基于WITNESS的港口物流系統瓶頸分析

盧 鴻

（廣東省海洋工程職業技術學校，廣東 廣州 510320）

基于WITNESS的港口物流系統瓶頸分析

盧 鴻

（廣東省海洋工程職業技術學校，廣東 廣州 510320）

有效識別港口發展的瓶頸是優化港口物流系統的前提.假設理想的后方集疏運系統，以某港口船舶物流系統為研究對象，在分析某港口的主要作業流程圖基礎上，綜合運用基于WITNESS仿真建模與分析技術，從航道通航能力、內港區容量以及碼頭的岸橋數量等方面探討限制港口生產能力提升的潛在瓶頸.通過仿真分析找出港口物流系統的瓶頸點，并有針對性的給出了提升該港口生產能力的途徑.

港口物流系統；WITNESS；物流瓶頸

1 緒論

港口物流系統仿真是借助于計算機對于港口系統或活動本質的實現.港口作業區的仿真建模較多的是基于仿真軟件WITNESS平臺.WITNESS采用面向對象建模的編程方法，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活且使用方便.WITNESS的主要特點有：交互式面向對象的建模環境，其將對象的圖形與邏輯關系集成在一起；靈活的執行策略，允許通過交互界面定義各種系統執行的策略；工程友好性強，其所提供的物理單元充分考慮了可能遇到的各種工程實際需要；提供靈活的輸入輸出方式和豐富的模型單元；軟件較大的柔性.該軟件強大的仿真功能使其能貼切地模擬實際中的各種變化等.其主要用于離散事件系統的仿真，如投資規劃、物料輸送策略、交通運輸、碼頭規劃、自動化生產線、識別生產瓶頸、生產計劃與調度、人力需求規劃、成本估算等問題.

港口物流系統能力的提升對港口的發展是至關重要的.為了更深入地把握未來某港口作業區物流系統的運營能力，特別是分析港區在未來船舶到港不斷增加時的工作狀態，及時發現和改進碼頭設計中的不足，需要對港口物流系統進行系統建模和計算機仿真試驗.本文以某港口物流系統為研究對象，綜合運用witness仿真建模與分析軟件，從各方面分析限制港口運營能力提升的瓶頸，進一步探討提升該港口生產能力的途徑，最終為建設單位和設計院做決策提供依據.

2 某港口物流系統仿真模型

2.1 某港口作業流程分析

設計中的某港口分為外港區和內港區兩部分。外港區包含兩個船舶等待區，一個等待區停泊即將進入港口接受服務的船舶，另一個停泊已經接受完服務即將離港的船舶.內港區也包含兩個等待區，一個停泊等待接受岸橋服務的船舶，另一個停泊服務完畢等待駛出內港的船舶.內外港區有航道相連，航道中有一船閘，船舶經過航道往返于外港與內港間.內港中有岸橋對船舶進行卸貨等作業.不考慮岸橋卸貨后的其他集疏運系統等，僅在假設理想的集疏運系統基礎上討論和分析船舶的作業情況.

港口的主要作業程序如圖1所示：船舶先從海上駛向港口，進入外港等待區等待進入內港接受服務.當船閘空閑、航道可通航且內港泊位有空位，船舶通過航道和船閘進入內港的等待區排隊，當岸橋空閑時船舶即接受岸橋的服務，如裝貨和卸貨等.服務完畢船舶進入內港令一泊位等待駛出內港.當船閘空閑且航道可通航是船舶通過航道和船閘進入外港的另一泊位，在稍作休整最后駛離港口.

2.2 模型邊界及假設條件

確定模型邊界是建立計算機仿真模型的基礎，一個合適的邊界對于正確建模和分析物流系統是十分關鍵的.仿真模型邊界的確定需要根據所要解決的實際問題而確定.模型邊界確定的不合適，有可能造成所建立的模型太大太復雜或者是太簡單而不能解決實際問題.一般來說，只要能夠解決所提出的實際問題，邊界范圍越小越好.就本港口仿真模型而言，結合仿真目的確定其模型邊界為，水域以船舶到離外港泊位區為邊界，陸域以船舶接受岸橋服務后貨物離開船舶為邊界.

為更好的建模通常需要對實際物流系統進行一定程度的簡化，提出假設條件.建模過程中的邏輯關系的設置也需要一些具體的數據，數據的來源大部分是實際港口物流系統的運作經驗的總結.現將假設條件和部分數據假設如下：

（1）假設后方集疏運系統非常理想，只要有貨物被岸橋起吊，后方都能夠及時的進行運輸和處理.且假設2個負責設備維修和調整的員工工作期間隨時都可以提供服務.

（2）船舶的到港時間間隔服從參數為120的負指數分布NEGEXP(120,1)；港口的4個泊位或者是錨地的容量分別為4、4、2和10.當外港等待區沒有空位情況時，來港船舶將被迫離港.船舶在且船舶服務完畢后在外港泊位等待區時間達到2分鐘就駛離港口.

（3）如果海水深度達到可以作業的深度，外港區泊位有船舶在等待進港，則將外港區的船舶拉入內港區錨地處，否則將內港區停泊已經服務完畢的空船拉向外港區處；如果海水深度不夠，則停止作業.

（4）船舶經過港口航道受到潮汐的影響，假設初始條件為港道的海水深度最高為5米，當海水深度超過3米時，船舶才可以正常通過，否則低于3米則不能通過.船舶經過船閘的時間服從均值為20，方差為2的對數正態分布LOGNORML(20,2,2).且船閘作業次數達到100次則需要工人進行調整，其作業時間服從LOGNORML(50,5,3)分布.

（5）內港碼頭中的岸橋服務一條船舶的時間服從LOGNORML(150,10,4)分布，并且假設每隔NEGEXP(4800,1)將會發生一次故障，維修的時間服從LOGNORML(120,10,2)分布.

2.3 Witness仿真模型的建立

根據該港口船舶進出港的實際情況等建立碼頭仿真模型.模型建立時必須要明確碼頭系統實體與仿真模型元素的關系.WITNESS提供了一系列用于構造系統仿真模型的基本元素，大致可分為兩類：物理元素和邏輯元素.表1給出了該港口物流系統的主要實體與該系統的WITNESS仿真模型的物理元素之間的關系.

表1 港口物流系統主要實體與WITNESS模型元素的關系

模型建立過程中，需特別注意模型的各個元素之間的邏輯關系的設置嗎，邏輯關系的設置有問題將直接影響后面的仿真結果，因此建模時需要認真且建模完成后要反復的調試.為了使得模型具有較好的交互性，在系統邏輯單元建立的同時要將模型元素進行可視化操作，建立相應的彩色圖形模型，使其具有實時的彩色動畫顯示效果.同時還要設置相應的背景等.模型完成后的界面如圖2所示.

圖2 碼頭仿真實驗模型布局圖

3 仿真實驗模型及數據分析

3.1 仿真模型運行及數據分析

一般來說，港口作業高峰時段，船舶到港的密度比平時要增加很多.在不改變船舶來到港口的速率的情況下，為了測得港口在該環境中的最佳碼頭數量，本實驗通過成比例的增加碼頭岸橋的數量，分為三種不同的工礦進行仿真實驗，探討碼頭合理的岸橋數量.具體的設置分為三種不同的工況：即岸橋的數量分別為1臺、2臺和3臺時的情況.仿真實驗的其他參數采用前面的假設條件的數據.模型是在某設定的初始狀態下開始運行的，以設定的仿真時間結束，仿真時間單位以分鐘計.假設該碼頭運行一年，將仿真時間設置為175200分鐘，仿真模型經過運行獲得如下表2至表4所示的結果.

表2 不同工況下船舶在內港1號泊位等待時間

觀察表2，可以發現當岸橋數量為1時，船舶在內港1號泊位處的等待時間為305.91分鐘，而岸橋數量為2時，等待時間為199.14分鐘，岸橋數為3時，等待時間為158.59分鐘.而三種不同數量岸橋情況下，其方差變化不大，基本在180左右浮動.從而可以看出，船舶在該處的等待時間隨著岸橋數量的增加而顯著減少，說明增加內港的碼頭數量能夠降低船舶在內港1號泊位處等待時間.

表3 不同工況下岸橋平均忙閑程度

從表3可以知道當岸橋數為1時，碼頭的繁忙程度為89.81%，而岸橋數為2時，2個碼頭的繁忙程度45.675%左右，岸橋數為3時，3個碼頭的繁忙程度31.293%左右.即不管岸橋的數量如何變化，所有岸橋的宗繁忙程度即單個岸橋繁忙程度乘上岸橋數基本在90%左右浮動.

表4 不同工況下船舶平均在港時間及港口總服務船舶數

再觀察表4，可以看出不同的岸橋數量情況下，船舶的在港總時間變化不大，基本上在790分鐘到870分鐘變化.而且港口一年中所服務的船舶總數也是在1030到1096區間，變化不大.另外，不管岸橋數量如何變化，總有很大一部分船舶被迫離去，數量從384到430間.從而說明港口的服務能力有待提升.

3.2 初步結論與進一步探討

通過上面的仿真實驗，初步分析可以得出以下結論：

3.2.1 在理想的后方集疏運系統前提下，將岸橋數量從1增加3的意義不大.岸橋數量的增加，只是有助于降低船舶在內港1號泊位的等待時間，對于船舶在港總時間的減少是沒有幫助的.發現岸橋數量的增加，沒有使得港口在一年內服務的總船舶數量上有顯著的增加.也就是說，限制該港口發展的瓶頸不在碼頭的數量，而在于其他.值得說明的是，不同岸橋數量情況下，全部碼頭的總繁忙程度總保持在90%左右.假如僅僅只是為了改善碼頭工人的勞動強度，使其獲得更多的休息時間，基于這種目的，將碼頭數量從1增加到2或者3才有意義.

3.2.2 當岸橋數量不斷變化時，航道中船閘的繁忙程度變化不大，閑忙比基本上處于25%左右浮動，也即其大部分時間是處于不工作狀態.而船閘的忙閑程度一定程度上反映港口的繁忙程度.影響其工作狀態的因素，除了船舶的來港情況外，還有其他因素如潮汐的情況以及內港泊位的容量大小等.海水的漲潮和落潮引起港口航道海水深度的不斷變化，使得港口航道大部分時間處于不能工作狀態.同時內港泊位容量的不足迫使船閘停止工作.

因此，在現有條件下限制該港口生產能力提升的關鍵點不在于岸橋數量的增加，而有可能在于因潮汐變化引起的港口航道的通行能力的限制，也有可能是內港泊位的容量不足等因素.如果該港口的瓶頸是這兩個因素可以通過相關作業進行改善.航道的通行能力可以通過挖深航道等作業進行提升.內港的泊位容量的提升可以通過相關的工程作業，將內港旁邊的位置利用起來使得內港的1號泊位的容量從4增加到8.為找出該港口碼頭的運營瓶頸，現分析岸橋數量為1時的四種不同工況下的港口運營情況.同樣假設該碼頭運行一年，將仿真時間設置為175200分鐘，分四種不同的工況進行仿真，仿真結果如表6所示.

表5 仿真實驗各工況設置條件

表6 不同工況下港口運行參數

觀察表6，對比工況一和二發現，將內港1號泊位數從4增加到8，使得該港口服務的船舶總數增加到1098，而船舶在港總時間大大增加到1119.30，說明僅僅增加內港泊位數得不償失.對比工況三和四發現，當航道水深最高8米時，內港1號泊位數增加到8，船舶在港總時間大大增加，而港口服務的船舶總數僅從1088增加到1117，同樣也不可取.對比工況一和三，泊位數為4時航道加深至8米，船舶在港總時間減少，港口服務的總船舶數增加.對比工況二和四，泊位數為8時航道加深至8米，船舶在港總時間增加，而服務的船舶總數也增加.

總的來說，在該港口目前條件下，通過挖深航道提升航道的通航能力來提高該港口的生產能力是有效和可行的.在保持來港船舶情況不變時，增加岸橋的意義不大.而在保持內港1號泊位的數量不變時，力挖深航道到8米提升港口的通航能，可以在增加港口年度總服務船舶數量的同時減少船舶在港的總時間.保持航道水深不變，將內港1號泊位的數量增加到8，雖然在一定程度上增加年度總服務船舶數量，但是卻大大增加船舶在港總時間.在增加航道水深至8米后，增加內港泊位數也會大大增加船舶在港總時間.因此，可以說該港口的瓶頸在于港口航道的通航能力.提升該港口生產能力的途徑主要在于挖深港口航道.

4 結語

正確識別限制港口發展的瓶頸是優化港口物流系統的基礎，也是充分發揮港口的潛在能力的必然要求.首先介紹離散事件仿真軟件witness及特點，接著以某港口船舶物流系統為研究對象分析了該港口的物流瓶頸.在分析某港口的主要作業流程圖基礎上，綜合運用離散事件仿真建模與分析技術，從航道通航能力、內港區容量以及碼頭的岸橋數量等方面探討限制港口生產能力提升的潛在瓶頸.通過仿真分析認為提升該港口的生產能力的關鍵點在于提高港口航道的通航能力.

〔1〕洪承禮.港口規劃與布置[M].北京:人民交通出版社,1999.

〔2〕鄭大鐘.離散事件動態系統[M].北京:清華大學出版社,2001.

〔3〕王殿海,嚴寶杰.交通流理論[M].北京:人民交通出版社,2002.

〔4〕高偉.基于WITNESS的集裝箱碼頭物流系統建模與仿真[D].武漢:武漢理工大學,2003.

〔5〕鄧彪,周強.基于二維數值仿真的集裝箱碼頭規劃設計虛擬現實系統[J].水運工程,2010(4).

〔6〕周強,王孟昌,楊國平,錢立明.集裝箱碼頭道路交通仿真模型研究[J].水運工程,2007，(2).

F552

A

1673-260X（2012）01-0009-04