пример разложения на многоугольники представлен на рис. 11.
После этого для каждого многоугольника запускается алгоритм генерации простой конфигурации контейнерной площадки. В результате получается конфигурация контейнерной площадки, представляющая собой выбор из нескольких вариантов ориентации штабелей контейнеров (рис. 12).
Описанные алгоритмы позволяют решать ряд задач проектирования портов:
- системы обработки контейнеров;
- конфигурацию контейнерной площадки;
- расчета оптимального количества перпендикулярных проездов.
Результатом работы алгоритмов является список возможных конфигураций контейнерной площадки для определенной терминальной зоны (рис. 13).
Для нахождения оптимального решения этот список необходимо отсортировать по определенному параметру.
Как сравнить
Сортировка списка может выполняться по нескольким параметрам:
- вместимость складской площадки: различные варианты конфигурации контейнерной площадки обеспечивают разную вместимость. Этот параметр рассчитывается в соответствии с созданным планом: программное обеспечение вычисляет общее количество наземных слотов терминала (TGS) и умножает его на максимальную высоту хранения и максимальный коэффициент использования штабеля;
- количество оборудования на складской площадке;
- количество (или производительность) терминального транспортного оборудования.
Последние два параметра требуют использования имитационного моделирования для всестороннего анализа и будут рассмотрены в отдельной статье. Однако они являются одними из наиболее важных параметров конфигурации контейнерной площадки, определяющих капитальные (с точки зрения инвестиций в оборудование для обработки контейнерных терминалов) и эксплуатационные (с точки зрения использования существующего оборудования и производительности) затраты.
Если конфигурация штабелей делает невозможным перемещение контейнерного погрузочно-разгрузочного оборудования между штабелями, то потребуется дополнительное оборудование, а следовательно, и дополнительные затраты.
Если перпендикулярные проходы встречаются редко, то терминальное транспортное оборудование обеспечит более низкую производительность, а следовательно, меньшую пропускную способность и более высокие эксплуатационные расходы.
Следовательно, для выбора оптимальной конфигурации контейнерной площадки необходим анализ различных направлений штабелирования и использования оборудования.
В текущей программной реализации для сортировки списков используется вместимость контейнерной площадки.
Описание интерфейса
На первой странице программы запрашивается название проекта и предельные значения параметров терминала (рис. 14).
Концептуально, алгоритм способен работать с данными о границах терминала. Этот экран был создан в основном для демонстрационных целей.
После этого выбирается технологическое оборудование. Интерфейс позволяет настраивать параметры складирования, включая ширину и высоту штабеля, ширину прохода, расстояние между контейнерами (рис. 15).
Следующий шаг — выделение зданий, чтобы в этих местах не размещались штабели контейнеров (рис. 16).
Результаты представляются в виде списка вариантов конфигурации контейнерной площадки, общей планировки контейнерной площадки и трехмерной модели контейнерной площадки (рис. 17-18).
Технические чертежи экспортируются в формат DXF, трехмерная модель – в формат GLTF.
Выводы
В данной статье представлена параметрическая модель генерации контейнерных площадок на основе вычислительной геометрии. Разработанное программное обеспечение автоматически генерирует конфигурации контейнерных площадок как для простых, так и для сложных планировок терминалов, учитывая границы терминала, тип погрузочно-разгрузочного оборудования, требования к расстоянию между ними и существующие здания. Модель позволяет сравнивать конфигурации по вместимости склада и выводит результаты в виде технических чертежей в формате DXF и трехмерных моделей в формате GLTF. Текущая реализация сосредоточена на геометрической оптимизации и оптимизации вместимости контейнерной площадки. Анализ количества оборудования и операционной производительности, требующий имитационного моделирования, будет рассмотрен в последующей публикации.
Ссылки
- Гарехгозли А., Заерпур Н., де Костер Р. Проектирование компоновки контейнерных терминалов: переход и будущее // Морская экономика и логистика. – 2020. – Т. 22. – № 4. – с. 610-639.
- Визе Й., Зуль Л., Кливер Н. Аналитическая модель для проектирования планировки складских площадок контейнерного терминала с козловым краном // Журнал гибких услуг и производства. 2011. Т. 25. № 4. С. 466-502.
- Дахал К., Галлоуэй С., Хопкинс И. Моделирование, симуляция и оптимизация управления портовой системой // Международный журнал гибких систем и управления. – 2007. – Т. 2. – № 1. – с. 92-108.
- PIANC. Рабочая группа MarCom 185. Порты на новых территориях – Руководство по выбору площадки и генеральному планированию , 2019, стр. 134.
- PIANC. Рабочая группа по маркетинговым коммуникациям № 158. Генеральные планы развития существующих портов. 2014. С. 230 .
- Тео Ноттебом , Атанасиос Паллис и Жан-Поль Родриг (2026) Экономика, управление и политика портов, 2-е издание, Нью-Йорк: Routledge, 734 страницы / 232 иллюстрации. ISBN 9781032955339. URL: https://porteconomicsmanagement.org/pemp/contents/part6/container-terminal-design-equipment/conventional-automated-container-terminal-configurations/
- PIANC. Рабочая группа MarCom 135. Принципы проектирования малых и средних морских контейнерных терминалов, 2014, стр. 135.
- Кузнецов А.Л. Морские контейнерные перевозки / Кузнецов А.Л., Кириченко А.В., Соляков О.В., Семенов А.Д. / МОРКНИГА. Москва. 2019. С. 412.
- Google Земля. URL: https://earth.google.com/web/
- Торесен К.А. и др. Справочник проектировщика порта. – Лондон, Великобритания: Томас Телфорд, 2010. – с. 310
- ЮНКТАД. Проектирование портов для развивающихся стран. 1985. С. 243.
- Де Берг М. и др. Вычислительная геометрия: введение // Вычислительная геометрия: алгоритмы и приложения. – Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, 2008. – С. 1-17.
- Preparata FP, Shamos MI Вычислительная геометрия: введение. – Springer Science & Business Media, 2012.
- Пиеватоло А., Грин П. Дж. Обнаружение границ с помощью динамических многоугольников // Журнал Королевского статистического общества: Серия B (Статистическая методология). – 1998. – Т. 60. – № 3. – С. 609-626.