改進型出口集裝箱堆場堆存方案設計與仿真

陳振宇 馬淑梅

【摘 要】 為提升港口企業集裝箱堆場精益化管理水平，分析普通型港口出口集裝箱堆場的作業流程及缺點，制訂提高出口集裝箱堆場堆存作業效率和外來集裝箱卡車進港均衡性的優化原則，提出改進型出口集裝箱堆場堆存方案。通過Plant Simulation仿真軟件建立堆場堆存方案模型，對不同堆存方案、預約箱比例的仿真結果表明，改進型堆存方案在提高出口集裝箱堆場整體作業效率、作業均衡性等方面具有一定優勢。

【關鍵詞】 集裝箱堆場;堆存方案;Plant Simulation;集卡預約;建模仿真

0 引 言

擁有高效的大型集裝箱船裝卸作業能力對集裝箱港口來說非常重要。國內許多集裝箱港口的生產作業效率仍無法完全滿足貨物裝卸實際需求。造成這個現象的主要原因，除了碼頭設計容量、機械設備等硬件因素外，集裝箱堆場堆存方案較為粗放也是制約碼頭作業效率的重要因素。

與進口集裝箱相比較，出口集裝箱的堆場放箱和提箱經歷時間跨度大、進箱隨機性強，所以其合理安排箱位的難度也更高。本文以出口集裝箱堆場堆存方案為研究對象，結合我國集裝箱堆場管理現狀，通過建模仿真對不同堆場堆存方案進行比較研究，構建港口堆場堆存與集卡預約協同優化模型[1]，為港口集裝箱堆場管理模式升級提供新方法、新思路。

1 普通型出口集裝箱堆場堆存方案

1.1 普通型出口集裝箱堆存基本作業流程

出口集裝箱在堆場堆存主要分為集港作業和裝船作業兩個部分。

（1）出口集裝箱集港作業。在集裝箱船靠泊前，港口外集裝箱卡車（以下簡稱“外集卡”）陸續進港將出口集裝箱運輸至集裝箱堆場的指定貝位，場橋進行堆垛。在放箱目標位的選擇時，港口管理方按照出口集裝箱的目的港遠近不同，將目的港較遠的放在目的港較近的上方（即“遠壓近”）的原則分配堆存箱位;按照出口集裝箱的質量等級不同，將按照質量等級較重的放在質量等級較輕的上方（即“重壓輕”）的原則分配堆存箱位。

（2）出口集裝箱裝船作業。船舶靠泊后，場橋將出口集裝箱從箱區堆垛箱位裝卸至港口內集裝箱卡車（以下簡稱“內集卡”），再由內集卡轉運至岸橋處進行裝船。在裝船目標箱的選擇時，港口管理方按照預配船圖順序，組織內集卡進行轉運裝船。若目標箱需翻箱，則放至同貝位其他箱位;若同貝位其他箱位皆堆滿，則堆放至下個相鄰貝位最近箱位。

1.2 普通型出口集裝箱堆存方案問題分析

（1）由于集港作業遵循“遠壓近，重壓輕”的原則，出口集裝箱區各箱位的頂層集裝箱往往是目的港較遠、較重的箱子，這壓縮了后續進港出口集裝箱的可選箱位空間，易造成分配貝位尚未堆滿，進箱已經無合適箱位可以堆放的困境。此時，若使用新的空箱位進行堆存，將占用堆場更多堆存空間，降低了箱區利用率;若隨意在分配貝位中進行堆放，則必然導致后續裝船作業時需要翻箱。

（2）在箱區將不同目的港和質量等級的出口集裝箱混放，不僅會增加港口方的管理難度和調度成本，還會降低堆場堆存與船舶配載情況匹配度，導致堆場翻箱率較高，或會使得出口集裝箱裝船順序、堆存位置與預配船圖不一致。

（3）未采用出口集裝箱預約模式，集港外集卡時間隨機性很大。進港高峰時段易造成港口進場道口、出場道口、緩沖箱區和外部道路車流擁堵。

2 改進型出口集裝箱堆場堆存方案設計

2.1 集港作業堆存方案設計

定義以下堆場堆存方案設計相關參數：

Q為船舶計劃出口集裝箱數量; P為分類集裝箱數量; R為所占用出口集裝箱堆場箱位數量; k為出口集裝箱箱區利用率;L為集裝箱尺寸，l為集裝箱尺寸分類數量;M為集裝箱目的港，m為集裝箱目的港分類數量;N為集裝箱質量等級，n為集裝箱質量等級分類數量;b為集裝箱貝位;r為集裝箱排數;h為集裝箱層高。集港作業時，外集卡預約出口集裝箱進箱時間段，預約平臺合理設置時間間隔，有效減少進港作業的不均衡性。按照計劃裝船集裝箱的3項屬性信息（尺寸、目的港、質量等級）分類，得出集裝箱數量表達式，見式（1）。

式中：P（L，M，N）為按尺寸、目的港、質量等級分類箱量，L∈（1，l），M∈

本文以箱位為分配單元，3項屬性信息相同的集裝箱在同箱位進行堆放，屬性信息不同的集裝箱可以同貝位、不同箱位進行堆放。集裝箱堆場的堆存方式采用堆5過6，箱位最高層高為5。已知各類集裝箱數量和層高，可得各類集裝箱堆存的所需箱位數，將其依次相加，即為出口集裝箱堆場占用箱位所需的總分配區域面積，見式（2）。

出口集裝箱箱區堆場的利用率計算公式為

通過分析式（1）～式（3）可知，Q越大，則S越大。在當前集裝箱船大型化的背景下，改進型堆存方案作業可有效地發揮其優勢。改進型出口集裝箱集港作業程序流程見圖1。

當外集卡攜箱進場后，將貝位b、排數r都賦值為1。判斷進港集裝箱與頂層集裝箱的3個屬性值是否一致：若一致，則將此箱區設置為目標箱位，場橋進行放箱作業;若不一致，則繼續搜尋下一排位置。判斷搜尋箱位的排數r、層高h數值，當r≠10且h≠5，則將此箱區設置為目標箱位，場橋進行放箱作業;當r=10或h=5，則繼續搜尋下一排位置，直至確定目標箱位。當h=0，場橋進行放箱作業。

2.2 裝船作業堆存方案設計

定義以下堆場堆存方案設計相關參數：J為裝船作業優先級;Z為當前箱位的集裝箱裝船作業優先級。本文將集裝箱的尺寸、目的港、質量等級3項屬性各分為3類，在裝船作業時，尺寸短、目的港距離遠、質量等級高的集裝箱優先裝船，放置于尺寸長、目的港距離近、質量等級低的集裝箱下層，以便后續靠泊港的裝卸作業，增加船舶整體穩定性。出口集裝箱裝船作業堆存方案見表1。

集裝箱尺寸L、目的港M、質量等級N三者的乘積為作業優先級J值。

集裝箱的尺寸、目的港、質量等級的值越大，其作業優先級越高。按照表1，出口集裝箱的裝船作業順序由作業優先級決定，作業優先級高的先裝船作業。改進型出口集裝箱裝船作業程序流程見圖2。

當內集卡進場裝船作業時，作業優先級J（L，M，N）由高到低依次裝船，將貝位b、排數r都賦值為1。當b<20且r<10，比較當前箱位優先級J（L，M，N）與Z大小。若Z

3 基于Plant Simulation的出口 集裝箱堆場堆存方案建模

運用Plant Simulation軟件構建堆場堆存仿真模型。為了真實反映實際生產特點，將仿真系統根據功能劃分成4大模塊，各模塊功能和Method對象作用見表2。

3.1 初始定義模塊

初始定義模塊實現了仿真系統的初始化設置，在仿真模型開始運行時被激活調用。該模塊包含4個Method對象，主要有以下6個功能：

（1）出口集裝箱堆場的平面布局;

（2）出口集裝箱屬性信息的設置;

（3）箱位層高標識;

（4）作業機械運行參數的設置;

（5）外集卡進箱時間概率分布;

（6）系統重置。

3.2 作業控制模塊

作業控制模塊實現了普通型和改進型堆存方案的流程控制。該模塊包含4個Method對象，主要有以下5個功能：

（1）出口集裝箱集港的作業控制;

（2）出口集裝箱裝船的作業控制;

（3）場橋的運行控制;

（4）內集卡、外集卡目標貝位的對位;

（5）預約出口集裝箱的比例設置。

預約箱比例設置：通過Method對象對模型的出口預約箱數量實現任意比例的設置。當預約箱比例變化時，集港外集卡時間規律也將自動更新，集裝箱不同箱型生成仍保留隨機性，保證了與現實港口作業過程的一致性。紅線傳感器設置：按照出口集裝箱區布局結構，在內集卡、外集卡和場橋運行的車道上等間距地設置紅線傳感器。當內集卡、外集卡和場橋經過任意箱區貝位，都會觸發紅線傳感器，實現了對運輸機械和集裝箱位置的精確控制。場橋和小車運行控制：根據作業指令，完成場橋箱區行駛和目標箱吊起、堆放的控制。

3.3 設備驅動模塊

設備驅動模塊根據堆存模型設備運行的參數和設定條件，觸發仿真過程的輸出事件。在集港進箱作業數量達到設定閾值上限值后，切換至裝船作業。該模塊包含2個Method對象，主要有以下3個功能：

（1）進箱外集卡到達箱區;

（2）裝船內集卡到達箱區;

（3）作業階段的切換。

3.4 記錄和統計模塊

記錄和統計模塊通過輸入表文件和預設全局變量的方式，對模型運行作業數據進行跟蹤、記錄和統計。在堆場模型運行時，可調用作業任務表和集裝箱位置信息等數據。

4 仿真分析

4.1 模型作業條件假設

天氣環境、外集卡進港時間、船舶開靠周期、船舶裝卸集裝箱箱量等外部條件因素會對作業造成影響;港口的不同裝卸工藝、堆場結構布局等內部條件因素會對裝卸流程產生影響。本文依據集裝箱堆場的普遍運行工況和規律，作出以下假設。

（1）集裝箱堆場裝卸工藝系統選用岸吊――集卡――輪胎式龍門吊工藝系統[2]，集裝箱進場裝卸遵守“先到先服務”原則（FIFO）。

（2）在船舶到港前，已知到港時間及將要裝載的集裝箱尺寸、目的港、質量等級等屬性信息。

（3）預約集裝箱集卡按照規定時間進港，無駕駛或道路原因造成的晚點情況，進港放箱和提箱的時間間隔具有均勻性。非預約集裝箱集卡的時間間隔具有不確定性，進港順序無法事先確定。

（4）集裝箱港口采用進場閘口與出場閘口分別位于堆場兩側的布局方式。外集卡知曉場內道路布局，在作業完成后迅速離港。

4.2 非預約出口集裝箱集港時間分布曲線擬合

非預約出口集裝箱的集港時間隨機性較大。本文以上海港某碼頭靠泊的集裝箱班輪為例，收集和分析了3個航次的出口集裝箱外集卡數量。將各時間段的出口集裝箱數量分別取均值，擬合集港時間的分布曲線。各時段外集卡出口集裝箱進港放箱數量匯總見表3。

出口集裝箱集港與時間序號/段關系見圖4。

運用MATLAB軟件對外集卡集港時間分布曲線進行擬合，求得非預約情況的出口集裝箱集港與時間序列的多項式方程。

4.3 改進型堆存方案對出口集裝箱作業效率的影響

運用Plant Simulation軟件分別對普通型和改進型出口集裝箱堆存方案下的堆場作業流程進行仿真。

集港集卡分布離散程度通過樣本方差來描述。樣本方差是總體各單位變量值與其算術平均數的離差平方的平均數，具體表達式為

式中：2為指樣本方差，2值越大，表示該模型下外集卡集港時均衡性越低; xi為時間變量，在集港作業仿真時，記錄每輛外集卡進港時間，并計算出各相鄰外集卡進港的時間間隔;? 為時間樣本均值，指外集卡進港時間間隔的均值;?n為總體例數。

分別對普通型堆存方案模型和改進型堆存方案模型進行仿真。通過樣本方差2分析預約箱比例與集港外集卡進港均衡性間的關系，通過箱區利用率分析不同堆存方案下的箱區空間占用情況。集港外集卡不同堆存方案、預約箱比例的數據比較見表4。

從表4可得，普通型堆存方案樣本方差2 數值高，其作業均衡性較差，箱區利用率較低;而改進型堆存方案樣本方差2數值與預約比例正相關，其作業均衡性較強，箱區利用率較高。在集港作業中，普通型堆存方案采用“遠壓近，重壓輕”原則，所以較多5層高的箱位未能堆滿;采用改進型堆存方案可有效提高集裝箱堆場的作業均衡性，實現精細化分類堆放，有效提高出口集裝箱區利用率。

5 結 語

改進型出口集裝箱堆場堆存方案是以集港作業、裝船作業為核心，結合集裝箱分類、集卡預約等物流信息，運用Plant Simulation仿真軟件建模，實現出口集裝箱堆存方案的優化。改進型出口集裝箱堆場堆存模型的運用有利于港口提升堆場的作業效率和箱區利用率，增加外集卡進港作業均衡性，降低集裝箱翻箱率。

參考文獻：

[1] 徐好天.集裝箱碼頭外部集卡預約與場橋資源配置協同優化[D]. 大連：大連海事大學，2019：2-43.

[2] 鐘慧玲，歐仙群，張冠湘，等.隨機集港的出口集裝箱堆存策略設計與仿真[J]. 上海海事大學學報，2012（1）：26-31.