基于Flexsim的集裝箱碼頭裝卸仿真

張程 樂婉

【摘 要】 為提升集裝箱碼頭機械設備運行效率，降低碼頭運營成本，以某集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)流程為研究對象，借助Flexsim仿真平臺構建系統(tǒng)模型，對碼頭作業(yè)現(xiàn)狀進行分析。結合Flexsim軟件中的實驗管理器對數(shù)據(jù)進行置信度為90%的概率分析，提出較優(yōu)的港口資源配置方案。方案覆蓋從船舶進入航道開始到集裝箱疏運出港為止的整個過程，并且將不同類型的集裝箱在堆場進行分區(qū)堆存，使得仿真模型更加完整合理，可為港口管理者提供相應的決策支撐。

【關鍵詞】 Flexsim；集裝箱碼頭；裝卸作業(yè)；資源配置優(yōu)化；裝卸流程仿真

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)以及“工業(yè)4.0”的到來，港口將呈現(xiàn)工業(yè)智能化、高度自動化、信息技術化和低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢。資源優(yōu)化配置對提高集裝箱碼頭的作業(yè)效率顯得尤為重要，利用Flexsim仿真軟件對碼頭作業(yè)過程進行模擬是優(yōu)化碼頭裝卸作業(yè)效率的重要手段之一。本文以某集裝箱碼頭的裝卸工藝流程為研究對象，分析港口作業(yè)子系統(tǒng)的組成和特點，運用Flexsim軟件建立離散系統(tǒng)模型，對不同的裝卸工藝方案進行預演，為復雜的港口集裝箱裝卸系統(tǒng)規(guī)劃設計與管理決策提供科學合理的指導意見。

1 某集裝箱碼頭作業(yè)情況

1.1 碼頭布局

某集裝箱碼頭占用岸線長度為1 400 m，港池寬度為600 m、碼頭前沿吃水深度為15.5 m，有4個10萬噸級集裝箱專用泊位及相應駁船泊位，后方堆場占地面積達108萬m2，碼頭閘口有進閘通道16條、出閘通道12條，該碼頭具體布局情況見圖1。

1.2 設備配置

該碼頭擁有先進的裝卸機械設備和計算機智能管理系統(tǒng)。港口裝卸機械設備有岸橋、場橋、堆高機、輪胎吊等流動作業(yè)機械，有超巴拿馬型的大型集裝箱裝卸橋19臺、門式起重機12臺、龍門吊60臺，有港內牽引車、堆高機、正面吊、叉車、汽車吊、輪胎吊等流動機械設備200多臺。

1.3 碼頭作業(yè)流程

該碼頭采用的集裝箱裝卸工藝流程系統(tǒng)由碼頭前沿裝卸子系統(tǒng)、水平搬運子系統(tǒng)、堆場裝卸子系統(tǒng)以及閘口子系統(tǒng)等構成，見圖2。

2 基于Flexsim的仿真模型構建和分析

2.1 確定仿真模型實體

Flexsim建模分兩部分，第一部分是船舶在錨地等待裝卸作業(yè)的過程，第二部分是集裝箱在港內裝卸搬運的過程。Flexsim中的主要實體如表1所示。為了簡化復雜的操作過程，裝卸仿真研究只研究單艘船舶在某一特定泊位的裝卸。在Flexsim中：發(fā)生器代表已經(jīng)靠泊等待裝卸的船舶；多個處理器分別代表不同的岸橋和場橋；叉車代表水平搬運機械集裝箱卡車（下文簡稱“集卡”）；貨架代表集裝箱堆場；吸收器代表實體直接離開系統(tǒng)，即集裝箱出碼頭閘口。

2.2 建立邏輯關系

在船舶靠泊過程中，可能會出現(xiàn)船舶等待裝卸作業(yè)的情況，因此建立一個暫存區(qū)表示船舶靠泊的排隊狀況。

仿真系統(tǒng)的驅動機制是任務序列規(guī)則。在港口進行裝卸搬運作業(yè)過程中，對于該集裝箱碼頭而言，單艘船舶的裝卸一般需要兩臺岸橋同時運作。當集裝箱離開岸橋時，系統(tǒng)需要指派水平運輸工具來搬運集裝箱，此時的任務分配器分配一定數(shù)量的集卡在碼頭前沿和堆場之間運輸集裝箱。一部分集裝箱從出閘口送出直接離開系統(tǒng)，另一部分集裝箱根據(jù)其類型被存放到不同的堆場。作業(yè)中除了岸橋里的暫存區(qū)到任務分配器的連接是無方向的外，其他邏輯連接均有方向，此方向即集裝箱的流動方向。Flexsim所建立的邏輯關系如表2所示。

2.3 設置參數(shù)

2.3.1 船舶到達參數(shù)

根據(jù)大量的調查資料確定船舶到港情況服從泊松分布，相繼到港的兩艘船舶的間隔時間t服從指數(shù)分布，其概率為

2.3.2 船舶裝卸及集裝箱類型情況說明

船舶到達按港口制定的船舶裝卸作業(yè)計劃時間表，模型中“數(shù)量”指船舶需要卸載的集裝箱數(shù)量；臨時實體流中發(fā)送至下一端口的方式設為隨機可用端口，即集裝箱被任意一個可用岸橋進行卸船作業(yè)；在“創(chuàng)建觸發(fā)”中根據(jù)不同的百分比設置臨時實體類型，在“離開觸發(fā)”中根據(jù)不同的臨時實體類型設置相應的顏色用以區(qū)分。在所有到港集裝箱中：60%為進口普通箱，用紅色表示；30%為中轉箱，用綠色表示；10%為特種箱，用藍色表示。

2.3.3 岸橋相關參數(shù)

處理器中的最大容量設置為2.00（模型中以1個臨時實體代表1個標準箱，以2個實體來代表1個40英尺的集裝箱），默認為臨時實體走完處理器全長才被釋放到下一端口；加工時間為岸橋裝卸1個集裝箱的時間，時間設置為60 s（可以根據(jù)設備具體情況進行合理的設置或者設置為服從于某一特定的函數(shù)分布）；岸橋在裝卸過程中可能發(fā)生故障，設故障形式為MTBF_MTTR_1）。

2.3.4 水平搬運參數(shù)

（1）分配器參數(shù)設置。在實際的港口操作中，岸橋的作業(yè)過程往往需要多輛集卡進行配合裝卸，因此從碼頭前沿至堆場的水平搬運需要分配器指派一定數(shù)量的集卡。

（2）集卡的設置。設置水平搬運機械最大速度為5 m/s，裝載時間和卸載時間可以根據(jù)實際情況來設定平均值，也可以設置它服從某一函數(shù)分布；模型的裝載時間和卸載時間分別服從Normal（18，2，0）和Normal（12，2，0），其中第一個參數(shù)為均值，第二個參數(shù)為方差，第三個參數(shù)為隨機流（通常取值為0）。

2.3.5 堆場參數(shù)設定

（1）卸船后的集裝箱有進入堆場堆存的，也有直接運出港口的；模型中設置70%的集裝箱進入堆場堆存，30%的集裝箱運出港口。

（2）不同類型的集裝箱在堆場上是分區(qū)堆存的，在Flexsim中通過設置臨時實體流根據(jù)返回值選擇輸出端口來實現(xiàn)此項操作。

（3）場橋的最大容量設為2.00，裝卸1個集裝箱的作業(yè)時間設置為50 s。

（4）場橋的故障形式設為MTBF_MTTR_2。

（5）出閘口設置為吸收器，回收策略為不回收實體，實體流的輸入選用拉入模式，即任意實體類型均可離開系統(tǒng)。

除了以上參數(shù)設置外，其他的參數(shù)均采用默認值。仿真模型運行前后的整體界面如圖3所示。

2.4 仿真結果

2016年該碼頭集裝箱吞吐量為578.6萬TEU，水水中轉集裝箱吞吐量為470萬TEU。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近年來港口進口箱量約為進出口箱量的50%，由此推算2016年日均卸船進港箱量為 TEU。由于仿真模型是對進口集裝箱的卸船作業(yè)情況進行的模擬，因此扣除了水水中轉集裝箱數(shù)。

2.4.1 不同到港箱量條件下的設備利用率

改變發(fā)生器中臨時實體的數(shù)量來設置不同的到港箱量，在其他各類機械設備保持不變的情況下，分析到港箱量分別為500、、、和 TEU時碼頭岸橋和場橋的運行情況，最終運行結果如表3所示。

由表3可知，集裝箱的單箱處理時間隨著到港箱量增加逐漸縮短。當?shù)礁巯淞繛? 500 TEU時，港口各機械設備利用率較高；當?shù)礁巯淞繛? 000 TEU或2 500 TEU時，由于箱量過多造成港口作業(yè)瓶頸，使得各機械設備的生產(chǎn)效率增幅明顯減小，甚至出現(xiàn)了小幅降低的情況。因此，該碼頭的日均卸船箱量處于1 500 TEU時可使各機械設備利用率指標最優(yōu)。

2.4.2 不同集卡數(shù)量條件下設備利用率

在上述仿真研究基礎上，為1 500 TEU到港箱量選擇合理的設備配置數(shù)量情況見表4。

岸橋的利用率隨著集卡配置數(shù)量的增加而呈上升趨勢，但當集卡數(shù)量增至10輛和12輛時岸橋利用率無變化。對場橋而言，隨著配置集卡數(shù)量增加其利用率呈先升后降趨勢，場橋1利用率在配置10輛集卡時達到最高，場橋2、場橋3利用率在配置8輛集卡時達到最高。由于配置10輛集卡時場橋2、場橋3的利用率與最高利用率無顯著差異，而此時其他機械可以達到較高的利用率，因此配置10輛集卡較為合理。

3 結 語

借助Flexsim仿真系統(tǒng)建立離散仿真模型是對集裝箱碼頭裝卸工藝進行優(yōu)化的重要手段之一。針對某集裝箱碼頭的實際作業(yè)情況，F(xiàn)lexsim仿真船舶從進入港區(qū)航道至集裝箱運出港口的整個作業(yè)流程，將不同類型的集裝箱在堆場進行分區(qū)堆存，對仿真系統(tǒng)中各個實體進行合理的參數(shù)設置，使得仿真結果更具合理性，可為港口管理者提供相應的決策支撐。