金鑫，丁以中

（上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院，上海 200135）

0 引言

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)集裝箱碼頭作業(yè)工藝進(jìn)行的研究很多，從很多方面對(duì)集裝箱碼頭的作業(yè)流程進(jìn)行了探討，為實(shí)際港口的運(yùn)作提供了很多理論依據(jù)。魏恒州（2005）[1]介紹韓國集裝箱碼頭的裝卸工藝模式，港口規(guī)模的確定及碼頭通過能力的計(jì)算方式，并提出了韓國港口的裝卸配比方案；計(jì)三有，周瑞（2007）[2]以萬州港江南集裝箱碼頭工程為依托，通過構(gòu)建一個(gè)閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用MATLAB仿真技術(shù)來描述集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)輸出指標(biāo)的分析，計(jì)算得出了江南集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的最優(yōu)配比；Lu Chen等（2007）[3]以完成集裝箱裝卸時(shí)間或者一組船舶裝卸花費(fèi)的總時(shí)間最小化為目標(biāo)提出了一個(gè)綜合模型，并使用禁忌搜索算法給出了一個(gè)集裝箱碼頭的設(shè)備配置；Pietro Canonaco等（2007）[4]通過排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，然后通過仿真，對(duì)所有泊位的岸邊起重機(jī)評(píng)估，優(yōu)化管理集裝箱裝卸資源；Li B，Li WF，Zhang Y（2009）[5]通過分析集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的裝卸作業(yè)，介紹了資源調(diào)度思想的運(yùn)作體系，利用基于多代理和數(shù)據(jù)挖掘的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)泊位分配，碼頭起重機(jī)分配，堆場管理，堆場起重機(jī)的配置，集裝箱卡車調(diào)度進(jìn)行了研究。

目前對(duì)于集裝箱碼頭作業(yè)工藝研究的不足之處在于：

1）缺乏對(duì)隨機(jī)因素影響時(shí)集裝箱碼頭裝卸資源分派的研究。目前學(xué)者對(duì)港口資源分派的研究主要運(yùn)用的方法是解析法，只能研究確定性情況下的作業(yè)流程，而不能考慮隨機(jī)因素影響時(shí)會(huì)對(duì)整體作業(yè)產(chǎn)生什么樣的影響。

2）缺乏對(duì)裝、卸同時(shí)進(jìn)行新工藝下集裝箱碼頭裝卸資源分派的研究。目前的研究主要都著眼于傳統(tǒng)的作業(yè)工藝，即面向作業(yè)線作業(yè)，集裝箱港口船舶都是實(shí)行先裝后卸，并且每條作業(yè)線上都配備固定的集卡，即這些集卡只服務(wù)于該條作業(yè)線。裝、卸同時(shí)進(jìn)行的裝卸工藝是指：實(shí)行裝、卸同時(shí)進(jìn)行，只要有裝箱空間一條船可以邊裝邊卸，集卡卸完出口箱后可以立即裝載進(jìn)口箱運(yùn)送回堆場。

本文通過引用上海洋山港的實(shí)際數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)包括錨地、泊位、堆場、船舶、橋吊、龍門吊、集卡的集裝箱碼頭裝、卸同時(shí)進(jìn)行作業(yè)的仿真模型，同時(shí)也將作業(yè)面、裝卸工藝包含進(jìn)去，并且通過運(yùn)行仿真模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)和裝卸設(shè)備配置最佳配比。集裝箱港口裝卸設(shè)備配置最佳配比指的是其他條件一定的情況下集裝箱港口以作業(yè)時(shí)間最小化為目標(biāo)，或者以橋吊平均單機(jī)效率（TEU/h）最大化為目標(biāo)，或者以其他一些指標(biāo)為目標(biāo)得到的最佳裝卸設(shè)備的配置比例。無論港口的作業(yè)以什么為目標(biāo)，其最主要的目標(biāo)都是為了達(dá)到減少能耗的長遠(yuǎn)目的。

1 集裝箱碼頭裝卸工藝介紹

在目前的集裝箱碼頭裝卸過程中，根據(jù)水平運(yùn)輸設(shè)備的分派策略將集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)工藝分為兩種：即傳統(tǒng)的面向作業(yè)線的裝卸工藝和面向作業(yè)面的新工藝。在采用傳統(tǒng)的面向作業(yè)線的裝卸工藝時(shí)，每臺(tái)橋吊（集裝箱裝卸橋，下同）下面都會(huì)有1隊(duì)固定的排隊(duì)等待的集卡（集裝箱拖掛車，下同）為這臺(tái)橋吊服務(wù)，這種集卡分派方法以簡單易用的優(yōu)點(diǎn)很早就使用于各個(gè)港口，但是很可能會(huì)導(dǎo)致集卡資源分派不均衡，造成了資源浪費(fèi)并降低了作業(yè)效率。而采用面向作業(yè)面的新工藝，每個(gè)作業(yè)面配備數(shù)臺(tái)橋吊和一組集卡，即一組集卡為數(shù)臺(tái)橋吊服務(wù)，增加了靈活性，不僅能夠有效減少作業(yè)過程中水平運(yùn)輸設(shè)備的資源浪費(fèi)，還能提高船舶和車輛的裝卸效率[6]。

根據(jù)集裝箱碼頭的作業(yè)循環(huán)方式又可以將集裝箱碼頭的裝卸工藝分為傳統(tǒng)的單循環(huán)作業(yè)模式和裝、卸同時(shí)進(jìn)行的雙循環(huán)作業(yè)新工藝。傳統(tǒng)的單循環(huán)作業(yè)指的是卸船作業(yè)和裝船作業(yè)是分開進(jìn)行的，可能只進(jìn)行裝船作業(yè)或者只進(jìn)行卸船作業(yè)，或者先完成所有的卸船作業(yè)然后進(jìn)行裝船作業(yè)。而裝、卸同時(shí)進(jìn)行的雙循環(huán)作業(yè)新工藝指的是裝船作業(yè)和卸船作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，邊裝邊卸。裝、卸同時(shí)進(jìn)行的雙循環(huán)作業(yè)新工藝的作業(yè)方式可分為水平運(yùn)輸雙循環(huán)和橋吊雙循環(huán)兩種。水平運(yùn)輸雙循環(huán)指的是水平運(yùn)輸設(shè)備作業(yè)時(shí)既進(jìn)行裝船作業(yè)，也進(jìn)行卸船作業(yè)，二者交互進(jìn)行。例如對(duì)于滿載箱到達(dá)進(jìn)口堆場的集卡，會(huì)先將進(jìn)口集裝箱卸下，然后再根據(jù)指令到達(dá)出口堆場裝載出口的集裝箱回到岸邊繼續(xù)進(jìn)行裝卸作業(yè)。而橋吊雙循環(huán)指的是橋吊既負(fù)責(zé)裝船也負(fù)責(zé)卸船。例如橋吊會(huì)從1輛集卡上將出口集裝箱裝到船上然后再從船上吊起進(jìn)口集裝箱卸到另1輛空載集卡上[6]。港口實(shí)際作業(yè)中，橋吊雙循環(huán)作業(yè)一般會(huì)包含水平運(yùn)輸雙循環(huán)作業(yè)，裝卸船作業(yè)一般會(huì)采取兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的橋吊相互協(xié)作的作業(yè)方式，例如1輛集卡在1臺(tái)橋吊下面完成卸箱工作，然后馬上根據(jù)指令來到另1臺(tái)需要卸箱的橋吊下面進(jìn)行裝箱作業(yè)。很明顯，采用裝、卸同時(shí)進(jìn)行的雙循環(huán)作業(yè)新工藝會(huì)很大程度上減少橋吊等待和集卡的空載時(shí)間，提高了港口的作業(yè)效率和裝卸設(shè)備的利用率，是未來集裝箱港口裝卸作業(yè)工藝的趨勢。

2 裝、卸同時(shí)進(jìn)行作業(yè)的集裝箱港口仿真裝卸系統(tǒng)

2.1 模擬作業(yè)流程框架

集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)過程需要根據(jù)碼頭管理部門采取的裝卸工藝來制定，無論采取什么裝卸工藝，目前的集裝箱碼頭主要是由橋吊、龍門吊（輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（RTG））和集卡3種設(shè)備進(jìn)行裝卸作業(yè)，如何合理地配合使用這3種設(shè)備成為集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的關(guān)鍵，裝卸工藝的不同也主要是因?yàn)獒槍?duì)這3種設(shè)備的不同使用方法。裝、卸同時(shí)進(jìn)行的裝卸工藝下的集裝箱碼頭作業(yè)流程圖如圖1所示。

由圖1可以明顯看出集裝箱碼頭作業(yè)流程主要分為岸邊橋吊作業(yè)、堆場龍門吊作業(yè)和集卡作業(yè)3大模塊：

1）岸邊橋吊作業(yè)。橋吊的作業(yè)要看港口采取水平運(yùn)輸雙循環(huán)作業(yè)工藝還是橋吊雙循環(huán)作業(yè)工藝，前者采用一部分橋吊專門負(fù)責(zé)卸船，另一部分橋吊專門負(fù)責(zé)裝船的作業(yè)方式，后者每臺(tái)橋吊都負(fù)責(zé)卸船和裝船活動(dòng)。橋吊作業(yè)需要判定有無空閑集卡為橋吊服務(wù)。

2）堆場龍門吊作業(yè)。由于堆場分為進(jìn)口堆場和出口堆場，那么堆場的龍門吊作業(yè)在兩種堆場的作業(yè)順序是相反的，即在進(jìn)口堆場是把集卡上的集裝箱卸往堆場，而在出口堆場是把堆場的集裝箱裝載到集卡上。龍門吊作業(yè)需要判定所管轄的箱區(qū)是否有到達(dá)集卡需要服務(wù)。

3）集卡作業(yè)。集卡作業(yè)串聯(lián)著整個(gè)集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)，當(dāng)集卡在岸邊排隊(duì)時(shí)需要判定是否有空閑橋吊，當(dāng)集卡到達(dá)堆場時(shí)需要判定堆場是否有空閑龍門吊。

2.2 模擬事件以及事件之間的邏輯關(guān)系

2.2.1 仿真模型中的模擬事件

根據(jù)裝、卸同時(shí)進(jìn)行工藝下集裝箱港口的作業(yè)流程，將仿真模型中的作業(yè)程序劃分為以下9個(gè)事件：

1）船舶抵達(dá)港口事件。描述船舶服從一定的發(fā)布到達(dá)港口并排隊(duì)等待直到有空閑泊位產(chǎn)生，同時(shí)設(shè)置船舶的相應(yīng)屬性，如單船裝卸箱量等。

2）船舶靠泊事件。當(dāng)空閑泊位產(chǎn)生了，船舶就可以靠泊了，此時(shí)要根據(jù)船舶的大小配置相應(yīng)數(shù)量的橋吊，同時(shí)設(shè)置船舶上集裝箱的屬性，使得相應(yīng)集裝箱能夠到達(dá)相應(yīng)的堆場。

3）橋吊裝卸作業(yè)事件。橋吊裝卸作業(yè)可以分為裝船作業(yè)和卸船作業(yè)，采取橋吊雙循環(huán)作業(yè)工藝時(shí)只要為所有橋吊配置1組集卡。同時(shí)設(shè)置橋吊的屬性，如橋吊小車的速度等。

4）集卡到達(dá)卸船橋吊事件。當(dāng)船舶需要裝、卸同時(shí)進(jìn)行時(shí)一般首先進(jìn)行卸船活動(dòng)，排隊(duì)等待的集卡會(huì)到達(dá)卸船橋吊等待服務(wù)。同時(shí)設(shè)置集卡的屬性，如速度等。

5）集卡裝箱事件。集卡裝箱事件分為集卡從橋吊處的裝箱事件和出口堆場龍門吊處的裝箱事件。

圖1 裝、卸同時(shí)進(jìn)行工藝下集裝箱碼頭裝卸作業(yè)流程圖

6）集卡到達(dá)進(jìn)口堆場龍門吊事件。裝載了進(jìn)口集裝箱的集卡按照既定路線到達(dá)相應(yīng)的進(jìn)口堆場等待龍門吊服務(wù)。同時(shí)設(shè)置龍門吊的屬性，如裝卸事件等。

7）集卡卸箱事件。集卡卸箱事件分為集卡從橋吊處的卸箱事件和進(jìn)口堆場龍門吊處的卸箱事件。

8）集卡到達(dá)出口堆場龍門吊事件。集卡在進(jìn)口堆場卸完箱后按照指令到達(dá)相應(yīng)的出口堆場等待龍門吊的裝箱活動(dòng)。

9）集卡回到岸邊事件。集卡在出口堆場完成裝箱活動(dòng)后就回到岸邊裝船橋吊處接受服務(wù)。

2.2.2 模擬事件之間的邏輯關(guān)系

模擬事件之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

2.3 仿真模型參數(shù)

2.3.1 仿真軟件簡介

witness仿真軟件采用的是面向?qū)ο蠼５木幊谭椒?，比起傳統(tǒng)仿真軟件面向過程的建模方法更具有靈活性。另外，witness仿真鐘推進(jìn)方法采用的是時(shí)間調(diào)度法，也就是說事件控制部件從事件表中始終選擇具有最早發(fā)生時(shí)間的事件記錄，然后將仿真鐘推進(jìn)到該事件發(fā)生時(shí)刻。witness仿真軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、電子、物流、制造等行業(yè)，并取得了很好的成績，在集裝箱碼頭的運(yùn)用也比較常見。

圖2 模擬事件邏輯關(guān)系圖

2.3.2 輸入?yún)?shù)

1）集裝箱：種類，進(jìn)口集裝箱到達(dá)何種類型的堆場；

2）船舶：達(dá)到港口的間隔時(shí)間分布，單船裝卸箱量；

3）堆場：數(shù)量，種類，尺寸；

4）橋吊：橋吊間距，最大、最小、平均和最可能裝卸時(shí)間，橋吊小車滿載和空載運(yùn)行時(shí)間或速度；

5）龍門吊：最大、最小、平均和最可能裝卸時(shí)間，直行和轉(zhuǎn)彎的時(shí)間或速度，滿載和空載時(shí)間或速度，龍門吊在箱區(qū)的一般分布情況；

6）集卡：最大、最小、平均和最可能裝卸時(shí)間，在碼頭前沿道路、箱區(qū)以及拐彎時(shí)的速度限制，滿載和空載速度；

7）碼頭其他信息：碼頭前沿道路和箱區(qū)道路的長度和容量；

8）隨機(jī)因素：橋吊、龍門吊和集卡裝卸速度、運(yùn)行速度，船舶到達(dá)港口的時(shí)間。

2.3.3 輸出指標(biāo)

1）船舶：船舶裝卸時(shí)間，船時(shí)效率（裝卸總量/船裝卸總時(shí)間）；

2）橋吊：橋吊平均單機(jī)效率（TEU/h），利用率；

3）集卡：岸邊集卡、堆場集卡的平均隊(duì)長，橋吊、龍門吊和集卡的平均等待時(shí)間，利用率；

4）龍門吊：利用率。

3 模型裝卸設(shè)備最佳配比運(yùn)算

3.1 裝卸設(shè)備配置最佳配比的目標(biāo)

在研究裝卸設(shè)備配置最佳配比時(shí)可能會(huì)以各種元素為目標(biāo)，而本模型研究的是以橋吊平均單機(jī)效率最大化為目標(biāo)，通過運(yùn)行裝、卸同時(shí)進(jìn)行工藝的模型，得到橋吊、龍門吊、集卡最佳配比。對(duì)于集裝箱港口來說，耗能最大的就是岸邊的橋吊，充分利用了每1臺(tái)橋吊就意味著可以節(jié)省橋吊的使用，就可以很大程度上減少耗能，并在保證完成作業(yè)任務(wù)的前提下使用最少的龍門吊和集卡，這樣就可以減少能耗和成本。

3.2 最佳配比運(yùn)算過程

3.2.1 水平運(yùn)輸雙循環(huán)作業(yè)模型的裝卸設(shè)備最佳配比運(yùn)算過程

第一步：在確定橋吊、龍門吊數(shù)量的情況下，模擬最佳的集卡數(shù)量。

集裝箱以相應(yīng)概率運(yùn)至12個(gè)堆場，其中6個(gè)靠近岸邊的是出口堆場，另外6個(gè)離岸邊較遠(yuǎn)的是進(jìn)口堆場；橋吊數(shù)目為2臺(tái)，1臺(tái)負(fù)責(zé)裝船，另外1臺(tái)負(fù)責(zé)卸船。運(yùn)行模擬模型可以分別得到在2臺(tái)橋吊下，龍門吊數(shù)量為2臺(tái)、3臺(tái)、4臺(tái)直至12臺(tái)時(shí)，集卡數(shù)從1～20輛時(shí)的橋吊平均單機(jī)效率。模擬數(shù)據(jù)可以表明，當(dāng)橋吊和龍門吊數(shù)量確定后，橋吊的平均單機(jī)效率將隨著集卡數(shù)量的增加而上升，但是其增加的速度會(huì)隨著集卡數(shù)量的不斷增加而放慢，當(dāng)集卡達(dá)到一定數(shù)量（拐點(diǎn)）時(shí)，橋吊的平均單機(jī)效率基本不再上升了，呈平緩趨勢，因?yàn)檫@時(shí)已有足夠多的集卡為橋吊和龍門吊服務(wù)，再增加集卡只能造成等待的時(shí)間越來越長。這個(gè)集卡數(shù)量就是使得橋吊的平均單機(jī)效率最大時(shí)的最佳集卡數(shù)量。

通過模擬可得到在2臺(tái)橋吊下，不同龍門吊數(shù)量對(duì)橋吊的平均單機(jī)效率的影響。模擬結(jié)果表明，當(dāng)龍門吊數(shù)量增加時(shí)，橋吊的平均單機(jī)效率會(huì)上升，但是其增加的速度會(huì)逐漸減小；當(dāng)龍門吊數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量（拐點(diǎn)）時(shí)，橋吊的平均單機(jī)效率基本上不再增加了，因?yàn)檫@時(shí)已有足夠的龍門吊來為集卡服務(wù)，再增加龍門吊會(huì)造成龍門吊等待集卡的時(shí)間越來越長。這個(gè)拐點(diǎn)就是在2臺(tái)橋吊的情況下龍門吊的最佳數(shù)量。

圖3為2臺(tái)橋吊下、配備最佳集卡數(shù)時(shí)，龍門吊數(shù)量的變化對(duì)橋吊平均單機(jī)效率的影響，其中橫軸括號(hào)里代表的是分別服務(wù)出口堆場和進(jìn)口堆場的龍門吊數(shù)，例如2（1出口1進(jìn)口）代表2臺(tái)龍門吊，其中1臺(tái)為出口堆場服務(wù)，另1臺(tái)為進(jìn)口堆場服務(wù)。

圖3 2臺(tái)橋吊不同龍門吊數(shù)量下橋吊的單機(jī)效率

從圖3可以看出，當(dāng)龍門吊數(shù)量從2臺(tái)開始增加時(shí)，橋吊的平均單機(jī)效率會(huì)上升，當(dāng)龍門吊數(shù)量增加到6臺(tái)時(shí)，橋吊的平均單機(jī)效率基本保持在平穩(wěn)狀態(tài)，其原因是這時(shí)已有足夠的龍門吊來為集卡服務(wù)，再增加會(huì)造成龍門吊等待集卡的時(shí)間越來越長，增加成本。因此，當(dāng)橋吊為2臺(tái)，1臺(tái)負(fù)責(zé)裝船，另外1臺(tái)負(fù)責(zé)卸船時(shí)，龍門吊的最佳數(shù)量為6臺(tái)，3臺(tái)為進(jìn)口堆場服務(wù)，另外3臺(tái)為出口堆場服務(wù)，集卡的最佳配比為10輛，這時(shí)橋吊的平均單機(jī)效率約為26.79 TEU/h。

由于橋吊是為同一船舶服務(wù)，一般情況下裝箱量和卸箱量是比較接近的，所以裝船橋吊和卸船橋吊的數(shù)量配置也是平衡的，這樣才能充分利用橋吊，模型實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。表1表示橋吊數(shù)目分別為2臺(tái)、4臺(tái)、6臺(tái)時(shí)所需要的最佳龍門吊和集卡數(shù)量。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過模擬運(yùn)算后得到的對(duì)于出口堆場和進(jìn)口堆場龍門吊的配置是平衡的，并且由于模型中存在很多隨機(jī)因素，所以拐點(diǎn)的橋吊平均單機(jī)效率也是在26.79 TEU/h上下浮動(dòng)的。

表1 水平運(yùn)輸雙循環(huán)作業(yè)的裝、卸同時(shí)進(jìn)行時(shí)不同橋吊數(shù)量下的最佳裝卸設(shè)備配比

3.2.2 橋吊雙循環(huán)作業(yè)模型的裝卸設(shè)備最佳配比運(yùn)算過程橋吊雙循環(huán)作業(yè)模型的裝卸設(shè)備最佳配比運(yùn)算過程和水平運(yùn)輸雙循環(huán)作業(yè)模型是相同的，區(qū)別只在于模型實(shí)際運(yùn)行中所有橋吊都負(fù)責(zé)裝船作業(yè)和卸船作業(yè)，兩種作業(yè)是交互進(jìn)行的，那么通過模擬運(yùn)算得到如表2所示，使用橋吊雙循環(huán)作業(yè)的裝、卸同時(shí)進(jìn)行時(shí)，橋吊數(shù)量分別為1臺(tái)、2臺(tái)、3臺(tái)時(shí)所需要的最佳龍門吊和集卡數(shù)量。

表2 橋吊雙循環(huán)作業(yè)的裝、卸同時(shí)進(jìn)行時(shí)不同橋吊數(shù)量下的最佳裝卸設(shè)備配比

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)也可以看出通過對(duì)橋吊雙循環(huán)作業(yè)模型的裝卸設(shè)備最佳配比運(yùn)算得到的出口堆場和進(jìn)口堆場的龍門吊的配置也是平衡的，拐點(diǎn)的橋吊平均單機(jī)效率在22.29 TEU/h上下浮動(dòng)。

4 結(jié)論

裝卸工藝的改進(jìn)是集裝箱碼頭管理發(fā)展的必然趨勢，少數(shù)港口也開始嘗試應(yīng)用更加合理的裝、卸同時(shí)進(jìn)行的新工藝，但是缺乏對(duì)這種新工藝的研究，不能做出科學(xué)的裝卸資源配置決策，一般都是依靠經(jīng)驗(yàn)去管理。本文提出了裝、卸同時(shí)進(jìn)行新工藝下集裝箱碼頭裝卸資源的配置并建立了witness仿真模型，并進(jìn)行了模擬運(yùn)算，最終給出了合理的集裝箱碼頭裝卸資源的配置比例，可以為集裝箱碼頭的實(shí)際管理提供理論依據(jù)。

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