盧 鴻

（廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510320）

基于WITNESS的港口物流系統(tǒng)瓶頸分析

盧 鴻

（廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510320）

有效識別港口發(fā)展的瓶頸是優(yōu)化港口物流系統(tǒng)的前提.假設(shè)理想的后方集疏運系統(tǒng)，以某港口船舶物流系統(tǒng)為研究對象，在分析某港口的主要作業(yè)流程圖基礎(chǔ)上，綜合運用基于WITNESS仿真建模與分析技術(shù)，從航道通航能力、內(nèi)港區(qū)容量以及碼頭的岸橋數(shù)量等方面探討限制港口生產(chǎn)能力提升的潛在瓶頸.通過仿真分析找出港口物流系統(tǒng)的瓶頸點，并有針對性的給出了提升該港口生產(chǎn)能力的途徑.

港口物流系統(tǒng)；WITNESS；物流瓶頸

1 緒論

港口物流系統(tǒng)仿真是借助于計算機對于港口系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn).港口作業(yè)區(qū)的仿真建模較多的是基于仿真軟件WITNESS平臺.WITNESS采用面向?qū)ο蠼５木幊谭椒?，打破以往仿真軟件面向過程的方式，因而建模靈活且使用方便.WITNESS的主要特點有：交互式面向?qū)ο蟮慕－h(huán)境，其將對象的圖形與邏輯關(guān)系集成在一起；靈活的執(zhí)行策略，允許通過交互界面定義各種系統(tǒng)執(zhí)行的策略；工程友好性強，其所提供的物理單元充分考慮了可能遇到的各種工程實際需要；提供靈活的輸入輸出方式和豐富的模型單元；軟件較大的柔性.該軟件強大的仿真功能使其能貼切地模擬實際中的各種變化等.其主要用于離散事件系統(tǒng)的仿真，如投資規(guī)劃、物料輸送策略、交通運輸、碼頭規(guī)劃、自動化生產(chǎn)線、識別生產(chǎn)瓶頸、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、人力需求規(guī)劃、成本估算等問題.

港口物流系統(tǒng)能力的提升對港口的發(fā)展是至關(guān)重要的.為了更深入地把握未來某港口作業(yè)區(qū)物流系統(tǒng)的運營能力，特別是分析港區(qū)在未來船舶到港不斷增加時的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和改進碼頭設(shè)計中的不足，需要對港口物流系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模和計算機仿真試驗.本文以某港口物流系統(tǒng)為研究對象，綜合運用witness仿真建模與分析軟件，從各方面分析限制港口運營能力提升的瓶頸，進一步探討提升該港口生產(chǎn)能力的途徑，最終為建設(shè)單位和設(shè)計院做決策提供依據(jù).

2 某港口物流系統(tǒng)仿真模型

2.1 某港口作業(yè)流程分析

設(shè)計中的某港口分為外港區(qū)和內(nèi)港區(qū)兩部分。外港區(qū)包含兩個船舶等待區(qū)，一個等待區(qū)停泊即將進入港口接受服務(wù)的船舶，另一個停泊已經(jīng)接受完服務(wù)即將離港的船舶.內(nèi)港區(qū)也包含兩個等待區(qū)，一個停泊等待接受岸橋服務(wù)的船舶，另一個停泊服務(wù)完畢等待駛出內(nèi)港的船舶.內(nèi)外港區(qū)有航道相連，航道中有一船閘，船舶經(jīng)過航道往返于外港與內(nèi)港間.內(nèi)港中有岸橋?qū)Υ斑M行卸貨等作業(yè).不考慮岸橋卸貨后的其他集疏運系統(tǒng)等，僅在假設(shè)理想的集疏運系統(tǒng)基礎(chǔ)上討論和分析船舶的作業(yè)情況.

港口的主要作業(yè)程序如圖1所示：船舶先從海上駛向港口，進入外港等待區(qū)等待進入內(nèi)港接受服務(wù).當(dāng)船閘空閑、航道可通航且內(nèi)港泊位有空位，船舶通過航道和船閘進入內(nèi)港的等待區(qū)排隊，當(dāng)岸橋空閑時船舶即接受岸橋的服務(wù)，如裝貨和卸貨等.服務(wù)完畢船舶進入內(nèi)港令一泊位等待駛出內(nèi)港.當(dāng)船閘空閑且航道可通航是船舶通過航道和船閘進入外港的另一泊位，在稍作休整最后駛離港口.

2.2 模型邊界及假設(shè)條件

確定模型邊界是建立計算機仿真模型的基礎(chǔ)，一個合適的邊界對于正確建模和分析物流系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的.仿真模型邊界的確定需要根據(jù)所要解決的實際問題而確定.模型邊界確定的不合適，有可能造成所建立的模型太大太復(fù)雜或者是太簡單而不能解決實際問題.一般來說，只要能夠解決所提出的實際問題，邊界范圍越小越好.就本港口仿真模型而言，結(jié)合仿真目的確定其模型邊界為，水域以船舶到離外港泊位區(qū)為邊界，陸域以船舶接受岸橋服務(wù)后貨物離開船舶為邊界.

為更好的建模通常需要對實際物流系統(tǒng)進行一定程度的簡化，提出假設(shè)條件.建模過程中的邏輯關(guān)系的設(shè)置也需要一些具體的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的來源大部分是實際港口物流系統(tǒng)的運作經(jīng)驗的總結(jié).現(xiàn)將假設(shè)條件和部分?jǐn)?shù)據(jù)假設(shè)如下：

（1）假設(shè)后方集疏運系統(tǒng)非常理想，只要有貨物被岸橋起吊，后方都能夠及時的進行運輸和處理.且假設(shè)2個負責(zé)設(shè)備維修和調(diào)整的員工工作期間隨時都可以提供服務(wù).

（2）船舶的到港時間間隔服從參數(shù)為120的負指數(shù)分布NEGEXP(120,1)；港口的4個泊位或者是錨地的容量分別為4、4、2和10.當(dāng)外港等待區(qū)沒有空位情況時，來港船舶將被迫離港.船舶在且船舶服務(wù)完畢后在外港泊位等待區(qū)時間達到2分鐘就駛離港口.

（3）如果海水深度達到可以作業(yè)的深度，外港區(qū)泊位有船舶在等待進港，則將外港區(qū)的船舶拉入內(nèi)港區(qū)錨地處，否則將內(nèi)港區(qū)停泊已經(jīng)服務(wù)完畢的空船拉向外港區(qū)處；如果海水深度不夠，則停止作業(yè).

（4）船舶經(jīng)過港口航道受到潮汐的影響，假設(shè)初始條件為港道的海水深度最高為5米，當(dāng)海水深度超過3米時，船舶才可以正常通過，否則低于3米則不能通過.船舶經(jīng)過船閘的時間服從均值為20，方差為2的對數(shù)正態(tài)分布LOGNORML(20,2,2).且船閘作業(yè)次數(shù)達到100次則需要工人進行調(diào)整，其作業(yè)時間服從LOGNORML(50,5,3)分布.

（5）內(nèi)港碼頭中的岸橋服務(wù)一條船舶的時間服從LOGNORML(150,10,4)分布，并且假設(shè)每隔NEGEXP(4800,1)將會發(fā)生一次故障，維修的時間服從LOGNORML(120,10,2)分布.

2.3 Witness仿真模型的建立

根據(jù)該港口船舶進出港的實際情況等建立碼頭仿真模型.模型建立時必須要明確碼頭系統(tǒng)實體與仿真模型元素的關(guān)系.WITNESS提供了一系列用于構(gòu)造系統(tǒng)仿真模型的基本元素，大致可分為兩類：物理元素和邏輯元素.表1給出了該港口物流系統(tǒng)的主要實體與該系統(tǒng)的WITNESS仿真模型的物理元素之間的關(guān)系.

表1 港口物流系統(tǒng)主要實體與WITNESS模型元素的關(guān)系

模型建立過程中，需特別注意模型的各個元素之間的邏輯關(guān)系的設(shè)置嗎，邏輯關(guān)系的設(shè)置有問題將直接影響后面的仿真結(jié)果，因此建模時需要認(rèn)真且建模完成后要反復(fù)的調(diào)試.為了使得模型具有較好的交互性，在系統(tǒng)邏輯單元建立的同時要將模型元素進行可視化操作，建立相應(yīng)的彩色圖形模型，使其具有實時的彩色動畫顯示效果.同時還要設(shè)置相應(yīng)的背景等.模型完成后的界面如圖2所示.

圖2 碼頭仿真實驗?zāi)Ｐ筒季謭D

3 仿真實驗?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)分析

3.1 仿真模型運行及數(shù)據(jù)分析

一般來說，港口作業(yè)高峰時段，船舶到港的密度比平時要增加很多.在不改變船舶來到港口的速率的情況下，為了測得港口在該環(huán)境中的最佳碼頭數(shù)量，本實驗通過成比例的增加碼頭岸橋的數(shù)量，分為三種不同的工礦進行仿真實驗，探討碼頭合理的岸橋數(shù)量.具體的設(shè)置分為三種不同的工況：即岸橋的數(shù)量分別為1臺、2臺和3臺時的情況.仿真實驗的其他參數(shù)采用前面的假設(shè)條件的數(shù)據(jù).模型是在某設(shè)定的初始狀態(tài)下開始運行的，以設(shè)定的仿真時間結(jié)束，仿真時間單位以分鐘計.假設(shè)該碼頭運行一年，將仿真時間設(shè)置為175200分鐘，仿真模型經(jīng)過運行獲得如下表2至表4所示的結(jié)果.

表2 不同工況下船舶在內(nèi)港1號泊位等待時間

觀察表2，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)岸橋數(shù)量為1時，船舶在內(nèi)港1號泊位處的等待時間為305.91分鐘，而岸橋數(shù)量為2時，等待時間為199.14分鐘，岸橋數(shù)為3時，等待時間為158.59分鐘.而三種不同數(shù)量岸橋情況下，其方差變化不大，基本在180左右浮動.從而可以看出，船舶在該處的等待時間隨著岸橋數(shù)量的增加而顯著減少，說明增加內(nèi)港的碼頭數(shù)量能夠降低船舶在內(nèi)港1號泊位處等待時間.

表3 不同工況下岸橋平均忙閑程度

從表3可以知道當(dāng)岸橋數(shù)為1時，碼頭的繁忙程度為89.81%，而岸橋數(shù)為2時，2個碼頭的繁忙程度45.675%左右，岸橋數(shù)為3時，3個碼頭的繁忙程度31.293%左右.即不管岸橋的數(shù)量如何變化，所有岸橋的宗繁忙程度即單個岸橋繁忙程度乘上岸橋數(shù)基本在90%左右浮動.

表4 不同工況下船舶平均在港時間及港口總服務(wù)船舶數(shù)

再觀察表4，可以看出不同的岸橋數(shù)量情況下，船舶的在港總時間變化不大，基本上在790分鐘到870分鐘變化.而且港口一年中所服務(wù)的船舶總數(shù)也是在1030到1096區(qū)間，變化不大.另外，不管岸橋數(shù)量如何變化，總有很大一部分船舶被迫離去，數(shù)量從384到430間.從而說明港口的服務(wù)能力有待提升.

3.2 初步結(jié)論與進一步探討

通過上面的仿真實驗，初步分析可以得出以下結(jié)論：

3.2.1 在理想的后方集疏運系統(tǒng)前提下，將岸橋數(shù)量從1增加3的意義不大.岸橋數(shù)量的增加，只是有助于降低船舶在內(nèi)港1號泊位的等待時間，對于船舶在港總時間的減少是沒有幫助的.發(fā)現(xiàn)岸橋數(shù)量的增加，沒有使得港口在一年內(nèi)服務(wù)的總船舶數(shù)量上有顯著的增加.也就是說，限制該港口發(fā)展的瓶頸不在碼頭的數(shù)量，而在于其他.值得說明的是，不同岸橋數(shù)量情況下，全部碼頭的總繁忙程度總保持在90%左右.假如僅僅只是為了改善碼頭工人的勞動強度，使其獲得更多的休息時間，基于這種目的，將碼頭數(shù)量從1增加到2或者3才有意義.

3.2.2 當(dāng)岸橋數(shù)量不斷變化時，航道中船閘的繁忙程度變化不大，閑忙比基本上處于25%左右浮動，也即其大部分時間是處于不工作狀態(tài).而船閘的忙閑程度一定程度上反映港口的繁忙程度.影響其工作狀態(tài)的因素，除了船舶的來港情況外，還有其他因素如潮汐的情況以及內(nèi)港泊位的容量大小等.海水的漲潮和落潮引起港口航道海水深度的不斷變化，使得港口航道大部分時間處于不能工作狀態(tài).同時內(nèi)港泊位容量的不足迫使船閘停止工作.

因此，在現(xiàn)有條件下限制該港口生產(chǎn)能力提升的關(guān)鍵點不在于岸橋數(shù)量的增加，而有可能在于因潮汐變化引起的港口航道的通行能力的限制，也有可能是內(nèi)港泊位的容量不足等因素.如果該港口的瓶頸是這兩個因素可以通過相關(guān)作業(yè)進行改善.航道的通行能力可以通過挖深航道等作業(yè)進行提升.內(nèi)港的泊位容量的提升可以通過相關(guān)的工程作業(yè)，將內(nèi)港旁邊的位置利用起來使得內(nèi)港的1號泊位的容量從4增加到8.為找出該港口碼頭的運營瓶頸，現(xiàn)分析岸橋數(shù)量為1時的四種不同工況下的港口運營情況.同樣假設(shè)該碼頭運行一年，將仿真時間設(shè)置為175200分鐘，分四種不同的工況進行仿真，仿真結(jié)果如表6所示.

表5 仿真實驗各工況設(shè)置條件

表6 不同工況下港口運行參數(shù)

觀察表6，對比工況一和二發(fā)現(xiàn)，將內(nèi)港1號泊位數(shù)從4增加到8，使得該港口服務(wù)的船舶總數(shù)增加到1098，而船舶在港總時間大大增加到1119.30，說明僅僅增加內(nèi)港泊位數(shù)得不償失.對比工況三和四發(fā)現(xiàn)，當(dāng)航道水深最高8米時，內(nèi)港1號泊位數(shù)增加到8，船舶在港總時間大大增加，而港口服務(wù)的船舶總數(shù)僅從1088增加到1117，同樣也不可取.對比工況一和三，泊位數(shù)為4時航道加深至8米，船舶在港總時間減少，港口服務(wù)的總船舶數(shù)增加.對比工況二和四，泊位數(shù)為8時航道加深至8米，船舶在港總時間增加，而服務(wù)的船舶總數(shù)也增加.

總的來說，在該港口目前條件下，通過挖深航道提升航道的通航能力來提高該港口的生產(chǎn)能力是有效和可行的.在保持來港船舶情況不變時，增加岸橋的意義不大.而在保持內(nèi)港1號泊位的數(shù)量不變時，力挖深航道到8米提升港口的通航能，可以在增加港口年度總服務(wù)船舶數(shù)量的同時減少船舶在港的總時間.保持航道水深不變，將內(nèi)港1號泊位的數(shù)量增加到8，雖然在一定程度上增加年度總服務(wù)船舶數(shù)量，但是卻大大增加船舶在港總時間.在增加航道水深至8米后，增加內(nèi)港泊位數(shù)也會大大增加船舶在港總時間.因此，可以說該港口的瓶頸在于港口航道的通航能力.提升該港口生產(chǎn)能力的途徑主要在于挖深港口航道.

4 結(jié)語

正確識別限制港口發(fā)展的瓶頸是優(yōu)化港口物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是充分發(fā)揮港口的潛在能力的必然要求.首先介紹離散事件仿真軟件witness及特點，接著以某港口船舶物流系統(tǒng)為研究對象分析了該港口的物流瓶頸.在分析某港口的主要作業(yè)流程圖基礎(chǔ)上，綜合運用離散事件仿真建模與分析技術(shù)，從航道通航能力、內(nèi)港區(qū)容量以及碼頭的岸橋數(shù)量等方面探討限制港口生產(chǎn)能力提升的潛在瓶頸.通過仿真分析認(rèn)為提升該港口的生產(chǎn)能力的關(guān)鍵點在于提高港口航道的通航能力.

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