基于FlexSim的集裝箱碼頭鐵路裝卸線建模與仿真分析

1 日照港集裝箱發展有限公司 2 青島海西重機有限責任公司

1 引言

集裝箱貿易量不斷增長為集裝箱港口集疏運建設帶來新的挑戰，亟需有效的工具來評估港內鐵路裝卸線作業系統效率。由于系統的離散型和隨機性，資源的優化與配置難以用精確的數學模型來表達，比較適用于仿真方法來進行描述和優化。

現有的研究成果主要集中在港區外鐵路、鐵路裝卸線整體布局等。例如，對于港內鐵路裝卸線/場，劉學武等探討了確定鐵路集裝箱裝卸設施建設規模的主要條件和港內鐵路裝卸線的布置形式與集裝箱碼頭裝卸作業的關系[1]；王玥葳定性分析了鐵路進線布局對港內交通的影響，提出港外集結站方式為海鐵聯運的高效方式[2]；李達等通過多智能體仿真技術和微觀交通仿真技術構建鐵路裝卸線模型，模擬系統作業流程，其模型基于集裝箱碼頭整體，對鐵路線作業調度等方面進行了抽象[3]。

本文利用離散事件虛擬仿真軟件FlexSim對碼頭鐵路裝卸線進行仿真建模，對泊位、港內堆場、閘口等進行抽象處理，細化裝卸作業策略，通過某港集裝箱碼頭鐵路裝卸線系統運作實況，驗證模型的有效性，仿真得出作業系統的數據指標，為系統的資源優化配置提供決策支持。

2 集裝箱碼頭鐵路裝卸線

典型的集裝箱碼頭主要包括碼頭前沿作業區、堆場作業區、鐵路作業區三大作業區。鐵路裝卸線的布置應滿足港口總平面設計及工藝設計的要求，鐵路裝卸線宜布置在港口的后方，當碼頭陸域縱深不足時，可將鐵路裝卸線布置在港區以外專設的鐵路裝卸站或者集裝箱物流中心[4]。

船舶到港后，到港集裝箱通過碼頭前沿作業區的岸橋卸載至港內集卡上，港內集卡將集裝箱運送至鐵路裝卸區，由軌道吊裝車離港，或將集裝箱運送至堆場暫時堆存，再運送至鐵路作業區裝車疏港或由港外集卡疏港；對于出港集裝箱，列車到港后，由鐵路軌道吊卸載至港內集卡，集卡將集裝箱運送至堆場暫存，或直接運送至碼頭前沿作業區由岸橋完成裝船作業(見圖1)。船舶和列車到港、設備調度、集卡路線選擇、裝卸作業策略等各作業都存在隨機性，也需要通過信息交互實現協同作業。集裝箱碼頭鐵路裝卸線作業系統是由復雜隨機動態物流系統和道路交通系統組成，需要建立有效模型來描述鐵路裝卸線作業。

圖1 典型集裝箱碼頭布置示意圖

3 集裝箱碼頭鐵路裝卸線作業流程

建立仿真模型對碼頭前沿作業區和堆場作業區進行抽象化處理，只考慮鐵路作業區的裝車作業、卸車作業和水平運輸作業3個子系統。

3.1 裝車作業和卸車作業系統

列車到達鐵路裝卸線后，由鐵路軌道吊來完成集裝箱的裝車作業、卸車作業，其詳細流程見圖2。

圖2 列車裝卸作業流程圖

3.2 水平作業系統

水平作業系統的主要運輸工具為港內集卡，負責鐵路作業區與堆場作業區和碼頭前沿作業區間的集裝箱水平運輸，水平作業系統流程見圖3。

圖3 水平運輸作業流程圖

4 基于FlexSim的某港集裝箱碼頭鐵路線裝卸系統建模

FlexSim軟件是典型的離散虛擬現實仿真軟件，采用面向對象技術，突出3D顯示效果，可以有效地對離散型、隨機型系統進行仿真分析。利用FlexSim仿真軟件建立鐵路裝卸線系統仿真模型，可逼真地描繪系統，為系統的規劃設計或資源配置優化提供了有效的可視化手段。

4.1 模型假設

為便于系統建模與分析，做出下列假設：

(1)只考慮集裝箱碼頭鐵路裝卸線部分，對泊位、港內堆場、閘口等設施進行抽象處理。

(2)考慮實際情況，集裝箱分為20 ft和40 ft這2種箱型，不考慮特種箱的裝卸。

(3)軌道堆區為4列，最高可放3層，20 ft箱型較少，放在鐵道堆區離軌道最近的一列，40 ft箱型隨機放在其他3列。考慮實際情況，裝卸車時按照“Z”字型堆取策略取箱或放箱，可盡量減少軌道吊行走距離。

(4)當同時存在集卡裝卸任務和裝卸車任務時，軌道吊執行完當前任務后會優先執行集卡裝卸任務，集卡的服務原則為先到先服務。

4.2 FlexSim對象實體與實際設施的對應分析

依據對象控件的功能建立鐵路裝卸設施與FlexSim對象實體的映射(見表1)。

表1 鐵路裝卸線設施的實體映射對照表

4.3 建立仿真模型

根據以上分析，建立某港集裝箱碼頭鐵路線裝卸系統仿真模型見圖4。

圖4 仿真模型效果圖

5 仿真實驗過程及結果分析

5.1 約束輸入條件

針對某港集裝箱碼頭的實際作業現狀，本次實驗模型輸入參數如下：

(1)軌道吊單箱裝卸時間為三角分布(1.2 min、1.6 min、2 min)。

(2)進出口箱各占50%，40 ft箱型數量按照占總箱量的80%計算。

(3)列車長度為60節，120 TEU/車，軌道堆區長度約為800 m，軌道吊和港內集卡數量按照1∶3比例配置。

5.2 仿真結果與分析

分別在鐵路裝卸線上配置2、3、4臺軌道吊，形成3種軌道吊配置方案，運行仿真實驗20次，每次時間取1個月，統計列車平均裝卸時間、集卡平均等待時間和軌道吊平均利用率仿真數據見表2。從表2中數據可以看出，隨著軌道吊數量的增加，列車平均裝卸時間和集卡平均等待軌道吊時間均減少，鐵路裝卸線效率提高，但軌道吊利用率降低。仿真結果與鐵路線實際作業情況基本相符，該仿真模型可較真實地描述鐵路裝卸線系統，可運用此仿真方法進行軌道吊、火車和集卡的合理配置，使三者有機地協調，為實際的資源配置、裝卸工藝方案等提供參考。

表2 仿真結果

6 結語

在綜合集裝箱碼頭鐵路裝卸線仿真特點以及FlexSim離散系統仿真方法的基礎上，結合某港鐵路裝卸線實例建立了仿真模型，通過對比多種軌道吊方案的仿真結果，證明基于FlexSim仿真建模方法在集裝箱碼頭鐵路裝卸線系統中應用的可行性，該模型為鐵路裝卸線資源設施的配置規劃提供了一種切實可行的理論方法。