基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程研究

◎ 邵薪潤(rùn) 鄭禹 周妍 周梅杰 梁振聰 劉新亮 廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)出口量的不斷增加，我國(guó)港口建設(shè)規(guī)模逐年增加，傳統(tǒng)港口升級(jí)改造也迫在眉睫，智能化、大型化的裝卸機(jī)械設(shè)備在新建港口中得到大規(guī)模應(yīng)用。在大型散貨機(jī)械設(shè)備研制方面，我國(guó)技術(shù)提升，逐步成為國(guó)內(nèi)港口設(shè)備的主流，并通過(guò)本身優(yōu)異的性能使得它為世界各國(guó)所認(rèn)可，且使用范圍廣，這一現(xiàn)狀，無(wú)疑極大增強(qiáng)了國(guó)產(chǎn)大型設(shè)備在國(guó)際上的地位，并產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益。散貨型設(shè)備的特點(diǎn)逐步多樣化，在滿足各種港口環(huán)境需要的條件下，要與客戶所要設(shè)計(jì)規(guī)范配套。雖然當(dāng)前海港大宗貨運(yùn)機(jī)械高速發(fā)展，不過(guò)，今后仍有很大成長(zhǎng)空間，必須繼續(xù)推動(dòng)工藝的革新和提高。推動(dòng)我國(guó)海港大宗貨運(yùn)機(jī)械研發(fā)的發(fā)展，對(duì)海港裝備的繼續(xù)開(kāi)發(fā)，海港裝備工藝流程效率改善等領(lǐng)域也有著重要的作用。

在國(guó)內(nèi)外對(duì)進(jìn)口原材料需求日益增加的大環(huán)境下，對(duì)新的海港吞吐能力提出了越來(lái)越現(xiàn)實(shí)的要求，在當(dāng)前對(duì)我國(guó)進(jìn)行的巨大投資中，為保障海港可持續(xù)性發(fā)展，必須通過(guò)政府投資去促使原料的需求量不斷提高。特別是在改革開(kāi)放后，雖然我國(guó)海港開(kāi)發(fā)速度逐漸提高，但基建與發(fā)達(dá)國(guó)家比較，仍停留在一種相對(duì)低的發(fā)展階段。但伴隨著國(guó)內(nèi)外大宗運(yùn)輸機(jī)械制造的逐漸成長(zhǎng)，在新時(shí)代，港口在大型干散貨及機(jī)械市場(chǎng)上得到了更為廣泛的發(fā)展空間，機(jī)械的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等流程以及售后服務(wù)環(huán)節(jié)質(zhì)量明顯改善，也推動(dòng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主和逐漸走向體系化[1]。盡管當(dāng)前中國(guó)港口散貨機(jī)械工業(yè)盡管已經(jīng)達(dá)到相對(duì)高的水平，但是，其發(fā)展歷程不長(zhǎng)，機(jī)械工業(yè)在技術(shù)、功能等方面都有必要進(jìn)行革新，未來(lái)主要向大型化發(fā)展、并以節(jié)能環(huán)保為目標(biāo)，這樣必須考慮自動(dòng)化與信息化的關(guān)系。通過(guò)運(yùn)用不同裝卸機(jī)械搭配使用和運(yùn)用新型的港口裝卸機(jī)械，提高港口裝卸工藝流程的裝卸效率，在提高新時(shí)期港口的吞吐能力方面，具有十分重要的實(shí)際意義。

1.基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程確定仿真模型實(shí)體

上述場(chǎng)景的Flexsim模型主要包括二個(gè)部分，第一部分為化肥船進(jìn)港搬運(yùn)操作過(guò)程，另外一部分為散貨船駐泊搬運(yùn)化肥過(guò)程。Flexsim中的主要實(shí)體與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要素關(guān)系如表1所示。為了減少實(shí)際操作流的復(fù)雜性，此次裝卸模擬實(shí)驗(yàn)只觀察一艘船在一個(gè)特殊港口泊位的裝卸。在Flexsim中，發(fā)生器表示在倉(cāng)庫(kù)中等待處理的貨物，臨時(shí)實(shí)體分別表示不同形式的化肥，任務(wù)執(zhí)行器表示水平搬運(yùn)機(jī)械，暫存區(qū)表示化肥儲(chǔ)存，吸收器則表示臨時(shí)實(shí)體的散貨船。

表1 裝卸設(shè)計(jì)的對(duì)象與Flexsim實(shí)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程建立各實(shí)體間的邏輯關(guān)系

仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是任務(wù)序列規(guī)則。在港口水平和垂直運(yùn)輸?shù)牟僮髁鞒讨?，尤其針?duì)該散貨港口來(lái)說(shuō)，單艘船只的裝卸通常要求三臺(tái)門(mén)機(jī)一起操作。當(dāng)化肥被運(yùn)出倉(cāng)庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)指定水平運(yùn)輸車(chē)將其運(yùn)送，而此時(shí)的任務(wù)分配器中將有部分自卸式卡車(chē)和平板車(chē)從碼頭前沿、原料堆場(chǎng)和倉(cāng)庫(kù)的中間運(yùn)送。執(zhí)行任務(wù)時(shí)除倉(cāng)庫(kù)以及碼頭的前沿作業(yè)區(qū)中的暫存區(qū)，與任務(wù)分配器的連線都是沒(méi)有方向的以外，剩下的邏輯線路是有走向的，這個(gè)走向也就是化肥流向。反映于Flexsim的邏輯關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 Flexsim模型工作邏輯表

3.設(shè)置機(jī)械設(shè)備的工作參數(shù)

3.1 設(shè)置機(jī)械設(shè)備的工作參數(shù)船舶裝卸及化肥散貨情況說(shuō)明船舶到達(dá)時(shí)間是指根據(jù)港口模型制定出的港口船舶的裝卸和作業(yè)的規(guī)劃時(shí)間表，在港口模型中,所謂“數(shù)量”就是指港口船舶到達(dá)時(shí)所需要的裝載的化肥數(shù)量[2]。一個(gè)臨時(shí)的實(shí)體可以指代250t的化肥散貨；通過(guò)建立化肥臨時(shí)的實(shí)體流與貨物流這條流動(dòng)渠道，把每袋化肥都分配在一個(gè)相應(yīng)的流動(dòng)的方向點(diǎn)上，并分別在沿該流動(dòng)的方向點(diǎn)作為一個(gè)出口端來(lái)對(duì)這些肥料臨時(shí)進(jìn)行運(yùn)送。在臨時(shí)實(shí)體流中向下一個(gè)口發(fā)送的模式被設(shè)定為隨機(jī)接口，也就是貨物由任一可使用的自卸車(chē)或者平板車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)操作，由任一可用門(mén)機(jī)執(zhí)行裝船操作，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和算法實(shí)現(xiàn)對(duì)該問(wèn)題求解。按照“創(chuàng)建觸發(fā)”中各種比例設(shè)定暫時(shí)實(shí)體類型，“離開(kāi)觸發(fā)”按暫時(shí)實(shí)體類型的差異，設(shè)定了對(duì)應(yīng)的顏色，加以區(qū)別。使得可以通過(guò)建立堆場(chǎng)與散貨船之間的關(guān)系，利用堆場(chǎng)內(nèi)的相關(guān)信息對(duì)散貨運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。各個(gè)種類的裝船化肥表示：60%是散裝化肥，以紅色表示；40%是袋裝化肥，以綠色來(lái)表示。

圖1 化肥裝卸工藝流程圖

3.2 門(mén)機(jī)相關(guān)參數(shù)

裝船的時(shí)間在門(mén)機(jī)裝載二千二百五十噸的時(shí)候，時(shí)間設(shè)定為60s（可以根據(jù)設(shè)備具體實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)置或者設(shè)置為服從于某一特定的函數(shù)分布）。

3.3 水平搬運(yùn)參數(shù)

1）分配器參數(shù)調(diào)整。在實(shí)際中的港口裝卸作業(yè)中，門(mén)機(jī)的作業(yè)中通常要求一個(gè)一定數(shù)量的自卸車(chē)和平板車(chē)來(lái)進(jìn)行水平裝卸，所以從堆場(chǎng)至港口前沿的水平裝卸需要分配器指派作業(yè)所需要數(shù)量的自卸車(chē)和平板車(chē)。

2）建立水平運(yùn)輸機(jī)械。設(shè)定一臺(tái)水平可移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)最高車(chē)速一般為大于2 m/s，加速度最大為大于1m/s，減速最大為大于1m/s，加載工作時(shí)間和卸載工作時(shí)間均可選擇按照該設(shè)備的實(shí)際的工作狀況進(jìn)行合理的選擇，也都可以任意選擇并遵循其中某種函數(shù)的分布;自卸車(chē)和平板車(chē)的平均裝載時(shí)間和平均卸載時(shí)間分別服從一個(gè)正態(tài)隨機(jī)分布函數(shù)Normal(8,2,0)，其中，第1個(gè)參數(shù)為正態(tài)隨機(jī)分布平均值，參數(shù)2是正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差，第三個(gè)參數(shù)是隨機(jī)數(shù)（通常取值為0）。

3.4 交通運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，堆場(chǎng)和倉(cāng)庫(kù)參數(shù)設(shè)定

1）不同種類化肥分區(qū)域堆放于堆場(chǎng)，在Flexsim環(huán)境下，通過(guò)建立臨時(shí)實(shí)體流，依據(jù)返回值的item.Type，選擇輸出端口，從而完成分類存放。

2）堆場(chǎng)的最大容量設(shè)為100，裝卸2250t化肥的作業(yè)時(shí)間設(shè)置為60s。倉(cāng)庫(kù)的最大容量設(shè)為200，裝卸250t化肥的作業(yè)時(shí)間設(shè)置為6s到10s。

3）在暫存區(qū)之間設(shè)置適當(dāng)?shù)慕煌ㄟ\(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，模擬實(shí)際情況中自卸的運(yùn)輸過(guò)程，同時(shí)將部分節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置為單向程。

以上參數(shù)設(shè)置以外的參數(shù)使用系統(tǒng)默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置。仿真模型在運(yùn)行前和運(yùn)行后的運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 Flexsim自帶實(shí)體建模圖

4.確認(rèn)仿真優(yōu)化結(jié)果

仿真結(jié)果的導(dǎo)出主要分為二種方法，一類既是即時(shí)在線的結(jié)果輸出，可以作為階段性的模擬結(jié)果。另一個(gè)方法是當(dāng)模擬完成后，再統(tǒng)一輸出每個(gè)輸出變量的數(shù)值。通過(guò)多次模擬操作后，便能夠?qū)φ麄€(gè)化肥裝卸工藝流程中所涉及的各要素的模擬結(jié)果，加以統(tǒng)一輸出與評(píng)估。

4.1 不同化肥裝船量條件下的設(shè)備利用率

通過(guò)改變發(fā)生器內(nèi)臨時(shí)實(shí)體數(shù)量設(shè)定化肥裝船量的差異，并在其他各種機(jī)械設(shè)備參數(shù)相同的條件下，將化肥裝船量設(shè)置為10萬(wàn)噸、15萬(wàn)噸、25萬(wàn)噸、30萬(wàn)噸，觀察自卸車(chē)與平板車(chē)作業(yè)情況，其最后作業(yè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同裝載量下水平運(yùn)輸工具的工作效率

圖3 基于港口布局的Flexsim建模運(yùn)行過(guò)程

由表3可知，肥料處理時(shí)間隨著到港口化肥數(shù)量增長(zhǎng)而逐步減少。當(dāng)化肥裝船量為15000t到25000t時(shí)，港口各裝卸搬運(yùn)設(shè)備利用率較高；當(dāng)化肥裝船量為15000t以下或25000t以上時(shí)，因化肥裝船時(shí)間太短或數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致了港口作業(yè)瓶頸，從而導(dǎo)致各機(jī)械的產(chǎn)能利用率增幅顯著下降，或發(fā)生了小幅下降的狀況。所以，當(dāng)該港口的每日化肥裝船貨物總量在1500t以上至25000t以下時(shí)可使各機(jī)械效率指標(biāo)最優(yōu)。

4.2 不同自卸車(chē)和平板車(chē)數(shù)量條件下設(shè)備利用率

Flexsim的Dashboard模塊可以在仿真運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)地顯示每個(gè)實(shí)體在每一時(shí)間內(nèi)的變化，其中包括空閑時(shí)間，工作時(shí)間和空返時(shí)間。從而可計(jì)算某一化肥裝載量時(shí)載具的平均工作效率，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行考核。從運(yùn)行圖中同樣可發(fā)現(xiàn)貨物堆積的現(xiàn)象存在于系統(tǒng)暫存區(qū)中，這表明這里的系統(tǒng)已經(jīng)遭遇瓶頸，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。控制化肥裝載量為242500t時(shí)，選擇合理的設(shè)備配置數(shù)量情況見(jiàn)表4。

表4 不同數(shù)量水平運(yùn)輸工具的工作情況

門(mén)機(jī)之利用率隨車(chē)輛配置次數(shù)的增加有上升之趨勢(shì)，但是車(chē)輛總數(shù)增加至6臺(tái)后利用率并沒(méi)有顯著改變。對(duì)門(mén)機(jī)而言，隨著配置車(chē)輛數(shù)量增加，其利用率呈先升后降趨勢(shì)，門(mén)機(jī)1利用率在配6臺(tái)水平運(yùn)輸車(chē)時(shí)達(dá)到最高。門(mén)機(jī)2、門(mén)機(jī)3利用率在配置8臺(tái)水平運(yùn)輸車(chē)時(shí)達(dá)到最高。由于在配置八臺(tái)自卸車(chē)時(shí)，門(mén)機(jī)2和門(mén)機(jī)3利用率和最高利用率相近，但這時(shí)其他機(jī)械能達(dá)到很高利用率，所以配置6臺(tái)自卸車(chē)是比較合理的。

通過(guò)Flexsim的導(dǎo)出數(shù)據(jù)設(shè)置門(mén)機(jī)，自卸車(chē)和平板車(chē)工作路徑后，減少了作業(yè)中路徑不合理的情況，提升了裝卸效率，有利于提高碼頭整體的工作能力，同時(shí)也減少了維護(hù)成本。

5.結(jié)論

本論文將我國(guó)港口的件雜貨裝卸工藝作為研究對(duì)象，構(gòu)建了港口件雜貨裝卸作業(yè)工作模型。借助專業(yè)物流仿真軟件，進(jìn)一步構(gòu)建化肥裝卸全過(guò)程的系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)過(guò)多次系統(tǒng)仿真操作并輸出結(jié)果，完成可視化模擬與測(cè)試。從而發(fā)現(xiàn)港口件雜貨裝卸作業(yè)中存在的可改進(jìn)環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。本文采用的建模理論與仿真優(yōu)化方法，可以很好地對(duì)港口裝卸工藝流程進(jìn)行描述與評(píng)估，并為現(xiàn)實(shí)決策提供理論支持，還可為交通運(yùn)輸或者其他方面某些作業(yè)過(guò)程的優(yōu)化提供參考?？v觀整個(gè)研究過(guò)程，主要完成如下工作：

（1）了解了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在和系統(tǒng)仿真方面研究成果，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)目前的研究大多針對(duì)集裝箱裝卸工藝，對(duì)件雜貨裝卸的研究很少。由此確定了本文的研究對(duì)象，明確了研究的重點(diǎn)和目標(biāo)；

（2）回顧了港口裝卸工藝和系統(tǒng)仿真基本原理和方法，對(duì)件雜貨裝卸工藝從多個(gè)方面進(jìn)行了綜合分析，確定了系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)；

（3）分別建立了碼頭裝卸工作流過(guò)程模型和港內(nèi)水平運(yùn)輸作業(yè)模型，作為系統(tǒng)仿真模型建立的基礎(chǔ)；

（4）分析了港口裝卸作業(yè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用物流仿真軟件Flexsim對(duì)泊位裝卸作業(yè)和港內(nèi)水平運(yùn)輸?shù)闹饕僮鬟^(guò)程進(jìn)行了仿真建模；

（5）結(jié)合湛江港霞山港區(qū)通用碼頭的實(shí)際情況，采用上述建模與仿真優(yōu)化相結(jié)合的研究方法完成實(shí)證研究。在分析湛江港霞山港區(qū)通用碼頭作業(yè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建化肥裝卸總體作業(yè)流程與工作流模型，結(jié)合港區(qū)建設(shè)及設(shè)備配備等因素確定模擬基本參數(shù)清單，同時(shí)搭建了系統(tǒng)仿真模型并在完成了多次操作之后輸出了仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了工作中可以改進(jìn)之處，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

港口裝卸工藝的優(yōu)化研究是一個(gè)復(fù)雜繁瑣的過(guò)程，涉及到的內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)也十分廣泛，因此對(duì)于件雜貨裝卸工藝的研究也是任重而道遠(yuǎn)。本文基于仿真軟件的運(yùn)行結(jié)果提出的件雜貨裝卸方案尚處于理論階段，存在不足之處，并未充分考慮港口作業(yè)過(guò)程中其他部分影響因素，想要追求達(dá)到更加合理的效果還需要繼續(xù)研究。比如湛江港集團(tuán)有限公司想要提升競(jìng)爭(zhēng)力，就必須以更高效的港口工作效率、更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)，同時(shí)要注重人才的引進(jìn)與培養(yǎng)、職工能力的培訓(xùn)。最后，完善港區(qū)信息智能化平臺(tái)，増?jiān)O(shè)現(xiàn)代化的設(shè)施不僅可以提高港口的運(yùn)行效率，更是減小了港口管理的難度，一定程度上將優(yōu)化湛江港的工作和服務(wù)水平。