基于witness煤炭碼頭的物流系統仿真及評價

摘要：本文主要研究以煤炭為主要貨物的碼頭物流系統，綜合考慮物流系統各個影響因素以及子系統的邏輯關系，通過仿真輸出設備利用率、船舶等待時間以及吞吐量等數據，進行分析評價并提出優化建議。

關鍵詞：煤炭碼頭物流系統仿真優化

1 概述

隨著現代物流的不斷發展，港口的功能也在不斷拓展。由于我國煤炭資源分布的不均衡，結合現有的交通條件，煤炭港口的數量和規模都在不斷擴大[1]。提高煤炭等大宗散貨港口的工作效率，成為港口物流的重要工作。在國內外的學術與物流實踐中，研究人員逐漸傾向于用仿真來作為評價工具，在一定數據資料的支撐下，應用仿真工具就可以看到貼近實際的仿真結果，并且能夠實時的修改模型和參數。最后得到一個相對較優的方案，減少方案誤差帶來的不必要的損失。本文利用witness軟件對煤炭港口的運作流程進行仿真。

2 仿真目的和內容

煤炭碼頭的裝卸吞吐效率跟許多因素有關，包括裝卸工藝、機械能力、堆場的大小、貨物的周轉率、設備的故障率、船舶的大小、船舶的數量及到港間隔時間等等。可見，煤炭碼頭的物流受到眾多因素的制約，隨著影響因素的變化，碼頭的實際通過能力也會隨之變化[2]。

witness仿真軟件，應用現在系統建模和仿真分析的方法，周全考慮各個因素造成的影響，在不同條件下對龍口港物流系統做出相應的評價，幫助人們更好的提高煤炭碼頭的吞吐量，找到進一步提高碼頭裝卸效率的正確途徑，解決煤炭碼頭的各種問題。

3 隨機變量分析

3.1 主要離散型元素

煤炭港口物流仿真系統是一個離散時間的動態系統，其離散型元素包括零部件或實體（Part or Entity）、機器（Machine）、傳送鏈（Conveyor）、緩沖區或倉庫（Buffer）、車輛（Vehicle）、軌道（Track）、路徑（Path）、模塊（Module），在軟件中根據不同元素進行相應的設定。

3.2 船舶靠港間隔時間規律分析[3]

因為受到某些不確定因素的影響，船舶的到港時間間隔是一個隨機變量。該變量是仿真建模的重要數據，為了更加精確體現船舶到港的時間間隔，通過對過去大量數據的統計分析，可以看出：90%以上的船只都是煤炭貨船，到港時間間隔平均為5.2小時。即平均每天有4~5艘煤炭貨船靠港卸貨，總體服從負指數分布NEGEXP（312，1）。

3.3 船舶到港后停泊時間的規律分析

船舶靠港之后，開始裝卸操作，同時進行船舶的補給，這些工作完成后，船舶方可離港，這段時間就是船舶的停泊時間。根據以往的樣本數據，船舶的停泊時間均值為31.23小時。

3.4 火車的到達時間以及裝載量的變量分析

火車作為堆場中煤炭的輸入源或輸出源，在整個系統中有著重要作用。由于火車受天氣等狀況的影響較小，所以相對規律性較強。根據以往數據分析，火車平均1.5小時到達一趟，總體服從正態分布LOGNORMAL（90，1，1），平均裝載量為5375噸。

3.5 船舶的裝載量分析

船舶的裝載量也屬于隨機變量，根據以往的數據來看龍口港主要的裝載量類型為：1萬噸、2萬噸和3萬噸。

3.6 機器的維修時間變量分析

每種機器的工作原理和性質不同，因此它們有不同的維修時間的分布。根據歷史數據統計，堆料機的維修時間服從正態分布[4]LOGNORML（29，2，2），出現故障的概率服從負指數分布NEGEXP（120，1）。對應的取料機的維修時間為LOGNORML（35，2，2），出現故障的概率也服從負指數分布NEGEXP（200，1）。

4 煤炭碼頭的仿真模型設計

4.1 仿真模型的建立以及工作流程[5]

根據碼頭的實際情況，應用witness仿真軟件建立煤炭港口物流系統的具體仿真模型。仿真的目的是模擬實際生產運作情況，通過可視化以及數據統計，直觀的看到煤炭碼頭的制約瓶頸，各個設備的使用情況，從而合理調度設備和工人，進一步優化物流系統的工作效率。

根據散伙碼頭的實際布局，煤炭港口仿真模型的主要模塊設有列車模塊，堆場模塊，泊位模塊，堆料機模塊，取料機模塊。仿真的邏輯流程圖如圖2所示：

由圖可以看出，第一步是火車或輪船進港，準備卸船或者裝車。第二步是在堆場符合條件的情況下利用翻斗機裝載機等設備裝卸煤炭等散貨。第三步是將這些煤炭用堆料機堆在堆場內。等到下個輪船或者火車到港時，再次循環次過程。

4.2 仿真實驗的輸入及輸出

煤炭碼頭中堆場的平均堆存期為15天，船舶到港時間間隔分別取100、150、200、250、300、350分鐘，船的類型以及火車和船的裝載量都設為隨機變量，仿真時間為一年。

在系統仿真過程中，需要輸出的數據為該系統全年的吞吐量、泊位的利用率、堆場的日均占用率、設備利用率、船舶火車等待時間。根據仿真輸出的數據綜合評價物流系統的最大通過能力，并找到制約通過能力的瓶頸，使系統整體實現最優化。

4.3 仿真輸出的數據及評價

按照不同的船舶到港時間間隔分別進行仿真模擬實驗，并利用witness軟件中的統計模塊，統計堆料機和取料機利用率、船舶和火車的等待時間、堆場占用率、堆場庫存、全年吞吐量等輸出結果。如表1所示：

根據仿真實驗結果對龍口港煤炭碼頭的物流能力進行評價：

①從圖表中可以清晰看到，隨著船舶到港時間間隔由350到100縮短，全年的吞吐量保持上升，最多可以達到5637萬噸。

②在仿真數據的圖表中看到，在船舶到港時間間隔為250~300時，船舶的等待時間基本控制在300分鐘以內。當時間間隔低于200時，會大大增加船舶的等待時間。從吞吐量看出，年吞吐量超過5000萬噸時，船舶的等待時間會很長。

③仿真試驗中，堆場的利用率在54%~89%之間，隨著船舶到港時間間隔的縮短而顯著增大。說明，堆場面積將成為阻礙煤炭港口物流系統進一步發展的瓶頸，亟待解決。

④從仿真實驗的設備利用率數據看出，設備利用率基本在30%~70%，所以，能夠滿足港口未來發展的需要。

5 結論

本文通過對煤炭港口物流中的離散變量進行分析，基于龍口港的現有布局、設備、運行數據，利用witness仿真軟件，對煤炭港口進行了較為全面的仿真分析，并提出建設性的建議。實際的煤炭港口物流系統非常復雜，包含了很多如人為因素等不確定性因素影響煤炭港口物流的整體效率。本文加入了很多不確定性因素，保證了仿真實驗的準確性和可信度，為人們日后的決策提供了幫助。

參考文獻:

[1]汪平，汪弘.煤倉在港口的應用[J].中國水運.2008，1:42-43.

[2]陳加元，劉翠蓮.港口通過能力的若干理論及模擬模型研究[J].大連海運學院學報.1992.18(1):1-9

[3]陳娟.基于witness的煤炭碼頭物流能力仿真評價方法研究[D].武漢:武漢理工大學(碩士論文)，2009.

[4]孫麗麗，阿克遜.優化堆場管理，突破生產瓶頸.港口科技，2006:35-36.

[5]李云軍，周強，王榮明.出口型煤炭碼頭封閉式堆場通過能力研究[J].水運工程.2008，2(412):66-69.