集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性仿真分析

王文龍 周 強 吳志福 田 宇

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

系統(tǒng)彈性研究是現(xiàn)階段復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的難點問題之一.各學(xué)者對系統(tǒng)彈性概念的闡述、測度指標(biāo)以及形式化描述方法的確定存在許多的爭議.Holling[1]被認(rèn)為是最早提出系統(tǒng)彈性的一般概念的人，其定義系統(tǒng)彈性是可以吸收和容納未來事件中意外事件的一種能力.AndersonS[2]認(rèn)為彈性是系統(tǒng)應(yīng)對積極或消極影響的恢復(fù)能力和柔性的綜合體現(xiàn).Chri等[3]認(rèn)為彈性是受到意外干擾中斷后，恢復(fù)到原來或者更理想狀態(tài)的能力.耿亮等[4]認(rèn)為彈性是系統(tǒng)面對不確定風(fēng)險時，吸收擾動能力、自適應(yīng)力和恢復(fù)力等綜合能力的體現(xiàn).Woods[5]通過對其他文獻的總結(jié)，針對彈性的不同用途將其定義為四個基本概念：受創(chuàng)反彈并恢復(fù)平衡的反彈力、與魯棒性類似的韌性力、與脆性相反的擴展性以及最終希望達到的隨外界條件變化的持續(xù)適應(yīng)能力.然而目前為止，對于系統(tǒng)彈性的研究主要集中在供應(yīng)鏈、計算機學(xué)、軍事運籌學(xué)等領(lǐng)域，在物流系統(tǒng)彈性的研究上沒有成熟的研究成果，而集裝箱碼頭物流系統(tǒng)作為典型的物流系統(tǒng)之一，對其的彈性研究也十分罕見.

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，集裝箱碼頭外部條件及內(nèi)部環(huán)境也愈加復(fù)雜，系統(tǒng)容易被內(nèi)、外部環(huán)境的不確定性所影響，干擾系統(tǒng)的正常運作甚至對系統(tǒng)本身造成危害.為了分析和建立自身性能優(yōu)良、抗干擾能力強的集裝箱碼頭，文中通過對集裝箱碼頭進行系統(tǒng)的分析，結(jié)合碼頭的實際情況，提出集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的概念，分析給出合理的測度指標(biāo)，探討合理的集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性仿真試驗方法，實現(xiàn)集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性的定量研究，為建立性能優(yōu)良、抗干擾能力強的集裝箱碼頭提供理論指導(dǎo).

1 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的彈性基礎(chǔ)

1.1 碼頭物流系統(tǒng)彈性的不確定因素分析

在復(fù)雜系統(tǒng)研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者通常認(rèn)為系統(tǒng)彈性是復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)對不確定因素的主要特性.系統(tǒng)彈性的影響因素分為靜態(tài)影響因素與動態(tài)影響因素兩大類別[6-7].

1) 靜態(tài)影響因素 系統(tǒng)彈性的靜態(tài)影響因素，主要指碼頭的規(guī)模、平面布局、基礎(chǔ)設(shè)施配置等.在集裝箱碼頭內(nèi)部，碼頭進出口大門、堆場的占地以及路網(wǎng)的安排，這些都是系統(tǒng)規(guī)模的范疇.顯然，在同等的吞吐量下，規(guī)模越大的集裝箱碼頭，其抵抗意外干擾的能力就越強.而集裝箱碼頭在投產(chǎn)建成后，其平面布局也基本確定，此時系統(tǒng)的規(guī)模就很難產(chǎn)生較大變化.相較之下，碼頭的設(shè)備配置則靈活的多.系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備配置數(shù)量或型號發(fā)生改變，其作業(yè)能力相應(yīng)產(chǎn)生變化，系統(tǒng)彈性也會隨之變化.顯而易見，對于同一碼頭，適當(dāng)增加設(shè)備配置的數(shù)量或者選用更高效的機械設(shè)備，碼頭應(yīng)對不確定干擾影響的能力會增強.但在工程實際中，系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備配置需要綜合考慮碼頭的運營規(guī)模、生產(chǎn)效率、運營成本等因素，而不單單只考慮系統(tǒng)彈性的優(yōu)劣.

2) 動態(tài)影響因素 除了靜態(tài)影響因素外，彈性還與系統(tǒng)的作業(yè)方式、作業(yè)狀態(tài)等動態(tài)因素有關(guān).碼頭的堆存策略、堆存期以及不同穩(wěn)態(tài)水平等都會對系統(tǒng)彈性產(chǎn)生影響.而在日常運營中，尤以系統(tǒng)的忙閑層度對系統(tǒng)彈性的影響最大.當(dāng)系統(tǒng)處于“淡季”——低負荷穩(wěn)態(tài)水平時，系統(tǒng)的輸入輸出水平(進出口集裝箱量)、設(shè)備利用率都處在較低的水平，此時系統(tǒng)遭受意外干擾，系統(tǒng)本身的運輸能力還有較大的“余地”，系統(tǒng)可以通過運用空閑設(shè)備來應(yīng)對意外干擾造成的影響；而當(dāng)系統(tǒng)處于高負荷穩(wěn)態(tài)水平時，系統(tǒng)的輸入輸出水平、設(shè)備利用率已然達到較高的水準(zhǔn)，即使是短期內(nèi)的意外干擾作用，系統(tǒng)也可能難以承受.因此，本文將不同堆存策略、堆存期以及穩(wěn)態(tài)水平等因素稱為系統(tǒng)彈性的動態(tài)影響因素.

1.2 系統(tǒng)彈性的定義與性質(zhì)

本文結(jié)合經(jīng)典力學(xué)彈性以及彈性在其他學(xué)科的定義，深入分析集裝箱碼頭自身相關(guān)特點，對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性作如下定義：在一定穩(wěn)態(tài)水平下，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)遭受外部干擾偏離初始正常穩(wěn)態(tài)水平，而在外部干擾消失后通過內(nèi)部調(diào)節(jié)逐漸恢復(fù)到初始穩(wěn)態(tài)水平的能力.

基于上述集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的影響因素分析及概念定義，總結(jié)系統(tǒng)彈性具有如下性質(zhì)：

1) 穩(wěn)態(tài)性，彈性是相對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)變化的一種屬性，與經(jīng)典力學(xué)的彈性不同，集裝箱碼頭的彈性不僅與系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與外部的環(huán)境有關(guān).外部環(huán)境的改變(例如同一碼頭運輸量的變化)對碼頭系統(tǒng)彈性具有較大影響.

2) 彈性是系統(tǒng)在應(yīng)對意外干擾時所體現(xiàn)出的性能.換言之，系統(tǒng)在正常運作狀態(tài)下，系統(tǒng)彈性無法體現(xiàn)其作用，也就無法判斷系統(tǒng)彈性的強弱.

3) 彈性在系統(tǒng)對抗意外干擾時的作用是循序漸漸的，存在既定的過程.即系統(tǒng)在遭受意外干擾作用時，必然要經(jīng)歷一系列階段歷程，各階段會循序漸進，不會相互越級，也不會憑空消失.

4) 系統(tǒng)彈性的體現(xiàn)與意外干擾有關(guān)，干擾要使系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)水平，但卻不足以使系統(tǒng)崩潰.若在外部沖擊下集裝箱碼頭仍能保持作業(yè)穩(wěn)態(tài)，表明意外干擾作用較小或是系統(tǒng)本身較強，并不能反映該集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的優(yōu)劣；若集裝箱碼頭在意外干擾作用下完全崩潰而無法恢復(fù)，討論其彈性能力也就沒有意義了.

5) 系統(tǒng)彈性是對自身能力的體現(xiàn)，不單單指“彈力”.螞蟻力氣比人小，但螞蟻能舉起超出自身很多倍的重物.碼頭物流系統(tǒng)彈性亦是如此，其衡量標(biāo)準(zhǔn)是自身，即大碼頭的彈性不是一定強于小碼頭.

1.3 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的形式化描述

1.3.1彈性過程解析

彈性過程是指集裝箱碼頭在意外干擾下先偏離穩(wěn)態(tài)而后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的所經(jīng)歷的整個過程.這個過程一般包含多個階段.Abdullah等[8]將彈性過程解析為抵抗和反應(yīng)兩個階段；嚴(yán)曉芳等[9]將按系統(tǒng)功能的狀態(tài)將系統(tǒng)彈性階段分為正常工作、部分功能喪失、主要功能喪失和系統(tǒng)功能恢復(fù)四個階段；崔瓊等[10]將彈性過程分為吸收階段、自適應(yīng)階段及恢復(fù)階段.綜合各專家學(xué)者在不同領(lǐng)域?qū)τ趶椥赃^程的劃分，并結(jié)合集裝箱碼頭自身特點，筆者將其彈性過程分為抵抗階段、穩(wěn)定階段以及恢復(fù)階段.碼頭系統(tǒng)彈性過程見圖1.

圖1 彈性過程示意圖

1) 在(t0，ta)期間，系統(tǒng)正處于初始作業(yè)穩(wěn)態(tài).

2) 從ta時刻起，系統(tǒng)狀態(tài)開始變化，并持續(xù)遠離初始狀態(tài)，表明系統(tǒng)從ta時刻遭受到意外干擾的沖擊.在(ta，tb)期間，系統(tǒng)正處于抵抗階段.

3) 在(tb，tm)期間，系統(tǒng)在抵抗外來沖擊的情況下，達到了新的穩(wěn)定狀態(tài).對于集裝箱碼頭而言，在實際情況中，這一穩(wěn)態(tài)的歷經(jīng)時間經(jīng)常為零(即tb點與tm重合).

4) 從tm時刻起，系統(tǒng)開始進入恢復(fù)階段.在意外干擾沖擊作用消除后，系統(tǒng)通過一系列策略手段進行自我調(diào)整，逐步消除意外干擾作用的影響，恢復(fù)到初始作業(yè)穩(wěn)態(tài).

對于集裝箱碼頭而言，由于穩(wěn)定階段的歷經(jīng)時間經(jīng)常為零，通常將穩(wěn)定階段并入到抵抗階段分析，因而可從抵抗能力與恢復(fù)能力兩個部分對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性進行分析.將系統(tǒng)處于抵抗階段和新的穩(wěn)定階段的時間定義為系統(tǒng)的頑抗時間te，即te=(tm-tb)+(tb-ta)=tm-ta.在同樣的初始狀態(tài)Ma和抵抗?fàn)顟B(tài)Mb下，te越大，表明系統(tǒng)能夠抵抗意外干擾的時間越長，即系統(tǒng)的抗干擾性越強，則系統(tǒng)彈性越強.定義指標(biāo)時間抵抗比率σa→m：

(1)

將系統(tǒng)處在恢復(fù)階段的時間定義為恢復(fù)時間th，即th=ts-tm.在同樣的初始狀態(tài)和抵抗?fàn)顟B(tài)下，th越小，表明系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間越少，效率越高，即系統(tǒng)的恢復(fù)性能越強，則系統(tǒng)彈性越強.定義指標(biāo)時間恢復(fù)比率σm→s為

(2)

為了使指標(biāo)能夠保持一致性，即通過定義的數(shù)學(xué)公式使得“σa→m越大，系統(tǒng)抵抗性能越強”，“σm→s越大，系統(tǒng)恢復(fù)性能越強”，定義指標(biāo)：

R1=eσa→m，R2=e-σm→s

(3)

1.3.2系統(tǒng)狀態(tài)空間

集裝箱碼頭系統(tǒng)的狀態(tài)變化是系統(tǒng)彈性產(chǎn)生作用的體現(xiàn)，就集裝箱碼頭而言，其系統(tǒng)狀態(tài)可以通過碼頭主要設(shè)備的利用率來體現(xiàn).結(jié)合1.3.1對彈性過程的解析，構(gòu)建碼頭系統(tǒng)的狀態(tài)空間，借助向量范數(shù)理論描述系統(tǒng)的狀態(tài)變化.綜合考慮，選取倉庫占用率R、泊位(岸橋)利用率F、場橋利用率V構(gòu)建三維歐氏空間.系統(tǒng)在ta，tm，ts時刻的狀態(tài)向量為

(4)

通過系統(tǒng)在ta，tm，ts時刻的狀態(tài)向量，計算系統(tǒng)狀態(tài)的變化率.定義頑抗階段的系統(tǒng)狀態(tài)變化率為ωa→m，定義恢復(fù)階段的系統(tǒng)狀態(tài)變化率為ωm→s.系統(tǒng)狀態(tài)變化率計算為

(5)

(6)

在同樣的初始狀態(tài)和意外干擾下，ωa→m越小，表明系統(tǒng)的抵抗能力越強.同理，在同樣的初始狀態(tài)抵抗?fàn)顟B(tài)下，ωm→s越大，系統(tǒng)的恢復(fù)能力越強，定義指標(biāo)：

R3=e-ωa→m，R4=eωm→s

(7)

定義系統(tǒng)彈性為k,該彈性為抵抗階段和恢復(fù)階段體現(xiàn)的彈性之和，為

k=R1×R3+R2×R4=eσa→m-ωa→m+eωm→s-σm→s

(8)

2 集裝箱碼頭主要活動流程分析

由1.3可知，系統(tǒng)彈性作用在干擾開始直到系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)這一系列過程，然而實際情況中，碼頭對外在干擾無法準(zhǔn)確把握，對系統(tǒng)彈性測度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)也無法統(tǒng)計，因而通過仿真的手段模擬整個流程，獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù).

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)是典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)[11]，其基本特征是系統(tǒng)狀態(tài)演化由事件驅(qū)動.通過對集裝箱碼頭主要的事件活動進行說明，建立相關(guān)的概念模型和仿真模型.下面對集裝箱碼頭集箱活動、卸船活動、裝船活動以及提箱活動四個主要活動模塊之間的流轉(zhuǎn)關(guān)系進行說明.

2.1 集箱活動

碼頭收到船舶近期計劃后，如果船舶有出口箱，則碼頭需要為出口箱預(yù)留場地用于集箱，用于出口的重箱一般在船舶到港前四天開始，船舶到港前一天截止，由外集卡運送.集箱活動各模塊間邏輯關(guān)系見圖2.

圖2 集箱活動模塊間邏輯關(guān)系

2.2 卸船活動

船舶靠岸后，進行卸船活動.卸船活動各模塊間邏輯關(guān)系見圖3.

圖3 卸船活動模塊間邏輯關(guān)系

2.3 裝船活動

卸船結(jié)束后，輸出參數(shù)，驅(qū)動裝船工序開始工作，裝船活動各模塊邏輯關(guān)系見圖4.

圖4 裝船活動模塊間邏輯關(guān)系

2.4 提箱活動

卸船工作完成，當(dāng)收貨人要求進口集裝箱整箱提運時，集裝箱輸運模塊開始運作，運輸工作由外集卡完成.提箱活動各模塊間邏輯關(guān)系見圖5.

圖5 提箱活動模塊間邏輯關(guān)系

3 基于彈性測度的集裝箱碼頭仿真研究

3.1 仿真案例

彈性只在系統(tǒng)遭受外部沖擊并偏離正常作業(yè)狀態(tài)才能表現(xiàn)出來，在實際運營中很難進行測度，而采用仿真手段可以完美解決此類問題.由于集裝箱碼頭系統(tǒng)是典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)，故采用離散事件仿真軟件witness對集裝箱碼頭系統(tǒng)進行建模分析.

以某臨海港集裝箱碼頭為實際案例進行仿真建模.碼頭重箱堆場裝卸工藝采用岸邊集裝箱起重機—集裝箱拖掛車——輪胎龍門起重機，并采用空箱堆高機對空箱堆場進行堆碼作業(yè).模型的基本參數(shù)如下：

選取碼頭兩個泊位進行仿真建模，單泊位可同時容納三臺岸橋.碼頭布置八臺輪胎式龍門起重機和九臺空箱堆高機.碼頭采用綜合式大門，有7條進大門方向的車道，10條出大門方向的車道.模型的基本數(shù)據(jù)如下：

1) 船舶計劃 該碼頭的年吞吐量約為45萬TEU，根據(jù)1年時間推算，得出船舶計劃到達的時間間隔，并擬合為Tnormal分布.

2) 集裝箱載類型 在45萬集裝箱中，TEU占40%,FEU占60.

3) 堆場容量 出口重箱堆場箱區(qū)64個，單箱區(qū)最大容量160 TEU；進口重箱堆場箱區(qū)64個，單箱區(qū)最大容量120 TEU；空箱堆場箱區(qū)27個，單箱區(qū)最大容量120 TEU.

4) 輪胎場橋 卸箱60 s/次，裝箱70 s/次，根據(jù)翻倒箱.

5) 集卡參數(shù) 主干道30 km/h，其余干道15 km/h；前沿和箱區(qū)內(nèi)15 km/h.集卡的裝箱量分為單FEU、雙FEU和單TEU三種情況.

6) 岸橋平均作業(yè)效率 卸箱：120 s/次，裝箱120 s/次，每臺岸橋配置五輛內(nèi)集卡.

7) 碼頭大門服務(wù)時間 進閘口負載車輛驗證時間為0.6+NegExp(0.5)、空載車輛驗證時間為0.4+NegExp(0.1)；出閘口負載車輛驗證時間為0.5+NegExp(0.5)、空載車輛驗證時間為0.3+NegExp(0.2).

按照實際布局情況進行建模，并根據(jù)實地調(diào)研結(jié)果設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，完成后的仿真模型見圖6.

圖6 某臨海港集裝箱碼頭仿真模型圖

3.2 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

1) 試驗設(shè)計 結(jié)合上文所提集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的概念定義及測度指標(biāo)，以沿海碼頭常見自然災(zāi)害——臺風(fēng)作為碼頭的外部干擾，設(shè)計碼頭系統(tǒng)彈性仿真試驗思路如下：臺風(fēng)到達前48 h，碼頭集疏運與裝卸船工作均正常進行，禁止船舶靠泊；臺風(fēng)到達前36 h，碼頭集疏運工作正常進行，裝卸船任務(wù)停止；到達前12 h，系統(tǒng)輸入停止，碼頭進行防臺工作；臺風(fēng)過境2～3 h后，碼頭集疏運、裝卸船工作均恢復(fù)正常，隨后逐漸形成作業(yè)高峰，最后恢復(fù)初始作業(yè)狀態(tài).在碼頭其他條件不變的情況下，分別設(shè)定集裝箱碼頭的船舶到達時間符合均值為9，12，15 h的截斷正態(tài)分布，仿真上述過程，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù).

2) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)時，需要實時考察集裝箱碼頭的堆場總箱量，即堆場占用率，分別統(tǒng)計集裝箱物流碼頭受到外部干擾后恢復(fù)到初始狀態(tài)所需要的時間、統(tǒng)計岸橋(泊位)利用率以及場橋利用率.從而完成集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性的測度.每組方案均試驗9次，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1～3.

以Tnormal(12,4,10,14,1)分布的船舶計劃為例，該方案的單次統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1.

改變船舶計劃到達函數(shù)的隨機數(shù)流，重復(fù)該實驗八次.

以Tnormal(9,4,7,11,1)分布的船舶計劃為例，該方案的單次統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2.

改變船舶計劃到達函數(shù)的隨機數(shù)流，重復(fù)該實驗八次.

表1 船舶到達間隔均值為12 h試驗參數(shù)統(tǒng)計表

表2 船舶到達間隔均值為9 h試驗參數(shù)統(tǒng)計表

以Tnormal(15,4,13,17,1)分布的船舶計劃為例，該方案的單次統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3.

表3 船舶到達間隔均值為15 h試驗參數(shù)統(tǒng)計表

改變船舶計劃到達函數(shù)的隨機數(shù)流，重復(fù)該實驗八次.

綜合上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出在不同試驗條件下，各方案的時間抵抗比率σa→m，時間恢復(fù)比率σm→s，系統(tǒng)狀態(tài)變化率ωa→m和系統(tǒng)狀態(tài)變化率為ωm→s，結(jié)合所提出的系統(tǒng)彈性計算公式，進而得出集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性k的值，將數(shù)據(jù)匯總至見表4.

由表4可知，當(dāng)集裝箱碼頭的船舶到達時間符合均值為15的截斷正態(tài)分布時，系統(tǒng)彈性k=1.460；當(dāng)集裝箱碼頭的船舶到達時間符合均值為12的截斷正態(tài)分布時，系統(tǒng)彈性k=1.940；當(dāng)集裝箱碼頭的船舶到達時間符合均值為9的截斷正態(tài)分布時，系統(tǒng)彈性k=2.163.由上表數(shù)據(jù)可知，在不改變碼頭內(nèi)部系統(tǒng)配置的情況下，以船舶到達時間間隔作為彈性仿真試驗的變化因子，所得結(jié)果誤差均在統(tǒng)計學(xué)允許的范疇內(nèi)，符合集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性的基本性質(zhì)，也進一步驗證了該彈性仿真試驗方法及測度指標(biāo)的科學(xué)性與可行性.

表4 試驗數(shù)據(jù)匯總表

4 結(jié) 束 語

基于對集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性的不確定性因素分析，結(jié)合彈性在物理學(xué)、供應(yīng)鏈學(xué)等其他領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀以及碼頭內(nèi)部的實際情況，對集裝箱碼頭系統(tǒng)彈性的概念進行闡述，并深入探討其影響因素及形式化描述方法，從定性及定量兩個層面對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性進行研究.以某臨港集裝箱碼頭為研究案例，采用系統(tǒng)仿真技術(shù)，構(gòu)建其概念模型及仿真模型，并設(shè)計系統(tǒng)彈性仿真試驗，實現(xiàn)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的定量測度.主要研究成果如下：①通過實際案例的仿真試驗證實了系統(tǒng)彈性形式化描述方法的科學(xué)性和可行性.②將系統(tǒng)彈性測量和仿真建模相結(jié)合，提出了有效的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性仿真試驗方法.③通過對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)彈性的形式化描述，為碼頭應(yīng)對不確定干擾的管理水平提供有力的參考和幫助.