裝卸同步工藝下的集卡配置仿真研究

樂美龍， 于 航， 張少凱

(1.上海海事大學 物流研究中心,上海 201306)(2.上海海事大學 經(jīng)濟管理學院,上海 201306)

2008年經(jīng)濟危機以后,世界航運市場正在慢慢復蘇,我國的集裝箱運輸量也在逐年增長.如何提高集裝箱碼頭的作業(yè)效率,減少碼頭的作業(yè)成本已成為我國各碼頭公司關注的焦點.在集裝箱碼頭的作業(yè)系統(tǒng)中,內集卡資源的配置是銜接各設備流暢作業(yè)的核心,也是降低碼頭作業(yè)成本的關鍵.如何優(yōu)化集裝箱碼頭內集卡資源的配置成為當前研究的核心.

國內外許多學者已對該問題進行了研究.文獻[1]運用基于仿真的優(yōu)化方法著重研究集裝箱港口動態(tài)集卡配置問題；文獻[2]研究了堆場和集卡的一體化,并提出了集裝箱港口卸船作業(yè)調度方案兩階段禁忌搜索算法；文獻[3]研究了場橋與集卡的協(xié)同調度；文獻[4]提出了動態(tài)集卡調度和人員排班計劃問題,并提出了以解決隊列優(yōu)化為目標的動態(tài)規(guī)劃方法；文獻[5]提出了橋吊和集卡排班的問題,并采用基于Johnson規(guī)則的遺傳算法來優(yōu)化排班問題.以上研究局限于港口的部分裝卸設備,不能將港口裝卸過程進行系統(tǒng)化的考慮.因此，文獻[6]提出了由集裝箱集疏運問題向柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacture system,FMS)生產(chǎn)調度問題轉化的方法和模型,解決復雜的集裝箱港口集疏運系統(tǒng)多階段動態(tài)調度問題；文獻[7]通過研究對港口前沿交通流,分析了集裝箱拖掛車在前沿的滯留時間與作業(yè)的集裝箱岸橋數(shù)量比的關系.隨著計算機技術的發(fā)展,港口裝卸設備的研究開始以仿真的方法為主.文獻[8-13]利用仿真對港口裝卸問題進行了研究.其中文獻[8]建立了港口裝卸設備動態(tài)多級排隊網(wǎng)絡,研究了上海外高橋港口的最優(yōu)岸橋數(shù)和最佳集卡配比數(shù)；文獻[12]分析了在傳統(tǒng)模式下單船裝卸運輸仿真模型中集卡數(shù)量配置和車速對整船裝卸時間的影響.針對同步裝卸研究工藝,文獻[14]進行了碼頭同步裝卸工藝的優(yōu)化研究；文獻[15]建立了同貝同步裝卸調度模型,實現(xiàn)裝卸橋在同一貝位內同時進行裝船與卸船作業(yè),模型通過優(yōu)化裝卸橋作業(yè)序列與出口集裝箱積載計劃降低裝卸橋與龍門吊作業(yè)時間.

當前研究中缺少在裝卸同步這種作業(yè)工藝下的集卡配置策略研究.本文中利用Flexsim-CT對碼頭作業(yè)鏈進行仿真,通過對不同集卡資源下仿真指標的對比分析,試圖找到適用于碼頭的最優(yōu)配置策略.

1 問題描述

1.1 裝卸同步作業(yè)特點

傳統(tǒng)的集裝箱碼頭裝卸工藝為先卸后裝,即船舶靠泊后先根據(jù)船舶各貝位的裝卸量信息制定進口箱的卸載計劃,當該船的所有卸載任務完成后再開始進行出口箱的裝載任務安排.該種作業(yè)工藝適用于各種大小的船只,并廣泛應用于國內的各個集裝箱碼頭.先裝后卸工藝保證了裝載過程中船舶的穩(wěn)定性,同時減少了集卡在橋吊下的排隊等候時間.

裝卸同步工藝較先卸后裝工藝來說在實際的生產(chǎn)中使用較少,該工藝要求橋吊在完成一個集卡的裝載任務之后立刻為該集卡安排一個卸載箱的運輸任務.該工藝僅適用于對裝卸穩(wěn)定要求低的大型船只,對小船的實用性較低.同時該工藝對集卡的調度要求更高,如果作業(yè)銜接環(huán)節(jié)失穩(wěn)會造成集卡在橋吊下的等待時間增長.兩種工藝的示意如圖1.

與傳統(tǒng)操作工藝相比,裝卸同步工藝可以優(yōu)化碼頭的作業(yè)效率,提高碼頭內集卡的利用率,降低碼頭的運營成本.但裝卸同步工藝對碼頭公司的調度水平要求更高,對集卡的配置方案要求更細.因此,采取該種工藝能否起到預期的優(yōu)化效果,關鍵的環(huán)節(jié)就是對集卡資源的配置研究.

a) 先卸后裝

b) 裝卸同步

1.2 作業(yè)面與作業(yè)線策略

集卡作為集裝箱碼頭作業(yè)中的主要運輸工具,其資源的合理配置和調度關系著整個碼頭作業(yè)的效率和成本.如何減少集卡在裝卸同步工藝下的等待時間,提高集卡的利用率是集卡配置策略考慮的重點.當前的集卡配置策略主要有兩種：一種為基于作業(yè)線(dedicated dispatching)的集卡分配策略；一種為基于作業(yè)面(pool dispatching)的集卡分配策略.兩種作業(yè)方式的示意如圖2.其中作業(yè)線的分配策略為每一作業(yè)路分配了一定數(shù)量的集卡,該集卡群僅負責該作業(yè)路的裝卸任務,并不負責不同作業(yè)路間調度.該策略保證了每個作業(yè)路的作業(yè)效率，但集卡的利用率較低.

作業(yè)面的分配策略特點是將全部內集卡放置于一個虛擬的集卡池(pool)中供船舶的所有作業(yè)路共同調度,該種策略一方面可提高集卡的利用率,提高集裝箱碼頭的整體作業(yè)效率.另一方面,對中控的調度水平提出了更高的要求,如何在作業(yè)面模式下降低集卡的等待時間,控制集卡池的規(guī)模是優(yōu)化的重點.

a) 作業(yè)線

b) 作業(yè)面

2 建模仿真

2.1 仿真流程

在裝卸同步的作業(yè)模式下,所構建的集卡工作仿真系統(tǒng)主要包括船舶、橋吊、堆場、龍門吊和集卡等實體.該仿真模型中集卡進行的主要作業(yè)為進口箱的卸載運輸作業(yè)和出口箱的裝載運輸作業(yè).模型的仿真工作流程如圖3.在該仿真模型中產(chǎn)生的主要事件有:

圖3 集卡作業(yè)仿真流程Fig.3 Process of yard truck simulation

1)Load事件 用來描述進口箱卸載時橋吊放箱空集卡上和出口箱提箱時龍門吊放箱在空集卡上的動作.同時該事件也包括了出口箱裝載時橋吊的放箱動作和進口箱進場時龍門吊的放箱動作.

2)Unload事件 用來描述出口箱裝載時橋吊從集卡上提走集裝箱和進口箱進場時龍門吊從集卡上提箱的動作.同時該事件也包括了進口箱卸載時龍門吊從集卡取箱的操作和出口箱裝載時橋吊從集卡取箱的操作.

3)Travel事件 用來描述集卡載箱運輸?shù)膭幼?

4)Waiting事件 用來描述集卡等待裝箱和等待提箱的動作.同時也表示其他設備作業(yè)銜接間產(chǎn)生等待時的動作.

2.2 性能指標仿真計算公式

研究的重點是集卡的配置方案,而配置方案不僅關系到集卡的作業(yè),同時也影響到整個碼頭系統(tǒng)的作業(yè)效率.因此選擇整體的作業(yè)完成,時間Ti和集卡的平均工作等待率Wi及集卡的平均利用率Pi,作為主要的評價指標進行分析.指標的定義如下:

式中：n為仿真實驗的次數(shù),ti為第i次仿真時的作業(yè)完成總時間,wi為在第i次仿真時的集卡平均工作等待率,pi為第i次仿真時的集卡平均空置率.

3 仿真結果分析

3.1 設置對象參數(shù)

以一艘載箱量為8 000TEU的集裝箱船為研究對象,對其從船舶靠港開始到其離開連續(xù)進行裝卸船作業(yè)仿真.在模型中假設只有40FT一種箱型,船舶靠岸后需要靠港卸載1 600 TEU,即需要卸載800個集裝箱到進口箱區(qū);裝載1 400 TEU,即需要裝載700個集裝箱到出口箱區(qū).設計單個箱區(qū)的最大容量為600個40英尺箱,文中采用4個箱區(qū)來存放需要裝卸的集裝箱,分為2個出口箱堆存區(qū)和2個進口箱堆存區(qū).堆存策略為默認值,進口箱放在前方堆場,出口箱放在后方堆場.在開始仿真之前可根據(jù)實際作業(yè)的平均情況為整個仿真系統(tǒng)指定完成所有裝卸任務的上限時間為12 h.

大量統(tǒng)計資料表明,港口的裝卸設備作業(yè)過程服從數(shù)學三角分布,本模型中主要涉及的裝卸設備的具體參數(shù)見表1,其余參數(shù)為默認值.

表1 參數(shù)設置Table 1 Parameters

3.2 結果分析

1)平均作業(yè)完成總時間Ti的對比分析

通過仿真可以得到在作業(yè)面和作業(yè)線的集卡作業(yè)模式下,碼頭裝卸作業(yè)完成的總時間計算匯總如圖4，圖中N為集卡數(shù).

圖4 作業(yè)面與作業(yè)線完工時間比較Fig.4 Conparison between different handlings

由圖可知，在內集卡配置總量較少時,不管集卡采用作業(yè)面還是作業(yè)線的作業(yè)方式,碼頭的作業(yè)任務都無法在給定的時間上限720 min內完成,但在集卡資源較少時作業(yè)面模式比作業(yè)線模式更快完成裝卸任務.作業(yè)時間隨著集卡資源的增加快速減少,當可用集卡資源達到11臺時,作業(yè)面模式可達到作業(yè)總時間的要求而作業(yè)線方式需要再增加一臺集卡才能達標.當配置的集卡數(shù)量在13臺以上時,作業(yè)線模式下的時間將短于作業(yè)面模式下的時間.此時隨著集卡資源的增加,作業(yè)總時間的縮短速度也在逐漸放慢.

2)集卡資源的平均利用率Pi的對比分析

通過兩種作業(yè)模式下集卡的平均利用率的計算和匯總如圖5.

圖5 集卡資源平均利用率Fig.5 Average utilization of yard truck

圖5中可以看出作業(yè)面模式下的集卡資源平均利用率要優(yōu)于作業(yè)線模式下的集卡資源平均利用率,隨著集卡資源的增加,兩種作業(yè)模式的作業(yè)時間在減少,作業(yè)線模式下的集卡利用率上下波動,平均利用率水平基本高于80%.與其相比作業(yè)面模式的集卡利用率有所降低，但其集卡的平均利用率一直維持在87%以上,大大優(yōu)于作業(yè)線模式.

3)集卡資源的平均等待率Wi的對比分析

通過已有仿真結果參數(shù)的計算，可將兩種作業(yè)模式下的集卡平均等待率統(tǒng)計如圖6.

圖6 集卡平均等待率Fig.6 Average waiting ratios of yard trucks

由圖可知,在可用集卡資源較少時,由于作業(yè)面模式整體調度集卡的特點,集卡池的資源可能同時被指派多個任務,任務銜接更為緊密,因此產(chǎn)生等待的可能性就會增大,在該模式下的集卡平均等待率要高于作業(yè)線模式.此時,作業(yè)線模式由于其專屬服務的特性,避免了作業(yè)路間的等待情況產(chǎn)生.但隨著集卡資源的增多,作業(yè)線模式的等待率并不會很快的下降,這是因為各作業(yè)路的生產(chǎn)節(jié)拍基本穩(wěn)定,因此沒有很大的縮減空間.相反,由于作業(yè)面模式靈活的調度方式,隨著集卡資源的增加,等待率將大大的減少.集卡并不死板的在特定作業(yè)路服務,因此減少了等待的可能.

通過上述分析可以看出,在裝卸同步的作業(yè)工藝下,作業(yè)面模式的集卡資源配置策略使集卡的作業(yè)效率更高,該策略具有更高的設備利用率和較低的作業(yè)過程等待率.在可用集卡資源緊缺的情況下完成速度較快.而作業(yè)線模式更適用于集卡資源相對充足的碼頭,在作業(yè)線模式下如何避免集卡資源的相對過剩、如何提高集卡的利用率是碼頭方需要優(yōu)化的重點.

4 結論

采用仿真的方法解決碼頭集裝箱作業(yè)中產(chǎn)生的問題,更加貼近生產(chǎn)實際,研究通過仿真對裝卸同步工藝下的集卡資源配置策略進行探討,得到了不同集卡資源情況下的作業(yè)配置方案，且發(fā)現(xiàn)作業(yè)面模式下集卡平均利用率更高.在實際碼頭生產(chǎn)過程中,制定合理的資源配置策略勢必會提高生產(chǎn)作業(yè)效率,同時能夠有效避免資源過剩,大幅節(jié)約企業(yè)成本.

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