考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站動態(tài)調度仿真分析*

張 凱 武 彬 張 煜 尹 星

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300450 2武漢理工大學交通與物流學院 武漢 430063 3武漢理工大學韶關研究院 韶關 512000

0 引言

近年來，國際貿易量逐年增加，一些大型港口為提高集裝箱吞吐量，開始建設作業(yè)效率更高、人工成本更低的自動化集裝箱碼頭。在自動化集裝箱碼頭裝卸及水平運輸作業(yè)過程中，碼頭鎖站是保障集裝箱運輸效率的重要環(huán)節(jié)，也是影響自動化碼頭作業(yè)效率的關鍵設備。高效合理的鎖站調度方法對提高碼頭水平運輸效率和綜合運營水平有著至關重要的作用。

目前，研究人員針對自動化碼頭設備管理及整體布局方面做了大量研究，宓為建等[1]提出一種帶梭車的自動化集裝箱碼頭，并對傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)和新型有梭車系統(tǒng)的作業(yè)性能進行仿真分析，研究表明使用梭車可降低卸船作業(yè)能耗，減少翻箱次數(shù)，提高碼頭作業(yè)效率；劉廣紅等[2]對10種自動化碼頭總體布局模式進行了綜合分析，為自動化碼頭的布局設計提供參考；張連鋼等[3]對自動化碼頭的平面布局進行研究，根據(jù)碼頭吞吐量和作業(yè)要求確定碼頭前沿作業(yè)區(qū)、AGV運行區(qū)的區(qū)域劃分及設備配置，為自動化集裝箱碼頭的設計和建設提供參照方案。

除此之外，國內外許多學者針對集裝箱港口水平運輸設備的調度和配置進行了深入研究。陳歡等[4]運用離散事件建模方法，通過AnyLogic軟件建立了集裝箱堆場仿真調度模型，設計了基于貪婪算法的場橋調度算法；沙梅[5]運用離散事件系統(tǒng)仿真方法對集裝箱碼頭的新型工藝系統(tǒng)進行模擬，通過專家評價、合理性檢驗等手段，驗證了該碼頭工藝的合理性；Zhang Q L等[6]構建了帶雙緩沖區(qū)的起重機、ASC和AGV碼頭協(xié)同調度模型，結果表明帶緩沖區(qū)的碼頭模型可使AGV的平均等待時間較傳統(tǒng)碼頭減少4%，為自動化集裝箱碼頭建設提供了借鑒。

現(xiàn)有文獻對自動化集裝箱碼頭作業(yè)設備的研究多集中于輪胎式集裝箱起重機、AGV的作業(yè)流程和調度計劃等方面，而缺少對碼頭鎖站調度策略的研究。傳統(tǒng)的集裝箱碼頭仍采取鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調度策略，該策略會導致鎖站及緩沖區(qū)利用率較低、鎖站作業(yè)區(qū)域容易出現(xiàn)擁堵問題，嚴重影響港口作業(yè)效率。隨著碼頭集裝箱吞吐量的增加，傳統(tǒng)鎖站調度方法嚴重制約碼頭水平運輸效率。因此，為解決碼頭解掛鎖作業(yè)區(qū)域的擁堵問題，提高港區(qū)水平運輸效率，本文結合一種新型水平輸送車輛（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART），設計了一種考慮ART前后置緩沖區(qū)的地面鎖站動態(tài)調度方法。

本文在分析自動化集裝箱碼頭鎖站解掛鎖工藝流程的基礎上，應用AnyLogic軟件構建考慮前后緩沖區(qū)的鎖站動態(tài)調度模型，通過對比鎖站傳統(tǒng)調度方案與動態(tài)調度方案的輸出結果，為決策者提供參考。

1 問題描述

1.1 鎖站作業(yè)流程

如圖1所示，自動化集裝箱碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)主要由ART地面鎖站、前置緩沖區(qū)(QPB)和后置緩沖區(qū)(HPB)等組成。在該系統(tǒng)中，地面鎖站位于艙蓋區(qū)下方，4個可移動解鎖島組成一座鎖站，可用于一輛ART進行解掛鎖作業(yè)。前緩沖區(qū)用于ART在進鎖站之前調整裝船順序或等待空閑鎖站，ART解掛鎖作業(yè)完成后在后緩沖區(qū)調整裝船次序。鎖站作業(yè)流程為：ART裝載集裝箱前往對應鎖站的前緩沖區(qū)等待，待鎖站空閑時，ART進入鎖站完成解鎖/掛鎖作業(yè)，隨后進入后緩沖區(qū)排隊前往堆場前沿指定裝卸點。

1.2 鎖站調度策略

針對自動化集裝箱碼頭的鎖站調度策略研究較少，鎖站傳統(tǒng)調度策略是鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調度，即假設船舶左舷靠泊，橋下的交通流向為船尾進船頭出，解鎖站從左到右依次為1號、2號、3號，2號解鎖站的QPB位于1號鎖站的下方，3號解鎖站的QPB位于2號的下方，1號解鎖站的QPB位于ART進入1號解鎖站之前的道路上。

由于這種鎖站與緩沖區(qū)一對一的策略易使ART擁堵，不利于提高碼頭作業(yè)效率，為了提高自動化港口的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益，應設計一種新的鎖站調度策略，實現(xiàn)鎖站與緩沖區(qū)的靈活匹配。

2 地面鎖站動態(tài)調度仿真

考慮前后緩沖區(qū)的岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)是一個典型的離散事件物流系統(tǒng)[7]，AnyLogic仿真軟件[8]是一款應用廣泛的、對離散事件系統(tǒng)及混合系統(tǒng)建模和仿真的工具。本文應用AnyLogic軟件構建自動化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，設計鎖站與緩沖區(qū)多對多的動態(tài)調度策略，與鎖站、緩沖區(qū)進行一對一靜態(tài)調度策略對比。在輸入基本參數(shù)一定的條件下，分析不同緩沖區(qū)及鎖站調度策略對碼頭作業(yè)的影響。

自動化碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)流程復雜，為降低仿真模型的復雜度，重點分析不同鎖站調度策略對碼頭作業(yè)的影響，對鎖站各設備實體及作業(yè)流程進行合理簡化。分析考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)各要素特點及作業(yè)流程，選擇表1所示系統(tǒng)主要仿真單元，建立圖2所示仿真模型，仿真流程見圖3。

圖3 仿真流程圖

表1 仿真模型采用的主要仿真單元

1）裝卸船仿真 岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）采用Source模塊生成待處理集裝箱，待處理集裝箱產(chǎn)生后使用模塊Seize獲取岸橋資源，隨后采用資源池ResourcePool模塊對岸橋資源屬性進行控制。采用延遲模塊 Delay 模擬岸橋裝卸船作業(yè)過程，岸橋單次作業(yè)時間分布根據(jù)歷史作業(yè)數(shù)據(jù)確定。

2）鎖站選擇策略仿真 采用函數(shù)Function單元編寫鎖站調度策略，函數(shù)返回值為鎖站及緩沖區(qū)序號。在鎖站及緩沖區(qū)靜態(tài)調度策略中，鎖站與緩沖區(qū)（Queue）一一對應，ART分配鎖站后即前往鎖站對應前緩沖區(qū)等待（Delay），遵循先到先服務（FCFS）原則。在鎖站動態(tài)調度策略中，鎖站與緩沖區(qū)解耦，對ART進行2輪調度，第1輪中根據(jù)緩沖區(qū)隊列長度選擇隊列最短的緩沖區(qū)分配給當前ART；第2輪根據(jù)鎖站作業(yè)狀態(tài)動態(tài)變化情況選擇鎖站。

3）ART作業(yè)仿真 采用MoveTo模塊控制ART運動，ART在到達緩沖區(qū)前調用函數(shù)Function1（選擇排隊數(shù)量雖少的前緩沖區(qū)）分配前緩沖區(qū)，到達前緩沖區(qū)（Queue）后在出口調用Function2（選擇最早空閑的鎖站）分配鎖站，根據(jù)函數(shù)返回值前往對應鎖站進行解鎖作業(yè)，解鎖過程采用延遲Delay模塊進行模擬。

3 實驗與分析

3.1 參數(shù)設置

在對自動化碼頭岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)及其設備配置與相關參數(shù)分析的基礎上，設計了考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)模型，模型輸入?yún)?shù)包括岸線長度等系統(tǒng)配置相關參數(shù)及主要設備運行參數(shù)，系統(tǒng)主要設備參數(shù)如表2所示。

表2 主要設備參數(shù)

以1艘10萬t船舶作業(yè)為例，仿真時長為3 h。為分析不同鎖站調度策略對自動化碼頭鎖站系統(tǒng)性能的影響，設計仿真輸出參數(shù)包括系統(tǒng)作業(yè)效率、鎖站及ART利用率、緩沖區(qū)排隊長度及單個作業(yè)平均用時。

仿真系統(tǒng)顯示鎖站系統(tǒng)作業(yè)流暢，能反應碼頭鎖站系統(tǒng)作業(yè)動態(tài)過程，作業(yè)到達時間分布及單次解鎖作業(yè)時間與實際作業(yè)情況大致相符，檢驗分析表明所建模型滿足鎖站系統(tǒng)仿真邏輯及參數(shù)，可供后續(xù)不同調度方案的仿真分析。

3.2 仿真實驗分析

為了對比分析自動化碼頭鎖站系統(tǒng)不同調度方案對系統(tǒng)作業(yè)性能的影響，設計2組方案：方案A為鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調度策略；方案B為鎖站與緩沖區(qū)多對多的動態(tài)調度策略。在方案B中，根據(jù)鎖站及緩沖區(qū)實時作業(yè)情況對鎖站進行動態(tài)調度，動態(tài)調度具體流程如圖4所示。根據(jù)當前各緩沖區(qū)排隊情況，將排隊長度最小的前緩沖區(qū)分配給當前ART，ART到達緩沖區(qū)后選擇最早空閑的鎖站進行解鎖作業(yè)，實現(xiàn)緩沖區(qū)與鎖站的解耦。

圖4 動態(tài)調度流程圖

設置仿真時長為3 h，運行仿真模型的實驗結果如表3所示。其中，單次作業(yè)用時為集裝箱解鎖完成離開系統(tǒng)時間與進入鎖站系統(tǒng)時間的差值。由表3可知，動態(tài)調度策略下的系統(tǒng)性能指標均優(yōu)于傳統(tǒng)調度策略，每小時作業(yè)效率提高約9.7%，單次作業(yè)平均用時降低約22.9%，提高了鎖站系統(tǒng)的作業(yè)能力。

表3 策略對比實驗結果

在相同參數(shù)及設備配置條件下，2種策略的鎖站及ART利用率如圖5所示。當鎖站及ART數(shù)量相同時，動態(tài)調度策略下鎖站利用率提高約11.9%，ART利用率提高約12.4%。系統(tǒng)穩(wěn)定后動態(tài)調度策略下鎖站利用率維持在90%以上，ART利用率維持在60%以上，實現(xiàn)港口設備的充分利用，從而提高鎖站系統(tǒng)的作業(yè)效率。

圖5 設備利用率性能指標

進一步分析2種調度策略對緩沖區(qū)排隊情況的影響，結果如圖6所示。從圖中可知，在傳統(tǒng)調度策略下的各緩沖區(qū)負載差別較大，單個緩沖區(qū)前期排隊ART多會一直持續(xù)到作業(yè)結束，而其他緩沖區(qū)ART較少，導致鎖站利用率不平衡，ART等待時間過長。而動態(tài)調度策略下各緩沖區(qū)的排隊長度較傳統(tǒng)調度策略更加均衡，平均排隊長度不超過3輛ART，系統(tǒng)根據(jù)設備實時作業(yè)情況進行動態(tài)調度，減輕鎖站作業(yè)區(qū)域的局部擁堵情況，均衡各緩沖區(qū)負載，從而降低單個作業(yè)平均處理時間。

圖6 緩沖區(qū)排隊長度性能指標

4 結論

本文在對自動化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)流程分析的基礎上，提出了鎖站與緩沖區(qū)解耦的動態(tài)調度策略，并利用Anylogic構建了鎖站系統(tǒng)仿真模型，分別采用傳統(tǒng)調度策略與動態(tài)調度策略對其進行了仿真分析。實驗表明：1）在相同設備配置及參數(shù)條件下，動態(tài)調度策略較傳統(tǒng)調度策略鎖站及ART利用率更高，從而提高鎖站系統(tǒng)的整體作業(yè)效率；2）動態(tài)調度策略能夠明顯縮短單個作業(yè)平均用時，減少ART在系統(tǒng)中的逗留時間；3）動態(tài)調度策略能夠根據(jù)設備實時作業(yè)情況進行調度，各緩沖區(qū)排隊長度更加均衡，從而減輕作業(yè)區(qū)域局部擁堵情況。