基于FlexSim的集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)建模與仿真分析

1 日照港集裝箱發(fā)展有限公司 2 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

集裝箱貿(mào)易量不斷增長(zhǎng)為集裝箱港口集疏運(yùn)建設(shè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，亟需有效的工具來(lái)評(píng)估港內(nèi)鐵路裝卸線(xiàn)作業(yè)系統(tǒng)效率。由于系統(tǒng)的離散型和隨機(jī)性，資源的優(yōu)化與配置難以用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)，比較適用于仿真方法來(lái)進(jìn)行描述和優(yōu)化。

現(xiàn)有的研究成果主要集中在港區(qū)外鐵路、鐵路裝卸線(xiàn)整體布局等。例如，對(duì)于港內(nèi)鐵路裝卸線(xiàn)/場(chǎng)，劉學(xué)武等探討了確定鐵路集裝箱裝卸設(shè)施建設(shè)規(guī)模的主要條件和港內(nèi)鐵路裝卸線(xiàn)的布置形式與集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的關(guān)系[1]；王玥葳定性分析了鐵路進(jìn)線(xiàn)布局對(duì)港內(nèi)交通的影響，提出港外集結(jié)站方式為海鐵聯(lián)運(yùn)的高效方式[2]；李達(dá)等通過(guò)多智能體仿真技術(shù)和微觀(guān)交通仿真技術(shù)構(gòu)建鐵路裝卸線(xiàn)模型，模擬系統(tǒng)作業(yè)流程，其模型基于集裝箱碼頭整體，對(duì)鐵路線(xiàn)作業(yè)調(diào)度等方面進(jìn)行了抽象[3]。

本文利用離散事件虛擬仿真軟件FlexSim對(duì)碼頭鐵路裝卸線(xiàn)進(jìn)行仿真建模，對(duì)泊位、港內(nèi)堆場(chǎng)、閘口等進(jìn)行抽象處理，細(xì)化裝卸作業(yè)策略，通過(guò)某港集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)況，驗(yàn)證模型的有效性，仿真得出作業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)，為系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置提供決策支持。

2 集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)

典型的集裝箱碼頭主要包括碼頭前沿作業(yè)區(qū)、堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)、鐵路作業(yè)區(qū)三大作業(yè)區(qū)。鐵路裝卸線(xiàn)的布置應(yīng)滿(mǎn)足港口總平面設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)的要求，鐵路裝卸線(xiàn)宜布置在港口的后方，當(dāng)碼頭陸域縱深不足時(shí)，可將鐵路裝卸線(xiàn)布置在港區(qū)以外專(zhuān)設(shè)的鐵路裝卸站或者集裝箱物流中心[4]。

船舶到港后，到港集裝箱通過(guò)碼頭前沿作業(yè)區(qū)的岸橋卸載至港內(nèi)集卡上，港內(nèi)集卡將集裝箱運(yùn)送至鐵路裝卸區(qū)，由軌道吊裝車(chē)離港，或?qū)⒓b箱運(yùn)送至堆場(chǎng)暫時(shí)堆存，再運(yùn)送至鐵路作業(yè)區(qū)裝車(chē)疏港或由港外集卡疏港；對(duì)于出港集裝箱，列車(chē)到港后，由鐵路軌道吊卸載至港內(nèi)集卡，集卡將集裝箱運(yùn)送至堆場(chǎng)暫存，或直接運(yùn)送至碼頭前沿作業(yè)區(qū)由岸橋完成裝船作業(yè)(見(jiàn)圖1)。船舶和列車(chē)到港、設(shè)備調(diào)度、集卡路線(xiàn)選擇、裝卸作業(yè)策略等各作業(yè)都存在隨機(jī)性，也需要通過(guò)信息交互實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)作業(yè)系統(tǒng)是由復(fù)雜隨機(jī)動(dòng)態(tài)物流系統(tǒng)和道路交通系統(tǒng)組成，需要建立有效模型來(lái)描述鐵路裝卸線(xiàn)作業(yè)。

圖1 典型集裝箱碼頭布置示意圖

3 集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)作業(yè)流程

建立仿真模型對(duì)碼頭前沿作業(yè)區(qū)和堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)進(jìn)行抽象化處理，只考慮鐵路作業(yè)區(qū)的裝車(chē)作業(yè)、卸車(chē)作業(yè)和水平運(yùn)輸作業(yè)3個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 裝車(chē)作業(yè)和卸車(chē)作業(yè)系統(tǒng)

列車(chē)到達(dá)鐵路裝卸線(xiàn)后，由鐵路軌道吊來(lái)完成集裝箱的裝車(chē)作業(yè)、卸車(chē)作業(yè)，其詳細(xì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 列車(chē)裝卸作業(yè)流程圖

3.2 水平作業(yè)系統(tǒng)

水平作業(yè)系統(tǒng)的主要運(yùn)輸工具為港內(nèi)集卡，負(fù)責(zé)鐵路作業(yè)區(qū)與堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)和碼頭前沿作業(yè)區(qū)間的集裝箱水平運(yùn)輸，水平作業(yè)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。

圖3 水平運(yùn)輸作業(yè)流程圖

4 基于FlexSim的某港集裝箱碼頭鐵路線(xiàn)裝卸系統(tǒng)建模

FlexSim軟件是典型的離散虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，突出3D顯示效果，可以有效地對(duì)離散型、隨機(jī)型系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。利用FlexSim仿真軟件建立鐵路裝卸線(xiàn)系統(tǒng)仿真模型，可逼真地描繪系統(tǒng)，為系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)或資源配置優(yōu)化提供了有效的可視化手段。

4.1 模型假設(shè)

為便于系統(tǒng)建模與分析，做出下列假設(shè)：

(1)只考慮集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)部分，對(duì)泊位、港內(nèi)堆場(chǎng)、閘口等設(shè)施進(jìn)行抽象處理。

(2)考慮實(shí)際情況，集裝箱分為20 ft和40 ft這2種箱型，不考慮特種箱的裝卸。

(3)軌道堆區(qū)為4列，最高可放3層，20 ft箱型較少，放在鐵道堆區(qū)離軌道最近的一列，40 ft箱型隨機(jī)放在其他3列。考慮實(shí)際情況，裝卸車(chē)時(shí)按照“Z”字型堆取策略取箱或放箱，可盡量減少軌道吊行走距離。

(4)當(dāng)同時(shí)存在集卡裝卸任務(wù)和裝卸車(chē)任務(wù)時(shí)，軌道吊執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)后會(huì)優(yōu)先執(zhí)行集卡裝卸任務(wù)，集卡的服務(wù)原則為先到先服務(wù)。

4.2 FlexSim對(duì)象實(shí)體與實(shí)際設(shè)施的對(duì)應(yīng)分析

依據(jù)對(duì)象控件的功能建立鐵路裝卸設(shè)施與FlexSim對(duì)象實(shí)體的映射(見(jiàn)表1)。

表1 鐵路裝卸線(xiàn)設(shè)施的實(shí)體映射對(duì)照表

4.3 建立仿真模型

根據(jù)以上分析，建立某港集裝箱碼頭鐵路線(xiàn)裝卸系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 仿真模型效果圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

5.1 約束輸入條件

針對(duì)某港集裝箱碼頭的實(shí)際作業(yè)現(xiàn)狀，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼斎雲(yún)?shù)如下：

(1)軌道吊單箱裝卸時(shí)間為三角分布(1.2 min、1.6 min、2 min)。

(2)進(jìn)出口箱各占50%，40 ft箱型數(shù)量按照占總箱量的80%計(jì)算。

(3)列車(chē)長(zhǎng)度為60節(jié)，120 TEU/車(chē)，軌道堆區(qū)長(zhǎng)度約為800 m，軌道吊和港內(nèi)集卡數(shù)量按照1∶3比例配置。

5.2 仿真結(jié)果與分析

分別在鐵路裝卸線(xiàn)上配置2、3、4臺(tái)軌道吊，形成3種軌道吊配置方案，運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)20次，每次時(shí)間取1個(gè)月，統(tǒng)計(jì)列車(chē)平均裝卸時(shí)間、集卡平均等待時(shí)間和軌道吊平均利用率仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著軌道吊數(shù)量的增加，列車(chē)平均裝卸時(shí)間和集卡平均等待軌道吊時(shí)間均減少，鐵路裝卸線(xiàn)效率提高，但軌道吊利用率降低。仿真結(jié)果與鐵路線(xiàn)實(shí)際作業(yè)情況基本相符，該仿真模型可較真實(shí)地描述鐵路裝卸線(xiàn)系統(tǒng)，可運(yùn)用此仿真方法進(jìn)行軌道吊、火車(chē)和集卡的合理配置，使三者有機(jī)地協(xié)調(diào)，為實(shí)際的資源配置、裝卸工藝方案等提供參考。

表2 仿真結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

在綜合集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)仿真特點(diǎn)以及FlexSim離散系統(tǒng)仿真方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合某港鐵路裝卸線(xiàn)實(shí)例建立了仿真模型，通過(guò)對(duì)比多種軌道吊方案的仿真結(jié)果，證明基于FlexSim仿真建模方法在集裝箱碼頭鐵路裝卸線(xiàn)系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，該模型為鐵路裝卸線(xiàn)資源設(shè)施的配置規(guī)劃提供了一種切實(shí)可行的理論方法。