基于“作業(yè)面”模式下集卡配置的仿真研究

王 軍 陸永樣 王美蓉 許曉雷

（大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸管理學(xué)院 大連 116026）

現(xiàn)今我國(guó)的集裝箱碼頭正處于快速發(fā)展的時(shí)期，其對(duì)集裝箱碼頭裝卸效率的要求越來(lái)越高．關(guān)于集卡調(diào)度和配置問(wèn)題已經(jīng)有了很多研究，文獻(xiàn)［1］運(yùn)用了啟發(fā)式算法研究集裝箱碼頭的集卡運(yùn)輸；文獻(xiàn)［2］以集卡行走距離最短為目標(biāo)，建立集卡路徑優(yōu)化模型，求解了集卡最優(yōu)行走路徑；文獻(xiàn)［3］研究了在同時(shí)裝卸集裝箱的情況下，考慮集卡運(yùn)輸以及岸橋的作業(yè)時(shí)間，利用進(jìn)化算法來(lái)求解集卡最優(yōu)路徑；文獻(xiàn)［4］研究了在“作業(yè)面”模式下，綜合考慮岸橋及廠橋的作業(yè)時(shí)間建立了以時(shí)間最短為目標(biāo)的集卡調(diào)度模型，解決了不同船舶裝船作業(yè)和卸船作業(yè)同時(shí)進(jìn)行時(shí)的最優(yōu)路徑問(wèn)題．此外，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，物流系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化為集裝箱碼頭研究的問(wèn)題提供了更廣闊的思路［5］．文獻(xiàn)［6］利用 Witness建立了碼頭前沿到堆場(chǎng)的基于單船裝卸運(yùn)輸?shù)姆抡婺Ｐ停紤]集卡路徑選擇對(duì)裝卸作業(yè)的影響，分析了車速及配置量與作業(yè)時(shí)間的關(guān)系并給出了優(yōu)化建議．文獻(xiàn)［7－8］也基于仿真的方法來(lái)分析與集卡相關(guān)的優(yōu)化策略．

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用基于最短路的優(yōu)化模型對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行求解，得出“作業(yè)面”模式下的最優(yōu)路徑，然后在仿真模型中驗(yàn)證并以集卡為研究對(duì)象，分析仿真結(jié)果最后給出集卡配置量的建議．

1 集裝箱碼頭裝卸工藝分析

集裝箱碼頭是集裝箱運(yùn)輸物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其中的裝卸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、并發(fā)性強(qiáng)的離散事件系統(tǒng)．集裝箱碼頭平面布局及裝卸工藝的優(yōu)劣直接影響著自身的生產(chǎn)效率．有統(tǒng)計(jì)資料表明，集裝箱在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程當(dāng)中，大約有35%時(shí)間處理在非運(yùn)送狀態(tài)，在這一階段要耗費(fèi)的勞動(dòng)量卻占著全程的80%，集裝箱在該狀態(tài)下的大部分時(shí)間是處在碼頭的裝卸、堆存和保管當(dāng)中［9］．因此要提高整體運(yùn)輸?shù)男?，關(guān)鍵在于提高集裝箱碼頭上的生產(chǎn)水平和作業(yè)效率．

1．1 集卡的配置分析

在集裝箱碼頭裝卸流程所涉及的裝卸機(jī)械當(dāng)中，岸橋的價(jià)格相對(duì)于其他機(jī)械來(lái)說(shuō)非常昂貴，所以在傳統(tǒng)裝卸工藝下，平均每一臺(tái)岸橋會(huì)相應(yīng)的配備較大數(shù)量比的場(chǎng)地裝卸機(jī)械、集卡以及相關(guān)的人員和設(shè)備等．這種配比的目的是為了盡可能的避免岸橋等待集卡的情況以及充分利用岸橋的產(chǎn)能，提高岸橋的利用效率，以此來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)值和節(jié)約成本的效果．

基于提高岸橋利用率而進(jìn)行的集卡配置策略，沒(méi)有考慮到可能會(huì)引起資源浪費(fèi)的情況．無(wú)論多好的調(diào)度規(guī)則，為了確保岸橋處于較高的利用狀態(tài)，總會(huì)讓集卡在岸橋前排隊(duì)等待岸橋，在適度原則下，這種排隊(duì)造成的浪費(fèi)是不可避免的，也是合理的．但是由于這樣的配置往往帶有主觀經(jīng)驗(yàn)性及盲目性，一些管理者可能會(huì)超量的增加集卡配置數(shù)量，在這種情況下，就會(huì)產(chǎn)生部分沒(méi)必要的排隊(duì)時(shí)間和集卡在道路擁堵的情況．其所造成的資源浪費(fèi)會(huì)大大增加并且影響碼頭整體的生產(chǎn)效率．

1．2 集卡的調(diào)度模式分析

目前在涉及集卡作為水平運(yùn)輸工具的集裝箱碼頭大多數(shù)采用“岸橋?集卡?龍門吊”的裝卸工藝系統(tǒng)．針對(duì)該系統(tǒng)的集卡調(diào)度模式主要有2種：靜態(tài)的“作業(yè)線”調(diào)度模式（STDM）和動(dòng)態(tài)的“作業(yè)面”調(diào)度模式（DTDM）．

STDM是傳統(tǒng)的調(diào)度模式，在國(guó)內(nèi)外的集裝箱碼頭上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用．該模式根據(jù)碼頭作業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)量來(lái)為岸橋配備固定數(shù)量的集卡，這些集卡只服務(wù)一臺(tái)岸橋直至作業(yè)完成為止再重新分配．在集卡與岸橋綁定進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，集卡的運(yùn)輸路徑形成一條“作業(yè)路”．圖1為“作業(yè)線”模式的作業(yè)流程示意圖．

圖1 “作業(yè)線”模式示意圖

這種點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)輸模式便于人工根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)來(lái)指派集卡和管理，適于實(shí)時(shí)調(diào)度能力低的集裝箱碼頭．但是由于不同作業(yè)路上的業(yè)務(wù)量存在不平衡性，該模式下會(huì)出現(xiàn)作業(yè)路之間的集卡忙閑不均的情況，影響碼頭整體的作業(yè)效率．

目前計(jì)算機(jī)智能技術(shù)及GPS技術(shù)已經(jīng)有了很大程度的提高，越來(lái)越多的集裝箱碼頭采用全場(chǎng)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)度模式．DTDM的思路是打破原有的固定作業(yè)路模式，集卡不服務(wù)于固定的岸橋，同時(shí)也被所有的作業(yè)路共享．該模式依據(jù)一定的優(yōu)化目標(biāo)生成作業(yè)路任務(wù)，然后按照碼頭的實(shí)時(shí)情況來(lái)分配給集卡，接收到任務(wù)的集卡到相應(yīng)的作業(yè)路上完成水平運(yùn)輸．圖2為“作業(yè)面”作業(yè)模式示意圖．

該模式還可能考慮當(dāng)其中存在合適的路徑時(shí)，集卡穿插實(shí)施場(chǎng)內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)堆作業(yè)．由于這種模式的智能化程度較高，需要碼頭配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、定位導(dǎo)航設(shè)備和其他相關(guān)的硬件設(shè)施．

2 基于Flexsim裝卸運(yùn)輸仿真建模

通過(guò)以上的分析，可以看出集卡的配置量關(guān)乎集裝箱碼頭的作業(yè)效率的優(yōu)劣，而作業(yè)效率是評(píng)價(jià)碼頭經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)．在一定的調(diào)度規(guī)則下，隨著集卡的配置量的不斷增加，集卡排隊(duì)的總時(shí)間及在道路上擁堵的機(jī)會(huì)就會(huì)越來(lái)越多，當(dāng)超過(guò)一定量之后，“效益背反”的現(xiàn)象越明顯，說(shuō)明在這當(dāng)中應(yīng)該存在一定的配置量，使得碼頭的裝卸效率和資源的浪費(fèi)狀況達(dá)到可接受的平衡狀態(tài)．

集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)是集裝箱整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有令碼頭管理者擁有一定的決策依據(jù)，才能保障整體的效率．但是集裝箱碼頭集卡運(yùn)輸體系具有高度的復(fù)雜性和并發(fā)性，解析數(shù)學(xué)方法往往會(huì)摒棄一些影響作業(yè)的因素來(lái)達(dá)到可計(jì)算的目的，得出解的結(jié)果會(huì)和現(xiàn)實(shí)情況存在較大的差距．因此，為了更加詳實(shí)的反映碼頭的運(yùn)作情況，在已有數(shù)學(xué)解析模型基礎(chǔ)上通過(guò)仿真建模模擬集裝箱碼頭的裝卸流程來(lái)進(jìn)行深入的研究．

2．1 Flexsim簡(jiǎn)介

Flexsim是由美國(guó)的Flexsim Software Production開(kāi)發(fā)的一款商業(yè)化離散事件系統(tǒng)，是目前采用了最新VR技術(shù)的仿真軟件，并且采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，具有建模方便，顯示功能強(qiáng)大的特點(diǎn)．當(dāng)今在國(guó)內(nèi)外得到了非常廣泛的應(yīng)用．

2．2 集卡調(diào)度仿真流程

該仿真模型模擬集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的營(yíng)運(yùn)過(guò)程，通過(guò)定義好的調(diào)度模式，顯示岸橋、集卡和后方堆場(chǎng)龍門吊的全程協(xié)作，然后對(duì)不同集卡數(shù)量下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行考核，找出一次裝卸任務(wù)下適用于一定調(diào)度模式的集卡合理配置量．

根據(jù)前文中調(diào)度模式的分析以及結(jié)合現(xiàn)代碼頭的裝卸工藝，本次模擬的是一次裝卸任務(wù)中在動(dòng)態(tài)“作業(yè)面”模式下的進(jìn)口箱和出口箱的運(yùn)輸．據(jù)此設(shè)計(jì)的仿真流程見(jiàn)圖3．

圖3 碼頭裝卸仿真流程

在建模之前需要說(shuō)明的是：（1）該模型在“作業(yè)面”模式下不考慮場(chǎng)內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)堆；（2）集卡的任務(wù)路徑是通過(guò)已有的最短路徑模型及算法得出；（3）由于“作業(yè)面”模式下集卡的一次運(yùn)輸回路涉及兩次裝卸，集卡可先到進(jìn)口泊位的岸橋從卸船作業(yè)開(kāi)始，或者先到出口箱區(qū)從裝船作業(yè)開(kāi)始任務(wù)，即“進(jìn)口泊位→進(jìn)口箱區(qū)→出口箱區(qū)→出口泊位”或者“出口箱區(qū)→出口泊位→進(jìn)口泊位→進(jìn)口箱區(qū)”．所以在流程中的“集卡選擇起運(yùn)點(diǎn)”是指調(diào)度機(jī)根據(jù)當(dāng)前分配給集卡的任務(wù)路徑所涉及的進(jìn)口泊位和出口箱區(qū)當(dāng)中選擇一方作為此次任務(wù)的起點(diǎn)，規(guī)則如下．首先依據(jù)路徑最短選擇，若路徑較短一方阻塞情況比較嚴(yán)重，而遠(yuǎn)方較空閑則選擇較空閑一方作為起點(diǎn)；（4）本次裝卸任務(wù)中裝卸對(duì)象全為標(biāo)準(zhǔn)箱，集卡一次運(yùn)輸一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱；（5）集卡運(yùn)輸路網(wǎng)采用單循環(huán)模式，集卡在干道上可雙向行駛，但是岸橋和龍門吊的作業(yè)區(qū)道路只允許單向行駛，且任意道路上不可超車．

模型的初始狀態(tài)：集卡在停車場(chǎng)待命，集裝箱船靠泊在碼頭，進(jìn)口箱全部放在待卸船船舶上，出口箱全放在出口箱區(qū)的堆場(chǎng)．

2．3 仿真關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

任務(wù)序列（task sequences）是Flexsim仿真的核心機(jī)制．在該仿真模型中對(duì)集卡調(diào)度和裝卸作業(yè)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)要通過(guò)任務(wù)序列來(lái)定制．在Flexsim中，若一項(xiàng)任務(wù)序列需要同時(shí)占用2個(gè)或多個(gè)任務(wù)執(zhí)行器對(duì)象來(lái)執(zhí)行任務(wù)，則這項(xiàng)任務(wù)序列叫做協(xié)同任務(wù)序列（coordinated task sequences），否則就是一般任務(wù)序列．在模擬集裝箱碼頭作業(yè)的時(shí)候，需要結(jié)合這2類任務(wù)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)．

在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，以集卡在作業(yè)路上行走作為主任務(wù)序列，該任務(wù)序列為一般任務(wù)序列．每當(dāng)集卡行駛到泊位或者后方堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)時(shí)，會(huì)觸發(fā)協(xié)同的子任務(wù)序列，即需要集卡與岸橋或集卡與龍門吊協(xié)同進(jìn)行裝或卸的作業(yè)任務(wù)．該流程如圖4所示．

圖4 碼頭裝卸任務(wù)仿真序列流程

每當(dāng)觸發(fā)子任務(wù)序列的時(shí)候，都要先經(jīng)過(guò)一個(gè)占用的過(guò)程，即集卡和相應(yīng)的裝卸機(jī)械不被別的任務(wù)序列占用的情況下，該任務(wù)序列同時(shí)占用了這二者之后才能使協(xié)同任務(wù)序列往下執(zhí)行，否者一直等到別的任務(wù)釋放相關(guān)執(zhí)行器對(duì)象為止．在子任務(wù)序列當(dāng)中也使集卡排隊(duì)的機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)．

3 模型運(yùn)行及分析

假設(shè)一項(xiàng)任務(wù)涉及2個(gè)進(jìn)口箱區(qū)、3個(gè)出口箱區(qū)以及進(jìn)口泊位和出口泊位各1個(gè)，有570 TEU進(jìn)口箱和650TEU出口箱需要進(jìn)行卸船和裝船．在“作業(yè)面”模式下，依據(jù)基于集卡路徑最短的優(yōu)化模型得出優(yōu)化的行駛路徑見(jiàn)表1，其中剩余有80TEU的集裝箱是通過(guò)“作業(yè)線”模式來(lái)運(yùn)輸．

表1 路徑優(yōu)化結(jié)果

3．1 模型及參數(shù)設(shè)定

在該作業(yè)當(dāng)中，每條船配備2臺(tái)岸橋，每個(gè)堆場(chǎng)配備1個(gè)軌道龍門吊．根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，取較先進(jìn)岸橋的每箱作業(yè)時(shí)間（s／箱）符合正態(tài)分布N（104／21），龍門吊符合N（89／15），堆場(chǎng)限高5層，集卡最大速度為30km／h，路徑長(zhǎng)度根據(jù)布局設(shè)定．

3．2 運(yùn)行結(jié)果分析

多次運(yùn)行不同集卡配置量下的模型，考察完成任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間以及集卡的平均阻塞時(shí)間（包括排隊(duì)以及路上堵塞情況）．由于箱位是隨機(jī)生成的，所以每次運(yùn)行結(jié)果存在差異，所以最終取它們的平均值．得到結(jié)果分析如下．

1）在仿真模型中，集卡行駛的總里程是923 761m，優(yōu)化模型求解的結(jié)果為901 900m．這主要是因?yàn)樵跀?shù)學(xué)模型當(dāng)中只考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸而忽略了船體及堆場(chǎng)的長(zhǎng)度，而在仿真模型中集卡行駛到相應(yīng)貝位也會(huì)產(chǎn)生行駛距離，所以造成了行駛里程上的差異．這二者的差值約占優(yōu)化模型結(jié)果的2．4%，小于5%，說(shuō)明該仿真模型是針對(duì)優(yōu)化問(wèn)題而做的可用模型．

2）不同集卡配置量下任務(wù)完成花費(fèi)時(shí)間／min的比較見(jiàn)表2，平均阻塞時(shí)間／min見(jiàn)表3，二者的折線圖見(jiàn)圖4．

表2 任務(wù)完成用時(shí)仿真結(jié)果

表3 集卡平均阻塞時(shí)間仿真結(jié)果

圖4 仿真結(jié)果折線圖

由圖表可以看出，當(dāng)集卡數(shù)量很少的時(shí)候，隨著集卡數(shù)量的變動(dòng)，任務(wù)用時(shí)的變化程度很大而集卡平均阻塞時(shí)間的變化程度很小，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，集卡數(shù)量成為提高港口裝卸效率問(wèn)題的瓶頸．當(dāng)集卡數(shù)量到達(dá)11輛之后，任務(wù)時(shí)間總體的變化趨勢(shì)不斷減緩直至因集卡堵塞時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而影響了碼頭整體的裝卸效率，集卡平均阻塞時(shí)間在集卡數(shù)量為13～15輛時(shí)增量很大，當(dāng)達(dá)到18輛以上時(shí)，平均阻塞時(shí)間的增量趨勢(shì)越來(lái)越大，這說(shuō)明集卡阻塞的總時(shí)間（集卡數(shù)量ⅹ平均阻塞時(shí)間）在不斷加大且程度在不斷加劇，資源浪費(fèi)情況也越發(fā)嚴(yán)重．此時(shí)“效益背反”現(xiàn)象隨著集卡數(shù)量的增加從無(wú)到有，從模糊到明顯．因此，就該項(xiàng)裝卸任務(wù)來(lái)說(shuō)，若任務(wù)時(shí)間窗較長(zhǎng)則保持作業(yè)集卡的數(shù)量在12～14輛之間是比較合理的，若任務(wù)時(shí)間窗限制較嚴(yán)格則考慮配置16～17輛的作業(yè)集卡．在實(shí)際的碼頭裝卸任務(wù)當(dāng)中，調(diào)度員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際要求來(lái)對(duì)具體配置量做決策．

3）在模型運(yùn)行過(guò)程的后期，隨著任務(wù)路徑不斷減少，集卡會(huì)越來(lái)越集中到還有任務(wù)量的路徑當(dāng)中，整體的阻塞時(shí)間有不少產(chǎn)生于這些階段．所以集卡配置應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，在任務(wù)的后期，可以適當(dāng)?shù)淖尣糠旨ㄍ顺鲈撊蝿?wù)或者轉(zhuǎn)移到別的任務(wù)當(dāng)中，以提高集卡的有效利用率和減少阻塞時(shí)間．

4）本次實(shí)驗(yàn)是在一定量的岸橋和龍門吊下得出的分析結(jié)果，在不同的岸橋及龍門吊配置量下會(huì)有不同的合理集卡配置量．只要是用同樣的調(diào)度規(guī)則，本仿真模型主要邏輯和概念框架也可用于其他實(shí)際情況下集卡配置量分析．

4 結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)建立了基于一項(xiàng)裝卸任務(wù)的仿真模型，在“作業(yè)面”模式的實(shí)時(shí)調(diào)度規(guī)則下，通過(guò)仿真模型運(yùn)行結(jié)果考量任務(wù)用時(shí)和集卡平均阻塞時(shí)間來(lái)分析集卡合理配置量，并在仿真模型運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)集卡的配置量應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，這樣可以有效的減少集卡阻塞時(shí)間且保證碼頭的工作效率，這也將是今后研究工作應(yīng)該更具體、更深入分析的問(wèn)題所在．本次實(shí)驗(yàn)為碼頭管理者提供了一定條件下可靠的決策支持，也作為將來(lái)可以提供更多方面的支持的實(shí)踐和技術(shù)基礎(chǔ)．

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