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

袁罱蔚 胡聿理

系統(tǒng)仿真是針對(duì)研究對(duì)象建立模型，并在模型上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的方法。作為一種實(shí)用的決策工具，物流系統(tǒng)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸調(diào)度、碼頭運(yùn)營(yíng)、庫(kù)存管理、集疏運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，在集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)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(jià)值及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)實(shí)用價(jià)值

系統(tǒng)仿真技術(shù)是利用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資料等分析試驗(yàn)結(jié)果并作出決策的綜合性和試驗(yàn)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(kāi)展研究的方法，可以獲得與實(shí)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(yàn)結(jié)果較精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(kù)存，提高資金效用。

1.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點(diǎn)

系統(tǒng)仿真技術(shù)可以為決策者提供關(guān)鍵性見(jiàn)解和創(chuàng)新性觀點(diǎn)，擁有學(xué)科面廣、綜合性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、可重復(fù)試驗(yàn)、不受自然環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)， 可以服務(wù)于具體的生產(chǎn)活動(dòng);同時(shí)，生產(chǎn)活動(dòng)的改進(jìn)成果又可以反作用于系統(tǒng)仿真技術(shù)，推動(dòng)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(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、庫(kù)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(jì)、運(yùn)營(yíng)管理、綜合性指標(biāo)評(píng)估驗(yàn)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(shí)間和空間里，由包裝設(shè)備、物資、運(yùn)輸工具、人員、裝卸搬運(yùn)機(jī)械、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施和通信聯(lián)系等若干相互制約的動(dòng)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(dòng)態(tài)性和非線性的特點(diǎn)，仿真運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以推演出系統(tǒng)的真實(shí)性能。物流系統(tǒng)仿真可以解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，規(guī)避諸多不確定因素，并最終通過(guò)各類數(shù)據(jù)和表格分析， 實(shí)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(jì)算機(jī)軟件并行運(yùn)算速度快、輸出連續(xù)性強(qiáng)、易于與實(shí)物相連接、更接近實(shí)際控制系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)。在實(shí)踐運(yùn)用中，軟件仿真結(jié)果只能對(duì)問(wèn)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(lái)，才能實(shí)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(shí)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(wèn)題;第二步，開(kāi)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(shí)實(shí)體到達(dá)模型、永久實(shí)體服務(wù)模型和排隊(duì)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(shí)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(lái)契合計(jì)算機(jī)運(yùn)行特點(diǎn);第六步，開(kāi)展模型驗(yàn)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(yùn)行仿真模型，其核心是確定終止仿真時(shí)間，并以此為先決條件來(lái)檢測(cè)階段效果;第八步，分析仿真結(jié)果，通過(guò)不斷增加仿真次數(shù)來(lái)獲取最終滿意的結(jié)果;第九步，輸出仿真結(jié)果，分為實(shí)時(shí)在線輸出和仿真結(jié)束時(shí)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(jià)值、有說(shuō)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(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，其整體優(yōu)化是綜合性的復(fù)雜工程。近年來(lái)，在運(yùn)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)服務(wù)物流決策管理的效果顯著。例如， 通過(guò)計(jì)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(xiàng)性能指標(biāo)，從而為老碼頭改建和新碼頭規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yùn)和堆放、裝卸機(jī)械作業(yè)、堆場(chǎng)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(xiàng)運(yùn)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(chǎng)、集裝箱貨運(yùn)站倉(cāng)庫(kù)、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(yùn)車等，實(shí)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(qiáng)、組織協(xié)調(diào)難度大、作業(yè)時(shí)間和空間不平衡等特點(diǎn);因此，系統(tǒng)以盡量縮短集裝箱在碼頭內(nèi)逗留時(shí)間和保持生產(chǎn)連續(xù)性為出發(fā)點(diǎn)，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(lái)看，碼頭集裝箱物流系統(tǒng)由一個(gè)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(yùn)輸系統(tǒng)、堆場(chǎng)裝卸系統(tǒng)和道口檢查系統(tǒng)。從作業(yè)工藝方面來(lái)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(chǎng)存提、貨箱出站、裝船出運(yùn)等5個(gè)工藝環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)集裝箱的不斷流動(dòng)。碼頭集裝箱物流系統(tǒng)實(shí)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(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型是無(wú)法解決優(yōu)化問(wèn)題的，只有利用計(jì)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(jì)與應(yīng)用

通過(guò)繪制碼頭集裝箱物流系統(tǒng)仿真總流程圖（見(jiàn)圖1），建立一套完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和檢驗(yàn)方法，系統(tǒng)地布局模型設(shè)計(jì)和設(shè)備建模，并在建模的基礎(chǔ)上開(kāi)展仿真運(yùn)行，分析輸出結(jié)果，能夠?qū)Υa頭集裝箱物流系統(tǒng)實(shí)施多方面優(yōu)化。

（1）模型設(shè)計(jì)與運(yùn)行 設(shè)置進(jìn)港卸箱區(qū)域、集裝箱分類區(qū)域、堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)域、集卡駛離區(qū)域和裝船出運(yùn)區(qū)域等，設(shè)置原則如下：進(jìn)港卸箱區(qū)域?yàn)榱鞒唐瘘c(diǎn)，通過(guò)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(lái)模擬船舶進(jìn)港卸箱，再通過(guò)傳輸器模擬集裝箱運(yùn)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(guò)排隊(duì)器將集裝箱分類，最后使用各自的傳輸器轉(zhuǎn)運(yùn)車將集裝箱駁運(yùn)到相關(guān)區(qū)位;在堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)域，先用轉(zhuǎn)運(yùn)車將集裝箱運(yùn)往緩存區(qū)，再通過(guò)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(yùn)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(yùn)區(qū)域，轉(zhuǎn)運(yùn)車將由集卡運(yùn)來(lái)的集裝箱經(jīng)排隊(duì)器放至緩存區(qū)內(nèi)，再由岸橋?qū)⒓b箱裝船出運(yùn)。

（2）仿真數(shù)據(jù)處理與分析轉(zhuǎn)運(yùn)器仿真結(jié)果輸出為轉(zhuǎn)運(yùn)車的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)直方圖，可以幫助碼頭了解轉(zhuǎn)運(yùn)車?yán)寐?，以便相關(guān)部門調(diào)整轉(zhuǎn)運(yùn)車配置;調(diào)度器仿真結(jié)果輸出為泊位實(shí)際使用狀況餅圖，可以幫助碼頭獲得各時(shí)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(chǎng)仿真結(jié)果輸出為數(shù)據(jù)表格，可以直觀呈現(xiàn)堆場(chǎng)內(nèi)各種箱型堆存量隨時(shí)間推移而變化的過(guò)程，可以協(xié)助碼頭判斷堆場(chǎng)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(yǔ)

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(guò)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(yàn)難以實(shí)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(lái)越重要。

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（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-02-21）