集裝箱碼頭多級智能閘口系統(tǒng)仿真建模

王瑞璐 舒 帆 金 毅

1 上海海事大學(xué)

2 上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

閘口作為碼頭與外部連接的關(guān)口，其通過能力會對碼頭的作業(yè)效率產(chǎn)生直接影響，是衡量碼頭陸運(yùn)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。近年來，隨著港口自動化和智能化水平的不斷提高，如何結(jié)合自身特點(diǎn)進(jìn)行閘口建設(shè)和改造成為亟待解決的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對此類問題的研究大致分成3類：控制集卡的到港時(shí)間或優(yōu)化排隊(duì)時(shí)間，建立數(shù)學(xué)模型管理集裝箱碼頭的集卡；改變閘口結(jié)構(gòu)模式，對閘口進(jìn)行改進(jìn)；對閘口通道進(jìn)行配置優(yōu)化，有效利用閘口通道資源。

關(guān)于控制集卡的到港時(shí)間或優(yōu)化排隊(duì)時(shí)間的研究較多。在眾多研究中，建立模型再求解是較常用的一種方法。丁一等[1]運(yùn)用排隊(duì)論和逐點(diǎn)固定流體近似方法建立了一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃模型，并通過CPLEX求解模型，其模型可有效減小外集卡在碼頭的平均排隊(duì)長度和集卡公司所期望到達(dá)的預(yù)約時(shí)間段與被調(diào)配到的預(yù)約時(shí)間段的差異；Zhang[2]等根據(jù)非平穩(wěn)排隊(duì)理論開發(fā)了一種新型模型，該模型可反映堆場起重機(jī)服務(wù)過程，提高集卡在閘口的等待時(shí)間的計(jì)算精度，優(yōu)化集卡預(yù)約系統(tǒng)，減少碼頭擁堵現(xiàn)象；于蒙等[3]基于適應(yīng)度值排序的自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化了集卡預(yù)約額，將集卡在閘口和堆場的平均等待時(shí)間縮短5.57 min；Mohammad等[4]通過建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃并使用Lingo軟件對其求解，創(chuàng)建一種新型卡車預(yù)約系統(tǒng)(TAS)，該系統(tǒng)可平均分配集卡到港時(shí)間，以緩解港口和堆場擁堵情況，還可以降低運(yùn)輸成本。隨后，其他學(xué)者在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)。Liu等[5]基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃的多約束調(diào)度模型，提出一種兩階段的卡車預(yù)約調(diào)度算法，改進(jìn)現(xiàn)有的TAS，結(jié)果顯示受約束的TAS不僅可以解決閘口擁堵問題，還可以有效降低運(yùn)營成本；Yu等[6]提出一種新的TAS形式，使得運(yùn)輸公司與碼頭運(yùn)營商進(jìn)行合作，實(shí)驗(yàn)表明合作模型的效率更高，可以更有效地解決閘口集卡擁堵問題；Caballini等[7]制定并實(shí)現(xiàn)了一種整數(shù)規(guī)劃模型，用于解決使用TAS的集裝箱碼頭的集卡規(guī)劃問題，該模型可提高集裝箱碼頭運(yùn)作效率與資源分配。

改變閘口結(jié)構(gòu)模式也是解決此類問題的有效方法之一。楊杰敏等[8]運(yùn)用當(dāng)前信息技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能閘口信息采集系統(tǒng)，為自動化集裝箱碼頭智能閘口設(shè)計(jì)提供了一種新思路；Zhang等[9]通過工廠仿真分別建立了集裝箱碼頭單級閘口和多級閘口仿真模型，通過對比測試，得到多級閘口車輛平均等待時(shí)間比單級閘口短70.79%；Chu等[10]設(shè)計(jì)了一種最佳的閘口布局形式，考慮集卡到達(dá)率、登記口服務(wù)率和等待時(shí)間閾值，可緩解集裝箱碼頭的擁堵問題。此外，結(jié)合港口自身特點(diǎn)對其閘口進(jìn)行改造更具有現(xiàn)實(shí)意義；吳世恩[11]以南京港龍?zhí)都b箱碼頭為例，對傳統(tǒng)閘口進(jìn)行智能化改造，可提高閘口進(jìn)出效率；張傳捷等[12]對洋山深水港自動化碼頭出場閘口進(jìn)行優(yōu)化，提出無人化閘口的方案，可提高閘口通過率。

針對閘口通道進(jìn)行配置優(yōu)化問題的研究文獻(xiàn)較少。張玉[13]應(yīng)用eM-plant仿真軟件對集裝箱三級閘口排隊(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，并對2種閘口通道分配方案進(jìn)行對比；Wang等[14]為解決閘口擁堵問題，利用啟發(fā)式算法，設(shè)計(jì)一種智能閘口可逆通道分配與調(diào)度的方法，并驗(yàn)證其可行性；舒開連[15]對廣州港南沙港區(qū)三期進(jìn)港閘口車道數(shù)進(jìn)行對比研究，提出高峰系數(shù)法適合在南沙港區(qū)集裝箱碼頭使用。

2 多級閘口系統(tǒng)的作業(yè)流程

2.1 閘口系統(tǒng)的功能

閘口系統(tǒng)管理碼頭的對外業(yè)務(wù)，即集卡的進(jìn)出場作業(yè)。按照進(jìn)出口屬性，可將閘口系統(tǒng)處理的業(yè)務(wù)類型分為2類。對進(jìn)閘口而言，分為出口箱集港、進(jìn)口箱提箱2大類作業(yè)。相應(yīng)地，與前2類作業(yè)對應(yīng)的出閘口作業(yè)分為駛出空集卡的確認(rèn)和駛出帶箱集卡的確認(rèn)。按照箱重屬性，可在上述分類的基礎(chǔ)上進(jìn)一步疊加空箱、重箱業(yè)務(wù)類型。

在進(jìn)閘口，要識別集卡的車牌號，識別集裝箱的箱號并確認(rèn)箱子的殘損情況，確認(rèn)業(yè)務(wù)的預(yù)約狀態(tài)并與識別信息進(jìn)行比對等，從而對集卡進(jìn)行分流。除集卡、箱、信息一致之外，閘口的作業(yè)還受碼頭內(nèi)場地機(jī)械作業(yè)情況的影響，按其繁忙程度控制閘口處車輛的通行。國內(nèi)外碼頭的閘口形式多樣，上述閘口系統(tǒng)的功能可以用單級或多級閘口予以實(shí)現(xiàn)。本文以多級智能閘口為主要研究對象，分析其作業(yè)流程。

2.2 多級智能閘口作業(yè)流程

智能閘口指采用無線射頻識別(RFID)、光學(xué)字符識別(OCR)等技術(shù)對進(jìn)港集卡進(jìn)行車、箱信息讀取與識別，根據(jù)集裝箱預(yù)約信息和堆場作業(yè)情況，指示集卡前往目的堆場。形式上可以在單級閘口實(shí)現(xiàn)所有功能，也可將功能劃分在多個(gè)閘口來實(shí)現(xiàn)。一種典型的多級閘口的作業(yè)流程見圖1。

圖1 集港進(jìn)場多級智能閘口作業(yè)流程

2.3 多級智能閘口系統(tǒng)的特點(diǎn)

設(shè)置多級閘口，可以對進(jìn)港集卡信息進(jìn)行搜集和預(yù)處理，從而對集卡進(jìn)行分流處理并及時(shí)調(diào)度，有效配置資源，以減少閘口擁堵現(xiàn)象，提高碼頭作業(yè)效率。對于問題集卡，可以快速引導(dǎo)其進(jìn)入緩沖區(qū)等待，并完善相關(guān)手續(xù)或辦理離港返回手續(xù)，避免閘口因問題集卡造成閘口業(yè)務(wù)辦理停滯而出現(xiàn)擁堵問題，提高閘口通行率。

3 集裝箱碼頭多級閘口仿真模型的構(gòu)建

應(yīng)用Plant Simulation仿真軟件，構(gòu)建多級閘口系統(tǒng)的仿真模型。

3.1 仿真模型前提假設(shè)

為構(gòu)建模型，做如下假設(shè)：

(1)不特別設(shè)定超限箱、危險(xiǎn)品、冷藏箱、大件等箱型。

(2)集裝箱運(yùn)送均通過碼頭閘口，且一車一箱。

(3)不受堆場內(nèi)的堆垛順序規(guī)則的約束。

(4)忽略堆場內(nèi)移箱、翻箱、轉(zhuǎn)場等作業(yè)以及集卡走錯(cuò)或在其他區(qū)域內(nèi)的移動時(shí)間。

(5)在傳統(tǒng)閘口系統(tǒng)部分，模型不考慮特殊通道以及問題或緊急車輛問題。

(6)模型考慮空重箱分開堆放的情形。

(7)設(shè)施設(shè)備穩(wěn)定，不考慮其發(fā)生故障等不確定因素。

3.2 仿真模型基本參數(shù)

集裝箱碼頭多級智能閘口系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)離散事件系統(tǒng)，為構(gòu)建模型，根據(jù)某集裝箱港口的1年運(yùn)營情況，分析統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得到多級智能閘口系統(tǒng)所需要的各區(qū)域隨機(jī)事件分布規(guī)律如下：

(1)集卡到港時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，均值為20.7 s。

(2)空車在入口閘口處服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，均值為40.1 s；重車在入口閘口處的服務(wù)時(shí)間也服從負(fù)指數(shù)分布，均值為55.2 s。

(3)集卡在出口閘口處的服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，均值為30 s。

(4)重箱堆場服務(wù)時(shí)間服從經(jīng)驗(yàn)分布(見表1)。

表1 重箱堆場服務(wù)時(shí)間分布

表1中參數(shù)指以49%的概率，返回在300～600之間的實(shí)數(shù)，作為后方堆場服務(wù)時(shí)間，其他數(shù)據(jù)同理，不再贅述。

(5)緩沖區(qū)服務(wù)時(shí)間服從經(jīng)驗(yàn)分布(見表2)，含義同上。

表2 緩沖區(qū)服務(wù)時(shí)間分布

(6)空箱堆場服務(wù)時(shí)間分布基本服從于三角分布triangle(1,10∶00,5∶00,15∶00)。

(7)除上述時(shí)間分布的參數(shù)外，設(shè)定空重箱比重為1∶1。進(jìn)港通道進(jìn)入緩沖區(qū)的原因較多，比如業(yè)務(wù)未預(yù)約、實(shí)際箱號與預(yù)約箱號不符、無機(jī)械、特殊箱等，按照數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)定20%的集港集卡進(jìn)入緩沖區(qū)。提箱因?yàn)椴簧婕跋湫畔⒌谋葘Α⑴袛?，因此設(shè)定10%的提箱集卡進(jìn)入緩沖區(qū)。設(shè)定進(jìn)閘口的通道數(shù)為7，出閘口的通道數(shù)為5。

3.3 仿真模型實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

按照前述的流程，構(gòu)建仿真模型基本結(jié)構(gòu)，仿真模型主界面見圖2。輸入?yún)?shù)，并編寫控制程序后，模型即可運(yùn)行。

圖2 仿真模型界面

以外集卡平均在港時(shí)間、閘口平均利用率、閘口作業(yè)車輛、進(jìn)入空箱堆場數(shù)量、進(jìn)入緩沖區(qū)數(shù)量、進(jìn)入后方堆場數(shù)量、入口出口通道服務(wù)時(shí)間為評估指標(biāo)，仿真模型運(yùn)行1周的參數(shù)與某集裝箱碼頭實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，各指標(biāo)對比結(jié)果見表3。

表3 仿真模型結(jié)果對比

(續(xù)表3)

由表3可知，各項(xiàng)指標(biāo)的誤差率均在可接受范圍內(nèi)，所以，該仿真模型具有可行性，可以用于分析以這些參數(shù)為前提的集裝箱碼頭多級智能閘口系統(tǒng)。

4 集裝箱碼頭多級閘口仿真模型分析

4.1 多級閘口仿真模型瓶頸分析

對模型各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可知多級智能閘口的瓶頸有2個(gè)主要參數(shù):集卡到達(dá)的時(shí)間間隔；堆場的機(jī)械數(shù)量。若集卡到達(dá)的時(shí)間間隔變小或堆場機(jī)械數(shù)量變小，會導(dǎo)致模型多處出現(xiàn)擁堵問題。此時(shí)，道口大量集卡處于排隊(duì)狀態(tài)，入閘口通道近乎飽和，緩沖區(qū)、各類堆場的路徑和作業(yè)區(qū)等也出現(xiàn)不同程度擁堵(見圖3)。而出口閘口通道利用率極低，集卡排隊(duì)時(shí)間大幅增加，碼頭作業(yè)效率降低。

圖3 瓶頸參數(shù)造成系統(tǒng)擁堵

可見，目前碼頭逐漸興起的預(yù)約制度，可在一定程度上保證集卡到達(dá)的時(shí)間間隔處于穩(wěn)定的狀態(tài)；而碼頭的機(jī)械數(shù)量則在一定程度上考驗(yàn)碼頭卸船、集港場地計(jì)劃的優(yōu)劣，過于集中的堆放勢必造成場地機(jī)械數(shù)量的減少，從而影響集卡的閘口作業(yè)效率。

4.2 多級閘口與單級閘口對比分析

單級閘口指把多級閘口的功能并入1個(gè)閘口來完成，有問題的集裝箱則進(jìn)入緩沖區(qū)處理進(jìn)行二次入閘。

4.2.1 閘口輸出參數(shù)對比分析

建立單級閘口的模型，運(yùn)行仿真程序后，得到單級閘口的輸出參數(shù)見圖4。

圖4 兩類閘口系統(tǒng)輸出參數(shù)對比

由圖4可知，單級閘口系統(tǒng)的集卡平均在港時(shí)間的增幅明顯大于多級智能閘口，同時(shí)，在入口閘口處的利用率也有一定的增加，表明多級智能閘口與傳統(tǒng)閘口相比，可以縮短集卡排隊(duì)時(shí)間，減少閘口擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2.2 緩沖區(qū)因素影響分析

從傳統(tǒng)閘口改造的角度分析，假設(shè)碼頭改造采用單級智能閘口的形式，討論緩沖區(qū)大小對閘口系統(tǒng)效率的影響。將單級閘口系統(tǒng)的緩沖區(qū)容量從20增加至80，再次運(yùn)行仿真模型，輸出參數(shù)見圖5。由圖5可知，當(dāng)單級閘口緩沖區(qū)加大時(shí)，其集卡平均在港時(shí)間雖然相較于緩沖區(qū)小時(shí)的單級閘口有所減少，但依舊比多級閘口系統(tǒng)用時(shí)長，表明多級閘口在緩沖區(qū)容量小的情況下，其運(yùn)作效率也高于傳統(tǒng)閘口系統(tǒng)。所以對于緩沖區(qū)無法擴(kuò)大的集裝箱碼頭，應(yīng)用多級智能閘口系統(tǒng)比單純增大緩沖區(qū)大小更具優(yōu)勢。

圖5 緩沖區(qū)因素變化下的數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

在分析智能閘口功能的基礎(chǔ)上，對多級閘口的形式和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析。利用Plant Simulation仿真軟件對多級閘口進(jìn)行建模仿真，并驗(yàn)證了該模型的可行性。仿真結(jié)果表明，多級閘口系統(tǒng)效率受制于集卡到達(dá)時(shí)間間隔和碼頭堆場裝卸設(shè)備的繁忙程度，從而印證了集卡到達(dá)預(yù)約機(jī)制的必要性，并引申出集裝箱場地計(jì)劃對閘口效率的影響。與單級閘口相比，多級閘口在集卡平均在港時(shí)間等參數(shù)上具有明顯優(yōu)勢；當(dāng)緩沖區(qū)大小發(fā)生變化時(shí)，多級閘口仍然具有比單純擴(kuò)大緩沖區(qū)大小更好的效率提升優(yōu)勢。對于緩沖區(qū)受限的碼頭，改善閘口的形式可以獲得更優(yōu)的閘口服務(wù)質(zhì)量。