集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫設計與應用

馬向宇，周　強，萬　穎

（武漢理工大學　物流工程學院，湖北　武漢　430063）

?

集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫設計與應用

馬向宇，周強，萬穎

（武漢理工大學物流工程學院，湖北武漢430063）

為設計一套具有通用性的集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫，利用Jackson排隊網絡對碼頭元素組成、關聯關系、工藝流程和動態特性進行深入分析；以集卡為顧客，建立了面向集疏運卡車的開環和面向裝卸船卡車的閉環排隊網絡模型，并進一步構建了碼頭物流系統排隊網絡復合模型；采用E-R圖的形式展現服務中心和其他實體間的聯系，并以此為基礎，結合離散事件動態系統建模與仿真理論，設計仿真模塊庫；最后用工程實例驗證了模塊庫的便捷性和正確性。

集裝箱碼頭；物流系統；Jackson排隊網絡；仿真模塊庫

1　引言

集裝箱碼頭作為世界貨運的關鍵節點，如何合理地設計碼頭裝卸工藝［1］和平面布置［2］方案一直是國內外學者研究的重點。作為典型的離散事件動態系統，集裝箱碼頭包含了許多難以運用數學方法描述的作業環節，利用離散事件仿真研究碼頭物流系統顯得更加可行［3］。

傳統方式搭建碼頭模型要經過工藝方案分析、仿真元素建立等步驟。隨著船舶大型化的趨勢，碼頭也朝著大型化發展，這不僅增加了碼頭的復雜度，也提高了模型的搭建難度，降低了技術人員的工作效率。因此，設計一套可適用于不同碼頭模型搭建的模塊庫具有重要意義。

本文提出的集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫是基于被廣泛采用的工藝方案開發的，適合于絕大多數碼頭仿真模型的搭建。

2　集裝箱碼頭物流網絡研究和仿真應用現狀

2.1碼頭物流網絡研究現狀

排隊論在集裝箱碼頭中多應用于作業系統優化和設備配置。文獻［4］構建了碼頭排隊網絡節點配置模型，對是否有集裝箱進場分別進行研究，尋找橋吊、集卡和龍門吊最佳配比，項目對上海外高橋集裝箱碼頭設備配置作出指導。文獻［5］構建了泊位系統排隊論模型，利用Arena對其進行仿真，該系統主要解決泊位與岸橋的數量配置問題。在碼頭排隊模型方面，M/M/N排隊系統和Jackson排隊網絡應用較多，也有學者用M/G/N模型研究閘口。

2.2仿真技術在碼頭中的應用現狀

仿真技術主要用于研究碼頭工藝方案。鹿特丹港的仿真系統被用來研究減少船舶周轉時間的方法［6］。文獻［7］根據實際資料和統計數據，構建了仿真模型分析天津港集裝箱碼頭的系統瓶頸，為碼頭改擴建提供建議。文獻［8］利用Witness建立了仿真系統，研究了提高大窯灣集裝箱碼頭裝卸效率的方法。文獻［9］建立了上海洋山港仿真模型，研究了碼頭最優箱區布置形式。

2.3存在的問題

（1）排隊網絡的研究不夠細致，如碼頭吞吐量、堆場翻箱等問題研究不多，且系統指標直接通過理論計算得到。

（2）仿真模型開發周期長且往往只針對特定對象，個性較強。對象改變時必須重新搭建模型，需求響應慢。

（3）集裝箱碼頭作業流程復雜，對技術人員專業背景要求高。

2.4研究內容

利用排隊網絡對碼頭物流系統進行描述，分析其組成元素及關聯關系。運用仿真技術將組成元素抽象成模塊，將元素間關系抽象為模塊間邏輯，進而開發一套具有通用性的集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫。

3　集裝箱碼頭Jackson排隊網絡復合模型

集卡按生產任務在碼頭各功能區間的流動過程即碼頭內部物流網絡的運作過程，排隊網絡作為研究隨機服務系統的工具能對其進行較好的描述。由于我國集裝箱碼頭多采用岸橋—集卡—場橋的傳統工藝，碼頭的排隊網絡具有一定共性。

3.1碼頭排隊網絡的服務中心

碼頭排隊網絡包括閘口、堆場和泊位三個服務中心，不同服務中心間通過集卡的流動相互聯系。集卡分為滿載、空載兩類，它們在堆場接受的服務不同，在閘口進入的服務臺也有區別。

（1）閘口服務中心：M/M/C/S的排隊系統，顧客是外集卡，閘口通道為服務臺，其中有的服務臺只接受空車，另外的服務臺可服務兩類顧客。集卡按FCFS原則接受服務，服務時間相互獨立且為閘口放行車輛的時間。根據通道方向，將閘口分為進、出閘口服務中心兩類。

（2）堆場服務中心：M/M/C/S的排隊系統，顧客是集卡，堆場內各箱區的裝卸設備為服務臺。集卡按FCFS原則接受服務，服務時間相互獨立且為設備完成一次裝、卸車的時間。

（3）泊位服務中心：M/M/C/S或M/M/1/S的排隊系統，顧客是內集卡，岸橋為服務臺。內集卡按FCFS原則接受服務，服務時間相互獨立且為岸橋完成一次裝、卸車的時間。

從服務的對象集卡來看，碼頭排隊網絡分為集疏運開環排隊網絡和裝卸船閉環排隊網絡。

3.2集疏運開環排隊網絡

該系統是由進閘口、堆場以及出閘口三個服務時間相互獨立的多服務臺排隊系統串聯組成的多級排隊網絡，如圖1所示。

圖1　包含三個服務中心的集疏運Jackson開環排隊網絡

集運時，外集卡裝載出口箱經進閘口服務臺進入網絡后，在箱區接受卸車服務，再經出閘口服務臺離開網絡。疏運與之類似，不同的是進入網絡的是空載外集卡，在箱區接受裝車服務，最終滿載離開網絡。

綜上，外集卡進行集疏運的過程可近似看成具有三個服務中心的Jackson開環排隊網絡。

設外集卡以l的Possion流進入網絡，根據串聯排隊網絡特性知到達堆場和出閘口服務中心的集卡到達時間間隔均為1 l［10］。為完成集運（或疏運）活動，共需N到K輛外集卡，可得A的概率分布函數見式1。

設進閘口有c1個并聯服務臺，n1為平均服務速率，則顧客服務率m1=1 n1；堆場有c2個服務臺，服務時間服從均值為E（x）的指數分布，E（x）可由式（2）確定，式中Q2為設備平均裝卸能力，w為集卡平均載箱量，設備平均服務率m2=1 E（x）；出閘口有c3個并聯服務臺，n3為平均服務速率，則顧客服務率m3=1 n3。

3.3裝卸船閉環排隊網絡

該系統是由泊位和堆場兩個服務時間相互獨立的多（或單）服務臺排隊系統串聯組成的多級排隊網絡，如圖2所示。

圖2　包含兩個服務中心的裝卸船Jackson閉環排隊網絡

卸船時，內集卡駛離停車場在岸橋接受裝車服務后，在箱區接受卸車服務，再駛回前沿重復上述過程直至卸船完成。作為卸船的逆過程，裝船時內集卡在箱區裝車后，到達前沿卸車。整個過程內集卡只在兩個服務中心間移動不離開網絡。

綜上，內集卡進行裝卸船的過程可近似看成具有兩個服務中心的Jackson閉環排隊網絡。

參考上節堆場服務中心設備平均服務率的計算方法，可確定泊位服務中心的設備平均服務率等參數，此處不再贅述。

3.4碼頭物流系統Jackson排隊網絡復合模型

將堆場服務中心分為進、出口箱堆場服務中心，結合前兩節可構建碼頭Jackson排隊網絡復合模型。圖3中指向服務中心的多向箭頭表示集卡需要排隊進入。框1表示集運與裝船活動通過出口箱堆場相聯系。

圖3　碼頭物流系統的Jackson排隊網絡復合模型

復合模型實際上是三個在時間上有先后順序，空間上存在聯系的開、閉環多級排隊網絡構成的混合排隊系統。

Jackson排隊網絡的特性表征有以下兩點約定：（1）服務中心內部的服務臺互相平行；（2）每個服務中心緩沖區容量為無窮大［11］。但實際上，閘口的服務臺地位不平等；由于設備轉場等原因，堆場的服務臺數量可能會變化，上述原因導致了排隊網絡不能完全體現系統的復雜性和動態特性，可利用仿真技術對其進行研究。

基于碼頭排隊網絡的共性和仿真模型的個性，為基于排隊網絡的碼頭物流系統仿真模塊庫的設計提供了一條現實有效的思路。

4　集裝箱碼頭物流系統仿真模塊庫

4.1集裝箱碼頭物流系統概念模型

集卡的流轉體現了服務中心的聯系、接受的服務體現了服務中心的功能和屬性、進行的活動代表任務類型。采用E-R圖［12］的建模思想，將三個服務中心分別抽象成閘口、箱區以及泊位實體，將道路抽象成堆場路段和內集卡停車場實體，進而構建碼頭物流系統概念模型，如圖4所示。外集卡“進場”指的是進入閘口，駛向堆場；內集卡“出場”指的是離開堆場，駛向泊位。

圖4　集裝箱碼頭集疏運與裝卸船系統復合概念模型

集疏運系統概念模型的首尾端均為閘口實體，表示兩者為顧客會離開網絡的開環系統；裝卸船系統概念模型是圍繞內集卡停車場和泊位實體組成的環形網絡，是顧客始終在網絡內的閉環系統。

從離散事件動態系統建模與仿真的角度出發，根據實體功能和屬性將其抽象成仿真模塊，并添加為實現集卡按任務流動所需的輔助模塊。各模塊按實體的相互關系完成實體流和信息流的交互，共同組成碼頭物流系統仿真模塊庫。

4.2碼頭物流系統模塊劃分及功能說明

碼頭物流系統模塊可分為計劃類、流程類和功能類三類。計劃類包括船舶計劃模塊以及堆場計劃模塊；流程類包括集運流程模塊、泊位作業流程模塊以及疏運流程模塊；功能類包括箱區模塊、設備管理模塊、閘口模塊和路段模塊。模塊功能說明如下：

（1）船舶計劃模塊：負責船舶計劃的產生、分解和調度。參考碼頭作業流程等信息，從船舶計劃中分解出泊位作業計劃、疏運計劃等子計劃，并根據生產任務適時執行，完成計劃調度。

（2）堆場計劃模塊：根據堆場實際堆存和船舶計劃附帶的進、出口箱信息，為集裝箱安排箱位。若堆場空間不足，模塊把計劃暫時送入緩存區。

（3）集運流程模塊：參考集運計劃的出口箱數量信息和堆場計劃模塊分配的出口箱位置信息，利用模塊內置的外集卡實體完成集運活動。根據堆場堆存狀態，向泊位作業流程模塊傳遞箱位信息。

（4）泊位作業流程模塊：根據泊位占用情況控制船舶靠港或等待。根據泊位作業計劃的進口箱數量信息、堆場計劃模塊分配的進口箱位置信息以及集運模塊傳遞的箱位信息，模塊順序地完成卸船和裝船活動。根據進口箱堆場堆存狀態，向疏運流程模塊傳遞進口箱位置信息。

（5）疏運流程模塊：在客戶申請提箱后產生疏運計劃，參考泊位作業流程模塊傳遞的進口箱位置信息，利用模塊內置的外集卡實體完成疏運活動。

（6）設備管理模塊：根據箱區種類、裝卸的位置、設備數量和裝卸順序，為集卡安排合適的裝卸設備。當設備數量不足時，可控制設備轉場。

（7）閘口模塊：由若干條道路組成的外集卡進出碼頭的通道，集卡按最小排隊原則進入。模塊按均勻分布設置滯留時間，模擬閘口服務耗時。

（8）路網模塊：由多種類型路段模塊組成的承載集卡的道路。

（9）箱區模塊：由若干垛位組成的裝卸、儲存和轉運集裝箱的區域。其堆存狀態被堆場計劃模塊記錄，為碼頭生產組織和計劃執行提供依據。

（10）公共模塊：存放多個模塊共有的變量和實體。

（11）數據統計模塊：記錄各個模塊傳輸的數據。

4.3模塊關鍵技術實現

（1）模塊結構。模塊內部邏輯確定后將其封裝，設計輸入、輸出接口負責與外界交互。使用者可通過輸入接口改變模塊內部參數，提高模塊適用性。輸出接口與其他模塊的輸入接口連接，負責信息傳遞，如圖5所示。

圖5　模塊結構

模塊邏輯主體負責實體流和信息流的邏輯流轉、分配、再處理等過程，與輸出接口模塊相連接，將運輸工具或計劃輸入至特定接口。

（2）模塊連接。由概念模型知模塊的連接方式已基本確定，如閘口模塊必與路段模塊連接，故輸出接口已寫入模塊連接語句。但由于模型中同類型的模塊可能不止一個，故對連接的具體模塊需進一步確定。

在輸入接口中設計模塊編號參數，同種類型的模塊編號不同。使用者通過輸入接口寫入模塊自身的編號和與之連接的模塊編號以完成模塊連接，如圖6所示。

圖6　模塊編號與連接方式

（3）數據統計。由于模塊數量和統計指標不確定，在模塊的輸出接口專門設計了常用統計指標的數據傳輸通道，對統計模塊進行參數輸入后，由其內置程序對數據整理并逐條輸出成TXT格式的文件。如泊位作業流程模塊設計了泊位利用率指標，根據泊位數量改變統計模塊內部對應的參數，模型運行后可從TXT文件查看各個泊位的利用情況。

圖7　數據統計

4.4模塊使用說明

利用模塊搭建模型應按以下步驟進行：

（1）分析碼頭布局圖，確定閘口模塊、各類箱區模塊和泊位作業流程模塊的數量。它們分別與碼頭大門，進、出口箱箱區和泊位數量相等。

（2）確定集疏運和裝卸船集卡的行駛路線，選擇合適的路段模塊。

（3）定義剩余模塊。

（4）參考相關資料進行參數輸入。一部分參數如碼頭各部分尺寸、路網限制車速可從相關設計資料中獲得。另一部分參數如船舶到港時間需要從碼頭以往的運營數據中采集。

（5）模型可行性檢驗。主要指的是模塊連接的正確性檢驗以及仿真程序微調。

5　工程應用實例

以H港集裝箱碼頭工程為例，利用模塊庫搭建其仿真模型。碼頭擁有兩個泊位，均可容納三臺岸橋同時作業。岸線總長約678m，縱深約775m。重箱堆場裝卸工藝采用岸邊集裝箱起重機—集裝箱卡車—輪胎龍門起重機，空箱堆場采用空箱堆高機進行堆碼作業。輪胎式起重機16臺，空箱堆高機5臺。選取2個泊位作業流程模塊、8條出口箱箱區模塊和11條進口箱箱區模塊；根據堆場和干道布局特點選擇路段模塊；定義剩余模塊并完成參數輸入后即完成了模型的快速搭建。以H港為例，模塊化仿真模型如圖8所示。

圖8　H港模塊化仿真模型

在既定數據的工況下將仿真模型運行518 400min，即1年的時間，根據TXT文件整理的部分統計參數見表1。

表1　部分統計數據

除表中的指標外，路段車流量、設備利用率、外卡在閘口滯留時間等參數也可統計。改變碼頭工況，如改變船舶到達時間規律、設備效率的參數后6結論

重新進行仿真試驗，從TXT文件中挑選相應指標進行對比分析，可識別該碼頭的系統瓶頸。當對象改變時，只需改變模塊的數量和輸入參數即可快速完成新的模型搭建。

基于Jackson排隊理論，本文建立了面向集疏運卡車的開環和面向裝卸船卡車的閉環排隊網絡模型，并進一步構建了碼頭物流系統排隊網絡復合模型。通過對復合模型的分析，確定了碼頭的關鍵實體及其相互關系，結合離散事件動態系統建模與仿真理論，設計了碼頭物流系統仿真模塊庫。針對實際對象的模型搭建證明了模塊庫的便捷性和正確性，但隨著集裝箱運輸的發展，碼頭裝卸工藝也更加復雜，模塊庫需要細化并加入具有新功能的模塊以滿足需求。

［1］林浩，唐勤華.新型集裝箱自動化碼頭裝卸工藝方案探討［J］.水運工程，2011，（1）：158-163.

［2］Jian-xun Tang，Li-xin Tang.An Optimal Layout Design for Storage Yard of Container Terminal［A］.The 19th International Conference Industrial Engineering and Engineering Management［C］.2013.

［3］李麗.集裝箱碼頭物流系統仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學，2004.

［4］楊靜蕾.Jackson網絡在集裝箱碼頭物流優化中的應用研究［J］.物流技術，2007，26（1）：50-53.

［5］倪曉暢.基于排隊論的集裝箱碼頭泊位與岸橋聯合配置仿真［D］.天津：天津大學，2012.

［6］Ottjes J A，Hengst S，Tutuarima W H.A Simulation Model Of A Sailing Container Terminal Service In The Port Of Rotterdam［Z］.2001.

［7］彭旺明.基于eM-Plant的天津港集裝箱碼頭物流系統建模與仿真［D］.武漢：武漢理工大學，2004.

［8］馬龍飛.大窯灣集裝箱碼頭物流系統優化與仿真［D］.沈陽：沈陽大學，2015.

［9］沙梅，周鑫，秦天保，等.集裝箱碼頭堆場布局優化與仿真研究［J］.工業工程與管理，2013，18（2）：24-30.

［10］何選森.隨機過程與排隊論［M］.長沙：湖南大學出版社，2010.

［11］鄭大鐘，趙千川.離散事件動態系統［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［12］王勇.復雜仿真系統概念模型建立與評估方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

Design and Application of Simulation Module Library in Container Terminal Logistics Systems

Ma Xiangyu，Zhou Qiang，Wan Ying
（School of Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

In this paper， in order to design a set of universal- purpose simulation module library for the container terminal logistics systems， we used the Jackson queuing network to analyze in- depth the composition， association， technical process and dynamiccharacteristics of the terminal elements； then with the container truck as the customer， we established the corresponding closed-loop queuingnetwork model and further established the terminal logistics system composite queuing network model； next we represented the connectionbetween the service center and other entities in the form of an E-R chart and on such basis， designed the simulation module library； and at theend， we demonstrated the ease and correctness of the library through an engineering case.

container terminal； logistics system； Jackson queuing network； simulation module library

U695.22

A

1005-152X（2016）08-0074-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.020

2016-07-02

馬向宇（1991-），男，安徽蚌埠人，武漢理工大學在讀碩士研究生，研究方向：港口物流系統建模與分析。