一种基于仿真的方法：评估氢动力港口设备的能耗与运行可行性

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A simulation-based approach to assess the energy consumption and operational feasibility of hydrogen-powered port equipment

　　

以零排放传动系统替代柴油驱动的集装箱装卸设备可带来显著环境效益，但也引发了对运行可行性的担忧。本研究提出了一种基于图网络（graph networks）的可扩展仿真方法，用于估算集装箱装卸设备的能耗。研究人员采用该方法评估运行工况与车辆构型如何影响氢动力码头牵引车和跨运车的运行可行性。通过系统参数变动，研究考察了驾驶员行为、运行因素和技术规格对能量需求的影响。结果表明，氢燃料电池（fuel cell）系统能够满足集装箱码头作业的个体性能需求。载荷和驾驶员行为主导能耗，而依据预期应用对储氢罐和电池尺寸进行定制可提升可行性。研究结果为在多样化码头环境中设计和运行零排放集装箱装卸设备提供了指导。

该文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，聚焦港口集装箱装卸设备（CHE，container handling equipment）零排放转型中的关键瓶颈，即在满足减排目标的同时，设备能否在真实码头作业条件下维持连续、稳定且不间断的运行。研究背景在于，柴油驱动港口设备长期带来大量二氧化碳（CO₂）、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物排放，同时伴随噪声污染。尽管燃料电池电动车（FCEV，fuel cell electric vehicle）和纯电动车（BEV，battery electric vehicle）等电气化方案具有无本地排放、效率高、可回收制动能量等优势，但在码头场景中的推广仍然有限。原因并不主要在于技术概念缺失，而在于“运行可行性”难以定量证明：码头设备类型繁多、作业模式差异显著、场地布局复杂，且目前缺少类似公路重型车辆那样的标准化测试循环，因此单纯依赖实测数据难以对不同场景下的能耗和续航能力开展系统评价。正是在这一问题驱动下，研究人员提出一种图网络（graph networks）驱动的仿真框架，希望在减少高成本实地测试的同时，对零排放港口设备在多类工况中的适用性进行可推广分析。

研究人员构建了一个两步法分析体系。首先，将集装箱码头布局抽象为由节点和边构成的图网络，其中节点包括路径节点与作业节点，边代表车辆可通行的道路，并附加距离、坡度等属性。在给定作业场景、车辆装载状态和驾驶员行为参数后，模型利用最短路径算法生成车辆在码头中的运行路线，并进一步生成速度、加速度、坡度、总质量等时序剖面，以及主动设备所需的起升作业循环。其次，研究人员采用后向车辆模型（backwards-facing vehicle model）计算驱动、起升与辅助负载对应的功率需求，并结合燃料电池—动力电池混合供能结构及基于规则的能量管理策略（EMS，energy management strategy），估算氢耗、电池荷电状态（SOC，state of charge）与储氢状态（SOF，state of fuel）的动态变化。以设备能否在不补能情况下完成至少一个完整班次作为运行可行性的核心判据，研究分别在平面堆场码头与空箱码头两个参考终端上，对码头牵引车（TT，terminal tractor）和跨运车（SC，straddle carrier）进行多参数、多轮次仿真评估。研究结论表明，所分析的燃料电池驱动配置总体上能够满足码头8 h连续作业要求，但能耗与续航对载荷、驾驶行为、场地布局以及储氢和电池配置高度敏感，因此设备选型和运行组织必须面向具体应用进行定制。该研究的重要意义在于，它提供了一个可扩展、可迁移的统一评估框架，可用于支持零排放港口设备的设计优化、配置比较和运行组织决策。

从方法上看，本文主要采用了四类关键技术。第一，使用图网络对码头空间和物流节点进行结构化表征，并通过Dijkstra算法生成设备在不同任务间的最短路径。第二，基于驾驶约束与作业逻辑构建行驶循环和作业循环，将水平运输、转弯、等待、起升和下降等行为转化为可计算的时序运动剖面。第三，采用车辆动力学模型与后向功率需求计算方法，耦合空气阻力、滚动阻力、坡度阻力、惯性项和起升功率，以获得设备总功率需求。第四，引入燃料电池—电池混合动力系统和基于规则的EMS，对氢耗、SOC和续航进行迭代求解。案例研究并非基于实地样本队列，而是基于两个通用化参考码头原型展开，每种配置进行10次独立仿真，以反映随机节点选择带来的统计波动。

在结果部分，论文首先讨论“Driver behaviour and operational factors”。对于被动设备，即4×2码头牵引车，研究表明在平面堆场码头和空箱码头两种场景下，所有设定工况均可达到8 h最低运行要求。空箱码头上的运行时长普遍比平面堆场码头长约2 h，最高可达约17 h。该结论来自对不同加速度、减速度和最高车速限制条件下运行范围的仿真比较。进一步分析显示，速度限制提升会降低运行范围，而空箱码头因道路更长、更直，车速变化对续航的影响更为显著。与此同时，加减速越激进，设备功率需求越高、运行时长越短。对应的氢耗结果处于0.7–1.7 kg/h范围。对于主动设备，即跨运车，研究在驾驶参数之外进一步纳入起升速度。仿真结果显示，跨运车的氢耗位于2.4–3.6 kg/h范围，整体同样可满足作业需求。加减速和最高车速增加会缩短运行范围，但当加减速限制提升超过基准值20%后，续航不再明显下降，说明跨运车较大的整机质量和功率限制已经约束了更激进驾驶指令的实际发挥。起升速度降低则会延长运行范围。

围绕上述结果，论文在讨论中首先保留并展开“Payload”这一主题。研究通过比较两类码头牵引车工况指出，载荷质量及总车重是决定能耗的关键因素。空箱码头使用较轻载荷和较轻挂装组合，因此牵引功率更低、续航更长。这说明载荷虽难以人为改变，却直接决定零排放设备是否适用于特定作业场景。随后在“Driving velocity and acceleration”部分，研究指出车速和加减速限制是可调控的重要运行变量。降低最高车速、减缓驾驶激烈程度可有效延长运行范围，但代价是单位时间内可完成的搬运任务减少，即生产率下降。文章据此强调，能源节约与作业效率之间存在显著权衡，需通过更有效的车辆调度和驾驶信息协同来缓解，例如在驾驶员已知到达后仍需等待装卸时，采用更节能的驾驶方式不会破坏整体流程，反而有利于提升设备可用时长。

在“Lifting related metrics”部分，研究指出，降低起升速度也能延长跨运车运行范围，但其机制并非起升本身显著省能，而是起升时间变长后，整个作业周期中高能耗的行驶阶段占比下降，低能耗的起升阶段占比上升，从而间接改善续航。研究同时指出，相较于降低起升速度，降低行驶速度是更有效的能耗控制手段，因此更优策略是在保持较高起升效率的同时适度抑制行驶速度。论文还指出，不同岸桥分配也会改变跨运车平均行驶距离与起升占比，从而影响能耗与运行范围，说明设备任务分配与路径组织是运行可行性的重要组成部分。

在“Comparison with literature”部分，研究将仿真得到的氢耗结果与既有文献和制造商公开数据进行对照，认为码头牵引车和跨运车的模拟结果与既往范围的低值端基本一致。尽管跨运车缺乏公开验证模型，但由于所有构型采用同一套物理仿真框架，相对变化趋势仍具有分析价值。作者据此进一步提出，若脱离明确工况边界而直接给出“平均能耗”或“平均续航”，其实际参考意义十分有限，行业迫切需要建立标准化评估体系，无论是物理测试循环还是统一仿真流程，都应在相同边界条件下比较不同零排放方案。

在“Device specifications”部分，论文进一步考察车辆技术参数对码头牵引车运行范围的影响。结果表明，整车质量增加会降低运行范围，储氢罐容量增加和燃料电池效率提升则可线性改善续航。平面堆场码头中，储氢罐容量最低的情形是唯一未能满足8 h要求的配置，表明高强度工况下储氢配置存在明确下限。关于电池容量，影响则更复杂，且依赖于码头类型。在平面堆场码头中，增大电池容量可略微延长运行范围；在空箱码头中，减小或增大电池容量都可能较基准值更有利。这一现象与EMS控制逻辑有关：当燃料电池最优功率点高于平均负载时，较小电池减少了需充入的能量，从而节省氢耗；当平均功率需求较高时，较大电池则可在SOC下降到下限前提供更多缓冲能量。由此，研究得出一个重要认识，即电池并非越大越好，其配置必须与燃料电池额定功率、储氢能力和具体任务负荷共同匹配。对于本文分析的平面堆场码头和空箱码头工况，更小电池往往是更优选择，而运行范围提升更适合通过燃料电池尺寸匹配和EMS设计实现。

讨论部分总体强调，零排放港口设备的运行可行性并不是由单一技术参数决定，而是由场地布局、载荷特征、驾驶行为、设备任务分配、储氢配置、电池容量以及控制策略共同塑造的系统性结果。本文提出的图网络—车辆动力学耦合框架，能够在无需针对每一场景进行实地测试的前提下，揭示这些因素的相对影响，为面向应用的设备设计与运行优化提供依据。研究也明确指出，多班制运行默认储氢系统可在班次间隙完成补给，因此足够的加氢基础设施仍是零排放设备大规模部署的前提条件之一。

研究结论部分可译为：为推动零排放集装箱装卸设备（CHE，container handling equipment）的广泛应用，必须满足若干关键前提条件，包括技术成熟度、运行可行性和经济可行性。本文针对氢燃料驱动集装箱装卸设备的运行可行性展开研究，核心目标是识别决定当前市场可获得零排放构型能否替代传统柴油设备的关键参数与条件。为此，研究提出了一种用于估算集装箱装卸设备能耗的新方法，能够系统分析不同运行条件和车辆规格如何影响能量需求及运行范围。通过将集装箱码头表述为图网络，该方法能够为CHE生成通用化行驶循环，从而在无需为每一种场景收集测试数据的情况下评估多类应用，显著降低研究工作量与成本。研究针对平面堆场码头和空箱码头上的码头牵引车，以及平面堆场码头上的跨运车开展分析。结果表明：所研究的燃料电池电动CHE构型能够满足最低运行范围要求；驾驶员行为会显著影响能耗，限制加速度、减速度和车速可明显提升运行范围，但同时会降低设备的最大生产率，这一权衡说明了协同化码头运行管理的重要性；码头布局和载荷等具体特征是影响车辆能量需求的关键因素，评估零排放CHE部署可行性时必须纳入这些场址特定条件，而且结果的广泛离散性说明，若不精确定义工况，仅报告能耗或运行时间数值是不充分的；本文设定的运行范围要求是车辆至少能够完成一个8 h班次，在多班制条件下，这意味着氢罐需在指定休息时段内完成加注，因此也凸显了充足加氢基础设施的必要性。未来研究应进一步考察已识别措施如何在更大规模上支撑零排放车辆运行可行性，包括补能事件对车队规模需求的影响，以及在加氢基础设施受限条件下整支车队转换后是否仍能满足作业要求；同时，经济可行性评估也同样关键，因为只有运行可行性与经济可行性共同成立，才能为大规模车队替代提供充分依据。