萬州港江南集裝箱碼頭設備配置仿真建模研究

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(武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063)

隨著現代物流的不斷發展，港口內部物流效率的高低不僅影響到了港口本身的競爭力，還影響到以港口為基本結點的整個運輸鏈的效率。提高集裝箱碼頭物流運作效率的途徑之一就是購置或更新各種裝卸設備。但是，由于集裝箱碼頭的裝卸設備都比較昂貴，所以一般不能通過無限制購進設備來滿足箱量需求和提高碼頭服務水平。因而許多集裝箱碼頭為提高管理水平和物流效率，采取的重要措施就是對現有資源(泊位、橋吊、龍門吊、集卡等)合理配置來提高碼頭的裝卸效率[1]。

萬州港地處長江中上游結合部，三峽庫區腹心地帶，素有“川東門戶”之稱，三峽庫區形成后，萬州港作為庫區最大的樞紐港口，在長江干線上起著承東啟西的作用。據預測江南集裝箱碼頭吞吐量2010、2015、2020年分別為21萬、32萬、43萬TEU，而現有的集裝箱碼頭設備配置已經不能滿足裝卸作業量逐年增加的要求。考慮在不增加設備配置的基礎上，通過構建一個包括泊位、橋吊、龍門吊和集卡的閉排隊網絡模型較為全面地描述集裝箱碼頭裝卸系統，運用Matlab仿真技術模擬計算碼頭裝卸系統的運行指標，以達到碼頭設備配置效率最優的目的，最大限度地滿足裝卸作業量的增加。

1 閉排隊網絡模型

在集裝箱碼頭設備配置的閉排隊網絡模型中，橋吊、龍門吊和集卡的行走時間不能采用一般的分布進行很好的擬合，而閉排隊網絡乘積形式的求解，一般都要求各節點的服務時間服從負指數分布。因此，采用估算均值法計算閉排隊網絡的性能指標，并通過性能指標優化集裝箱碼頭設備配置。

1.1 模型的特點

1) 顧客是集卡。為了描述集卡的水平運輸時間，虛設一個路徑節點，并假設路徑節點的服務臺數為無窮，其服務時間均值是集卡的水平運輸時間均值[2]；

2) 網絡共三個節點，橋吊節點、路徑節點和龍門吊節點；

3) 集卡在閉排隊網絡中的路徑鏈為:橋吊節點服務結束后，集卡以轉移概率1進入路徑節點；龍門吊節點服務結束后，集卡以轉移概率1進入路徑節點；路徑節點服務結束后，轉移到橋吊節點的集卡是載有出口集裝箱的集卡，其轉移概率為r21,轉移到龍門吊節點的集卡是載有進口箱的集卡，其轉移概率為r23；

4) 閉排隊網絡中既沒有進場外卡到達，也沒有內卡離開系統。

1.2 假設條件

1) 網絡可達到穩態；

2) 各節點服務時間相互獨立，但服務時間分布不限；

3) 顧客轉移概率獨立。

1.3 模型符號說明

在介紹模型輸入參數之前，首先說明模型所用符號含義:

Si網絡中節點的平均服務時間，i= 1,2,3，分別代表橋吊、路徑、龍門吊。

σi各節點服務時間標準差；

Ci各節點的服務臺數；

ri集裝箱從節點i轉移到節點j的概率，有：

(1)

Ai節點i的總到達率

(2)

1.4 集裝箱碼頭設備配置優化

不同橋吊、龍門吊和集卡的配比得到的橋吊、龍門吊的利用率和集卡等待時間各不相同。由于橋吊是集裝箱碼頭設備中最昂貴的裝卸機械，因此，碼頭的管理者更為關心的是橋吊的利用率指標。所以，在集裝箱碼頭設備配置優化時，首先要滿足橋吊合理的利用率。采用估算均值法分別計算不同橋吊、集卡、龍門吊配比下的系統性能指標，滿足橋吊利用率的最小龍門吊和集卡配比即為集裝箱碼頭的最優設備配比[3]。最優設備配比的計算流程如下:

1) 賦初值C1=1，C3=1；

2) 根據式(2)計算閉排隊網絡各節點相對達率；

3) 令H為集卡臺數，采用估算均值分析法計算h從1～H的閉排隊網絡系統性能指標；

4) 在C1和C3的變化范圍內，依次改變。C1和C3的值，計算不同橋吊、集卡和龍門吊比例下系統性能指標；

5) 根據橋吊節點、龍門吊節點利用率，按照集裝箱碼頭設備配置優化目標，求解最優的橋吊、集卡和龍門吊配比。

2 應用

萬州港江南集裝箱碼頭主要技術參數見表1。

表1 萬州港江南集裝箱碼頭主要技術參數

根據江南集裝箱碼頭主要技術參數可以得到閉排隊網絡中橋吊、集卡和龍門吊節點的平均服務率為:

(μ1μ2μ3)=(0.244 5 0.693 9 0.343 3)

各節點服務時間的標準差為

(σ1σ2σ3)=(101.430 0 25.882 0 93.004 0)

顧客轉移概率為：r21=0.54,r23=0.46

橋吊臺數為1；集卡的變化范圍為1～6；龍門吊的變化范圍為1～4。

將上述已知條件輸入到以MTALab軟件編程建立的閉排隊網絡集裝箱碼頭設備優化仿真模型中，結果見表2。

表2 橋吊、龍門吊計算仿真結果

續表2

從表2可以看出，橋吊利用率大于0.900 0的最小橋吊、集卡和龍門吊配置是(1,3,1)，在橋吊為1臺，集卡為3臺，龍門吊為1臺的情況下，橋吊和龍門吊節點的利用率分別為0.941 7和0.572 1。由此可以得出在此閉排隊網絡系統中，1個橋吊配置3臺集卡，1臺龍門吊可以使系統中某一個橋吊的利用率達到設計要求，并且使得設備配置最優，以節約裝卸設備配置費用。

3 結論

裝卸設備的優化配置是集裝箱碼頭作業的核心內容之一，是影響碼頭作業效率的關鍵因素[4]。通過對萬州港江南集裝箱碼頭的設備配置進行分析，經過合理的簡化建立了閉排隊網絡模型，從系統的角度研究了集裝箱碼頭裝卸設備的優化配置問題，并運用MATLab仿真技術，計算得出了橋吊、龍門吊、集卡的合理配比結果，達到了最大限度的利用現有資源的目的。本文研究成果在萬州港江南集裝箱碼頭取得良好的實際效果，具有一定的推廣價值。

[1] 張新艷,張 煜,王少梅,等.基于虛擬現實的港口集裝箱碼頭裝卸系統仿真建模技術[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2001,25(4)：470-473.

[2] 彭傳圣.集裝箱碼頭前沿設備配置數量研究[J].集裝箱化，2005(7)：23-27.

[3] 李建忠.碼頭堆場龍門起重機動態配置優化模型[J].交通運輸工程學報.2005,5(1)：70-74.

[4] 沙 梅.集裝箱碼頭物流系統建模與仿真綜述[J].上海海事大學學報，2005,26(1)：6-12.