考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站動(dòng)態(tài)調(diào)度仿真分析*

張 凱 武 彬 張 煜 尹 星

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300450 2武漢理工大學(xué)交通與物流學(xué)院 武漢 430063 3武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院 韶關(guān) 512000

0 引言

近年來(lái)，國(guó)際貿(mào)易量逐年增加，一些大型港口為提高集裝箱吞吐量，開(kāi)始建設(shè)作業(yè)效率更高、人工成本更低的自動(dòng)化集裝箱碼頭。在自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸及水平運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中，碼頭鎖站是保障集裝箱運(yùn)輸效率的重要環(huán)節(jié)，也是影響自動(dòng)化碼頭作業(yè)效率的關(guān)鍵設(shè)備。高效合理的鎖站調(diào)度方法對(duì)提高碼頭水平運(yùn)輸效率和綜合運(yùn)營(yíng)水平有著至關(guān)重要的作用。

目前，研究人員針對(duì)自動(dòng)化碼頭設(shè)備管理及整體布局方面做了大量研究，宓為建等[1]提出一種帶梭車的自動(dòng)化集裝箱碼頭，并對(duì)傳統(tǒng)無(wú)梭車系統(tǒng)和新型有梭車系統(tǒng)的作業(yè)性能進(jìn)行仿真分析，研究表明使用梭車可降低卸船作業(yè)能耗，減少翻箱次數(shù)，提高碼頭作業(yè)效率；劉廣紅等[2]對(duì)10種自動(dòng)化碼頭總體布局模式進(jìn)行了綜合分析，為自動(dòng)化碼頭的布局設(shè)計(jì)提供參考；張連鋼等[3]對(duì)自動(dòng)化碼頭的平面布局進(jìn)行研究，根據(jù)碼頭吞吐量和作業(yè)要求確定碼頭前沿作業(yè)區(qū)、AGV運(yùn)行區(qū)的區(qū)域劃分及設(shè)備配置，為自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參照方案。

除此之外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)集裝箱港口水平運(yùn)輸設(shè)備的調(diào)度和配置進(jìn)行了深入研究。陳歡等[4]運(yùn)用離散事件建模方法，通過(guò)AnyLogic軟件建立了集裝箱堆場(chǎng)仿真調(diào)度模型，設(shè)計(jì)了基于貪婪算法的場(chǎng)橋調(diào)度算法；沙梅[5]運(yùn)用離散事件系統(tǒng)仿真方法對(duì)集裝箱碼頭的新型工藝系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過(guò)專家評(píng)價(jià)、合理性檢驗(yàn)等手段，驗(yàn)證了該碼頭工藝的合理性；Zhang Q L等[6]構(gòu)建了帶雙緩沖區(qū)的起重機(jī)、ASC和AGV碼頭協(xié)同調(diào)度模型，結(jié)果表明帶緩沖區(qū)的碼頭模型可使AGV的平均等待時(shí)間較傳統(tǒng)碼頭減少4%，為自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)提供了借鑒。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)設(shè)備的研究多集中于輪胎式集裝箱起重機(jī)、AGV的作業(yè)流程和調(diào)度計(jì)劃等方面，而缺少對(duì)碼頭鎖站調(diào)度策略的研究。傳統(tǒng)的集裝箱碼頭仍采取鎖站與緩沖區(qū)一對(duì)一的靜態(tài)調(diào)度策略，該策略會(huì)導(dǎo)致鎖站及緩沖區(qū)利用率較低、鎖站作業(yè)區(qū)域容易出現(xiàn)擁堵問(wèn)題，嚴(yán)重影響港口作業(yè)效率。隨著碼頭集裝箱吞吐量的增加，傳統(tǒng)鎖站調(diào)度方法嚴(yán)重制約碼頭水平運(yùn)輸效率。因此，為解決碼頭解掛鎖作業(yè)區(qū)域的擁堵問(wèn)題，提高港區(qū)水平運(yùn)輸效率，本文結(jié)合一種新型水平輸送車輛（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART），設(shè)計(jì)了一種考慮ART前后置緩沖區(qū)的地面鎖站動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。

本文在分析自動(dòng)化集裝箱碼頭鎖站解掛鎖工藝流程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AnyLogic軟件構(gòu)建考慮前后緩沖區(qū)的鎖站動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，通過(guò)對(duì)比鎖站傳統(tǒng)調(diào)度方案與動(dòng)態(tài)調(diào)度方案的輸出結(jié)果，為決策者提供參考。

1 問(wèn)題描述

1.1 鎖站作業(yè)流程

如圖1所示，自動(dòng)化集裝箱碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)主要由ART地面鎖站、前置緩沖區(qū)(QPB)和后置緩沖區(qū)(HPB)等組成。在該系統(tǒng)中，地面鎖站位于艙蓋區(qū)下方，4個(gè)可移動(dòng)解鎖島組成一座鎖站，可用于一輛ART進(jìn)行解掛鎖作業(yè)。前緩沖區(qū)用于ART在進(jìn)鎖站之前調(diào)整裝船順序或等待空閑鎖站，ART解掛鎖作業(yè)完成后在后緩沖區(qū)調(diào)整裝船次序。鎖站作業(yè)流程為：ART裝載集裝箱前往對(duì)應(yīng)鎖站的前緩沖區(qū)等待，待鎖站空閑時(shí)，ART進(jìn)入鎖站完成解鎖/掛鎖作業(yè)，隨后進(jìn)入后緩沖區(qū)排隊(duì)前往堆場(chǎng)前沿指定裝卸點(diǎn)。

1.2 鎖站調(diào)度策略

針對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭的鎖站調(diào)度策略研究較少，鎖站傳統(tǒng)調(diào)度策略是鎖站與緩沖區(qū)一對(duì)一的靜態(tài)調(diào)度，即假設(shè)船舶左舷靠泊，橋下的交通流向?yàn)榇策M(jìn)船頭出，解鎖站從左到右依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，2號(hào)解鎖站的QPB位于1號(hào)鎖站的下方，3號(hào)解鎖站的QPB位于2號(hào)的下方，1號(hào)解鎖站的QPB位于ART進(jìn)入1號(hào)解鎖站之前的道路上。

由于這種鎖站與緩沖區(qū)一對(duì)一的策略易使ART擁堵，不利于提高碼頭作業(yè)效率，為了提高自動(dòng)化港口的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)設(shè)計(jì)一種新的鎖站調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)鎖站與緩沖區(qū)的靈活匹配。

2 地面鎖站動(dòng)態(tài)調(diào)度仿真

考慮前后緩沖區(qū)的岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的離散事件物流系統(tǒng)[7]，AnyLogic仿真軟件[8]是一款應(yīng)用廣泛的、對(duì)離散事件系統(tǒng)及混合系統(tǒng)建模和仿真的工具。本文應(yīng)用AnyLogic軟件構(gòu)建自動(dòng)化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計(jì)鎖站與緩沖區(qū)多對(duì)多的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，與鎖站、緩沖區(qū)進(jìn)行一對(duì)一靜態(tài)調(diào)度策略對(duì)比。在輸入基本參數(shù)一定的條件下，分析不同緩沖區(qū)及鎖站調(diào)度策略對(duì)碼頭作業(yè)的影響。

自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)流程復(fù)雜，為降低仿真模型的復(fù)雜度，重點(diǎn)分析不同鎖站調(diào)度策略對(duì)碼頭作業(yè)的影響，對(duì)鎖站各設(shè)備實(shí)體及作業(yè)流程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。分析考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)各要素特點(diǎn)及作業(yè)流程，選擇表1所示系統(tǒng)主要仿真單元，建立圖2所示仿真模型，仿真流程見(jiàn)圖3。

圖3 仿真流程圖

表1 仿真模型采用的主要仿真單元

1）裝卸船仿真 岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）采用Source模塊生成待處理集裝箱，待處理集裝箱產(chǎn)生后使用模塊Seize獲取岸橋資源，隨后采用資源池ResourcePool模塊對(duì)岸橋資源屬性進(jìn)行控制。采用延遲模塊 Delay 模擬岸橋裝卸船作業(yè)過(guò)程，岸橋單次作業(yè)時(shí)間分布根據(jù)歷史作業(yè)數(shù)據(jù)確定。

2）鎖站選擇策略仿真 采用函數(shù)Function單元編寫鎖站調(diào)度策略，函數(shù)返回值為鎖站及緩沖區(qū)序號(hào)。在鎖站及緩沖區(qū)靜態(tài)調(diào)度策略中，鎖站與緩沖區(qū)（Queue）一一對(duì)應(yīng)，ART分配鎖站后即前往鎖站對(duì)應(yīng)前緩沖區(qū)等待（Delay），遵循先到先服務(wù)（FCFS）原則。在鎖站動(dòng)態(tài)調(diào)度策略中，鎖站與緩沖區(qū)解耦，對(duì)ART進(jìn)行2輪調(diào)度，第1輪中根據(jù)緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度選擇隊(duì)列最短的緩沖區(qū)分配給當(dāng)前ART；第2輪根據(jù)鎖站作業(yè)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化情況選擇鎖站。

3）ART作業(yè)仿真 采用MoveTo模塊控制ART運(yùn)動(dòng)，ART在到達(dá)緩沖區(qū)前調(diào)用函數(shù)Function1（選擇排隊(duì)數(shù)量雖少的前緩沖區(qū)）分配前緩沖區(qū)，到達(dá)前緩沖區(qū)（Queue）后在出口調(diào)用Function2（選擇最早空閑的鎖站）分配鎖站，根據(jù)函數(shù)返回值前往對(duì)應(yīng)鎖站進(jìn)行解鎖作業(yè)，解鎖過(guò)程采用延遲Delay模塊進(jìn)行模擬。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

在對(duì)自動(dòng)化碼頭岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)及其設(shè)備配置與相關(guān)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)模型，模型輸入?yún)?shù)包括岸線長(zhǎng)度等系統(tǒng)配置相關(guān)參數(shù)及主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

以1艘10萬(wàn)t船舶作業(yè)為例，仿真時(shí)長(zhǎng)為3 h。為分析不同鎖站調(diào)度策略對(duì)自動(dòng)化碼頭鎖站系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計(jì)仿真輸出參數(shù)包括系統(tǒng)作業(yè)效率、鎖站及ART利用率、緩沖區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度及單個(gè)作業(yè)平均用時(shí)。

仿真系統(tǒng)顯示鎖站系統(tǒng)作業(yè)流暢，能反應(yīng)碼頭鎖站系統(tǒng)作業(yè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，作業(yè)到達(dá)時(shí)間分布及單次解鎖作業(yè)時(shí)間與實(shí)際作業(yè)情況大致相符，檢驗(yàn)分析表明所建模型滿足鎖站系統(tǒng)仿真邏輯及參數(shù)，可供后續(xù)不同調(diào)度方案的仿真分析。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)比分析自動(dòng)化碼頭鎖站系統(tǒng)不同調(diào)度方案對(duì)系統(tǒng)作業(yè)性能的影響，設(shè)計(jì)2組方案：方案A為鎖站與緩沖區(qū)一對(duì)一的靜態(tài)調(diào)度策略；方案B為鎖站與緩沖區(qū)多對(duì)多的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。在方案B中，根據(jù)鎖站及緩沖區(qū)實(shí)時(shí)作業(yè)情況對(duì)鎖站進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，動(dòng)態(tài)調(diào)度具體流程如圖4所示。根據(jù)當(dāng)前各緩沖區(qū)排隊(duì)情況，將排隊(duì)長(zhǎng)度最小的前緩沖區(qū)分配給當(dāng)前ART，ART到達(dá)緩沖區(qū)后選擇最早空閑的鎖站進(jìn)行解鎖作業(yè)，實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)與鎖站的解耦。

圖4 動(dòng)態(tài)調(diào)度流程圖

設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為3 h，運(yùn)行仿真模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，單次作業(yè)用時(shí)為集裝箱解鎖完成離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)間與進(jìn)入鎖站系統(tǒng)時(shí)間的差值。由表3可知，動(dòng)態(tài)調(diào)度策略下的系統(tǒng)性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度策略，每小時(shí)作業(yè)效率提高約9.7%，單次作業(yè)平均用時(shí)降低約22.9%，提高了鎖站系統(tǒng)的作業(yè)能力。

表3 策略對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在相同參數(shù)及設(shè)備配置條件下，2種策略的鎖站及ART利用率如圖5所示。當(dāng)鎖站及ART數(shù)量相同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)度策略下鎖站利用率提高約11.9%，ART利用率提高約12.4%。系統(tǒng)穩(wěn)定后動(dòng)態(tài)調(diào)度策略下鎖站利用率維持在90%以上，ART利用率維持在60%以上，實(shí)現(xiàn)港口設(shè)備的充分利用，從而提高鎖站系統(tǒng)的作業(yè)效率。

圖5 設(shè)備利用率性能指標(biāo)

進(jìn)一步分析2種調(diào)度策略對(duì)緩沖區(qū)排隊(duì)情況的影響，結(jié)果如圖6所示。從圖中可知，在傳統(tǒng)調(diào)度策略下的各緩沖區(qū)負(fù)載差別較大，單個(gè)緩沖區(qū)前期排隊(duì)ART多會(huì)一直持續(xù)到作業(yè)結(jié)束，而其他緩沖區(qū)ART較少，導(dǎo)致鎖站利用率不平衡，ART等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。而動(dòng)態(tài)調(diào)度策略下各緩沖區(qū)的排隊(duì)長(zhǎng)度較傳統(tǒng)調(diào)度策略更加均衡，平均排隊(duì)長(zhǎng)度不超過(guò)3輛ART，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)作業(yè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，減輕鎖站作業(yè)區(qū)域的局部擁堵情況，均衡各緩沖區(qū)負(fù)載，從而降低單個(gè)作業(yè)平均處理時(shí)間。

圖6 緩沖區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度性能指標(biāo)

4 結(jié)論

本文在對(duì)自動(dòng)化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)流程分析的基礎(chǔ)上，提出了鎖站與緩沖區(qū)解耦的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，并利用Anylogic構(gòu)建了鎖站系統(tǒng)仿真模型，分別采用傳統(tǒng)調(diào)度策略與動(dòng)態(tài)調(diào)度策略對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。實(shí)驗(yàn)表明：1）在相同設(shè)備配置及參數(shù)條件下，動(dòng)態(tài)調(diào)度策略較傳統(tǒng)調(diào)度策略鎖站及ART利用率更高，從而提高鎖站系統(tǒng)的整體作業(yè)效率；2）動(dòng)態(tài)調(diào)度策略能夠明顯縮短單個(gè)作業(yè)平均用時(shí)，減少ART在系統(tǒng)中的逗留時(shí)間；3）動(dòng)態(tài)調(diào)度策略能夠根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)作業(yè)情況進(jìn)行調(diào)度，各緩沖區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度更加均衡，從而減輕作業(yè)區(qū)域局部擁堵情況。