應用３Ｄ虛擬現實仿真輔助集裝箱碼頭堆場閘口規劃

秦天保　張　旖

摘 要：為輔助某大型集裝箱堆場的閘口規劃，確定合理的車道數及集卡等待緩沖區長度，利用Flexsim仿真軟件，給出模型的體系結構、組成和流程,建立規劃中的該大型集裝箱碼頭堆場3D虛擬現實仿真模型，明確在不同設計方案下閘口可能出現的排隊等待狀況.仿真試驗顯示，如果按照常規調配集卡，2個出閘口將出現不平衡現象，而通過堆場部署智能交通誘導系統以及建立與客戶互聯的車輛進港預約系統，能極大地緩解閘口的壓力.利用計算機仿真輔助閘口規劃，可以給規劃人員和決策者提供更加豐富的決策信息.

關鍵詞：閘口規劃； 集裝箱碼頭； 仿真； 虛擬現實

中圖分類號：N941.5文獻標志碼：A

Applying 3D virtual reality simulation to

gate planning of container terminal yard

QIN Tianbao， ZHANG Yi

(School of Transport & Communications, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to aid a large container terminal yard in its gate planning to determine the appropriate carriageway number and the waiting bufferslength, a 3D virtual reality simulation model of the large container terminal yard is created based on Flexsim platform. The architecture, component and process of the model are also put forward and all kinds of the situation of waiting lines in different designs are quantified. According to the experimental results, extreme unbalanced workload will emerge at the two checkout gates if the trucks cannot be scheduled perfectly. The pressure at gates can be relieved greatly by implementing intelligent route guidance system and vehicle booking system connecting the customer. The computer aided gate planning simulation can give planners and policy makers more decision-making information.

Key words： gate planning； container terminal； simulation； virtual reality

0 引 言

集裝箱碼頭閘口是集裝箱卡車(以下簡稱集卡)進入和離開集裝箱碼頭堆場的接口，由多個車道和對應的檢查點組成.集卡進出閘口時，要在閘口檢查點進行箱檢、過磅和數據交換.閘口分為進閘口和出閘口，分別用于集卡進入和離開堆場.

近年來，隨著集裝箱運量的大幅增加，許多港口閘口處出現車輛排長隊的擁擠現象，不僅嚴重影響集疏運秩序，而且增加安全隱患，引起客戶普遍不滿.因此，在集裝箱碼頭規劃中，閘口規劃日益受到重視.集裝箱碼頭閘口規劃是集裝箱碼頭規劃的重要內容，其重點是在滿足碼頭集卡車流需求及保證客戶服務水平的情況下，確定設置多少車道（以及對應的檢查點）才能使閘口建設投資最少.

現有的集裝箱碼頭規劃仿真研究主要集中在前沿泊位與堆場的裝卸、運輸資源利用等方面.CANONACO等［1］應用離散時間仿真研究前沿集裝箱裝卸優化問題；YEO等［2］應用AWE-SIM仿真程序研究釜山港擁擠改善問題；LEE等［3］仿真研究采用集卡實時定位技術對堆場集卡調度進行動態規劃的后果；JUNG等［4］仿真研究堆場場橋調度優化問題；尚晶等［5］仿真研究集裝箱碼頭集卡調度策略；辜勇等［6］仿真研究集裝箱碼頭堆場系統的運作流程；張濤等［7］仿真研究集裝箱堆場資源配置優化問題；僅有少數文獻仿真研究集裝箱碼頭閘口規劃問題，如于越等［8］仿真研究集裝箱堆場閘口規劃優化問題.

目前，在集裝箱碼頭閘口規劃實踐中，閘口車道數主要采用解析公式確定，最常見的是交通部《海港總平面設計規范》［9］提出的公式.但僅根據該公式確定閘口車道數，規劃人員和決策者無法考查集卡隨機到達以及閘口檢查時間隨機變化時車輛的排隊等待情況，因而無法事先確定對集卡的服務水平，也無法確定閘口處為集卡預留的排隊長度（緩沖區）是否合理，對提升客戶滿意度和合理設計閘口緩沖區長度非常不利.而采用計算機仿真技術（離散事件仿真）能夠檢驗不同車道配置下集卡的排隊等待情況，有助于確定最佳閘口車道數以及合理的緩沖區長度.

本文以山東某港集裝箱碼頭閘口規劃為例，說明如何運用計算機仿真技術輔助集裝箱碼頭閘口規劃.仿真軟件平臺為Flexsim，能直觀地展現集裝箱碼頭現場運作狀況，使規劃人員和決策者對不同規劃設計下的現場情形有身臨其境的感覺.

1 研究背景

規劃中的某港集裝箱碼頭堆場平面布局見圖1.可以看出，該碼頭堆場設計1個進閘口和2個出閘口.閘口規劃是該碼頭整體規劃的子項目之一，即確定1個進閘口和2個出閘口的車道數.根據《海港總平面設計規范》提出的公式，初步計算出進閘口1設置30個車道，中間出閘口2設置16個車道，右側出閘口3設置12個車道.

港方希望了解初始閘口設計是否滿足設定的績效指標，即高峰時段進、出閘口每車道平均排隊長度，每車道最大排隊長度，車輛平均等待時間，車輛最長等待時間以及車輛不同等待時間的分布比例是否符合港方設定的范圍.此外，港方也希望通過3D虛擬現實仿真觀察閘口處為車輛排隊預留的緩沖區長度是否足夠.

為此，利用Flexsim開發針對該碼頭規劃的集裝箱碼頭堆場運作仿真系統.雖然研究重點是閘口處的車流情況，但由于出閘口處的車流受堆場箱區布局、堆場場橋裝卸效率以及內外卡爭用場橋等多種因素影響，須建立整個集裝箱碼頭堆場的模型（該模型還可用于堆場內車流仿真以評估堆場內道路規劃的合理性，本文僅討論閘口規劃）.

2 系統體系結構

開發的集裝箱碼頭仿真系統體系結構見圖2，系統由用戶界面、存儲系統和模型3部分組成.

2.1 用戶界面

用戶界面由若干窗體組成，與用戶交互，可進一步分為輸入界面、輸出界面與控制界面.輸入界面用于向系統輸入各項參數并存入存儲系統中；輸出界面用于系統輸出各項參數；控制界面用于控制模型運行，包括啟動模型與調節運行速度等.

2.2 模型

模型是系統主體，運行產生的輸出數據存入存儲系統中，并通過輸出界面顯示給用戶.采用3D仿真軟件Flexsim建立該集裝箱碼頭的模型，模擬的流程包括外卡集疏運與堆場裝卸流程以及內卡岸邊裝卸與堆場裝卸流程.內卡岸邊裝卸與堆場裝卸流程包括內卡在岸邊與堆場箱區循環行駛以及執行裝卸作業.外卡集疏運與堆場裝卸流程見圖3.

模型中出閘口的運行效果見圖4，通過該虛擬現實場景可形象、直觀地評估閘口處的排隊情況以及預留的集卡排隊長度是否足夠.

本文研究的集裝箱碼頭系統的主要建模元素包括集裝箱、集卡（外卡和內卡）、岸橋、場橋、車道、閘口檢查點和隊列（包括閘口處、岸橋處、場橋處的集卡隊列）；起裝飾作用的輔助建模元素包括海、集裝箱船、堆場箱區.這些建模元素與Flexsim建模構件的對應關系見表1.

用傳統仿真軟件對移動資源建模時，場橋和岸橋的移動與裝卸活動（包括3D可視化）等往往不能很好地表達，而Flexsim采用獨特的任務序列機制，能靈活、方便地對移動資源建模.Flexsim用任務執行器TaskExecuter表示場橋和岸橋等用于搬運與裝卸流動實體的移動資源，可為任務執行器分配由若干任務（如移動、卸下和提升等）組成的任務序列（若有多個任務序列，則這些序列可排隊等待調度），執行器收到任務序列后依次執行序列中的任務.

Flexsim使用FlowItem建模集裝箱等流動實體，外卡和內卡兼具流動實體與移動資源的特性，因此，使用特殊的FlowItem表示，即TaskExecuterFlow-Item.TaskExecuterFlowItem兼具TaskExecuter和FlowItem的特性.固定資源是不移動的資源，包括車道、檢查點和隊列等，分別用網絡節點NetworkNode（多個節點連接可表達車道）、處理器Processor和隊列Queue表達.

2.3 存儲系統

存儲系統由Flexsim內部提供的全局表組成，用于存放各種輸入、輸出數據.該存儲系統也可用外部數據庫替代.

3 輸入參數設定

系統輸入的參數通過輸入界面存入存儲系統.其中，仿真時間為18 000 s，即5 h；前1 h作為預熱期，屬低峰時段，進閘口集卡到達率設為高峰時段的2/3；后4 h為高峰時段，也是數據收集期.仿真運行次數為10次.重、空車比例為重車50%（其中拉重箱53％，拉空箱47％），空車50%.高峰時段進閘口集卡到達率為3 400輛/h，到達時間間隔服從指數分布，其均值根據到達率計算為1.06 s.

其他主要參數包括進閘口單車檢查時間（隨機）、出閘口單車檢查時間（隨機）、堆場軌道吊場橋裝卸效率（隨機）、集卡在堆場內各條車道的行駛速度以及每個箱區分配的軌道吊場橋數量等.

集卡進出閘口的排隊規則：集卡到達閘口后選擇最短隊列排隊，然后進入該隊列對應的檢查點接受檢查.

4 仿真結果分析

4.1 進閘口仿真結果分析

通過10次仿真運行，每次運行5 h后得到績效指標統計結果，見表2.

從表2的排隊長度看，高峰時段每車道平均等待車輛數均值（5.07輛）與最大等待車輛數均值（12.20輛）略微偏高，但尚屬合理范圍.未來由于采用新技術，閘口檢查效率將進一步提高，排隊長度有可能縮短.

此外，由于進閘口處車輛等待緩沖區位于堆場外側，有足夠長度供車輛排隊等待，因此，從車輛排隊長度指標看，目前進閘口設計30個車道可行.

從等待時間看，高峰時段單車平均等待時間均值（193.96 s）和單車最長等待時間均值（413.24 s）屬合理范圍，因此從車輛等待時間指標看，目前進閘口設計30個車道也是可行的.

從不同等待時間的車輛占比看，高峰時段車輛等待時間在0～3 min的占49%，3～6 min的占43%，6～9 min的占8%，超過9 min的占0%，等待時間分布較合理，因此，30個車道的方案可行.另外，港方也認為表2所示的績效指標能夠滿足要求，因而，確認進閘口設置30個車道的初始設計方案.

4.2 出閘口仿真結果

出閘口的情況較為復雜，因為有2個出閘口，不同的車輛調度分配比例會導致全然不同的排隊擁擠程度.此外，出閘口處的車輛等待緩沖區設在堆場內部，因此，對車輛排隊長度更加敏感.

4.2.1 合理調配方案

假設對集卡的調度合理且完美，使得集卡總是能選擇2個出閘口中最短的隊列排隊（即假設集卡能夠把2個出閘口看作1個出閘口）.此方案的目的是考察2個出閘口的車道總數（初始設計為28條）是否能滿足要求.仿真結果見表3.

從表3的排隊長度看，每車道平均排隊車輛數均值（3.67 輛）和每車道最大排隊車輛數均值（8.8輛）都較為合理，不會出現排長隊現象.

從緩沖區設置角度看，按照每車車長18 m和車輛間隔1 m計算，所需的緩沖區長度約170 m（按最大隊長均值8.8輛即9輛計算,實際最大隊長可能超過此數），而港方原設計方案中，中間出閘口預留的緩沖區長度為150 m，右側約80 m.為此，一種方法是修改設計，加大緩沖區長度，特別是加大右側出閘口緩沖區的長度；另一種方法是采取措施，降低高峰期車輛負荷和車輛到達率.

從等待時間看，單車的平均等待時間的均值（132.32 s）和單車的最長等待時間均值（292.42 s）都較為合理，不會出現長時間等待現象.這說明，在合理調配集卡選擇隊列最短的閘口離開的情況下，從等待時間看，2個出閘口共設28個檢查通道可行.

以上是合理調度集卡的情況，如果不能合理調度，情況會有所不同.

4.2.2 固定分配方案

4.2.2.1 仿真結果

假設集卡均勻分布到各排（從左到右）箱區作業，且1～7排箱區的集卡從中間出閘口離開，8～11排箱區的集卡從右側出閘口離開，相當于64%的集卡流量從中間閘口離開，36%的集卡流量從右側閘口離開.

之所以假設1～7排箱區的集卡從中門離開，是因為這些箱區的集卡占集卡總數的64％（7排除以箱區總排數11排得到），而中間閘口的出口通道占出口通道總數的57％，這2個比例比較匹配，容易實際組織調度.

設計本方案的目的是考察在本方案的假設條件下，2個出閘口各自分配的車道數(即中間16道，右側12道)是否合理.仿真結果見表4.

從表4的排隊長度看，2個出閘口的排隊長度極度不平衡.中間出閘口出現排長隊現象，平均隊長均值達23.07輛，最大隊長均值達60.10輛，根據最大隊長計算出的緩沖區長度遠遠超過港方原設計方案的預留長度；而右側出閘口卻很空閑，平均隊長均值只有0.97輛，最大隊長均值只有2輛.從等待時間看，2個出閘口的車輛等待時間也極度不平衡.中間出閘口出現長時間等待現象，平均等待時間均值達781.30 s，最長等待時間均值達1 607.14 s；右側出閘口卻很空閑，平均等待時間均值只有30.75 s，最長等待時間均值只有84.01 s.

上述結果說明，簡單地將1～7排箱區或某幾排箱區的外卡劃歸中門離開的做法不合適，必須在2個出閘口對外卡流量進行合理分配，才能如合理調配方案那樣在兩處達到平衡.

4.2.2.2 對出閘口規劃的建議

從上述2個出閘口試驗方案結果看，在合理調度集卡的情況下，2個出閘口共設置28個檢查通道的規劃方案基本可行，2個閘口均不會出現排長隊的情況.但若不能合理調配車流，分流措施不當，就會出現一處閘口排長隊而另一處閘口很空閑的情況.

在實際運作中，要做到合理地調配集卡從合適的出閘口離開很困難，因此，建議采用智能交通的組織方式，對2個出閘口采取監控措施，并對中間出閘口流量進行實時交通誘導，避免出現負荷不均的現象.一般在2個出閘口設置感應線圈和視頻攝像頭，經過算法處理后，得到這2個閘口的交通流量飽和度，輔以監控人員的人工判斷，再發布交通信息并對中間箱區的出港車流進行交通誘導.若中間出閘口流量偏大，負荷較高，就發布中間閘口擁堵的信息，誘導中間箱區的車流由右側出閘口離開；反之，則誘導中間箱區車流由中間出閘口離開.如果基礎條件允許，將中間出閘口的檢查通道增加到18道，右側不變.這樣，留出一定余量，調度更加容易.

采用上述技術手段合理調度集卡，根據合理調配方案的結果，發現出閘口的緩沖區不夠長，特別是右側出閘口緩沖區過短.因此，應該將2個閘口的檢查點適當外移，以延長內側緩沖區長度.

假設由于地理條件的限制，無法進一步延長緩沖區長度，可以采取措施熨平高峰，分散車輛的到達時段，降低高峰期車輛到達率，從而縮短閘口排隊長度.建議采用計算機化的車輛進港預約系統，并與運輸單位聯網，按計劃發布和接受預約進港信息，對不按預約時間進港的車輛處以一定金額的罰款.此舉可有效熨平高峰，已經過國外港口的實踐證明.

此外，閘口檢查時間也是影響閘口排隊情況的關鍵因素之一.如果由于各種限制因素，上述措施無法實現，那么，要考慮采用技術手段提高出閘口的檢查效率，或者適當增加閘口檢查通道（檢查點），以縮短排隊長度.

5 結 論

相對于傳統解析法，利用計算機仿真輔助閘口規劃可向規劃人員和決策者提供更豐富的決策信息.通過仔細考查仿真得到的閘口處車輛排隊長度和等待時間等指標，規劃人員可直觀地評價閘口服務水平及閘口緩沖區設計，從而彌補解析法的不足.

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(編輯 陳鋒杰)