集裝箱碼頭裝卸機械配置優化仿真

郭姝娟, 何鳳云, 趙 丹

(寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211)

集裝箱碼頭裝卸機械配置優化仿真

郭姝娟, 何鳳云, 趙 丹

(寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211)

在提高集裝箱裝卸橋效率的情況下，對集裝箱裝卸橋集卡及輪胎式龍門起重機的優化配置問題進行模擬仿真實驗，并得出優化配置方案。實驗結果表明，只增加集裝箱裝卸橋的效率不能提高整體集裝箱碼頭的效能，需要其他裝卸機械協同優化配置。此外，Flexsim CT仿真軟件提供了三維仿真可視化的集裝箱碼頭運作過程。

交通運輸經濟學；集裝箱碼頭；裝卸機械配置；模擬仿真；Flexsim CT

集裝箱運輸可促使運輸生產走向機械化、自動化，并且具有保證貨物運輸安全、節省貨物包裝材料、簡化貨運作業手續、提高裝卸作業效率、減少運營費用等優點。由于集裝箱運輸使貨物流通的各個環節發生了重大改變，因而被稱為20世紀的“運輸革命”。集裝箱碼頭作為物流系統中的一個重要節點，是遠洋、內河以及陸路集裝箱運輸的樞紐。近年來，隨著集裝箱運輸業蓬勃發展、集裝箱碼頭日益市場化，集裝箱碼頭的數量激增，競爭也日趨激烈。為提高集裝箱碼頭的競爭力，不斷優化物流資源運作、提高碼頭生產效率、縮短船舶在港時間成了集裝箱碼頭面臨的重要問題。集裝箱碼頭裝卸機械對碼頭生產效率具有最直接的影響，因而集裝箱碼頭取得競爭優勢的一個有效途徑就是優化其裝卸機械的配置。

程燕玲等[1]對采用經營租賃、融資租賃、自有資金購買和貸款購買等不同方式進行機械設備更新的利弊進行比較，并分析不確定性因素對各方案的影響，為裝卸企業提供了更加完備的決策選擇過程；董良才等[2]通過考慮港口的各種影響因素，應用模糊數學的方法，對購買及更新裝卸機械設備的經濟指標進行綜合評判，得出針對具體港區碼頭應采用不同裝卸機械設備結構的結論。

以上文章是從經濟技術效益最大化的角度對裝卸機械的購買配備進行研究的，還有一些文章從生產運作的角度對裝卸機械的優化配置進行研究。王小變[3]討論在集裝箱裝卸橋以及集卡數目給定的條件下輪胎式龍門起重機的最優化數量配置問題，建立基于0-1混合整數規劃的集裝箱堆場堆存最優模型，為搬運設備集成優化調度順利實施提供了輪胎式龍門起重機作業環節保障，提高了集裝箱碼頭堆場作業效率；IFA等[4]假設集裝箱裝卸橋裝卸作業時間固定，水平運輸機械在碼頭內任意兩個固定設施間的行駛時間為已知，對港內水平運輸機械數量配置問題進行研究，建立具有時間窗約束的車輛調度模型，以最小化水平運輸機械的需求數量。

然而，上述研究忽視了集裝箱碼頭是一個無法分割的有機整體，單個裝卸機械子系統的配置最優化并不一定能使整個碼頭的裝卸機械的配置最優。肖向東[5]結合工程設計實例,對集裝箱裝卸橋、集卡及輪胎式龍門起重機的數量配置比例的實際經驗進行闡述，但是這種基于經驗的數量配置忽視了集裝箱碼頭的實際情況，難以提供可信的方案。由于集裝箱碼頭營運的復雜性，仿真技術成為集裝箱碼頭計劃、分析、決策的一項重要技術。

仿真在國外集裝箱碼頭中的應用范圍十分廣泛。[6]美國的薩凡納港近年吞吐量增長迅速，集裝箱碼頭管理者考慮通過提高集裝箱裝卸橋速率以適應發展需要。TSAI等[7]通過3D模擬仿真方法得出了與集裝箱裝卸橋速率提高相匹配需增加的集卡數量的最優值，但其是在假設場地裝卸機械輪胎式龍門起重機的數量為無限多的基礎上計算在集裝箱裝卸橋速率提高時集卡對應的配置數量的。然而，只有將場地裝卸機械相應變化的數量考慮在內時得出的裝卸機械優化配置才能使集裝箱碼頭整體生產效率最優化。

因此，在TSAI等的研究的基礎上全面協調優化集裝箱裝卸橋、集卡以及輪胎式龍門起重機之間的配置，并利用Flexsim container terminal (Flexsim CT)軟件建立集裝箱碼頭的3D仿真模型。結果表明，通過實施模擬仿真得到的優化方案可減少不必要的資源以及資金的浪費，為集裝箱碼頭運營商減少開支，增加利潤額。

1 集裝箱碼頭的主要裝卸機械及裝卸船作業

集裝箱碼頭主要裝卸機械分為海側岸邊裝卸機械、水平運輸機械以及場地裝卸機械3部分。

1.1海側岸邊裝卸機械

海側岸邊裝卸機械主要包括集裝箱裝卸橋、多用途門座起重機和高架輪胎式龍門起重機。集裝箱裝卸橋是當今集裝箱碼頭廣泛采用進行船舶裝卸作業的專用機械。目前由于集裝箱碼頭不斷專業化，集裝箱裝卸橋的作業效率越來越成為衡量集裝箱碼頭管理水平高低和競爭能力大小的重要標志之一。集裝箱裝卸橋效率是指每小時集裝箱裝卸橋運行周期數量，通常用周期/h表示。一個運行周期從集裝箱裝卸橋的吊具起吊集裝箱開始，然后小車向海側方向運行將集裝箱裝入船中，接著向陸側運行準備起吊下一個集裝箱，結束時刻為經過一個周期循環后集裝箱裝卸橋的吊具開始起吊下一個集裝箱。

1.2水平運輸機械

水平運輸機械主要包括集卡和跨運車，此處以集卡為研究對象。集卡由提供動力的牽引車和裝貨平臺的掛車組成，負責往返于碼頭前沿和堆場，承擔集裝箱水平轉移的任務。

1.3場地裝卸機械

場地裝卸機械主要包括叉車、輪胎式龍門起重機、軌道式龍門起重機和正面吊運機。從目前我國集裝箱碼頭使用的情況看，最常用的為輪胎式龍門起重機。輪胎式龍門起重機是集裝箱碼頭堆場進行裝卸、搬運、堆垛作業的專用機械，主要特點是機動靈活、通用性強，不僅能前進、后退，而且還設有轉向裝置，通過輪子的90°旋轉，能從一個箱區移到另一個箱區進行作業。

集裝箱碼頭的作業內容有多種，此處主要研究裝船、卸船作業進程。卸船作業主要指集裝箱由集裝箱裝卸橋從集裝箱船上卸下，通過集卡水平搬運到堆場，然后由輪胎式龍門起重機進行堆場堆箱。裝船作業是指輪胎式龍門起重機從堆場上取出需裝船的集裝箱，通過集卡水平搬運至碼頭前沿，然后由集裝箱裝卸橋進行裝船作業。裝卸船作業示意圖見圖1。

圖1 裝船卸船作業示意圖

由圖1可知，在裝卸船作業過程中，集裝箱裝卸橋、集卡及輪胎式龍門起重機組成了串行機械生產線，其中處理量最少的機械是整條生產線的作業瓶頸，決定著裝船卸船作業的實際處理量。[6]集裝箱碼頭所有裝卸機械是一個有機整體，只有各種機械相互緊密配合，才能實現集裝箱碼頭裝卸船作業高效率運行，單個機械高效率并不能有效提高碼頭作業效率。因此，主要研究由集裝箱裝卸橋、集卡以及輪胎式龍門起重機組成的集裝箱碼頭裝卸機械系統整體配置優化，以期提高碼頭作業效率。

2 Flexsim CT系統建模

Flexsim CT軟件是一套專門用于集裝箱碼頭仿真的軟件，預制的模塊包括各種常見的集裝箱碼頭作業計劃編制過程、裝卸作業機械和堆場等資源。使用Flexsim CT構建仿真模型可以對集裝箱碼頭運轉過程的諸多方面進行改進，如增加吞吐量、改進設備利用率、縮短等待時間和隊列長度、減少瓶頸、有效分配資源、平衡工作量、模擬分析集裝箱堆場的堆垛策略、集裝箱裝卸橋分配、輪胎式龍門起重機分配等等，以節約成本、改善效率，并增加搬運能力。同時，Flexsim CT的仿真結果可通過3D動畫直觀地展示出來，并得出實時的統計報告。[8]

通過Flexsim CT模擬裝卸船的作業過程，在提高集裝箱裝卸橋效率的前提下，討論水平運輸機械集卡及場地運輸機械輪胎式龍門起重機的優化配置數量。對“只增加集裝箱裝卸橋效率”和“增加集裝箱裝卸橋效率的同時增加集卡及輪胎式龍門起重機數量”這兩種不同的配置方案進行模擬，分析出較合理的配置方案。集裝箱碼頭裝卸船作業系統的模擬流程見圖2。

圖2 模擬流程圖

3 裝卸機械優化配置模擬仿真

隨著集裝箱吞吐量日益增加，某集裝箱碼頭擬通過提高集裝箱裝卸橋工作效率來提高泊位生產率。在此情況下，如何進行裝卸機械的優化配置是集裝箱碼頭管理者關心的問題。通過仿真實驗可以回答如何優化配置集裝箱碼頭的水平裝卸機械集卡及場地裝卸機械輪胎式龍門起重機才能適應集裝箱橋吊效率的提升，使集裝箱碼頭整體工作效率得到提高的問題。因此，提出兩個模擬仿真實驗，模擬實驗一僅提高集裝箱裝卸橋的效率，其他裝卸機械數量保持不變；模擬實驗二在提高集裝箱裝卸橋效率的同時增加集卡及輪胎式龍門起重機的數量。由于集裝箱裝卸橋是集裝箱碼頭最昂貴、最重要的裝卸機械，是制約整個集裝箱碼頭作業效率的主要瓶頸，因此采用集裝箱裝卸橋的實際運行速度及集裝箱裝卸橋等待集卡的時間百分比作為衡量模擬方案效果的評價指標。模擬仿真實驗參數輸入為

1. 設立3種集裝箱類型，分別是20 ft，40 ft，45 ft。

2. 泊位長度設為400 m，配備2臺集裝箱裝卸橋，且初始最高運行速度為30周期/h。

3. 該泊位平均集裝箱裝卸箱總量為2 900 TEU/周。

4. 設有3個集裝箱堆場，同一類型集裝箱放在同一個堆場中。

5. 集裝箱裝卸橋與集卡的初始配置為1∶3。

6. 每個堆場初始配備1臺輪胎式龍門起重機。

通過Flexsim CT構建該泊位模型的二維圖及三維圖(見圖3和圖4)。

圖3 二維模擬仿真效果圖

3.1模擬仿真實驗一

該模擬以集裝箱裝卸橋為單獨研究對象，在集裝箱碼頭其他裝卸機械不變的情況下，只將集裝箱裝卸橋的最高速度由30周期/h提高到40周期/h，觀察能否提高泊位生產效率。模擬仿真實驗結果統計見表1，該表中的數據是2臺集裝箱裝卸橋的平均值。

表1 只提高集裝箱裝卸橋效率時的模擬運算數據

從表1中可以看出，當集裝箱裝卸橋最高運行效率提高時，集裝箱裝卸橋實際運行效率從22.3周期/h變為22.65周期/h，集裝箱裝卸橋等待集卡的時間百分比從6.7%增加到了8.7%。此結果是由集卡數量不夠充足造成的，并且在仿真過程中，Flexsim CT軟件也提示集裝箱裝卸橋閑置。圖5為模擬仿真中的某時刻集裝箱裝卸橋作業情況截圖。集裝箱裝卸橋下紅色影子表示集裝箱裝卸橋此時閑置等待集卡。

圖5 集裝箱裝卸橋作業截圖

綜上，模擬仿真實驗一結果說明僅提高集裝箱裝卸橋的運行速度是無法提高整體效率的，必須與其他機械同時配置優化才能實現整體的效率最優化。

3.2模擬仿真實驗二

該模擬仿真實驗在模擬仿真實驗一的基礎上考慮所有裝卸機械數量優化配置問題，即在集裝箱裝卸橋運行速度的基礎上，考慮集卡及輪胎式龍門起重機的最優數量。具體做法為：在每個堆場有1臺輪胎式龍門起重機的情況下，逐一為每個堆場增加1臺輪胎式龍門起重機，2臺輪胎式龍門起重機分別執行堆箱和取箱作業。在此基礎上，逐一增加集裝箱裝卸橋與集卡配置比例，尋求最佳的裝卸機械配置數量方案。模擬仿真實驗結果統計見表2，表3，圖6和圖7(圖中RTG表示輪胎式龍門起重機)。

表2 集裝箱裝卸橋實際運行效率模擬仿真結果 周期/h

表3 集裝箱裝卸橋等待集卡時間百分比模擬仿真結果 %

圖6 集裝箱裝卸橋實際運行效率模擬仿真結果示意圖

圖7 集裝箱裝卸橋等待集卡時間百分比仿真結果

從表2和表3中的數據可以看出，以3臺輪胎式龍門起重機為例，在集卡數量與集裝箱裝卸橋數目的比例由1∶4增加至1∶6時，集裝箱裝卸橋的實際運行速度逐漸增大到30.05周期/h，同時集卡的等待時間逐漸減少為1.6%。而后再增加集卡比例，此時集裝箱裝卸橋運行速度及集卡的等待時間雖然有小幅變化，但并不明顯。這種變化可理解為模型中的隨機因素起了作用，如集裝箱船的裝箱卸箱率等。因此，在有3臺輪胎式龍門起重機的情況下，選取集裝箱裝卸橋與集卡數量比為1∶6作為最優配置方案。用同樣的方法為4臺、5臺、6臺輪胎式龍門起重機進行機械配置優化選取，選取結果見表4。

表4 不同輪胎式龍門起重機優化配置方案及評價指標仿真結果

結合表4，圖6及圖7可以看出，由3臺輪胎式龍門起重機增加到4臺時，集裝箱裝卸橋的實際運行速度及集裝箱裝卸橋等待集卡時間百分比變化明顯，而由4臺輪胎式龍門起重機增加到5臺、6臺時，評價指標變化不明顯。這是因為此時的瓶頸已經不再是集卡以及輪胎式龍門起重機的數目，而是集裝箱裝卸橋的速度，所以單單增加輪胎式龍門起重機的數目已不能對系統進行優化。此時若想進一步優化整體裝卸速度，需要再次增加集裝箱裝卸橋的作業效率。因此，在集裝箱裝卸橋速度增加為40周期/h時，最優的裝卸機械配置方案為集裝箱裝卸橋與集卡比例為1∶6，輪胎式龍門起重機4臺。

4 結 語

在集裝箱裝卸橋效率提高的情況下，對集裝箱裝卸橋、集卡及輪胎式龍門起重機的優化配置問題進行模擬仿真實驗結果表明，只增加集裝箱裝卸橋的效率是不能提高整體集裝箱碼頭生產效率的，需要所有裝卸機械協同優化配置，并且在初始階段，隨著集卡及輪胎式龍門起重機數量配置的增加，集裝箱裝卸橋實際運行效率隨之增加，等待集卡時間百分比隨之減少，但是當配置的集卡及輪胎式龍門起重機達到一定數量后，再增加其數量對評價指標幾乎沒有影響。此外，通過Flexsim CT仿真軟件提供的3D可視化仿真可觀察各種配置方案下裝卸機械的實際運行效果(比如可實時跟蹤集裝箱裝卸橋的閑置狀況)。上述對集裝箱裝卸橋、集卡和輪胎式龍門起重機的最優優化配置的研究對集裝箱碼頭決策者而言具有一定的參考價值。

上述分析只考慮了集裝箱碼頭的裝卸船作業對裝卸機械進行優化配置的影響，沒有考慮其他集裝箱碼頭的實際作業，比如閘口的集疏運作業、堆場的翻箱倒箱作業等。今后的研究方向是全面考慮集裝箱碼頭各種作業對裝卸機械進行優化配置。

[1] 程燕玲，何世偉，黎浩東.裝卸企業機械設備租買決策模型與分析[J].鐵道貨運，2013(5):41-45.

[2] 董良才，黃力軍.裝卸機械設備技術經濟的論證方法[J].同濟大學學報：自然科學版，2001，29(9)：1126-1129.

[3] 王小變.中轉港口集裝箱堆場合理布局的模擬研究[J].水運管理，2011,33(11)：23-28.

[4] IFA Vis, MWP Savelsbergh. Minimum Vehicle Fleet Size Under Time-Window Constraints at a Container Terminal[J]. Transportation Science, 2005, 41: 249-260.

[5] 肖向東.集裝箱碼頭裝卸工藝設計中幾個問題的思考[J].水運工程，2003(7):15-17.

[6] 沙梅.集裝箱碼頭物流運營系統通用性建模與仿真[M].上海：上海交通大學出版社,2009.

[7] TSAI Yichang, AI Chengbo, WU Yiching, et al. Simulating Port Logistics Operations Using 3D Visualization Technology[C]. Proceeding of the International Conference on Computing in Civil and Building Engineering, 2010.

[8] Flexsim CT Simulation Software User Guide Version 3.0[M]. Flexsim Software, 2010.

2014年中國航海日論壇活動總體方案確定

由中國航海學會、交通運輸部水運科學研究院和日照市組成的“2014年中國航海日論壇組織委員會”主任會議最近在日照召開。組委會主任、中國航海學會理事長徐祖遠，組委會副主任、中國航海學會常務副理事長兼組委會秘書長劉功臣，交通運輸部水運科學研究院院長張寶晨，日照市副市長劉兆亮等領導出席了會議。會議研究確定了論壇組委會組成方案、工作機制以及論壇的組織工作原則和任務分工等事項，討論并原則通過了論壇總體組織方案以及主論壇、分論壇和配套展覽、宣傳等框架工作方案。徐祖遠主任在講話中指出，中國航海日論壇作為今年中國航海日活動的主體活動，要按照部黨組“主題突出、規模適當、內容豐富、節儉務實”的原則，力爭辦成策劃科學、主題突出、交流活躍、觀點鮮明、影響廣泛、風清氣正的論壇。同時，他希望組委會各有關方面通力合作，克服困難，抓好議定事項的工作銜接和落實。

StimulationofHandlingEquipmentConfigurationinContainerTerminal

GUOShujuan,HEFengyun,ZHAODan
(Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Under the condition of enhanced quay crane capacity, a simulation of configuration of quay cranes, trucks and rubber tyred gantry crane is conducted, and an optimal solution on equipment configuration is obtained. The results show that increasing quay crane capacity will not improve the productivity of the container terminal unless the configuration of handling equipment is optimized correspondingly. Besides, the simulation software Flexsim container terminal (Flexsim CT) provides 3D visualization of the operation flow of the container terminal.

traffic transport economics; container terminal; handling equipment configuration; simulation; Flexsim CT

2014-03-13

國家自然科學基金青年科學基金(71302085)；浙江省自然科學基金青年科學基金(LQ13G010011)；寧波大學科研基金(XKL11D2094)；浙江省教育廳科研項目(Y201327031)

郭姝娟(1983-)，女，遼寧營口人，講師，博士，主要從事物流優化及仿真研究。E-mail: guoshujuan@nbu.edu.cn.

1000-4653(2014)02-0097-05

F552；U691+.3

A