王 軍 陸永樣 王美蓉 許曉雷

（大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院 大連 116026）

現(xiàn)今我國的集裝箱碼頭正處于快速發(fā)展的時期，其對集裝箱碼頭裝卸效率的要求越來越高．關(guān)于集卡調(diào)度和配置問題已經(jīng)有了很多研究，文獻［1］運用了啟發(fā)式算法研究集裝箱碼頭的集卡運輸；文獻［2］以集卡行走距離最短為目標(biāo)，建立集卡路徑優(yōu)化模型，求解了集卡最優(yōu)行走路徑；文獻［3］研究了在同時裝卸集裝箱的情況下，考慮集卡運輸以及岸橋的作業(yè)時間，利用進化算法來求解集卡最優(yōu)路徑；文獻［4］研究了在“作業(yè)面”模式下，綜合考慮岸橋及廠橋的作業(yè)時間建立了以時間最短為目標(biāo)的集卡調(diào)度模型，解決了不同船舶裝船作業(yè)和卸船作業(yè)同時進行時的最優(yōu)路徑問題．此外，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，物流系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化為集裝箱碼頭研究的問題提供了更廣闊的思路［5］．文獻［6］利用 Witness建立了碼頭前沿到堆場的基于單船裝卸運輸?shù)姆抡婺Ｐ?，考慮集卡路徑選擇對裝卸作業(yè)的影響，分析了車速及配置量與作業(yè)時間的關(guān)系并給出了優(yōu)化建議．文獻［7－8］也基于仿真的方法來分析與集卡相關(guān)的優(yōu)化策略．

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用基于最短路的優(yōu)化模型對實際問題進行求解，得出“作業(yè)面”模式下的最優(yōu)路徑，然后在仿真模型中驗證并以集卡為研究對象，分析仿真結(jié)果最后給出集卡配置量的建議．

1 集裝箱碼頭裝卸工藝分析

集裝箱碼頭是集裝箱運輸物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其中的裝卸系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、并發(fā)性強的離散事件系統(tǒng)．集裝箱碼頭平面布局及裝卸工藝的優(yōu)劣直接影響著自身的生產(chǎn)效率．有統(tǒng)計資料表明，集裝箱在整個運輸過程當(dāng)中，大約有35%時間處理在非運送狀態(tài)，在這一階段要耗費的勞動量卻占著全程的80%，集裝箱在該狀態(tài)下的大部分時間是處在碼頭的裝卸、堆存和保管當(dāng)中［9］．因此要提高整體運輸?shù)男剩P(guān)鍵在于提高集裝箱碼頭上的生產(chǎn)水平和作業(yè)效率．

1．1 集卡的配置分析

在集裝箱碼頭裝卸流程所涉及的裝卸機械當(dāng)中，岸橋的價格相對于其他機械來說非常昂貴，所以在傳統(tǒng)裝卸工藝下，平均每一臺岸橋會相應(yīng)的配備較大數(shù)量比的場地裝卸機械、集卡以及相關(guān)的人員和設(shè)備等．這種配比的目的是為了盡可能的避免岸橋等待集卡的情況以及充分利用岸橋的產(chǎn)能，提高岸橋的利用效率，以此來達到提高產(chǎn)值和節(jié)約成本的效果．

基于提高岸橋利用率而進行的集卡配置策略，沒有考慮到可能會引起資源浪費的情況．無論多好的調(diào)度規(guī)則，為了確保岸橋處于較高的利用狀態(tài)，總會讓集卡在岸橋前排隊等待岸橋，在適度原則下，這種排隊造成的浪費是不可避免的，也是合理的．但是由于這樣的配置往往帶有主觀經(jīng)驗性及盲目性，一些管理者可能會超量的增加集卡配置數(shù)量，在這種情況下，就會產(chǎn)生部分沒必要的排隊時間和集卡在道路擁堵的情況．其所造成的資源浪費會大大增加并且影響碼頭整體的生產(chǎn)效率．

1．2 集卡的調(diào)度模式分析

目前在涉及集卡作為水平運輸工具的集裝箱碼頭大多數(shù)采用“岸橋?集卡?龍門吊”的裝卸工藝系統(tǒng)．針對該系統(tǒng)的集卡調(diào)度模式主要有2種：靜態(tài)的“作業(yè)線”調(diào)度模式（STDM）和動態(tài)的“作業(yè)面”調(diào)度模式（DTDM）．

STDM是傳統(tǒng)的調(diào)度模式，在國內(nèi)外的集裝箱碼頭上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用．該模式根據(jù)碼頭作業(yè)的實際業(yè)務(wù)量來為岸橋配備固定數(shù)量的集卡，這些集卡只服務(wù)一臺岸橋直至作業(yè)完成為止再重新分配．在集卡與岸橋綁定進行作業(yè)的過程中，集卡的運輸路徑形成一條“作業(yè)路”．圖1為“作業(yè)線”模式的作業(yè)流程示意圖．

圖1 “作業(yè)線”模式示意圖

這種點到點之間的運輸模式便于人工根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)來指派集卡和管理，適于實時調(diào)度能力低的集裝箱碼頭．但是由于不同作業(yè)路上的業(yè)務(wù)量存在不平衡性，該模式下會出現(xiàn)作業(yè)路之間的集卡忙閑不均的情況，影響碼頭整體的作業(yè)效率．

目前計算機智能技術(shù)及GPS技術(shù)已經(jīng)有了很大程度的提高，越來越多的集裝箱碼頭采用全場動態(tài)的實時調(diào)度模式．DTDM的思路是打破原有的固定作業(yè)路模式，集卡不服務(wù)于固定的岸橋，同時也被所有的作業(yè)路共享．該模式依據(jù)一定的優(yōu)化目標(biāo)生成作業(yè)路任務(wù)，然后按照碼頭的實時情況來分配給集卡，接收到任務(wù)的集卡到相應(yīng)的作業(yè)路上完成水平運輸．圖2為“作業(yè)面”作業(yè)模式示意圖．

該模式還可能考慮當(dāng)其中存在合適的路徑時，集卡穿插實施場內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)堆作業(yè)．由于這種模式的智能化程度較高，需要碼頭配備相應(yīng)的計算機管理系統(tǒng)、定位導(dǎo)航設(shè)備和其他相關(guān)的硬件設(shè)施．

2 基于Flexsim裝卸運輸仿真建模

通過以上的分析，可以看出集卡的配置量關(guān)乎集裝箱碼頭的作業(yè)效率的優(yōu)劣，而作業(yè)效率是評價碼頭經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)．在一定的調(diào)度規(guī)則下，隨著集卡的配置量的不斷增加，集卡排隊的總時間及在道路上擁堵的機會就會越來越多，當(dāng)超過一定量之后，“效益背反”的現(xiàn)象越明顯，說明在這當(dāng)中應(yīng)該存在一定的配置量，使得碼頭的裝卸效率和資源的浪費狀況達到可接受的平衡狀態(tài)．

集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)是集裝箱整個運轉(zhuǎn)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有令碼頭管理者擁有一定的決策依據(jù)，才能保障整體的效率．但是集裝箱碼頭集卡運輸體系具有高度的復(fù)雜性和并發(fā)性，解析數(shù)學(xué)方法往往會摒棄一些影響作業(yè)的因素來達到可計算的目的，得出解的結(jié)果會和現(xiàn)實情況存在較大的差距．因此，為了更加詳實的反映碼頭的運作情況，在已有數(shù)學(xué)解析模型基礎(chǔ)上通過仿真建模模擬集裝箱碼頭的裝卸流程來進行深入的研究．

2．1 Flexsim簡介

Flexsim是由美國的Flexsim Software Production開發(fā)的一款商業(yè)化離散事件系統(tǒng)，是目前采用了最新VR技術(shù)的仿真軟件，并且采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，具有建模方便，顯示功能強大的特點．當(dāng)今在國內(nèi)外得到了非常廣泛的應(yīng)用．

2．2 集卡調(diào)度仿真流程

該仿真模型模擬集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的營運過程，通過定義好的調(diào)度模式，顯示岸橋、集卡和后方堆場龍門吊的全程協(xié)作，然后對不同集卡數(shù)量下的運行結(jié)果進行考核，找出一次裝卸任務(wù)下適用于一定調(diào)度模式的集卡合理配置量．

根據(jù)前文中調(diào)度模式的分析以及結(jié)合現(xiàn)代碼頭的裝卸工藝，本次模擬的是一次裝卸任務(wù)中在動態(tài)“作業(yè)面”模式下的進口箱和出口箱的運輸．據(jù)此設(shè)計的仿真流程見圖3．

圖3 碼頭裝卸仿真流程

在建模之前需要說明的是：（1）該模型在“作業(yè)面”模式下不考慮場內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)堆；（2）集卡的任務(wù)路徑是通過已有的最短路徑模型及算法得出；（3）由于“作業(yè)面”模式下集卡的一次運輸回路涉及兩次裝卸，集卡可先到進口泊位的岸橋從卸船作業(yè)開始，或者先到出口箱區(qū)從裝船作業(yè)開始任務(wù)，即“進口泊位→進口箱區(qū)→出口箱區(qū)→出口泊位”或者“出口箱區(qū)→出口泊位→進口泊位→進口箱區(qū)”．所以在流程中的“集卡選擇起運點”是指調(diào)度機根據(jù)當(dāng)前分配給集卡的任務(wù)路徑所涉及的進口泊位和出口箱區(qū)當(dāng)中選擇一方作為此次任務(wù)的起點，規(guī)則如下．首先依據(jù)路徑最短選擇，若路徑較短一方阻塞情況比較嚴(yán)重，而遠方較空閑則選擇較空閑一方作為起點；（4）本次裝卸任務(wù)中裝卸對象全為標(biāo)準(zhǔn)箱，集卡一次運輸一個標(biāo)準(zhǔn)箱；（5）集卡運輸路網(wǎng)采用單循環(huán)模式，集卡在干道上可雙向行駛，但是岸橋和龍門吊的作業(yè)區(qū)道路只允許單向行駛，且任意道路上不可超車．

模型的初始狀態(tài)：集卡在停車場待命，集裝箱船靠泊在碼頭，進口箱全部放在待卸船船舶上，出口箱全放在出口箱區(qū)的堆場．

2．3 仿真關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

任務(wù)序列（task sequences）是Flexsim仿真的核心機制．在該仿真模型中對集卡調(diào)度和裝卸作業(yè)機制的實現(xiàn)要通過任務(wù)序列來定制．在Flexsim中，若一項任務(wù)序列需要同時占用2個或多個任務(wù)執(zhí)行器對象來執(zhí)行任務(wù)，則這項任務(wù)序列叫做協(xié)同任務(wù)序列（coordinated task sequences），否則就是一般任務(wù)序列．在模擬集裝箱碼頭作業(yè)的時候，需要結(jié)合這2類任務(wù)序列來實現(xiàn)．

在本次模擬實驗中，以集卡在作業(yè)路上行走作為主任務(wù)序列，該任務(wù)序列為一般任務(wù)序列．每當(dāng)集卡行駛到泊位或者后方堆場作業(yè)區(qū)時，會觸發(fā)協(xié)同的子任務(wù)序列，即需要集卡與岸橋或集卡與龍門吊協(xié)同進行裝或卸的作業(yè)任務(wù)．該流程如圖4所示．

圖4 碼頭裝卸任務(wù)仿真序列流程

每當(dāng)觸發(fā)子任務(wù)序列的時候，都要先經(jīng)過一個占用的過程，即集卡和相應(yīng)的裝卸機械不被別的任務(wù)序列占用的情況下，該任務(wù)序列同時占用了這二者之后才能使協(xié)同任務(wù)序列往下執(zhí)行，否者一直等到別的任務(wù)釋放相關(guān)執(zhí)行器對象為止．在子任務(wù)序列當(dāng)中也使集卡排隊的機制得以實現(xiàn)．

3 模型運行及分析

假設(shè)一項任務(wù)涉及2個進口箱區(qū)、3個出口箱區(qū)以及進口泊位和出口泊位各1個，有570 TEU進口箱和650TEU出口箱需要進行卸船和裝船．在“作業(yè)面”模式下，依據(jù)基于集卡路徑最短的優(yōu)化模型得出優(yōu)化的行駛路徑見表1，其中剩余有80TEU的集裝箱是通過“作業(yè)線”模式來運輸．

表1 路徑優(yōu)化結(jié)果

3．1 模型及參數(shù)設(shè)定

在該作業(yè)當(dāng)中，每條船配備2臺岸橋，每個堆場配備1個軌道龍門吊．根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，取較先進岸橋的每箱作業(yè)時間（s／箱）符合正態(tài)分布N（104／21），龍門吊符合N（89／15），堆場限高5層，集卡最大速度為30km／h，路徑長度根據(jù)布局設(shè)定．

3．2 運行結(jié)果分析

多次運行不同集卡配置量下的模型，考察完成任務(wù)花費的時間以及集卡的平均阻塞時間（包括排隊以及路上堵塞情況）．由于箱位是隨機生成的，所以每次運行結(jié)果存在差異，所以最終取它們的平均值．得到結(jié)果分析如下．

1）在仿真模型中，集卡行駛的總里程是923 761m，優(yōu)化模型求解的結(jié)果為901 900m．這主要是因為在數(shù)學(xué)模型當(dāng)中只考慮點對點的運輸而忽略了船體及堆場的長度，而在仿真模型中集卡行駛到相應(yīng)貝位也會產(chǎn)生行駛距離，所以造成了行駛里程上的差異．這二者的差值約占優(yōu)化模型結(jié)果的2．4%，小于5%，說明該仿真模型是針對優(yōu)化問題而做的可用模型．

2）不同集卡配置量下任務(wù)完成花費時間／min的比較見表2，平均阻塞時間／min見表3，二者的折線圖見圖4．

表2 任務(wù)完成用時仿真結(jié)果

表3 集卡平均阻塞時間仿真結(jié)果

圖4 仿真結(jié)果折線圖

由圖表可以看出，當(dāng)集卡數(shù)量很少的時候，隨著集卡數(shù)量的變動，任務(wù)用時的變化程度很大而集卡平均阻塞時間的變化程度很小，在這個區(qū)間內(nèi)，集卡數(shù)量成為提高港口裝卸效率問題的瓶頸．當(dāng)集卡數(shù)量到達11輛之后，任務(wù)時間總體的變化趨勢不斷減緩直至因集卡堵塞時間過長反而影響了碼頭整體的裝卸效率，集卡平均阻塞時間在集卡數(shù)量為13～15輛時增量很大，當(dāng)達到18輛以上時，平均阻塞時間的增量趨勢越來越大，這說明集卡阻塞的總時間（集卡數(shù)量ⅹ平均阻塞時間）在不斷加大且程度在不斷加劇，資源浪費情況也越發(fā)嚴(yán)重．此時“效益背反”現(xiàn)象隨著集卡數(shù)量的增加從無到有，從模糊到明顯．因此，就該項裝卸任務(wù)來說，若任務(wù)時間窗較長則保持作業(yè)集卡的數(shù)量在12～14輛之間是比較合理的，若任務(wù)時間窗限制較嚴(yán)格則考慮配置16～17輛的作業(yè)集卡．在實際的碼頭裝卸任務(wù)當(dāng)中，調(diào)度員應(yīng)該根據(jù)實際要求來對具體配置量做決策．

3）在模型運行過程的后期，隨著任務(wù)路徑不斷減少，集卡會越來越集中到還有任務(wù)量的路徑當(dāng)中，整體的阻塞時間有不少產(chǎn)生于這些階段．所以集卡配置應(yīng)該是動態(tài)的，在任務(wù)的后期，可以適當(dāng)?shù)淖尣糠旨ㄍ顺鲈撊蝿?wù)或者轉(zhuǎn)移到別的任務(wù)當(dāng)中，以提高集卡的有效利用率和減少阻塞時間．

4）本次實驗是在一定量的岸橋和龍門吊下得出的分析結(jié)果，在不同的岸橋及龍門吊配置量下會有不同的合理集卡配置量．只要是用同樣的調(diào)度規(guī)則，本仿真模型主要邏輯和概念框架也可用于其他實際情況下集卡配置量分析．

4 結(jié)束語

本次實驗建立了基于一項裝卸任務(wù)的仿真模型，在“作業(yè)面”模式的實時調(diào)度規(guī)則下，通過仿真模型運行結(jié)果考量任務(wù)用時和集卡平均阻塞時間來分析集卡合理配置量，并在仿真模型運行過程中發(fā)現(xiàn)集卡的配置量應(yīng)該是動態(tài)的，這樣可以有效的減少集卡阻塞時間且保證碼頭的工作效率，這也將是今后研究工作應(yīng)該更具體、更深入分析的問題所在．本次實驗為碼頭管理者提供了一定條件下可靠的決策支持，也作為將來可以提供更多方面的支持的實踐和技術(shù)基礎(chǔ)．

［1］PRESTON P，KOZAN E．An approach to determine storage locations of containers at seaport terminals［J］．European Journal of Operational Research，2003，148（1）：92－101．

［2］楊靜蕾．集裝箱碼頭物流路徑優(yōu)化研究［J］．水運工程，2006（1）：32－35．

［3］計明軍，靳志宏．集裝箱碼頭集卡與岸橋協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化［J］．復(fù)旦學(xué)報，2007，46（4）：476－480．

［4］王 軍，許曉雷．集裝箱碼頭集卡作業(yè)的路徑選擇［J］．大連海事大學(xué)學(xué)報，2011（2）：25－27，34．

［5］沙 梅．集裝箱碼頭物流系統(tǒng)建模與仿真綜述［J］．上海海事大學(xué)學(xué)報，2005（1）：6－12．

［6］張 莉，霍佳震．基于單船裝卸運輸模型的集卡配置仿真 研 究 ［J］．系 統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報，2006，18（2）：3532－3535．

［7］尚 晶，陶德馨．集裝箱碼頭集卡調(diào)度策略的仿真研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，30（5）：827－830．

［8］李浩淵．集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的基于仿真的優(yōu)化方法研究［D］．沈陽：東北大學(xué)，2009．

［9］羅勛杰，樊鐵成．集裝箱碼頭操作管理［M］．大連：大連海事大學(xué)出版社，2010．