改進(jìn)型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案設(shè)計(jì)與仿真

陳振宇 馬淑梅

【摘 要】 為提升港口企業(yè)集裝箱堆場(chǎng)精益化管理水平，分析普通型港口出口集裝箱堆場(chǎng)的作業(yè)流程及缺點(diǎn)，制訂提高出口集裝箱堆場(chǎng)堆存作業(yè)效率和外來(lái)集裝箱卡車(chē)進(jìn)港均衡性的優(yōu)化原則，提出改進(jìn)型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案。通過(guò)Plant Simulation仿真軟件建立堆場(chǎng)堆存方案模型，對(duì)不同堆存方案、預(yù)約箱比例的仿真結(jié)果表明，改進(jìn)型堆存方案在提高出口集裝箱堆場(chǎng)整體作業(yè)效率、作業(yè)均衡性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 集裝箱堆場(chǎng);堆存方案;Plant Simulation;集卡預(yù)約;建模仿真

0 引 言

擁有高效的大型集裝箱船裝卸作業(yè)能力對(duì)集裝箱港口來(lái)說(shuō)非常重要。國(guó)內(nèi)許多集裝箱港口的生產(chǎn)作業(yè)效率仍無(wú)法完全滿(mǎn)足貨物裝卸實(shí)際需求。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因，除了碼頭設(shè)計(jì)容量、機(jī)械設(shè)備等硬件因素外，集裝箱堆場(chǎng)堆存方案較為粗放也是制約碼頭作業(yè)效率的重要因素。

與進(jìn)口集裝箱相比較，出口集裝箱的堆場(chǎng)放箱和提箱經(jīng)歷時(shí)間跨度大、進(jìn)箱隨機(jī)性強(qiáng)，所以其合理安排箱位的難度也更高。本文以出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案為研究對(duì)象，結(jié)合我國(guó)集裝箱堆場(chǎng)管理現(xiàn)狀，通過(guò)建模仿真對(duì)不同堆場(chǎng)堆存方案進(jìn)行比較研究，構(gòu)建港口堆場(chǎng)堆存與集卡預(yù)約協(xié)同優(yōu)化模型[1]，為港口集裝箱堆場(chǎng)管理模式升級(jí)提供新方法、新思路。

1 普通型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案

1.1 普通型出口集裝箱堆存基本作業(yè)流程

出口集裝箱在堆場(chǎng)堆存主要分為集港作業(yè)和裝船作業(yè)兩個(gè)部分。

（1）出口集裝箱集港作業(yè)。在集裝箱船靠泊前，港口外集裝箱卡車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“外集卡”）陸續(xù)進(jìn)港將出口集裝箱運(yùn)輸至集裝箱堆場(chǎng)的指定貝位，場(chǎng)橋進(jìn)行堆垛。在放箱目標(biāo)位的選擇時(shí)，港口管理方按照出口集裝箱的目的港遠(yuǎn)近不同，將目的港較遠(yuǎn)的放在目的港較近的上方（即“遠(yuǎn)壓近”）的原則分配堆存箱位;按照出口集裝箱的質(zhì)量等級(jí)不同，將按照質(zhì)量等級(jí)較重的放在質(zhì)量等級(jí)較輕的上方（即“重壓輕”）的原則分配堆存箱位。

（2）出口集裝箱裝船作業(yè)。船舶靠泊后，場(chǎng)橋?qū)⒊隹诩b箱從箱區(qū)堆垛箱位裝卸至港口內(nèi)集裝箱卡車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“內(nèi)集卡”），再由內(nèi)集卡轉(zhuǎn)運(yùn)至岸橋處進(jìn)行裝船。在裝船目標(biāo)箱的選擇時(shí)，港口管理方按照預(yù)配船圖順序，組織內(nèi)集卡進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)裝船。若目標(biāo)箱需翻箱，則放至同貝位其他箱位;若同貝位其他箱位皆堆滿(mǎn)，則堆放至下個(gè)相鄰貝位最近箱位。

1.2 普通型出口集裝箱堆存方案問(wèn)題分析

（1）由于集港作業(yè)遵循“遠(yuǎn)壓近，重壓輕”的原則，出口集裝箱區(qū)各箱位的頂層集裝箱往往是目的港較遠(yuǎn)、較重的箱子，這壓縮了后續(xù)進(jìn)港出口集裝箱的可選箱位空間，易造成分配貝位尚未堆滿(mǎn)，進(jìn)箱已經(jīng)無(wú)合適箱位可以堆放的困境。此時(shí)，若使用新的空箱位進(jìn)行堆存，將占用堆場(chǎng)更多堆存空間，降低了箱區(qū)利用率;若隨意在分配貝位中進(jìn)行堆放，則必然導(dǎo)致后續(xù)裝船作業(yè)時(shí)需要翻箱。

（2）在箱區(qū)將不同目的港和質(zhì)量等級(jí)的出口集裝箱混放，不僅會(huì)增加港口方的管理難度和調(diào)度成本，還會(huì)降低堆場(chǎng)堆存與船舶配載情況匹配度，導(dǎo)致堆場(chǎng)翻箱率較高，或會(huì)使得出口集裝箱裝船順序、堆存位置與預(yù)配船圖不一致。

（3）未采用出口集裝箱預(yù)約模式，集港外集卡時(shí)間隨機(jī)性很大。進(jìn)港高峰時(shí)段易造成港口進(jìn)場(chǎng)道口、出場(chǎng)道口、緩沖箱區(qū)和外部道路車(chē)流擁堵。

2 改進(jìn)型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案設(shè)計(jì)

2.1 集港作業(yè)堆存方案設(shè)計(jì)

定義以下堆場(chǎng)堆存方案設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)：

Q為船舶計(jì)劃出口集裝箱數(shù)量; P為分類(lèi)集裝箱數(shù)量; R為所占用出口集裝箱堆場(chǎng)箱位數(shù)量; k為出口集裝箱箱區(qū)利用率;L為集裝箱尺寸，l為集裝箱尺寸分類(lèi)數(shù)量;M為集裝箱目的港，m為集裝箱目的港分類(lèi)數(shù)量;N為集裝箱質(zhì)量等級(jí)，n為集裝箱質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)數(shù)量;b為集裝箱貝位;r為集裝箱排數(shù);h為集裝箱層高。集港作業(yè)時(shí)，外集卡預(yù)約出口集裝箱進(jìn)箱時(shí)間段，預(yù)約平臺(tái)合理設(shè)置時(shí)間間隔，有效減少進(jìn)港作業(yè)的不均衡性。按照計(jì)劃裝船集裝箱的3項(xiàng)屬性信息（尺寸、目的港、質(zhì)量等級(jí)）分類(lèi)，得出集裝箱數(shù)量表達(dá)式，見(jiàn)式（1）。

式中：P（L，M，N）為按尺寸、目的港、質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)箱量，L∈（1，l），M∈

本文以箱位為分配單元，3項(xiàng)屬性信息相同的集裝箱在同箱位進(jìn)行堆放，屬性信息不同的集裝箱可以同貝位、不同箱位進(jìn)行堆放。集裝箱堆場(chǎng)的堆存方式采用堆5過(guò)6，箱位最高層高為5。已知各類(lèi)集裝箱數(shù)量和層高，可得各類(lèi)集裝箱堆存的所需箱位數(shù)，將其依次相加，即為出口集裝箱堆場(chǎng)占用箱位所需的總分配區(qū)域面積，見(jiàn)式（2）。

出口集裝箱箱區(qū)堆場(chǎng)的利用率計(jì)算公式為

通過(guò)分析式（1）～式（3）可知，Q越大，則S越大。在當(dāng)前集裝箱船大型化的背景下，改進(jìn)型堆存方案作業(yè)可有效地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)型出口集裝箱集港作業(yè)程序流程見(jiàn)圖1。

當(dāng)外集卡攜箱進(jìn)場(chǎng)后，將貝位b、排數(shù)r都賦值為1。判斷進(jìn)港集裝箱與頂層集裝箱的3個(gè)屬性值是否一致：若一致，則將此箱區(qū)設(shè)置為目標(biāo)箱位，場(chǎng)橋進(jìn)行放箱作業(yè);若不一致，則繼續(xù)搜尋下一排位置。判斷搜尋箱位的排數(shù)r、層高h(yuǎn)數(shù)值，當(dāng)r≠10且h≠5，則將此箱區(qū)設(shè)置為目標(biāo)箱位，場(chǎng)橋進(jìn)行放箱作業(yè);當(dāng)r=10或h=5，則繼續(xù)搜尋下一排位置，直至確定目標(biāo)箱位。當(dāng)h=0，場(chǎng)橋進(jìn)行放箱作業(yè)。

2.2 裝船作業(yè)堆存方案設(shè)計(jì)

定義以下堆場(chǎng)堆存方案設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)：J為裝船作業(yè)優(yōu)先級(jí);Z為當(dāng)前箱位的集裝箱裝船作業(yè)優(yōu)先級(jí)。本文將集裝箱的尺寸、目的港、質(zhì)量等級(jí)3項(xiàng)屬性各分為3類(lèi)，在裝船作業(yè)時(shí)，尺寸短、目的港距離遠(yuǎn)、質(zhì)量等級(jí)高的集裝箱優(yōu)先裝船，放置于尺寸長(zhǎng)、目的港距離近、質(zhì)量等級(jí)低的集裝箱下層，以便后續(xù)靠泊港的裝卸作業(yè)，增加船舶整體穩(wěn)定性。出口集裝箱裝船作業(yè)堆存方案見(jiàn)表1。

集裝箱尺寸L、目的港M、質(zhì)量等級(jí)N三者的乘積為作業(yè)優(yōu)先級(jí)J值。

集裝箱的尺寸、目的港、質(zhì)量等級(jí)的值越大，其作業(yè)優(yōu)先級(jí)越高。按照表1，出口集裝箱的裝船作業(yè)順序由作業(yè)優(yōu)先級(jí)決定，作業(yè)優(yōu)先級(jí)高的先裝船作業(yè)。改進(jìn)型出口集裝箱裝船作業(yè)程序流程見(jiàn)圖2。

當(dāng)內(nèi)集卡進(jìn)場(chǎng)裝船作業(yè)時(shí)，作業(yè)優(yōu)先級(jí)J（L，M，N）由高到低依次裝船，將貝位b、排數(shù)r都賦值為1。當(dāng)b<20且r<10，比較當(dāng)前箱位優(yōu)先級(jí)J（L，M，N）與Z大小。若Z

3 基于Plant Simulation的出口 集裝箱堆場(chǎng)堆存方案建模

運(yùn)用Plant Simulation軟件構(gòu)建堆場(chǎng)堆存仿真模型。為了真實(shí)反映實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，將仿真系統(tǒng)根據(jù)功能劃分成4大模塊，各模塊功能和Method對(duì)象作用見(jiàn)表2。

3.1 初始定義模塊

初始定義模塊實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的初始化設(shè)置，在仿真模型開(kāi)始運(yùn)行時(shí)被激活調(diào)用。該模塊包含4個(gè)Method對(duì)象，主要有以下6個(gè)功能：

（1）出口集裝箱堆場(chǎng)的平面布局;

（2）出口集裝箱屬性信息的設(shè)置;

（3）箱位層高標(biāo)識(shí);

（4）作業(yè)機(jī)械運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置;

（5）外集卡進(jìn)箱時(shí)間概率分布;

（6）系統(tǒng)重置。

3.2 作業(yè)控制模塊

作業(yè)控制模塊實(shí)現(xiàn)了普通型和改進(jìn)型堆存方案的流程控制。該模塊包含4個(gè)Method對(duì)象，主要有以下5個(gè)功能：

（1）出口集裝箱集港的作業(yè)控制;

（2）出口集裝箱裝船的作業(yè)控制;

（3）場(chǎng)橋的運(yùn)行控制;

（4）內(nèi)集卡、外集卡目標(biāo)貝位的對(duì)位;

（5）預(yù)約出口集裝箱的比例設(shè)置。

預(yù)約箱比例設(shè)置：通過(guò)Method對(duì)象對(duì)模型的出口預(yù)約箱數(shù)量實(shí)現(xiàn)任意比例的設(shè)置。當(dāng)預(yù)約箱比例變化時(shí)，集港外集卡時(shí)間規(guī)律也將自動(dòng)更新，集裝箱不同箱型生成仍保留隨機(jī)性，保證了與現(xiàn)實(shí)港口作業(yè)過(guò)程的一致性。紅線(xiàn)傳感器設(shè)置：按照出口集裝箱區(qū)布局結(jié)構(gòu)，在內(nèi)集卡、外集卡和場(chǎng)橋運(yùn)行的車(chē)道上等間距地設(shè)置紅線(xiàn)傳感器。當(dāng)內(nèi)集卡、外集卡和場(chǎng)橋經(jīng)過(guò)任意箱區(qū)貝位，都會(huì)觸發(fā)紅線(xiàn)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)輸機(jī)械和集裝箱位置的精確控制。場(chǎng)橋和小車(chē)運(yùn)行控制：根據(jù)作業(yè)指令，完成場(chǎng)橋箱區(qū)行駛和目標(biāo)箱吊起、堆放的控制。

3.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)堆存模型設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)和設(shè)定條件，觸發(fā)仿真過(guò)程的輸出事件。在集港進(jìn)箱作業(yè)數(shù)量達(dá)到設(shè)定閾值上限值后，切換至裝船作業(yè)。該模塊包含2個(gè)Method對(duì)象，主要有以下3個(gè)功能：

（1）進(jìn)箱外集卡到達(dá)箱區(qū);

（2）裝船內(nèi)集卡到達(dá)箱區(qū);

（3）作業(yè)階段的切換。

3.4 記錄和統(tǒng)計(jì)模塊

記錄和統(tǒng)計(jì)模塊通過(guò)輸入表文件和預(yù)設(shè)全局變量的方式，對(duì)模型運(yùn)行作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、記錄和統(tǒng)計(jì)。在堆場(chǎng)模型運(yùn)行時(shí)，可調(diào)用作業(yè)任務(wù)表和集裝箱位置信息等數(shù)據(jù)。

4 仿真分析

4.1 模型作業(yè)條件假設(shè)

天氣環(huán)境、外集卡進(jìn)港時(shí)間、船舶開(kāi)靠周期、船舶裝卸集裝箱箱量等外部條件因素會(huì)對(duì)作業(yè)造成影響;港口的不同裝卸工藝、堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)布局等內(nèi)部條件因素會(huì)對(duì)裝卸流程產(chǎn)生影響。本文依據(jù)集裝箱堆場(chǎng)的普遍運(yùn)行工況和規(guī)律，作出以下假設(shè)。

（1）集裝箱堆場(chǎng)裝卸工藝系統(tǒng)選用岸吊――集卡――輪胎式龍門(mén)吊工藝系統(tǒng)[2]，集裝箱進(jìn)場(chǎng)裝卸遵守“先到先服務(wù)”原則（FIFO）。

（2）在船舶到港前，已知到港時(shí)間及將要裝載的集裝箱尺寸、目的港、質(zhì)量等級(jí)等屬性信息。

（3）預(yù)約集裝箱集卡按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)港，無(wú)駕駛或道路原因造成的晚點(diǎn)情況，進(jìn)港放箱和提箱的時(shí)間間隔具有均勻性。非預(yù)約集裝箱集卡的時(shí)間間隔具有不確定性，進(jìn)港順序無(wú)法事先確定。

（4）集裝箱港口采用進(jìn)場(chǎng)閘口與出場(chǎng)閘口分別位于堆場(chǎng)兩側(cè)的布局方式。外集卡知曉場(chǎng)內(nèi)道路布局，在作業(yè)完成后迅速離港。

4.2 非預(yù)約出口集裝箱集港時(shí)間分布曲線(xiàn)擬合

非預(yù)約出口集裝箱的集港時(shí)間隨機(jī)性較大。本文以上海港某碼頭靠泊的集裝箱班輪為例，收集和分析了3個(gè)航次的出口集裝箱外集卡數(shù)量。將各時(shí)間段的出口集裝箱數(shù)量分別取均值，擬合集港時(shí)間的分布曲線(xiàn)。各時(shí)段外集卡出口集裝箱進(jìn)港放箱數(shù)量匯總見(jiàn)表3。

出口集裝箱集港與時(shí)間序號(hào)/段關(guān)系見(jiàn)圖4。

運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)外集卡集港時(shí)間分布曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，求得非預(yù)約情況的出口集裝箱集港與時(shí)間序列的多項(xiàng)式方程。

4.3 改進(jìn)型堆存方案對(duì)出口集裝箱作業(yè)效率的影響

運(yùn)用Plant Simulation軟件分別對(duì)普通型和改進(jìn)型出口集裝箱堆存方案下的堆場(chǎng)作業(yè)流程進(jìn)行仿真。

集港集卡分布離散程度通過(guò)樣本方差來(lái)描述。樣本方差是總體各單位變量值與其算術(shù)平均數(shù)的離差平方的平均數(shù)，具體表達(dá)式為

式中：2為指樣本方差，2值越大，表示該模型下外集卡集港時(shí)均衡性越低; xi為時(shí)間變量，在集港作業(yè)仿真時(shí)，記錄每輛外集卡進(jìn)港時(shí)間，并計(jì)算出各相鄰?fù)饧ㄟM(jìn)港的時(shí)間間隔;? 為時(shí)間樣本均值，指外集卡進(jìn)港時(shí)間間隔的均值;?n為總體例數(shù)。

分別對(duì)普通型堆存方案模型和改進(jìn)型堆存方案模型進(jìn)行仿真。通過(guò)樣本方差2分析預(yù)約箱比例與集港外集卡進(jìn)港均衡性間的關(guān)系，通過(guò)箱區(qū)利用率分析不同堆存方案下的箱區(qū)空間占用情況。集港外集卡不同堆存方案、預(yù)約箱比例的數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表4。

從表4可得，普通型堆存方案樣本方差2 數(shù)值高，其作業(yè)均衡性較差，箱區(qū)利用率較低;而改進(jìn)型堆存方案樣本方差2數(shù)值與預(yù)約比例正相關(guān)，其作業(yè)均衡性較強(qiáng)，箱區(qū)利用率較高。在集港作業(yè)中，普通型堆存方案采用“遠(yuǎn)壓近，重壓輕”原則，所以較多5層高的箱位未能堆滿(mǎn);采用改進(jìn)型堆存方案可有效提高集裝箱堆場(chǎng)的作業(yè)均衡性，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分類(lèi)堆放，有效提高出口集裝箱區(qū)利用率。

5 結(jié) 語(yǔ)

改進(jìn)型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存方案是以集港作業(yè)、裝船作業(yè)為核心，結(jié)合集裝箱分類(lèi)、集卡預(yù)約等物流信息，運(yùn)用Plant Simulation仿真軟件建模，實(shí)現(xiàn)出口集裝箱堆存方案的優(yōu)化。改進(jìn)型出口集裝箱堆場(chǎng)堆存模型的運(yùn)用有利于港口提升堆場(chǎng)的作業(yè)效率和箱區(qū)利用率，增加外集卡進(jìn)港作業(yè)均衡性，降低集裝箱翻箱率。

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