新工藝下集裝箱碼頭裝卸資源分配模擬

金 鑫，丁以中

(上海海事大學科學研究院，上海 200135)

0 引言

現代港口物流的發展以及全球范圍的能源危機迫切要求集裝箱碼頭裝卸工藝的改進和裝卸效率的提高.很多港口管理者采用增加裝卸機械數量的方法提高集裝箱碼頭裝卸效率，但在無形之中增加了能耗和運作成本，而且往往出現一些機械的閑置現象.集裝箱碼頭的裝卸作業非常復雜，很多事件都存在隨機因素(如集卡和龍門吊的運行速度，橋吊和龍門吊的裝卸時間等).當港口采用面向作業面的裝卸新工藝時，某些元素的隨機性對整個裝卸流程會產生很大影響.因此，單純采用解析法已不能滿足對港口裝卸作業研究的需求，計算機仿真方法成為解析法的有效補充.

近幾年，國內外學者運用仿真技術對集裝箱碼頭裝卸設備資源分配問題的研究很多.楊靜蕾等［1]以上海港外高橋集裝箱碼頭為例，通過構建1個動態多級排隊網絡，運用仿真技術描述集裝箱碼頭裝卸系統，通過對系統輸出指標的分析得出外高橋集裝箱碼頭的最佳機械配比和最合適的橋吊臺數;孫立啟［2]從定性的角度闡述集裝箱裝卸設備選型和數量配置上應注意的問題，結合日照港的具體規劃分析了兩種適合日照港發展現狀的裝卸工藝方案;CANONACO等［3]通過排隊網絡模型和仿真，對所有泊位的岸邊起重機進行評估，優化管理集裝箱裝卸資源;PETERINGA等［4]通過模擬研究顯示長期平均岸橋效率取決于集裝箱堆場終端箱區的長度和同一箱區中部署的起重機數量;ZENG等［5]開發出1個集裝箱碼頭裝卸資源調度的模擬優化方法，集成了智能決策機制的優化算法和評價職能的仿真模型.這些研究對港口的最優運營、港口設備利用率的提高和港口運營成本的降低起到很好的作用.

目前，對面向作業面新工藝下碼頭裝卸資源配置的研究，國內外鮮有報道，對整體裝卸資源分配的仿真也缺少研究.面向作業面的裝卸工藝是指實行面向作業面的集卡分配策略，所有集卡排成1個隊列為所有橋吊服務.本文介紹應用上海外高橋集裝箱碼頭的數據以及碼頭布局構建的1個包括錨地、泊位、堆場、橋吊、龍門吊和集卡的Witness仿真模型，并運用仿真技術模擬得到集裝箱碼頭裝卸系統的運行指標和最佳設備配比.集裝箱港口最佳設備配比是指在其他條件不變的情況下以作業時間最小化為目標，或者在其他條件不變的情況下以橋吊平均單機效率(TEU/h)最大化為目標得到的橋吊、龍門吊、集卡的比例.不論是以作業時間最小化還是以橋吊平均單機效率最大化為目標，尋找最佳設備配比的最主要目的就是盡量減少能耗，達到“節能減排”的效果.

1 面向作業面的集裝箱碼頭裝卸系統

1.1 模擬要素

(1)船舶的到達、靠泊及離開.船舶先到達錨地，若有空閑泊位，則進入泊位開始卸貨;若沒有空閑泊位，則在錨地等待.若進入泊位的船舶上所有貨物都卸載完畢，船舶立即離開泊位，原本在錨地等待的其他船舶則進入這個空閑泊位.［6]

(2)橋吊的裝載和卸載.對進入泊位的船只，應按照船舶的大小安排橋吊數.［7]根據現在港口的實際運營情況，正常使用的橋吊數為3或4，所以本文主要針對這2種情況進行模擬研究.橋吊的作業分為兩部分，一部分是裝載船只上的集裝箱，另一部分是將裝載的集裝箱卸載到集卡上.

(3)集卡的裝載、運行及卸載.集卡在岸邊排成1個隊列，任一橋吊有集裝箱需要卸載，集卡就到該橋吊下進行裝載，裝完集裝箱后按集裝箱的屬性及規定的路徑將集裝箱送往指定的堆場.當集卡到達堆場但龍門吊沒有到達該堆場時，集卡需在堆場等待;當龍門吊到達時，集卡進行卸載，卸載完成后按規定的路徑回到岸邊的集卡隊列.

(4)龍門吊的運行、裝載和卸載.模擬中，有的龍門吊管理1個堆場，有的龍門吊管理2個堆場，甚至3～4個堆場.如果龍門吊管理2個或2個以上的堆場，則應該有較好的機動性，需要根據各個堆場的裝箱集卡到達情況按一定的規則移動到其中1個堆場進行集裝箱裝卸活動.

1.2 模擬框架

船舶在面向作業面的裝卸工藝下的作業流程見圖1.船舶的出現按照一定的規則，當泊位空閑時船舶進入泊位，否則就要在錨地等待，當進入泊位的船舶完成卸箱后離開泊位.

圖1 船舶作業流程

橋吊基本作業流程見圖2.

圖2 橋吊基本作業流程

當泊位有船舶時，需根據船舶的大小確定需要工作的橋吊數目.首先從船舶上卸箱，接著判斷岸邊的集卡隊伍中有無空閑集卡，向空閑集卡上裝箱.集裝箱卸載完畢，該船舶離開泊位.

集卡基本作業流程見圖3.當作業的任一橋吊有進口集裝箱需要裝載時，排隊等待的集卡隊伍中最靠近岸邊的1輛集卡駛向該橋吊卸箱處進行裝箱，然后根據集裝箱的屬性按既定線路將集裝箱運往指定堆場卸箱，卸箱完畢后根據指定線路回到岸邊的集卡隊伍等待.

圖3 集卡基本作業流程

龍門吊基本作業流程見圖4.當龍門吊所在箱區有需要卸箱的集卡到達時，龍門吊進行卸箱作業;否則要判定龍門吊所管轄的其他箱區是否有需要卸箱的集卡到達，如果有，龍門吊就駛向該箱區進行卸箱作業.［8]

圖4 龍門吊基本作業流程

1.3 基于Witness仿真軟件的模型界面概述

Witness是Lanner Group公司開發的仿真軟件，主要用于離散事件系統的仿真.Witness仿真軟件已被廣泛應用于各種領域.集裝箱碼頭裝卸作業的Witness模型界面見圖5.

圖5 集裝箱碼頭裝卸作業的Witness模型界面

由圖5可知，區域1為元素選擇窗口，模型所需的元素和用到的元素都在此區域，可進入任何1個元素進行各種操作;區域2為港口和泊位的一些元素，包含錨地、在泊船數和正在卸載的船舶上的集裝箱數目;區域3為岸邊的部分，3個橋吊同時工作，并且3個橋吊之間有道路相通;區域4為等待裝箱的集卡排隊道路，所有工作的集卡都在這里排隊等待;區域5為堆場，每個堆場右下角的數字代表堆場的集裝箱數目.圖5所示為3個橋吊、8個龍門吊和21輛集卡組成的模型.

2 參數及程序設計

2.1 輸入參數

(1)船舶信息:到達間隔、離靠泊時間和船舶容量;

(2)集裝箱信息:20英尺、40英尺、特種箱、空箱和到達各個堆場的概率;

(3)橋吊信息:裝卸時間、空載返回時間、平移速度和2個橋吊之間的距離;

(4)龍門吊信息:裝卸時間、空載返回時間、直行轉彎的行走速度和當前的分配情況;

(5)集卡:重載速度、空載速度和在碼頭前沿道路、箱區及拐彎時的速度;

(6)碼頭平面圖:堆場個數以及其尺寸、距離和道路長度;

(7)隨機情況:船舶到達時間分布、船舶離靠泊時間、船舶容量、橋吊和龍門吊的裝卸時間和運行速度以及集卡的速度.

2.2 輸出參數

(1)船時效率:船舶裝卸總量/裝卸總時間;

(2)橋吊平均單機效率:橋吊裝卸總量/(橋吊運行總時間×橋吊個數);

(3)橋吊下集卡和集卡在堆場的平均等待時間;

(4)橋吊下集卡的平均隊長.

3 裝卸設備最佳配比分析

3.1 裝卸設備配置最佳配比的內涵

本文對集裝箱碼頭裝卸設備配置最佳配比的研究以橋吊平均單機效率最大化為目標，通過運行橋吊、龍門吊和集卡的各種配置比例模型，得到橋吊、龍門吊和集卡的最佳配比.以橋吊平均單機效率最大化為目標，本質上就是減少能耗，因為在集裝箱碼頭實際運作中橋吊的運行能耗遠遠大于龍門吊和集卡.集裝箱碼頭在作業過程中充分利用已經啟動的橋吊，并在此條件下使用最少的龍門吊和集卡完成相同的裝卸量，可減少橋吊的運行時間，大大減少能耗.

3.2 最佳配比模擬運算過程

(1)已知橋吊和龍門吊數量，模擬最佳的集卡數量.設集裝箱以同等概率運至12個堆場，橋吊數目為3臺，通過模擬模型的運行可分別得到龍門吊數為3～12臺、集卡數為1～18輛時的橋吊平均單機效率.模擬結果表明，當橋吊和龍門吊數量確定后，橋吊的單機效率將隨集卡數量的增加而上升，但其上升的速度逐漸減小;當集卡數量達到某個值(拐點)時，橋吊的單機效率基本不再上升，這時的集卡數量就是使橋吊單機效率最大的最低集卡數.表1為橋吊數取3，不同龍門吊數目下取得拐點時的集卡數目和橋吊平均單機效率.

表1 橋吊數為3時的最佳裝卸設備配比模擬運算

(2)已知橋吊數量，模擬最佳的龍門吊數量.通過模擬可得，在3臺橋吊下且以表1中的最佳集卡進行配置時，不同龍門吊數量對于橋吊單機效率的影響.模擬結果表明，當龍門吊數量增加時，橋吊的單機效率上升，但其增加的速度隨龍門吊數量的不斷增加而放慢;當龍門吊數量增加至某個數值(拐點)時，橋吊的單機效率基本不再增加，因為這時已有足夠的龍門吊來為集卡服務，繼續增加龍門吊只能造成龍門吊等待集卡的時間變長.這個拐點就是在3臺橋吊下龍門吊的最佳配置數量.同理可得在不同橋吊數量下的最佳龍門吊配比.

圖6為3臺橋吊以最佳集卡數配備時，不同龍門吊數量對橋吊單機效率的影響.

圖6 3臺橋吊、不同龍門吊數目下的橋吊單機效率

由圖6可知，當龍門吊數量從3臺開始增加時，橋吊的單機效率上升;但當龍門吊數量增加至7臺后，橋吊單機效率增加的速度放慢;當龍門吊數量增加至9臺后，橋吊的單機效率基本不再增加.因此，當橋吊為3臺時，龍門吊的最佳數量為9臺，集卡的最佳數量為15輛，這時橋吊的平均單機效率為26.8 TEU/h，對應船時效率為80 TEU/h，堆場和橋吊下每輛集卡的平均等待時間分別為0.014 h和0.045 h，橋吊下集卡的平均隊長為22.2輛/h.

同理可得不同橋吊數下龍門吊的最佳數量.橋吊數為4臺、龍門吊的實驗數目依次為4～16臺、集卡的實驗數目依次為1～22輛時的模擬運算結果見表2.

表2 橋吊數為4時的最佳裝卸設備配比模擬運算表

圖7為4臺橋吊時龍門吊數量對橋吊平均單機效率的影響.根據拐點分析可得，4臺橋吊下的最佳龍門吊數和集卡數分別是12臺和16輛，單機效率是26.8 TEU/h，對應船時效率為107 TEU/h，橋吊下集卡和堆場的每輛集卡的平均等待時間分別為0.036 h和0.011 h，橋吊下集卡的平均隊長為27.8輛/h.

圖7 4臺橋吊、不同龍門吊數目下的橋吊單機效率

在傳統工藝下，橋吊、龍門吊和集卡分配的方法與面向作業面的方法基本相同.通過模擬運算可以得到傳統工藝下橋吊數為3臺時，最佳龍門吊和集卡數分別是10臺和16輛;橋吊數為4臺時，最佳龍門吊和集卡數分別是13臺和18輛.傳統工藝和面向作業面工藝下裝卸設備的配比見表3.由表3可知，面向作業面工藝可有效節約設備資源.當橋吊數為3臺時，可節約1臺龍門吊、1輛集卡;當橋吊數為4臺時，可節約1臺龍門吊和2輛集卡.

表3 傳統工藝和面向作業面工藝下裝卸設備配比比較

4 結論

本文主要探討面向作業面新工藝下碼頭裝卸資源的配置，運用Witness仿真軟件進行模擬運算，最終給出合理的整體碼頭裝卸資源配置.相對于傳統的面向作業線作業的碼頭裝卸系統，面向作業面作業的碼頭裝卸系統可減少裝卸設備的使用量，減少能耗.

在實踐方面，上海“外高橋5期”已經采用“面向作業面”的集卡調度，寧波北侖港碼頭和青島港也已經開始采用“面向作業面”的新工藝;但由于缺乏對面向作業面新工藝下資源配置的理論研究，大多憑借經驗進行管理，不利于合理決策實際操作中的資源配置.本文的研究結果可為集裝箱碼頭裝卸資源整體配置提供科學的決策依據.

［1]楊靜蕾，丁以中.集裝箱碼頭設備配置的模擬研究［J].系統仿真學報，2003，15(8):1069-1073.

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