超大型集裝箱碼頭作業(yè)運營仿真系統(tǒng)研發(fā)

孫金余

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

科學規(guī)劃和設計物流作業(yè)系統(tǒng)，有效地提高資源配置效率和作業(yè)能力，是目前自動化集裝箱碼頭急需要解決的問題。利用仿真技術模擬自動化集裝箱碼頭物流系統(tǒng)運行，為自動化集裝箱碼頭物流作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化提供決策依據是一個重要課題。結合某自動化碼頭裝卸設備特點，研發(fā)了TOS(Terminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))指令調度架構平臺，通過設備調度模塊與協(xié)同過程控制系統(tǒng)，高效率地組織碼頭現(xiàn)場生產[1]。

2 功能目標與關鍵技術

2.1 自動化集裝箱碼頭作業(yè)運營仿真功能目標

(1)實現(xiàn)TOS與仿真系統(tǒng)構成的數字化雙胞胎系統(tǒng)之間的快速、無縫對接。

(2)驗證調度策略的有效性。對泊位計劃、作業(yè)路計劃、堆場作業(yè)計劃、堆場選位策略、岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)調度規(guī)則、堆場門式起重機(以下簡稱場橋)調度規(guī)則、AGV(Automated Guided Vechicle，自動化引導小車)調度規(guī)則等智能算法進行驗證與優(yōu)化，實現(xiàn)作業(yè)調度實時優(yōu)化。

(3)預測在未來一段時間內碼頭作業(yè)運營設備狀態(tài)、船舶狀態(tài)、堆場狀態(tài)、泊位狀態(tài)等的變化，同時驗證碼頭整體作業(yè)運營方案的合理性及效果。

2.2 自動化集裝箱碼頭運營仿真系統(tǒng)關鍵技術

(1)仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接。TOS中數據需要經過統(tǒng)計、歸并、擬合等一系列加工才能導入仿真系統(tǒng)中使用。因此，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接是保證實際作業(yè)過程快速、高效、準確的基本條件。

(2)仿真系統(tǒng)模擬作業(yè)運營系統(tǒng)的準確度。要構建包含更多作業(yè)細節(jié)的仿真模型，并反復測試、多次迭代仿真模型，同時，也要構建指標體系評價仿真系統(tǒng)，確保仿真系統(tǒng)真實地模擬作業(yè)運營系統(tǒng)。

(3)仿真系統(tǒng)適應碼頭外部環(huán)境變化的柔性。集裝箱碼頭外部環(huán)境復雜多變，受天氣、季節(jié)、政策、經濟等多種因素影響，要求仿真必須具備不同情景下快速仿真評估的能力。

(4)仿真系統(tǒng)與優(yōu)化算法集成開發(fā)。仿真本質上是一種評估模式，作業(yè)運營需要持續(xù)地對計劃、調度、流程、工藝進行優(yōu)化。因此，仿真系統(tǒng)需要具備在仿真過程中進行優(yōu)化的能力。

3 仿真系統(tǒng)開發(fā)

3.1 整體研發(fā)框架設計

基于現(xiàn)有硬件設施和作業(yè)運營狀況，將TOS中各種運營數據、設備信息導入仿真系統(tǒng)，形成作業(yè)運營數字孿生系統(tǒng)，進行碼頭智能計劃與調度仿真，業(yè)務流程及信息系統(tǒng)的驗證、測試與預測。依據判斷結果調整仿真系統(tǒng)的輸入參數、調度策略等信息，經過多次迭代，實現(xiàn)碼頭作業(yè)運營調度策略優(yōu)化。仿真系統(tǒng)整體架構見圖1。

圖1 超大型自動化集裝箱碼頭作業(yè)運營仿真系統(tǒng)架構

3.2 碼頭作業(yè)運營復雜仿真系統(tǒng)建模

自動化集裝箱碼頭設備多樣、流程復雜，碼頭作業(yè)運營具有連續(xù)性、協(xié)作性和生產任務不平衡的特點。因此，需要綜合考慮碼頭內泊位分配計劃、岸橋調度計劃、AGV調度計劃、場橋調度計劃，以及船舶配載、箱位分配等多種流程的集成調度，構建仿真優(yōu)化模型平衡各個流程的調度作業(yè)，實現(xiàn)整個碼頭的調度作業(yè)優(yōu)化。

自動化集裝箱碼頭作業(yè)運營仿真建模涵蓋碼頭物流系統(tǒng)運營環(huán)節(jié)的各個方面，包括碼頭泊位子系統(tǒng)、碼頭閘口子系統(tǒng)、碼頭交通集疏運子系統(tǒng)、碼頭堆場子系統(tǒng)等[2]。

碼頭泊位系統(tǒng)分別采用分層建模方法、對象建模方法及Petri網建模方法建立模型，然后基于Witness仿真平臺進行模擬。閘口運營系統(tǒng)基于Flexsim建立模型，對閘口資源進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)均衡合理利用閘口通道資源和堆場內裝卸資源的目標。依據自動化集裝箱碼頭隨機性特征，利用EM-Plant建立港口集疏運模型，結合碼頭裝卸工藝和運營流程，在仿真環(huán)境下分析區(qū)域道路網交通流量與港口集疏運之間的關系影響。

3.3 仿真系統(tǒng)開發(fā)

碼頭作業(yè)運營仿真系統(tǒng)開發(fā)包括集裝箱碼頭計劃、調度驗證與優(yōu)化、設備投入與作業(yè)預測等，全方位涵蓋作業(yè)運營環(huán)節(jié)。

在碼頭作業(yè)運營仿真邏輯模型的設計方面，還需要建立具有層次的對象模型，如前方碼頭作業(yè)系統(tǒng)、水平輸送系統(tǒng)、堆場系統(tǒng)、計算機管理系統(tǒng)；根據系統(tǒng)的層次模型，建立各層次子系統(tǒng)的對象模型；根據系統(tǒng)的復雜程度，將系統(tǒng)和子系統(tǒng)內的事件列表，建立事件之間的關系表；根據已建立的各層次子系統(tǒng)的對象模型及其系統(tǒng)內部事件之間的關系表，建立該對象的動態(tài)模型，寫出每個事件發(fā)生的前提條件和后繼條件。

為了解決碼頭作業(yè)運營仿真系統(tǒng)的接口開發(fā)與數據采集，需要連接TOS和相關的VMS(Vechicle Management System，車隊調度系統(tǒng))等系統(tǒng)，獲取集裝箱碼頭生產數據與計劃調度信息，并對這些獲得的碼頭作業(yè)動態(tài)數據進行數理統(tǒng)計，得到反映碼頭作業(yè)運營的隨機動態(tài)變化的統(tǒng)計規(guī)律，為系統(tǒng)仿真提供可信的基礎數據[3]。

對于碼頭作業(yè)運營評價體系的構建，基于集裝箱碼頭業(yè)務特點與仿真目標，構建針對不同業(yè)務的分類仿真評價體系。

4 結語

該仿真系統(tǒng)解決了仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接、模擬作業(yè)運營系統(tǒng)的準確度、仿真系統(tǒng)適應碼頭外部環(huán)境變化的柔性以及優(yōu)化算法集成開發(fā)等難點。生產實踐表明，該系統(tǒng)對自動化集裝箱碼頭整體作業(yè)運營優(yōu)化具有實用性與有效性，可為自動化集裝箱碼頭作業(yè)運營仿真提供參考。