物流系統(tǒng)仿真技術(shù)在集裝箱碼頭管理中的應(yīng)用實踐

袁罱蔚 胡聿理

系統(tǒng)仿真是針對研究對象建立模型，并在模型上對系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的方法。作為一種實用的決策工具，物流系統(tǒng)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于運輸調(diào)度、碼頭運營、庫存管理、集疏運規(guī)劃設(shè)計等領(lǐng)域，在集裝箱碼頭運營管理及方案調(diào)整優(yōu)化等方面發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)仿真技術(shù)的價值及特點

1.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)實用價值

系統(tǒng)仿真技術(shù)是利用模型對系統(tǒng)進(jìn)行試驗，并借助經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資料等分析試驗結(jié)果并作出決策的綜合性和試驗性學(xué)科。[1]系統(tǒng)仿真一般是在技術(shù)條件受限的情況下或出于人身和設(shè)備安全角度考慮在模型上開展研究的方法，可以獲得與實際系統(tǒng)研究相同或近似的結(jié)果。因其具有低成本、高效率且試驗結(jié)果較精準(zhǔn)的優(yōu)點，系統(tǒng)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于管理和決策領(lǐng)域，通過對現(xiàn)實問題的模擬分析，可以有效幫助企業(yè)縮小投資規(guī)模，降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化安全庫存，提高資金效用。

1.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點

系統(tǒng)仿真技術(shù)可以為決策者提供關(guān)鍵性見解和創(chuàng)新性觀點，擁有學(xué)科面廣、綜合性強、應(yīng)用領(lǐng)域廣、可重復(fù)試驗、不受自然環(huán)境限制等優(yōu)點， 可以服務(wù)于具體的生產(chǎn)活動;同時，生產(chǎn)活動的改進(jìn)成果又可以反作用于系統(tǒng)仿真技術(shù)，推動該技術(shù)不斷成熟和進(jìn)步。

2 物流系統(tǒng)仿真目標(biāo)、方法及步驟

2.1 物流系統(tǒng)仿真目標(biāo)

物流系統(tǒng)仿真廣泛應(yīng)用于倉儲系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、配送系統(tǒng)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)和港口物流領(lǐng)域。[2]物流系統(tǒng)仿真目標(biāo)是，使用仿真技術(shù)輔助有關(guān)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、運營管理、綜合性指標(biāo)評估驗證、多種方案比較等工作，最終達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。

2.2 物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法

物流系統(tǒng)指在一定時間和空間里，由包裝設(shè)備、物資、運輸工具、人員、裝卸搬運機(jī)械、倉儲設(shè)施和通信聯(lián)系等若干相互制約的動態(tài)要素構(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體。[3]物流系統(tǒng)具有復(fù)雜性、隨機(jī)性、動態(tài)性和非線性的特點，仿真運行統(tǒng)計結(jié)果可以推演出系統(tǒng)的真實性能。物流系統(tǒng)仿真可以解決復(fù)雜系統(tǒng)問題，規(guī)避諸多不確定因素，并最終通過各類數(shù)據(jù)和表格分析， 實現(xiàn)物流系統(tǒng)優(yōu)化。

考慮到物流系統(tǒng)的復(fù)雜性，借助計算機(jī)軟件并行運算速度快、輸出連續(xù)性強、易于與實物相連接、更接近實際控制系統(tǒng)等優(yōu)勢，基于FlexSim軟件建立的系統(tǒng)仿真模型可以全面反映物流系統(tǒng)的特點。在實踐運用中，軟件仿真結(jié)果只能對問題進(jìn)行直觀性描述，只有將仿真技術(shù)與優(yōu)化算法結(jié)合起來，才能實現(xiàn)物流系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)。

2.3 物流系統(tǒng)離散事件仿真基本步驟

物流系統(tǒng)仿真是典型的離散事件系統(tǒng)仿真，其核心是時鐘推進(jìn)和事件調(diào)度機(jī)制，仿真基本步驟為：第一步，確定仿真目標(biāo)，明確要解決的問題;第二步，開展系統(tǒng)調(diào)研，繪制總體流程，匯總建模參數(shù)，為建立數(shù)據(jù)模型作準(zhǔn)備;第三步，建立數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建包含臨時實體到達(dá)模型、永久實體服務(wù)模型和排隊模型等的流程圖;第四步，確定仿真算法，根據(jù)模型特質(zhì)選取事件調(diào)度法等工作方法;第五步，建立仿真模型，實現(xiàn)系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)化和數(shù)字化，其間可以增加一些部件來契合計算機(jī)運行特點;第六步，開展模型驗證，確認(rèn)所建立的模型能否被準(zhǔn)確地描述成可執(zhí)行的效果;第七步，運行仿真模型，其核心是確定終止仿真時間，并以此為先決條件來檢測階段效果;第八步，分析仿真結(jié)果，通過不斷增加仿真次數(shù)來獲取最終滿意的結(jié)果;第九步，輸出仿真結(jié)果，分為實時在線輸出和仿真結(jié)束時輸出，可以輸出表格、直方圖、餅圖、曲線圖等形式數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)文件，為決策輔助提供有價值、有說服力的數(shù)據(jù)參考。

3 物流系統(tǒng)仿真技術(shù)在集裝箱碼頭管理中的應(yīng)用

物流系統(tǒng)是多因素、多目標(biāo)的復(fù)雜運營系統(tǒng)，其整體優(yōu)化是綜合性的復(fù)雜工程。近年來，在運輸網(wǎng)絡(luò)布局、物流園區(qū)規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理控制等現(xiàn)代物流研究領(lǐng)域，通過計算機(jī)仿真技術(shù)來服務(wù)物流決策管理的效果顯著。例如， 通過計算機(jī)仿真工具模擬碼頭集裝箱物流系統(tǒng)，可以分析各種情況下集裝箱物流系統(tǒng)各項性能指標(biāo)，從而為老碼頭改建和新碼頭規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)的決策依據(jù)。[4]碼頭集裝箱物流系統(tǒng)涉及集裝箱搬運和堆放、裝卸機(jī)械作業(yè)、堆場箱位配置等諸多復(fù)雜因素， 利用系統(tǒng)仿真技術(shù)分析各項運管指標(biāo)，可以為集裝箱碼頭調(diào)整生產(chǎn)組織和優(yōu)化作業(yè)流程提供決策輔助。

3.1 碼頭集裝箱物流系統(tǒng)構(gòu)成

碼頭集裝箱物流系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備包括泊位、岸線、前沿、堆場、集裝箱貨運站倉庫、中控室、道口、修箱車間和岸橋、門機(jī)、正面吊、叉車、牽引車、跨運車等，實體構(gòu)成較為復(fù)雜且互相關(guān)聯(lián)和連接，高效協(xié)同的難度較大。碼頭集裝箱物流系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)具有連續(xù)性強、組織協(xié)調(diào)難度大、作業(yè)時間和空間不平衡等特點;因此，系統(tǒng)以盡量縮短集裝箱在碼頭內(nèi)逗留時間和保持生產(chǎn)連續(xù)性為出發(fā)點，最大程度保障各生產(chǎn)組織部門的多環(huán)節(jié)、多工種、內(nèi)外部門高度協(xié)調(diào)，最終達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。

從作業(yè)流程方面來看，碼頭集裝箱物流系統(tǒng)由一個總的陸海域系統(tǒng)和與岸線垂直分布的四大子系統(tǒng)構(gòu)成，其中，四大子系統(tǒng)分為前沿裝卸系統(tǒng)、水平運輸系統(tǒng)、堆場裝卸系統(tǒng)和道口檢查系統(tǒng)。從作業(yè)工藝方面來看，碼頭集裝箱物流系統(tǒng)分為進(jìn)港卸船、集裝箱分流、堆場存提、貨箱出站、裝船出運等5個工藝環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)集裝箱的不斷流動。碼頭集裝箱物流系統(tǒng)實體構(gòu)成及工藝流程的復(fù)雜程度決定了其僅靠構(gòu)建簡單的數(shù)學(xué)模型是無法解決優(yōu)化問題的，只有利用計算機(jī)仿真工具才能幫助碼頭管理者獲取改進(jìn)生產(chǎn)工藝和作業(yè)流程、提升管理水平和港口吞吐能力的優(yōu)化方案。

3.2 碼頭集裝箱物流系統(tǒng)仿真模型設(shè)計與應(yīng)用

通過繪制碼頭集裝箱物流系統(tǒng)仿真總流程圖（見圖1），建立一套完整的系統(tǒng)設(shè)計、運營和檢驗方法，系統(tǒng)地布局模型設(shè)計和設(shè)備建模，并在建模的基礎(chǔ)上開展仿真運行，分析輸出結(jié)果，能夠?qū)Υa頭集裝箱物流系統(tǒng)實施多方面優(yōu)化。

（1）模型設(shè)計與運行 設(shè)置進(jìn)港卸箱區(qū)域、集裝箱分類區(qū)域、堆場作業(yè)區(qū)域、集卡駛離區(qū)域和裝船出運區(qū)域等，設(shè)置原則如下：進(jìn)港卸箱區(qū)域為流程起點，通過發(fā)生器按照一定比例模擬集裝箱到達(dá)，由船舶發(fā)生器模擬靠港待卸船舶，然后與進(jìn)港船舶合成器關(guān)聯(lián)起來模擬船舶進(jìn)港卸箱，再通過傳輸器模擬集裝箱運輸及船舶靠港待卸;在集裝箱分類區(qū)域，利用分離器模擬卸船后，再通過排隊器將集裝箱分類，最后使用各自的傳輸器轉(zhuǎn)運車將集裝箱駁運到相關(guān)區(qū)位;在堆場作業(yè)區(qū)域，先用轉(zhuǎn)運車將集裝箱運往緩存區(qū)，再通過起重設(shè)備將集裝箱放至預(yù)定的箱位;在集卡駛離區(qū)域，使用起重設(shè)備按箱位取箱并將其吊運至集卡上駛離碼頭，道口布置卡口系統(tǒng)，監(jiān)控集卡出入碼頭區(qū)域情況;在裝船出運區(qū)域，轉(zhuǎn)運車將由集卡運來的集裝箱經(jīng)排隊器放至緩存區(qū)內(nèi)，再由岸橋?qū)⒓b箱裝船出運。

（2）仿真數(shù)據(jù)處理與分析轉(zhuǎn)運器仿真結(jié)果輸出為轉(zhuǎn)運車的運營狀態(tài)直方圖，可以幫助碼頭了解轉(zhuǎn)運車?yán)寐剩员阆嚓P(guān)部門調(diào)整轉(zhuǎn)運車配置;調(diào)度器仿真結(jié)果輸出為泊位實際使用狀況餅圖，可以幫助碼頭獲得各時段泊位利用率，以便相關(guān)部門調(diào)整船舶裝卸方案，提高泊位利用率;堆場仿真結(jié)果輸出為數(shù)據(jù)表格，可以直觀呈現(xiàn)堆場內(nèi)各種箱型堆存量隨時間推移而變化的過程，可以協(xié)助碼頭判斷堆場容量及箱區(qū)分配合理性，以便調(diào)度部門調(diào)整箱區(qū)分配。

4 結(jié)束語

隨著集裝箱碼頭生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和業(yè)務(wù)量的增加，碼頭生產(chǎn)作業(yè)過程中的信息量驟增，生產(chǎn)組織趨于復(fù)雜，依靠人力和經(jīng)驗難以實施港口生產(chǎn)調(diào)度決策。在此背景下，借助物流系統(tǒng)仿真技術(shù)輔助港口生產(chǎn)調(diào)度顯得越來越重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱小平. 物流系統(tǒng)仿真[M]. 北京：中國財富出版社，2012.

[2] 陳香蓮. 基于物流系統(tǒng)仿真的集裝箱港口數(shù)據(jù)擬合優(yōu)化研究與實踐[J]. 物流工程與管理，2017，39（11）：67-68.

[3] 李永先，胡祥培，熊英. 物流系統(tǒng)仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（7）：1411-1416.

[4] 王紅衛(wèi)，謝勇，王曉平，等. 物流系統(tǒng)仿真[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-02-21）