萬州港江南集裝箱碼頭設(shè)備配置仿真建模研究

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(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063)

隨著現(xiàn)代物流的不斷發(fā)展，港口內(nèi)部物流效率的高低不僅影響到了港口本身的競(jìng)爭(zhēng)力，還影響到以港口為基本結(jié)點(diǎn)的整個(gè)運(yùn)輸鏈的效率。提高集裝箱碼頭物流運(yùn)作效率的途徑之一就是購(gòu)置或更新各種裝卸設(shè)備。但是，由于集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備都比較昂貴，所以一般不能通過無限制購(gòu)進(jìn)設(shè)備來滿足箱量需求和提高碼頭服務(wù)水平。因而許多集裝箱碼頭為提高管理水平和物流效率，采取的重要措施就是對(duì)現(xiàn)有資源(泊位、橋吊、龍門吊、集卡等)合理配置來提高碼頭的裝卸效率[1]。

萬州港地處長(zhǎng)江中上游結(jié)合部，三峽庫(kù)區(qū)腹心地帶，素有“川東門戶”之稱，三峽庫(kù)區(qū)形成后，萬州港作為庫(kù)區(qū)最大的樞紐港口，在長(zhǎng)江干線上起著承東啟西的作用。據(jù)預(yù)測(cè)江南集裝箱碼頭吞吐量2010、2015、2020年分別為21萬、32萬、43萬TEU，而現(xiàn)有的集裝箱碼頭設(shè)備配置已經(jīng)不能滿足裝卸作業(yè)量逐年增加的要求。考慮在不增加設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建一個(gè)包括泊位、橋吊、龍門吊和集卡的閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型較為全面地描述集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，運(yùn)用Matlab仿真技術(shù)模擬計(jì)算碼頭裝卸系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，以達(dá)到碼頭設(shè)備配置效率最優(yōu)的目的，最大限度地滿足裝卸作業(yè)量的增加。

1 閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型

在集裝箱碼頭設(shè)備配置的閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型中，橋吊、龍門吊和集卡的行走時(shí)間不能采用一般的分布進(jìn)行很好的擬合，而閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)乘積形式的求解，一般都要求各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布。因此，采用估算均值法計(jì)算閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，并通過性能指標(biāo)優(yōu)化集裝箱碼頭設(shè)備配置。

1.1 模型的特點(diǎn)

1) 顧客是集卡。為了描述集卡的水平運(yùn)輸時(shí)間，虛設(shè)一個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)，并假設(shè)路徑節(jié)點(diǎn)的服務(wù)臺(tái)數(shù)為無窮，其服務(wù)時(shí)間均值是集卡的水平運(yùn)輸時(shí)間均值[2]；

2) 網(wǎng)絡(luò)共三個(gè)節(jié)點(diǎn)，橋吊節(jié)點(diǎn)、路徑節(jié)點(diǎn)和龍門吊節(jié)點(diǎn)；

3) 集卡在閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路徑鏈為:橋吊節(jié)點(diǎn)服務(wù)結(jié)束后，集卡以轉(zhuǎn)移概率1進(jìn)入路徑節(jié)點(diǎn)；龍門吊節(jié)點(diǎn)服務(wù)結(jié)束后，集卡以轉(zhuǎn)移概率1進(jìn)入路徑節(jié)點(diǎn)；路徑節(jié)點(diǎn)服務(wù)結(jié)束后，轉(zhuǎn)移到橋吊節(jié)點(diǎn)的集卡是載有出口集裝箱的集卡，其轉(zhuǎn)移概率為r21,轉(zhuǎn)移到龍門吊節(jié)點(diǎn)的集卡是載有進(jìn)口箱的集卡，其轉(zhuǎn)移概率為r23；

4) 閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中既沒有進(jìn)場(chǎng)外卡到達(dá)，也沒有內(nèi)卡離開系統(tǒng)。

1.2 假設(shè)條件

1) 網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到穩(wěn)態(tài)；

2) 各節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)間相互獨(dú)立，但服務(wù)時(shí)間分布不限；

3) 顧客轉(zhuǎn)移概率獨(dú)立。

1.3 模型符號(hào)說明

在介紹模型輸入?yún)?shù)之前，首先說明模型所用符號(hào)含義:

Si網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均服務(wù)時(shí)間，i= 1,2,3，分別代表橋吊、路徑、龍門吊。

σi各節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差；

Ci各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)臺(tái)數(shù)；

ri集裝箱從節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)j的概率，有：

(1)

Ai節(jié)點(diǎn)i的總到達(dá)率

(2)

1.4 集裝箱碼頭設(shè)備配置優(yōu)化

不同橋吊、龍門吊和集卡的配比得到的橋吊、龍門吊的利用率和集卡等待時(shí)間各不相同。由于橋吊是集裝箱碼頭設(shè)備中最昂貴的裝卸機(jī)械，因此，碼頭的管理者更為關(guān)心的是橋吊的利用率指標(biāo)。所以，在集裝箱碼頭設(shè)備配置優(yōu)化時(shí)，首先要滿足橋吊合理的利用率。采用估算均值法分別計(jì)算不同橋吊、集卡、龍門吊配比下的系統(tǒng)性能指標(biāo)，滿足橋吊利用率的最小龍門吊和集卡配比即為集裝箱碼頭的最優(yōu)設(shè)備配比[3]。最優(yōu)設(shè)備配比的計(jì)算流程如下:

1) 賦初值C1=1，C3=1；

2) 根據(jù)式(2)計(jì)算閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)相對(duì)達(dá)率；

3) 令H為集卡臺(tái)數(shù)，采用估算均值分析法計(jì)算h從1～H的閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能指標(biāo)；

4) 在C1和C3的變化范圍內(nèi)，依次改變。C1和C3的值，計(jì)算不同橋吊、集卡和龍門吊比例下系統(tǒng)性能指標(biāo)；

5) 根據(jù)橋吊節(jié)點(diǎn)、龍門吊節(jié)點(diǎn)利用率，按照集裝箱碼頭設(shè)備配置優(yōu)化目標(biāo)，求解最優(yōu)的橋吊、集卡和龍門吊配比。

2 應(yīng)用

萬州港江南集裝箱碼頭主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 萬州港江南集裝箱碼頭主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)江南集裝箱碼頭主要技術(shù)參數(shù)可以得到閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中橋吊、集卡和龍門吊節(jié)點(diǎn)的平均服務(wù)率為:

(μ1μ2μ3)=(0.244 5 0.693 9 0.343 3)

各節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為

(σ1σ2σ3)=(101.430 0 25.882 0 93.004 0)

顧客轉(zhuǎn)移概率為：r21=0.54,r23=0.46

橋吊臺(tái)數(shù)為1；集卡的變化范圍為1～6；龍門吊的變化范圍為1～4。

將上述已知條件輸入到以MTALab軟件編程建立的閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)集裝箱碼頭設(shè)備優(yōu)化仿真模型中，結(jié)果見表2。

表2 橋吊、龍門吊計(jì)算仿真結(jié)果

續(xù)表2

從表2可以看出，橋吊利用率大于0.900 0的最小橋吊、集卡和龍門吊配置是(1,3,1)，在橋吊為1臺(tái)，集卡為3臺(tái)，龍門吊為1臺(tái)的情況下，橋吊和龍門吊節(jié)點(diǎn)的利用率分別為0.941 7和0.572 1。由此可以得出在此閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，1個(gè)橋吊配置3臺(tái)集卡，1臺(tái)龍門吊可以使系統(tǒng)中某一個(gè)橋吊的利用率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且使得設(shè)備配置最優(yōu)，以節(jié)約裝卸設(shè)備配置費(fèi)用。

3 結(jié)論

裝卸設(shè)備的優(yōu)化配置是集裝箱碼頭作業(yè)的核心內(nèi)容之一，是影響碼頭作業(yè)效率的關(guān)鍵因素[4]。通過對(duì)萬州港江南集裝箱碼頭的設(shè)備配置進(jìn)行分析，經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化建立了閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，從系統(tǒng)的角度研究了集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的優(yōu)化配置問題，并運(yùn)用MATLab仿真技術(shù)，計(jì)算得出了橋吊、龍門吊、集卡的合理配比結(jié)果，達(dá)到了最大限度的利用現(xiàn)有資源的目的。本文研究成果在萬州港江南集裝箱碼頭取得良好的實(shí)際效果，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 張新艷,張 煜,王少梅,等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的港口集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真建模技術(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2001,25(4)：470-473.

[2] 彭傳圣.集裝箱碼頭前沿設(shè)備配置數(shù)量研究[J].集裝箱化，2005(7)：23-27.

[3] 李建忠.碼頭堆場(chǎng)龍門起重機(jī)動(dòng)態(tài)配置優(yōu)化模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào).2005,5(1)：70-74.

[4] 沙 梅.集裝箱碼頭物流系統(tǒng)建模與仿真綜述[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,26(1)：6-12.