新工藝下集裝箱碼頭裝卸資源分配模擬

金 鑫，丁以中

(上海海事大學(xué)科學(xué)研究院，上海 200135)

0 引言

現(xiàn)代港口物流的發(fā)展以及全球范圍的能源危機(jī)迫切要求集裝箱碼頭裝卸工藝的改進(jìn)和裝卸效率的提高.很多港口管理者采用增加裝卸機(jī)械數(shù)量的方法提高集裝箱碼頭裝卸效率，但在無(wú)形之中增加了能耗和運(yùn)作成本，而且往往出現(xiàn)一些機(jī)械的閑置現(xiàn)象.集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)非常復(fù)雜，很多事件都存在隨機(jī)因素(如集卡和龍門(mén)吊的運(yùn)行速度，橋吊和龍門(mén)吊的裝卸時(shí)間等).當(dāng)港口采用面向作業(yè)面的裝卸新工藝時(shí)，某些元素的隨機(jī)性對(duì)整個(gè)裝卸流程會(huì)產(chǎn)生很大影響.因此，單純采用解析法已不能滿足對(duì)港口裝卸作業(yè)研究的需求，計(jì)算機(jī)仿真方法成為解析法的有效補(bǔ)充.

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)集裝箱碼頭裝卸設(shè)備資源分配問(wèn)題的研究很多.楊靜蕾等［1]以上海港外高橋集裝箱碼頭為例，通過(guò)構(gòu)建1個(gè)動(dòng)態(tài)多級(jí)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用仿真技術(shù)描述集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出指標(biāo)的分析得出外高橋集裝箱碼頭的最佳機(jī)械配比和最合適的橋吊臺(tái)數(shù);孫立啟［2]從定性的角度闡述集裝箱裝卸設(shè)備選型和數(shù)量配置上應(yīng)注意的問(wèn)題，結(jié)合日照港的具體規(guī)劃分析了兩種適合日照港發(fā)展現(xiàn)狀的裝卸工藝方案;CANONACO等［3]通過(guò)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型和仿真，對(duì)所有泊位的岸邊起重機(jī)進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化管理集裝箱裝卸資源;PETERINGA等［4]通過(guò)模擬研究顯示長(zhǎng)期平均岸橋效率取決于集裝箱堆場(chǎng)終端箱區(qū)的長(zhǎng)度和同一箱區(qū)中部署的起重機(jī)數(shù)量;ZENG等［5]開(kāi)發(fā)出1個(gè)集裝箱碼頭裝卸資源調(diào)度的模擬優(yōu)化方法，集成了智能決策機(jī)制的優(yōu)化算法和評(píng)價(jià)職能的仿真模型.這些研究對(duì)港口的最優(yōu)運(yùn)營(yíng)、港口設(shè)備利用率的提高和港口運(yùn)營(yíng)成本的降低起到很好的作用.

目前，對(duì)面向作業(yè)面新工藝下碼頭裝卸資源配置的研究，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，對(duì)整體裝卸資源分配的仿真也缺少研究.面向作業(yè)面的裝卸工藝是指實(shí)行面向作業(yè)面的集卡分配策略，所有集卡排成1個(gè)隊(duì)列為所有橋吊服務(wù).本文介紹應(yīng)用上海外高橋集裝箱碼頭的數(shù)據(jù)以及碼頭布局構(gòu)建的1個(gè)包括錨地、泊位、堆場(chǎng)、橋吊、龍門(mén)吊和集卡的Witness仿真模型，并運(yùn)用仿真技術(shù)模擬得到集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)和最佳設(shè)備配比.集裝箱港口最佳設(shè)備配比是指在其他條件不變的情況下以作業(yè)時(shí)間最小化為目標(biāo)，或者在其他條件不變的情況下以橋吊平均單機(jī)效率(TEU/h)最大化為目標(biāo)得到的橋吊、龍門(mén)吊、集卡的比例.不論是以作業(yè)時(shí)間最小化還是以橋吊平均單機(jī)效率最大化為目標(biāo)，尋找最佳設(shè)備配比的最主要目的就是盡量減少能耗，達(dá)到“節(jié)能減排”的效果.

1 面向作業(yè)面的集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)

1.1 模擬要素

(1)船舶的到達(dá)、靠泊及離開(kāi).船舶先到達(dá)錨地，若有空閑泊位，則進(jìn)入泊位開(kāi)始卸貨;若沒(méi)有空閑泊位，則在錨地等待.若進(jìn)入泊位的船舶上所有貨物都卸載完畢，船舶立即離開(kāi)泊位，原本在錨地等待的其他船舶則進(jìn)入這個(gè)空閑泊位.［6]

(2)橋吊的裝載和卸載.對(duì)進(jìn)入泊位的船只，應(yīng)按照船舶的大小安排橋吊數(shù).［7]根據(jù)現(xiàn)在港口的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，正常使用的橋吊數(shù)為3或4，所以本文主要針對(duì)這2種情況進(jìn)行模擬研究.橋吊的作業(yè)分為兩部分，一部分是裝載船只上的集裝箱，另一部分是將裝載的集裝箱卸載到集卡上.

(3)集卡的裝載、運(yùn)行及卸載.集卡在岸邊排成1個(gè)隊(duì)列，任一橋吊有集裝箱需要卸載，集卡就到該橋吊下進(jìn)行裝載，裝完集裝箱后按集裝箱的屬性及規(guī)定的路徑將集裝箱送往指定的堆場(chǎng).當(dāng)集卡到達(dá)堆場(chǎng)但龍門(mén)吊沒(méi)有到達(dá)該堆場(chǎng)時(shí)，集卡需在堆場(chǎng)等待;當(dāng)龍門(mén)吊到達(dá)時(shí)，集卡進(jìn)行卸載，卸載完成后按規(guī)定的路徑回到岸邊的集卡隊(duì)列.

(4)龍門(mén)吊的運(yùn)行、裝載和卸載.模擬中，有的龍門(mén)吊管理1個(gè)堆場(chǎng)，有的龍門(mén)吊管理2個(gè)堆場(chǎng)，甚至3～4個(gè)堆場(chǎng).如果龍門(mén)吊管理2個(gè)或2個(gè)以上的堆場(chǎng)，則應(yīng)該有較好的機(jī)動(dòng)性，需要根據(jù)各個(gè)堆場(chǎng)的裝箱集卡到達(dá)情況按一定的規(guī)則移動(dòng)到其中1個(gè)堆場(chǎng)進(jìn)行集裝箱裝卸活動(dòng).

1.2 模擬框架

船舶在面向作業(yè)面的裝卸工藝下的作業(yè)流程見(jiàn)圖1.船舶的出現(xiàn)按照一定的規(guī)則，當(dāng)泊位空閑時(shí)船舶進(jìn)入泊位，否則就要在錨地等待，當(dāng)進(jìn)入泊位的船舶完成卸箱后離開(kāi)泊位.

圖1 船舶作業(yè)流程

橋吊基本作業(yè)流程見(jiàn)圖2.

圖2 橋吊基本作業(yè)流程

當(dāng)泊位有船舶時(shí)，需根據(jù)船舶的大小確定需要工作的橋吊數(shù)目.首先從船舶上卸箱，接著判斷岸邊的集卡隊(duì)伍中有無(wú)空閑集卡，向空閑集卡上裝箱.集裝箱卸載完畢，該船舶離開(kāi)泊位.

集卡基本作業(yè)流程見(jiàn)圖3.當(dāng)作業(yè)的任一橋吊有進(jìn)口集裝箱需要裝載時(shí)，排隊(duì)等待的集卡隊(duì)伍中最靠近岸邊的1輛集卡駛向該橋吊卸箱處進(jìn)行裝箱，然后根據(jù)集裝箱的屬性按既定線路將集裝箱運(yùn)往指定堆場(chǎng)卸箱，卸箱完畢后根據(jù)指定線路回到岸邊的集卡隊(duì)伍等待.

圖3 集卡基本作業(yè)流程

龍門(mén)吊基本作業(yè)流程見(jiàn)圖4.當(dāng)龍門(mén)吊所在箱區(qū)有需要卸箱的集卡到達(dá)時(shí)，龍門(mén)吊進(jìn)行卸箱作業(yè);否則要判定龍門(mén)吊所管轄的其他箱區(qū)是否有需要卸箱的集卡到達(dá)，如果有，龍門(mén)吊就駛向該箱區(qū)進(jìn)行卸箱作業(yè).［8]

圖4 龍門(mén)吊基本作業(yè)流程

1.3 基于Witness仿真軟件的模型界面概述

Witness是Lanner Group公司開(kāi)發(fā)的仿真軟件，主要用于離散事件系統(tǒng)的仿真.Witness仿真軟件已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域.集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的Witness模型界面見(jiàn)圖5.

圖5 集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的Witness模型界面

由圖5可知，區(qū)域1為元素選擇窗口，模型所需的元素和用到的元素都在此區(qū)域，可進(jìn)入任何1個(gè)元素進(jìn)行各種操作;區(qū)域2為港口和泊位的一些元素，包含錨地、在泊船數(shù)和正在卸載的船舶上的集裝箱數(shù)目;區(qū)域3為岸邊的部分，3個(gè)橋吊同時(shí)工作，并且3個(gè)橋吊之間有道路相通;區(qū)域4為等待裝箱的集卡排隊(duì)道路，所有工作的集卡都在這里排隊(duì)等待;區(qū)域5為堆場(chǎng)，每個(gè)堆場(chǎng)右下角的數(shù)字代表堆場(chǎng)的集裝箱數(shù)目.圖5所示為3個(gè)橋吊、8個(gè)龍門(mén)吊和21輛集卡組成的模型.

2 參數(shù)及程序設(shè)計(jì)

2.1 輸入?yún)?shù)

(1)船舶信息:到達(dá)間隔、離靠泊時(shí)間和船舶容量;

(2)集裝箱信息:20英尺、40英尺、特種箱、空箱和到達(dá)各個(gè)堆場(chǎng)的概率;

(3)橋吊信息:裝卸時(shí)間、空載返回時(shí)間、平移速度和2個(gè)橋吊之間的距離;

(4)龍門(mén)吊信息:裝卸時(shí)間、空載返回時(shí)間、直行轉(zhuǎn)彎的行走速度和當(dāng)前的分配情況;

(5)集卡:重載速度、空載速度和在碼頭前沿道路、箱區(qū)及拐彎時(shí)的速度;

(6)碼頭平面圖:堆場(chǎng)個(gè)數(shù)以及其尺寸、距離和道路長(zhǎng)度;

(7)隨機(jī)情況:船舶到達(dá)時(shí)間分布、船舶離靠泊時(shí)間、船舶容量、橋吊和龍門(mén)吊的裝卸時(shí)間和運(yùn)行速度以及集卡的速度.

2.2 輸出參數(shù)

(1)船時(shí)效率:船舶裝卸總量/裝卸總時(shí)間;

(2)橋吊平均單機(jī)效率:橋吊裝卸總量/(橋吊運(yùn)行總時(shí)間×橋吊個(gè)數(shù));

(3)橋吊下集卡和集卡在堆場(chǎng)的平均等待時(shí)間;

(4)橋吊下集卡的平均隊(duì)長(zhǎng).

3 裝卸設(shè)備最佳配比分析

3.1 裝卸設(shè)備配置最佳配比的內(nèi)涵

本文對(duì)集裝箱碼頭裝卸設(shè)備配置最佳配比的研究以橋吊平均單機(jī)效率最大化為目標(biāo)，通過(guò)運(yùn)行橋吊、龍門(mén)吊和集卡的各種配置比例模型，得到橋吊、龍門(mén)吊和集卡的最佳配比.以橋吊平均單機(jī)效率最大化為目標(biāo)，本質(zhì)上就是減少能耗，因?yàn)樵诩b箱碼頭實(shí)際運(yùn)作中橋吊的運(yùn)行能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于龍門(mén)吊和集卡.集裝箱碼頭在作業(yè)過(guò)程中充分利用已經(jīng)啟動(dòng)的橋吊，并在此條件下使用最少的龍門(mén)吊和集卡完成相同的裝卸量，可減少橋吊的運(yùn)行時(shí)間，大大減少能耗.

3.2 最佳配比模擬運(yùn)算過(guò)程

(1)已知橋吊和龍門(mén)吊數(shù)量，模擬最佳的集卡數(shù)量.設(shè)集裝箱以同等概率運(yùn)至12個(gè)堆場(chǎng)，橋吊數(shù)目為3臺(tái)，通過(guò)模擬模型的運(yùn)行可分別得到龍門(mén)吊數(shù)為3～12臺(tái)、集卡數(shù)為1～18輛時(shí)的橋吊平均單機(jī)效率.模擬結(jié)果表明，當(dāng)橋吊和龍門(mén)吊數(shù)量確定后，橋吊的單機(jī)效率將隨集卡數(shù)量的增加而上升，但其上升的速度逐漸減小;當(dāng)集卡數(shù)量達(dá)到某個(gè)值(拐點(diǎn))時(shí)，橋吊的單機(jī)效率基本不再上升，這時(shí)的集卡數(shù)量就是使橋吊單機(jī)效率最大的最低集卡數(shù).表1為橋吊數(shù)取3，不同龍門(mén)吊數(shù)目下取得拐點(diǎn)時(shí)的集卡數(shù)目和橋吊平均單機(jī)效率.

表1 橋吊數(shù)為3時(shí)的最佳裝卸設(shè)備配比模擬運(yùn)算

(2)已知橋吊數(shù)量，模擬最佳的龍門(mén)吊數(shù)量.通過(guò)模擬可得，在3臺(tái)橋吊下且以表1中的最佳集卡進(jìn)行配置時(shí)，不同龍門(mén)吊數(shù)量對(duì)于橋吊單機(jī)效率的影響.模擬結(jié)果表明，當(dāng)龍門(mén)吊數(shù)量增加時(shí)，橋吊的單機(jī)效率上升，但其增加的速度隨龍門(mén)吊數(shù)量的不斷增加而放慢;當(dāng)龍門(mén)吊數(shù)量增加至某個(gè)數(shù)值(拐點(diǎn))時(shí)，橋吊的單機(jī)效率基本不再增加，因?yàn)檫@時(shí)已有足夠的龍門(mén)吊來(lái)為集卡服務(wù)，繼續(xù)增加龍門(mén)吊只能造成龍門(mén)吊等待集卡的時(shí)間變長(zhǎng).這個(gè)拐點(diǎn)就是在3臺(tái)橋吊下龍門(mén)吊的最佳配置數(shù)量.同理可得在不同橋吊數(shù)量下的最佳龍門(mén)吊配比.

圖6為3臺(tái)橋吊以最佳集卡數(shù)配備時(shí)，不同龍門(mén)吊數(shù)量對(duì)橋吊單機(jī)效率的影響.

圖6 3臺(tái)橋吊、不同龍門(mén)吊數(shù)目下的橋吊單機(jī)效率

由圖6可知，當(dāng)龍門(mén)吊數(shù)量從3臺(tái)開(kāi)始增加時(shí)，橋吊的單機(jī)效率上升;但當(dāng)龍門(mén)吊數(shù)量增加至7臺(tái)后，橋吊單機(jī)效率增加的速度放慢;當(dāng)龍門(mén)吊數(shù)量增加至9臺(tái)后，橋吊的單機(jī)效率基本不再增加.因此，當(dāng)橋吊為3臺(tái)時(shí)，龍門(mén)吊的最佳數(shù)量為9臺(tái)，集卡的最佳數(shù)量為15輛，這時(shí)橋吊的平均單機(jī)效率為26.8 TEU/h，對(duì)應(yīng)船時(shí)效率為80 TEU/h，堆場(chǎng)和橋吊下每輛集卡的平均等待時(shí)間分別為0.014 h和0.045 h，橋吊下集卡的平均隊(duì)長(zhǎng)為22.2輛/h.

同理可得不同橋吊數(shù)下龍門(mén)吊的最佳數(shù)量.橋吊數(shù)為4臺(tái)、龍門(mén)吊的實(shí)驗(yàn)數(shù)目依次為4～16臺(tái)、集卡的實(shí)驗(yàn)數(shù)目依次為1～22輛時(shí)的模擬運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 橋吊數(shù)為4時(shí)的最佳裝卸設(shè)備配比模擬運(yùn)算表

圖7為4臺(tái)橋吊時(shí)龍門(mén)吊數(shù)量對(duì)橋吊平均單機(jī)效率的影響.根據(jù)拐點(diǎn)分析可得，4臺(tái)橋吊下的最佳龍門(mén)吊數(shù)和集卡數(shù)分別是12臺(tái)和16輛，單機(jī)效率是26.8 TEU/h，對(duì)應(yīng)船時(shí)效率為107 TEU/h，橋吊下集卡和堆場(chǎng)的每輛集卡的平均等待時(shí)間分別為0.036 h和0.011 h，橋吊下集卡的平均隊(duì)長(zhǎng)為27.8輛/h.

圖7 4臺(tái)橋吊、不同龍門(mén)吊數(shù)目下的橋吊單機(jī)效率

在傳統(tǒng)工藝下，橋吊、龍門(mén)吊和集卡分配的方法與面向作業(yè)面的方法基本相同.通過(guò)模擬運(yùn)算可以得到傳統(tǒng)工藝下橋吊數(shù)為3臺(tái)時(shí)，最佳龍門(mén)吊和集卡數(shù)分別是10臺(tái)和16輛;橋吊數(shù)為4臺(tái)時(shí)，最佳龍門(mén)吊和集卡數(shù)分別是13臺(tái)和18輛.傳統(tǒng)工藝和面向作業(yè)面工藝下裝卸設(shè)備的配比見(jiàn)表3.由表3可知，面向作業(yè)面工藝可有效節(jié)約設(shè)備資源.當(dāng)橋吊數(shù)為3臺(tái)時(shí)，可節(jié)約1臺(tái)龍門(mén)吊、1輛集卡;當(dāng)橋吊數(shù)為4臺(tái)時(shí)，可節(jié)約1臺(tái)龍門(mén)吊和2輛集卡.

表3 傳統(tǒng)工藝和面向作業(yè)面工藝下裝卸設(shè)備配比比較

4 結(jié)論

本文主要探討面向作業(yè)面新工藝下碼頭裝卸資源的配置，運(yùn)用Witness仿真軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，最終給出合理的整體碼頭裝卸資源配置.相對(duì)于傳統(tǒng)的面向作業(yè)線作業(yè)的碼頭裝卸系統(tǒng)，面向作業(yè)面作業(yè)的碼頭裝卸系統(tǒng)可減少裝卸設(shè)備的使用量，減少能耗.

在實(shí)踐方面，上?！巴飧邩?期”已經(jīng)采用“面向作業(yè)面”的集卡調(diào)度，寧波北侖港碼頭和青島港也已經(jīng)開(kāi)始采用“面向作業(yè)面”的新工藝;但由于缺乏對(duì)面向作業(yè)面新工藝下資源配置的理論研究，大多憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，不利于合理決策實(shí)際操作中的資源配置.本文的研究結(jié)果可為集裝箱碼頭裝卸資源整體配置提供科學(xué)的決策依據(jù).

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