面向堆場網(wǎng)格化的件雜貨碼頭生產(chǎn)物流仿真模型研究

鄭麗+楊巖

摘 要：件雜貨碼頭生產(chǎn)物流中不確定性因素非常多，是一個復(fù)雜系統(tǒng)。碼頭通過能力的準確分析一直是一個工程技術(shù)難題。本文深入分析了件雜貨碼頭生產(chǎn)物流的復(fù)雜性特征，提出網(wǎng)格化堆場的管理策略，運用系統(tǒng)仿真技術(shù)建立了件雜貨碼頭仿真模型，并結(jié)合碼頭實際案例進行了仿真研究，得出了有工程價值的結(jié)論，為件雜貨碼頭的規(guī)劃設(shè)計和運營管理提供了合適的分析方法。

關(guān)鍵詞：堆場；件雜貨碼頭；網(wǎng)格化；建模與仿真

中圖分類號：U693 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）03-0060-03

作為運輸系統(tǒng)中的節(jié)點之一的件雜貨碼頭，近幾年件雜貨吞吐量一直持續(xù)增長。為滿足件雜貨運輸需求，我國持續(xù)投資建設(shè)件雜貨碼頭。然而件雜貨碼頭因其生產(chǎn)物流復(fù)雜等特征，一直面臨堆場利用率不高、裝卸作業(yè)效率低、管理信息化水平不高的問題。如何做好科學(xué)的件雜貨碼頭的規(guī)劃與設(shè)計，實現(xiàn)件雜貨碼頭的高效運營就成為亟待解決的難題。本文通過建模分析與仿真工具，旨在為件雜貨碼頭的建設(shè)與運營決策提出技術(shù)支持、可操作的策略建議。

1 件雜貨碼頭生產(chǎn)物流的復(fù)雜性特征

1.1 集疏運作業(yè)難以確定化

因件雜貨碼頭中，不同貨類、船舶、汽車進出港時刻及在港時間不確定，這使得集疏運作業(yè)狀態(tài)變化隨機，難以確定。集疏運作業(yè)的隨機性驅(qū)動著碼頭系統(tǒng)的動態(tài)過程。因此集疏運作業(yè)中的時間參數(shù)、作業(yè)屬性等變量，表現(xiàn)為多樣化和不確定性。具體表現(xiàn)如下：

（1）貨物種類多樣化：貨物涉及到各種日常和工業(yè)用品，規(guī)格不一、種類繁多，堆垛要求不同。根據(jù)各個貨場的位置、面積及承重要求，及貨類比例、堆場容量等因素制定固定貨類及貨量的固定堆存和隨機堆存方案，以盡可能保證貨場堆存的規(guī)范性。

（2）貨物性質(zhì)差異化：貨物物理和化學(xué)等性質(zhì)及包裝形式如裸裝或包裝差異大。件雜貨如其外形、比重及銹蝕性、易熔、易腐、吸濕等性質(zhì)不同。因其性質(zhì)差異大，使得堆存作業(yè)難以統(tǒng)一標準化。

1.2 堆場作業(yè)隨機粗放化

堆場是對件雜貨進行裝卸和堆存的主要區(qū)域，影響碼頭生產(chǎn)作業(yè)能力的關(guān)鍵因素很多。其中包括堆場的疏運能力和儲運能力。在貨場貨物通常有兩種儲存策略：隨機堆存和固定堆存。堆放或存放不同貨類，需考慮不同貨主要求、貨類自身特點、還有貨物堆存期等諸多因素。上述兩種策略雖然也有其各自優(yōu)勢，但兩者不足之處也顯而易見，就是垛位劃分粗放，做不到精細化管理，使得堆場利用率一直不高，加上多個貨場內(nèi)分散堆放著件雜貨碼頭的貨物，不集中、不連續(xù)、隨機粗放的堆放，還會引起轉(zhuǎn)場作業(yè)，使得裝卸作業(yè)出現(xiàn)中斷停頓。

1.3 裝卸作業(yè)離散動態(tài)化

件雜貨碼頭裝卸作業(yè)涉及多種集疏運方式，而運輸工具到港時間具有隨機性和離散性，考慮裝卸機械設(shè)施和用工屬具的不同，裝卸作業(yè)要適應(yīng)多樣化貨物的動態(tài)需求，會出現(xiàn)作業(yè)不連續(xù)，導(dǎo)致該作業(yè)效率不高。

2 件雜貨碼頭堆場垛位網(wǎng)格化描述

2.1 網(wǎng)格化管理

網(wǎng)格化管理是一種代化管理思想，借用計算機網(wǎng)格管理，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將管理對象基于特定的標準分成網(wǎng)格單元，建立協(xié)調(diào)機制，通過各單元網(wǎng)格的信息互動，共享組織資源，旨在實現(xiàn)資源整合，提高管理效率。本文依照網(wǎng)格化管理思想，將件雜貨碼頭每個垛位或成組貨物抽象為管理單元。

2.2 網(wǎng)格化過程

本文中的堆場網(wǎng)格化就是將件雜貨碼頭各堆場各貨場，依照貨物種類，客戶不同、及裝卸設(shè)備等標準細分為連續(xù)的、一定容量的小矩形網(wǎng)格 （圖1）。網(wǎng)格的大小與堆場面積、貨量、貨物規(guī)格及堆場設(shè)備大小有關(guān)。顯然，網(wǎng)格越小對堆場描述越精細。在件雜貨碼頭的堆場里，貨物的存放通常根據(jù)貨物品種和客戶不同分開堆放。堆場垛位網(wǎng)格化示意圖如下圖1：

示意圖1解釋：堆場劃分通常遵照場地布局及貨物種類進行劃分為場地A、場地B等，A、B、C等大寫字母代表件雜貨種類如鐵礦石、鋼材、水泥、化肥等，字母后面的數(shù)字代表大類中的小類如鋼材中的鋼板或鋼卷。按貨物固定客戶、隨機客戶和預(yù)留客戶進行排號編碼，按目的地進行行號編碼，將各場地如A2劃分成如3-1、3-2這樣的存儲單元。

2.3 網(wǎng)格化建模參數(shù)定義

（1）場地進行統(tǒng)一編碼，建立件雜貨種類編碼代號及場地面積S統(tǒng)計表。

（2）行號為i（i=1，2……），排號為j（j=1，2……），輪胎起重機工作通道寬度為m。

（3）單元網(wǎng)格面積s=S/（i-1）*m*j 。

（4）網(wǎng)格忙閑狀態(tài)分別用1和0表示，表示垛位是否占用用變量xij表示。

（5）單元網(wǎng)格數(shù)目n=i*j，行號和排號越大，單元網(wǎng)格數(shù)目越多，意為堆場資源調(diào)度越精細化。

3 面向堆場網(wǎng)格化的件雜貨碼頭生產(chǎn)物流仿真模型

3.1 仿真總層次模型

根據(jù)件雜貨碼頭物流系統(tǒng)的實際構(gòu)架來確定層次結(jié)構(gòu)并定義子系統(tǒng)以及作業(yè)之間的所屬關(guān)系。構(gòu)建的件雜貨碼頭的物流系統(tǒng)層次模型如圖2所示。此模型是件雜貨生產(chǎn)物流系統(tǒng)的通用模型，適用性廣，可推廣拓展應(yīng)用到所有件雜貨碼頭生產(chǎn)物流系統(tǒng)的建模與仿真分析。為了便于建模，系統(tǒng)按功能不同細化為四個子系統(tǒng)：集疏運作業(yè)系統(tǒng)、堆場作業(yè)系統(tǒng)、裝卸作業(yè)系統(tǒng)、信息統(tǒng)計系統(tǒng)。

3.2 集疏運作業(yè)模塊

基于件雜貨碼頭的信息管理系統(tǒng)中的各貨類到港間隔時間進行統(tǒng)計分析，找出不同貨類的船舶或火車等到港的間隔時間規(guī)律，具體包括計劃管理、船舶管理、汽車管理、進出港時間等。

3.3 堆場作業(yè)模塊

依照堆場網(wǎng)格化原理，根據(jù)集疏運作業(yè)模塊中呈現(xiàn)出的規(guī)律，為不同貨類分配堆存空間，同時判斷垛位貨格的忙閑狀態(tài)、貨物進出場的條件，并實時地將數(shù)據(jù)輸出到信息統(tǒng)計模塊。

3.4 裝卸作業(yè)模塊

裝卸作業(yè)包括碼頭前沿裝卸船作業(yè)、碼頭前沿與貨場間水平運輸作業(yè)、堆場的裝卸作業(yè)。其中，門座式起重機主要完成碼頭的前沿裝卸船作業(yè)，有時候船機和叉車也會參與其輔助作業(yè)；拖車主要完成碼頭前沿與堆場間的水平運輸作業(yè)；而堆場的裝卸作業(yè)主要由輪胎吊完成。有時叉車也可參與碼頭前沿與堆場間的運輸作業(yè)及堆場的裝卸作業(yè)。衡量港口碼頭服務(wù)質(zhì)量的核心標志是裝卸效率的高低。因此裝卸機械的性能參數(shù)、數(shù)目配置及其資源調(diào)度至關(guān)重要。

3.5 信息統(tǒng)計模塊

該模塊主要統(tǒng)計各裝卸機械的作業(yè)時間、船舶等待時間、堆場占用率、船舶在港時間、港口貨物吞吐量等，并通過統(tǒng)計圖表方式顯示出來。

4 仿真模型應(yīng)用

4.1 總仿真模型

秦皇島港雜貨碼頭仿真模型的主要有集疏運作業(yè)系統(tǒng)中的出入口、十字路口模塊，火車、汽車運輸、船舶到港離港模塊，堆場作業(yè)模塊；裝卸作業(yè)系統(tǒng)有泊位、船舶、流動機械、門座起重機等子模塊；及信息統(tǒng)計系統(tǒng)模塊。其中堆場作業(yè)系統(tǒng)通過特種函數(shù)執(zhí)行優(yōu)化算法來安排各類貨物的堆放場地。具體仿真模型截圖如下圖3所示：

4.2 網(wǎng)格化堆場模型

基于上文堆場網(wǎng)格化描述，建立其網(wǎng)格化模型。結(jié)合堆場按照貨物大類的編碼規(guī)則，垛位網(wǎng)格單元的劃分，通過智能搜索函數(shù)，依次對件雜貨碼頭堆場的網(wǎng)格進行掃描，記錄網(wǎng)格單元的堆存量、網(wǎng)格空閑、忙碌狀態(tài)等信息。同時計算出空閑的堆場網(wǎng)格數(shù)目及空閑區(qū)域總?cè)萘浚鶕?jù)船舶、汽車入港的卸貨工作計劃即將進堆場的貨物量，來確定預(yù)堆存區(qū)，選定最合適的堆存區(qū)，并將這些網(wǎng)格單元狀態(tài)參數(shù)賦值為 1（即為占用狀態(tài)）。等網(wǎng)格內(nèi)貨物運出實現(xiàn)清貨時，其狀態(tài)就發(fā)生改變，標記為0，可為下一次即將到來的貨物所調(diào)用。仿真模型如圖4所示。

4.3 試驗數(shù)據(jù)與分析

基于所建模型，按照不同的作業(yè)情況組合，進行變量輸入，參數(shù)賦值。經(jīng)過多次仿真試驗，得到試驗數(shù)據(jù)。通過實例秦皇島港口數(shù)據(jù)調(diào)研及仿真輸出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，試驗工況有船舶到港平均時間間隔為7.5、6、5小時三種情況，特殊情況的極限作業(yè)如船舶到港間隔時間為4小時。本文選取船舶到港時間間隔為5小時為例，堆存期分別為8到16天試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

仿真試驗結(jié)果顯示，各工況進行比較，當船舶到港平均間隔時間為5小時，就會導(dǎo)致船舶等待時間明顯增加，而年吞吐量也實現(xiàn)預(yù)期增長，達到1700萬噸，泊位平均利用率提高到55-62%。而對裝載機的需求平均在8-11臺，高峰達到23-25臺；對裝卸搬運車輛（叉車、輪胎吊等）的需求平均在16臺以上，高峰接近55臺左右。網(wǎng)格化堆場模型試驗結(jié)果顯示，采用精細網(wǎng)格化堆場管理策略后，和原始的固定堆存或隨機粗放策略相比，堆場利用率顯著提高。

5 研究結(jié)論

長久以來，件雜貨碼頭一直面對貨源種類復(fù)雜，包裝形式多樣化，規(guī)格不統(tǒng)一；裝卸作業(yè)效率低，難以標準化；堆場利用率難以突破等難題。本文基于網(wǎng)格化理論，通過運用其隨機作業(yè)過程中的不確定規(guī)劃、資源調(diào)度、建模仿真等方法，對件雜貨碼頭這一離散的、動態(tài)的、復(fù)雜的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行研究。以秦皇島港件雜貨碼頭為實例進行不同工況的仿真試驗，試驗結(jié)果表明：面向網(wǎng)格化堆場的件雜貨碼頭，有助于其堆場利用率的提升；科學(xué)調(diào)度裝卸設(shè)施資源，有利于其裝卸效率的提高。

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