自動化港口AGV調(diào)度配置仿真分析

韓曉龍，樊加偉

(上海海事大學(xué) 物流研究中心，上海 201306)

自動化港口AGV調(diào)度配置仿真分析

韓曉龍，樊加偉

(上海海事大學(xué) 物流研究中心，上海 201306)

針對自動化集裝箱港口中的AGV(automated guided vehicle)的調(diào)度策略和數(shù)量配置問題，利用專業(yè)仿真軟件eM-Plant建立了包括岸橋、AGV、場橋和堆場資源在內(nèi)的集裝箱港口仿真模型，分析不同的AGV調(diào)度策略及AGV配置數(shù)量對集裝箱港口裝卸系統(tǒng)效率的影響。設(shè)計仿真了3種AGV調(diào)度策略，得出不同的AGV調(diào)度策略及配置數(shù)量很大程度上影響了整個集裝箱港口裝卸系統(tǒng)的效率。最后根據(jù)分析結(jié)果，給出集裝箱港口對于AGV的調(diào)度和數(shù)量優(yōu)化的配置建議。

交通運輸工程；集裝箱港口；AGV；仿真模型

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，集裝箱運輸業(yè)也進入了一個高速發(fā)展期。集裝箱港口一方面要面對日益增長的集裝箱吞吐量帶來的巨大壓力，另一方面又要思考如何減少成本投入，提高整個集裝箱港口系統(tǒng)的作業(yè)效率，增加港口效益，才能在港口之間的競爭中取得優(yōu)勢。大多數(shù)集裝箱港口，為應(yīng)對日益增長的需求，都在努力考慮如何在不投資新土地或者碼頭的情況下，盡可能地提高整個集裝箱港口的作業(yè)效率。自動化集裝箱港口系統(tǒng)恰恰可以有效地滿足港口提高效率和降低成本的需求。

AGV(automated guided vehicle,自動導(dǎo)引運輸車)作為港口自動化的重要組成部分，和傳統(tǒng)集裝箱碼頭的集卡相比，具有包括無人駕駛、自動導(dǎo)航、定位精確、路徑優(yōu)化以及作業(yè)安全等眾多優(yōu)點，在包括一些高端生產(chǎn)制造企業(yè)等許多自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前集裝箱港口的AGV技術(shù)也趨于成熟，AGV正逐漸取代集卡成為集裝箱港口的主要水平運輸工具。

國內(nèi)外許多學(xué)者，針對集裝箱港口系統(tǒng)中的水平運輸工具的調(diào)度和配置做出了許多研究。張莉等[1]建立了單船裝卸運輸仿真模型，研究集卡配置數(shù)量和集卡速度對船舶裝卸時間乃至整個港口裝卸系統(tǒng)的影響。曹慶奎等[2]利用蟻群算法，對集裝箱港口的集卡路徑進行優(yōu)化。李浩淵等[3]運用仿真模型與優(yōu)化算法相結(jié)合的基于仿真的優(yōu)化方法(SBO),對集裝箱碼頭動態(tài)集卡配置問題進行研究。P.ANGELOUDIS等[4]考慮到自動化集裝箱港口中的不確定性，提出了解決AGV配置問題的算法。在集裝箱港口仿真方面，WON Youmg-yan等[5]采用面對對象的方法，建立了整個集裝箱港口的仿真模型進行研究分析。韓曉龍等[6]通過建立集裝箱港口裝卸系統(tǒng)的仿真模型對比分析,做出裝卸工藝選擇的決策。

通過這些學(xué)者的研究可知，對于集裝箱港口水平運輸工具的研究大多還是集中在集卡的調(diào)度配置和路徑優(yōu)化上，對于AGV的調(diào)度和配置的研究比較少。集裝箱港口仿真問題中，多是對傳統(tǒng)集裝箱港口整個系統(tǒng)的仿真，缺少自動化碼頭的仿真研究。筆者利用專業(yè)的仿真軟件eM-Plant建立包括岸橋、AGV、場橋、堆場整個系統(tǒng)的仿真模型，通過對不同的AGV調(diào)度策略下以及不同AGV數(shù)量配置下的模型的仿真模擬，進行結(jié)果對比分析，為決策者提供建議。

1 問題描述

1.1 自動化港口作業(yè)流程

通常的集裝箱作業(yè)流程為：當(dāng)船舶進港后首先進行泊位分配，進入分配好的泊位之后，根據(jù)船舶裝卸集裝箱量進行岸橋配置；進入操作階段后，碼頭依據(jù)船公司提供的數(shù)據(jù)進行配載并進行岸橋的調(diào)度，同時配置適當(dāng)數(shù)量的集卡進行集裝箱的搬運；堆場根據(jù)船舶裝卸的集裝箱量安排堆存位置和調(diào)度場橋。

自動化集裝箱港口為了減少生產(chǎn)操作人員，實現(xiàn)高度自動化和信息化，采用AGV作為水平運輸工具，自動化軌道式龍門吊作為堆場作業(yè)設(shè)備，組成岸橋、AGV、自動化軌道吊的新型裝卸工藝系統(tǒng)。自動化集裝箱港口的作業(yè)流程為，岸橋?qū)⒓b箱從艙內(nèi)吊出并放置在AGV上，AGV裝載集裝箱后行駛到指定堆場前沿的裝卸點，自動化軌道式場橋在裝卸點取箱放入堆場的指定箱位。和傳統(tǒng)的集裝箱港口相比，自動化港口的AGV不用進入堆場箱區(qū)，生產(chǎn)操作人員少，自動化程度高，大大提高了港口的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益。

筆者將以上述流程作為依據(jù)，建立一個單船卸船作業(yè)仿真模型，主要針對AGV不同的的調(diào)度策略和數(shù)量配置進行仿真，對比分析結(jié)果得出結(jié)論。

1.2 AGV的運輸特點

自動化港口的水平運輸是整個集裝箱港口裝卸作業(yè)流程中十分重要的一環(huán)。AGV水平運輸系統(tǒng)主要包括了AGV與岸橋的作業(yè)、AGV水平運輸以及AGV與場橋的作業(yè)3個部分。AGV作為自動化港口水平運輸?shù)闹饕ぞ弑憩F(xiàn)出的特點如下：

1) 自動化程度高：除了體現(xiàn)在無人駕駛、自動導(dǎo)航、精確定位等方面外，AGV還具有能連續(xù)工作超過24 h，裝備多種通訊接口保證及時、迅速的信息交換等優(yōu)勢。

2) 柔性化設(shè)計、作業(yè)靈活性高：由于集裝箱船到港、靠泊的時間受到了很多因素的影響，具有很大的不確定性，因此AGV的柔性化設(shè)計幫助集裝箱港口，做出新的調(diào)度策略來應(yīng)對各種不確定因素的影響。

3) 安全性好：AGV的應(yīng)用減少了自動化碼頭操作人員的配置，也大大降低了發(fā)生意外導(dǎo)致人身安全和設(shè)備安全受到威脅的風(fēng)險。

4) 綠色生產(chǎn)：AGV采用電力這種清潔能源作為生產(chǎn)作業(yè)的主要能源，可以減少溫室氣體的排放，減少污染，降低能源成本。

1.3 AGV的調(diào)度策略

AGV的調(diào)度策略問題是一個得到廣泛關(guān)注和研究的問題[7]。目前，針對自動化集裝箱港口，最被廣泛了解和運用的幾個調(diào)度策略如下：

1) 隨機作業(yè)中心策略：在所有作業(yè)的岸橋中隨機選擇一個進行AGV調(diào)度；

2) 最小運輸時間/距離策略：該原則通過調(diào)度離岸橋最近(即到岸橋時間最短/距離最近)的空閑AGV來最小化空閑AGV的運輸時間；

3) 最大運輸時間/距離策略：調(diào)度離岸橋最遠的空閑AGV，該原則通常用作實驗對比分析；

4) 隊列最大策略：優(yōu)先把AGV調(diào)度給排隊隊列更長的岸橋；

5) 修改后的先到先服務(wù)策略：保證岸橋在之前作業(yè)完成之前只能分配不多于1個的AGV，把AGV調(diào)度給先收到卸貨訂單的岸橋；

6) 隨機車輛策略：作業(yè)被隨機分配給任何一個空閑的AGV；

7) 空閑時間最長車輛策略：空閑時間最長的AGV被優(yōu)先調(diào)度;

8) 最少調(diào)度車輛策略：被調(diào)度次數(shù)最少的AGV被優(yōu)先調(diào)度;

雖然說作為研究目標的調(diào)度策略越多，越能提高AGV的利用率，提高吞吐量，減少排隊長度和平衡作業(yè)之間的負載，但是具體的仿真實驗中，還是要選取適量適合當(dāng)前模型的調(diào)度策略來研究。

2 集裝箱港口仿真建模

2.1 AGV仿真的特點

把AGV作為水平運輸工具的集裝箱港口仿真和把集卡作為水平運輸工具的集裝箱港口仿真在仿真模型的建立、參數(shù)設(shè)置、仿真方案的設(shè)計等方面都有很大不同。具體的區(qū)別對比如表1。

表1 AGV仿真和集卡仿真的對比

(續(xù)表1)

集卡仿真AGV仿真行駛路線行駛區(qū)域比較廣,不固定在規(guī)定好的路線或軌道上行駛堆場交通狀況內(nèi)外集卡都要進入堆場,會產(chǎn)生交叉作業(yè)AGV不會與外卡交叉作業(yè)調(diào)度作業(yè)模式大多是傳統(tǒng)的作業(yè)線調(diào)度模式,也有一些作業(yè)面調(diào)度模式動態(tài)的作業(yè)面調(diào)度模式

2.2 仿真模型

由于筆者主要的研究對象是AGV的調(diào)度策略和配置數(shù)量，所以只針對單船卸貨模型進行仿真研究，對集裝箱從泊位運輸?shù)蕉褕龅倪@一過程進行仿真實驗。圖1是仿真模型布局。

圖1 eM-Plant軟件中的仿真模型布局Fig.1 Simulation model layout in eM-Plant

2.3 仿真流程

仿真模型模擬的是船從進入泊位開始1個工作日(16 h)內(nèi)的卸船作業(yè)流程。模型的初始狀態(tài)是集裝箱船靠泊港口，AGV都在等候區(qū)域待命，場橋都位于堆場前沿待命。仿真流程是岸橋從船上提起集裝箱，自動化港口控制室的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)(PCS)，根據(jù)調(diào)度策略對AGV發(fā)出指令，AGV根據(jù)指令從等候區(qū)行駛到岸橋下停車點，檢查是否有排隊的AGV再進行裝箱作業(yè)，岸橋?qū)⒓b箱放置在AGV上，AGV將集裝箱運輸?shù)街付ǖ亩褕?，檢查場橋是否空閑，場橋?qū)⒓b箱放入堆場的指定箱位，AGV等待指令調(diào)度。仿真模型的流程如圖2。

圖2 集裝箱港口卸船作業(yè)仿真流程Fig.2 Simulation flow chart of unloading operation

2.4 參數(shù)設(shè)計

本模型中集裝箱船的載箱量為2 000 TEU，所有集裝箱都為標箱。如仿真模型布局圖1，分別配置3臺岸橋和5臺場橋。岸橋的作業(yè)速度為30箱/h，場橋從AGV上的取箱時間為60 s，AGV空載和滿載的速度分別為4 m/s和2 m/s。整個模型的仿真時間為16 h。

參照1.3節(jié)的AGV調(diào)度策略結(jié)合仿真模型設(shè)計3種調(diào)度策略進行仿真實驗，分別為

1) 循環(huán)調(diào)度：按順序依次調(diào)度每一個AGV，循環(huán)往復(fù);

2) 隨機調(diào)度：隨機選擇一個空閑AGV調(diào)度;

3) 最短距離調(diào)度：選擇離岸橋距離最小的空閑AGV進行調(diào)度。

2.5 評價指標

集裝箱港口的裝卸作業(yè)效率是衡量一個集裝箱港口綜合服務(wù)水平的重要指標[8]。提高裝卸設(shè)備的利用率，減少排隊和等待的時間都是降低運營成本提高整體作業(yè)效率的有效措施。結(jié)合集裝箱港口的特點和本文建立的限時集裝箱港口卸船作業(yè)仿真模型，主要的評價指標如下：

服務(wù)箱數(shù)：仿真結(jié)束時，從集裝箱船運輸放置到堆場的指定箱位的集裝箱數(shù)。

排隊箱數(shù)：仿真結(jié)束時，仍在作業(yè)隊列中沒有到堆場指定箱位的集裝箱數(shù)。

AGV利用率：∑(裝載時間+卸載時間+移動時間)/∑(裝載時間+卸載時間+移動時間+等候時間)×100%。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不同調(diào)度策略對作業(yè)效率的影響

配置20輛AGV，分別使用循環(huán)調(diào)度，隨機調(diào)度和最短距離調(diào)度3種策略運行仿真模型，運行結(jié)果整理如表2。

表2 不同調(diào)度策略下的港口作業(yè)效率評價指標對比

通過表2的數(shù)據(jù)對比可見，在配置AGV數(shù)量一定的情況下，不同的調(diào)度策略對港口的作業(yè)效率有很大影響，采用最短距離調(diào)度策略的仿真方案的服務(wù)箱數(shù)最多且排隊箱數(shù)最少，作業(yè)效率明顯高于其他2種方案。3種調(diào)度方案的AGV利用率分別為0.93，0.94和0.96，差幅不足2%，調(diào)度策略對AGV利用率影響不大。因此采用最短距離調(diào)度策略有利于提高港口的作業(yè)效率。

3.2 AGV的配置數(shù)量對作業(yè)效率的影響

采用最短距離調(diào)度策略，配置AGV的數(shù)量為15至25，運行仿真模型，得到的AGV利用率如圖3。

采用最短距離調(diào)度策略，配置AGV的數(shù)量為15～25，運行仿真模型，得到的服務(wù)箱數(shù)和排隊箱數(shù)對比結(jié)果如圖4。

圖4 AGV配置數(shù)量對服務(wù)箱數(shù)和排隊箱數(shù)的影響Fig.3 Relationship between AGV configuration quantity,served containers and containers in queue

在確定AGV調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，隨著配置AGV數(shù)量的增多，集裝箱港口卸船作業(yè)的服務(wù)箱數(shù)有一定程度的增加，當(dāng)AGV數(shù)量增加到21輛以后，服務(wù)箱數(shù)的增幅逐漸減小，增長速度變緩。隨著配置AGV數(shù)量的增多，排隊箱數(shù)逐漸減少，當(dāng)AGV數(shù)量增加到21輛時，排隊箱數(shù)達到最小值29，從22輛開始，排隊箱數(shù)隨著AGV數(shù)量的增加而增加。因此配置21輛AGV時，集裝箱港口的作業(yè)效率最高。

通過3.1節(jié)和3.2節(jié)對比分析可以得出3個主要結(jié)論：① 3種調(diào)度策略中最短距離調(diào)度策略服務(wù)的集裝箱數(shù)量最多，作業(yè)效率最高，AGV的調(diào)度策略決定了集裝箱港口的整體作業(yè)效率；② 增加配置AGV的數(shù)量會使AGV的利用率下降，影響整體作業(yè)效率；③ 隨著AGV數(shù)量的增加，作業(yè)效率有一定程度的提升，但AGV過多導(dǎo)致集裝箱作業(yè)排隊過長，等待的AGV堵塞道路，影響整體作業(yè)時間。因此合理配置AGV數(shù)量可以提升卸船速度，減少AGV的排隊等候時間，提高港口的整體作業(yè)效率。

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)自動化集裝箱港口以及AGV的特點，使用專業(yè)仿真軟件eM-Plant通過對不同AGV調(diào)度策略和配置數(shù)量下的岸橋、AGV、場橋組成的集裝箱港口卸船作業(yè)模型進行一定時間的仿真。對仿真結(jié)果進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)不同AGV調(diào)度策略很大程度上影響集裝箱港口的作業(yè)的效率。根據(jù)集裝箱港口的實際情況合理增加港口配置AGV的數(shù)量可以提升集裝箱港口的作業(yè)能力，但過多地配置AGV不僅提高成本，還會造成AGV利用率的下降，影響整個港口的作業(yè)效率。由于整個集裝箱港口物流系統(tǒng)涉及范圍很廣，筆者只針對卸船作業(yè)系統(tǒng)進行了仿真研究，對集裝箱港口系統(tǒng)整個裝卸、作業(yè)、大門、鐵路等系統(tǒng)的研究還有待進一步提高。

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Analysis of AGV Dispatching and Configuration Simulation of Automated Container Terminals

HAN Xiaolong，F(xiàn)AN Jiawei

(Logistic Research Center, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306,P.R.China)

To analyze the efficiency of automated container terminal handling operation system under different AGV (automated guided vehicle) dispatching rules and configuration,the simulation software eM-Plant was used to build a container terminal simulation model which included quay crane,AGV, yard crane,and yard resource.The analysis of simulation data shows that different dispatching rules and configuration of AGV have a great influence on the whole efficiency of terminal operation system. Finally, some strategies and recommendations on AGV dispatching and configuration optimization were suggested for optimization of automated container terminals.

traffic and transportation engineering；container terminal；AGV；simulation model

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.29

2015-03-23；

2015-05-21

上海市科委基金項目(11510501900)

韓曉龍(1978—)，男，山東濰坊人，副教授，博士，主要從事供應(yīng)鏈與物流管理方面的研究。E-mail:superhxl@163.com。

樊加偉(1990—)，男，江蘇南京人，碩士，主要從事集裝箱港口優(yōu)化與仿真方面的研究。E-mail:lyrafjw@163.com。

U691+.3;TP391.9

A

1674-0696(2016)05-151-04