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        集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)通道配置仿真優(yōu)化

        2016-06-15 09:08:34曾露玲吳宏
        集裝箱化 2016年5期
        關(guān)鍵詞:作業(yè)

        曾露玲 吳宏

        閘口作為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的“咽喉”,是集卡出入集裝箱碼頭的必經(jīng)通道,承擔(dān)著驗(yàn)箱、過(guò)磅、數(shù)據(jù)交換以及集裝箱交接等作業(yè)任務(wù),其通過(guò)能力對(duì)整個(gè)集裝箱碼頭的作業(yè)效率產(chǎn)生直接影響。[1]閘口作業(yè)系統(tǒng)是復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng),其各環(huán)節(jié)涉及的相關(guān)因素較多,具有離散、動(dòng)態(tài)、隨機(jī)的特點(diǎn),適合采用離散事件系統(tǒng)仿真方法進(jìn)行研究。[2]本文以廈門(mén)港H集裝箱碼頭的閘口作業(yè)系統(tǒng)為研究對(duì)象,借助ProModel軟件建立仿真模型,并將模型用于評(píng)估和優(yōu)化閘口作業(yè)系統(tǒng)的通道配置方案,從而為提升閘口作業(yè)系統(tǒng)效率提供量化依據(jù)。

        1 閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

        1.1 閘口作業(yè)系統(tǒng)的邏輯模型

        H集裝箱碼頭是廈門(mén)港的主要集裝箱碼頭,年吞吐量超過(guò)300萬(wàn)TEU;但因其地處開(kāi)發(fā)較早的港區(qū),空間受限,泊位、堆場(chǎng)和閘口等作業(yè)區(qū)域難以拓展。根據(jù)作業(yè)需要,H集裝箱碼頭設(shè)置內(nèi)外2道閘口,即碼頭進(jìn)出場(chǎng)閘口和位于港區(qū)東、南、北通道的3處海關(guān)閘口。

        H集裝箱碼頭閘口作業(yè)分為進(jìn)場(chǎng)作業(yè)和出場(chǎng)作業(yè)。按照業(yè)務(wù)內(nèi)容來(lái)劃分,進(jìn)場(chǎng)集裝箱主要包括出口集裝箱、轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱、轉(zhuǎn)棧集裝箱、場(chǎng)裝集裝箱、回場(chǎng)空箱等,出場(chǎng)集裝箱主要包括清關(guān)集裝箱、內(nèi)貿(mào)集裝箱、轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱、出場(chǎng)空箱等。如果不考慮具體業(yè)務(wù)方面的區(qū)別,H集裝箱碼頭閘口作業(yè)可以概括為外集卡進(jìn)場(chǎng)卸箱、內(nèi)集卡進(jìn)場(chǎng)卸箱、外集卡提箱出場(chǎng)、內(nèi)集卡提箱出場(chǎng)等4種情況。H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)流程如圖1所示。

        H集裝箱碼頭閘口實(shí)際作業(yè)中存在的集裝箱異常進(jìn)場(chǎng)、散雜貨集裝箱和超限貨物集裝箱進(jìn)出場(chǎng)、移箱等非常規(guī)作業(yè)在閘口作業(yè)系統(tǒng)中所占比例極小,可以忽略不計(jì)。此外,在不改變仿真效果的基礎(chǔ)上,本文假設(shè)閘口不因惡劣天氣、設(shè)備故障等因素停止作業(yè)。

        1.2 仿真輸入數(shù)據(jù)的收集和處理

        為構(gòu)建仿真模型,需要收集H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)的已知條件,包括:各類集卡到達(dá)閘口的時(shí)間間隔;外集卡從海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口至碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口的行駛時(shí)間;集卡在閘口通道接受服務(wù)的時(shí)間;各類集卡在碼頭堆場(chǎng)的作業(yè)時(shí)間。本文以H集裝箱碼頭閘口作業(yè)極為繁忙的2012年3月24日的閘口作業(yè)數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象,相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)源于各閘口計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)和實(shí)地監(jiān)測(cè),經(jīng)統(tǒng)計(jì)和分析后作為仿真建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樣本數(shù)據(jù)采集完成后,利用ProModel軟件附帶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和概率分布識(shí)別工具Stat::Fit對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布擬合分析和校驗(yàn)。

        1.2.1 各類集卡到達(dá)閘口的時(shí)間間隔

        在閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真建模中,集卡到達(dá)規(guī)律是必需的輸入?yún)?shù)。外集卡運(yùn)營(yíng)的獨(dú)立性以及港區(qū)內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)棧需求的隨機(jī)性決定了集卡到達(dá)閘口的時(shí)間也是隨機(jī)的,只有在對(duì)大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,才能得出其概率分布情況。利用Stat::Fit軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)擬合,選擇與實(shí)際情況

        擬合度最高的對(duì)數(shù)正態(tài)分布,得到各類集卡到達(dá)閘口的時(shí)間間隔的輸入函數(shù)為:外集卡重車,L(1.99,0.91);外集卡空車,L(1.78,1.85);內(nèi)集卡重車,L(1.43,1.13);內(nèi)集卡空車,L(2.25,1.72)。

        1.2.2 外集卡從海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口至碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口的行駛時(shí)間

        由于港區(qū)內(nèi)實(shí)行機(jī)動(dòng)車限速,而且海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口與碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口的距離較遠(yuǎn),加之集卡啟動(dòng)加速和停車減速的時(shí)間很短,對(duì)行駛時(shí)間測(cè)算的影響很小,可以將集卡在港區(qū)內(nèi)的行駛視作勻速行駛,采用簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)并取平均值的方法計(jì)算集卡車速。數(shù)據(jù)采集選用非接觸式測(cè)速儀,在港區(qū)主干道對(duì)重車和空車各進(jìn)行30次測(cè)速。對(duì)以上數(shù)據(jù)求平均值,得到重車在港區(qū)內(nèi)的行駛速度為/h,空車在港區(qū)內(nèi)的行駛速度為/h。海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口與碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口的距離約,將距離除以車速即可得到建模所需的集卡行駛時(shí)間的輸入數(shù)據(jù)為:重車,空車。

        1.2.3 集卡在閘口通道接受服務(wù)的時(shí)間

        對(duì)各類集卡在各類閘口通道接受服務(wù)的時(shí)間分別進(jìn)行100次監(jiān)測(cè),經(jīng)Stat::Fit軟件自動(dòng)擬合分析,得到建模所需的各類集卡在各類閘口通道接受服務(wù)時(shí)間的輸入函數(shù)為:外集卡重車進(jìn)海關(guān)閘口,L(1.19,0.34);外集卡重車進(jìn)碼頭閘口,L(0.20,0.08);外集卡空車進(jìn)碼頭閘口,L(0.79,0.37);內(nèi)集卡重車進(jìn)碼頭閘口,L(1.34,0.41);重車出碼頭閘口,L(0.85,0.36)。外集卡空車進(jìn)海關(guān)閘口、內(nèi)集卡空車進(jìn)碼頭閘口、空車出碼頭閘口等業(yè)務(wù)無(wú)須審核,故數(shù)值為0。

        1.2.4 各類集卡在碼頭堆場(chǎng)的作業(yè)時(shí)間

        堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間包含集卡通過(guò)碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口后行駛至堆場(chǎng)、等待作業(yè)、實(shí)施作業(yè)以及完成作業(yè)后行駛至碼頭出場(chǎng)閘口的全部時(shí)間。對(duì)重車卸箱作業(yè)和空車提箱作業(yè)分別進(jìn)行100次監(jiān)測(cè),得到建模所需的各類集卡在碼頭堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間的輸入函數(shù)為:重車卸箱作業(yè),T(10.57,14.81,86.08);空車提箱作業(yè),T(10.25,18.33,82.38)。

        1.3 閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建和檢驗(yàn)

        1.3.1 模型構(gòu)建

        在ProModel軟件中定義Entities,Locations,Arrivals和Processing等元素,其中:Entities用來(lái)描述通過(guò)閘口的各類集卡,包括外集卡重車、外集卡空車、內(nèi)集卡重車和內(nèi)集卡空車;Locations用來(lái)描述各類場(chǎng)所,包括海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口、碼頭進(jìn)場(chǎng)閘口、碼頭堆場(chǎng)和碼頭出場(chǎng)閘口;Arrivals用來(lái)定義集卡如何進(jìn)入閘口作業(yè)系統(tǒng);Processing是模型的命令和控制中心,用來(lái)描述在各類場(chǎng)所對(duì)集卡進(jìn)行的操作。根據(jù)H集裝箱碼頭閘口作業(yè)流程,按集卡每項(xiàng)作業(yè)的先后順序關(guān)系建立閘口作業(yè)系統(tǒng)的仿真布局,依據(jù)每項(xiàng)作業(yè)的性質(zhì)將作業(yè)規(guī)劃設(shè)置在程序中,并在考慮前后流程之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,將已經(jīng)設(shè)置的各個(gè)行程位置用正確的流程連接起來(lái),從而建立閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。

        1.3.2 模型驗(yàn)證

        仿真模型建立后,要經(jīng)過(guò)反復(fù)的程序調(diào)試和模型調(diào)試以驗(yàn)證其可靠性和準(zhǔn)確性。本文以2012年3月24日H集裝箱碼頭閘口作業(yè)的實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)999次仿真實(shí)驗(yàn)的輸出結(jié)果取平均值,得到模擬數(shù)據(jù),并將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證結(jié)果

        由于實(shí)際作業(yè)存在特殊情況以及仿真模型存在假設(shè)前提等原因,仿真結(jié)果與實(shí)際情況必然有一定差別。由表1可見(jiàn),到港集卡數(shù)量和閘口通道利用率的模擬數(shù)據(jù)均略小于實(shí)際數(shù)據(jù),主要原因是:在仿真模型中,為便于計(jì)算機(jī)表達(dá)和研究,系統(tǒng)忽略了集裝箱異常進(jìn)場(chǎng)、散雜貨集裝箱和超限貨物集裝箱進(jìn)出場(chǎng)、移箱等極少數(shù)非常規(guī)作業(yè),造成仿真結(jié)果中到港集卡數(shù)量的模擬數(shù)據(jù)小于實(shí)際數(shù)據(jù);此外,模型假設(shè)閘口連續(xù)作業(yè)且集卡均正常行駛,而實(shí)際作業(yè)中存在閘口工作人員交接班、集卡進(jìn)錯(cuò)通道等情況,使得閘口通道被占用的時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致實(shí)際的閘口通道利用率高于仿真結(jié)果。盡管該仿真模型的模擬數(shù)據(jù)存在誤差,但誤差在可接受的范圍內(nèi),因此,該仿真模型能夠反映H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)的真實(shí)情況。

        2 閘口作業(yè)系統(tǒng)通道配置仿真優(yōu)化

        2.1 閘口作業(yè)數(shù)據(jù)分析

        本文假設(shè)碼頭全天候開(kāi)放,通過(guò)仿真模型計(jì)算各時(shí)段閘口通道的最合理配置,以體現(xiàn)對(duì)閘口通道資源的合理利用。2012年3月24日H集裝箱碼頭閘口各時(shí)段各類集卡進(jìn)場(chǎng)量見(jiàn)圖2。按照集卡進(jìn)場(chǎng)量高低將1d劃分為當(dāng)日09:00至當(dāng)日23:00的高峰時(shí)段及當(dāng)日23:00至次日09:00的低谷時(shí)段,并分別對(duì)高峰時(shí)段和低谷時(shí)段的閘口通道配置進(jìn)行仿真優(yōu)化。

        各時(shí)段各類集卡進(jìn)場(chǎng)量

        由于內(nèi)集卡空車進(jìn)場(chǎng)及空車出場(chǎng)均不在通道停留接受服務(wù),而是直接通行,故進(jìn)場(chǎng)閘口的內(nèi)集卡空車通道和出場(chǎng)閘口的空車通道數(shù)量對(duì)閘口通過(guò)能力并無(wú)影響,可維持原有配置。根據(jù)統(tǒng)計(jì),高峰時(shí)段通過(guò)進(jìn)場(chǎng)閘口重車通道的集卡數(shù)量約是通過(guò)外集卡空車通道集卡數(shù)量的2.6倍,因此,高峰時(shí)段閘口通道配置方案(見(jiàn)表2)優(yōu)先考慮增加重車進(jìn)場(chǎng)通道數(shù)量,并在海關(guān)進(jìn)場(chǎng)閘口多開(kāi)放1條重車進(jìn)場(chǎng)通道;低谷時(shí)段通過(guò)進(jìn)場(chǎng)閘口外集卡空車通道的集卡數(shù)量約是通過(guò)重車通道集卡數(shù)量的1.6倍,因此,低谷時(shí)段閘口通道配置方案(見(jiàn)表3)優(yōu)先考慮增加外集卡空車進(jìn)場(chǎng)通道數(shù)量。

        通常情況下,方案設(shè)計(jì)要留有一定余量,因此,對(duì)于作業(yè)高峰時(shí)段和低谷時(shí)段,分別選取集卡進(jìn)場(chǎng)量最高的12:00至13:00和8:00至9:00時(shí)段的集卡到港數(shù)據(jù)作為仿真建模輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具體輸入?yún)?shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

        2.2 仿真結(jié)果分析

        為確定高峰時(shí)段和低谷時(shí)段閘口通道配置優(yōu)化方案,基于集卡進(jìn)場(chǎng)隊(duì)列排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、閘口通道利

        用率、集卡平均在港時(shí)間等指標(biāo)對(duì)各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。高峰時(shí)段和低谷時(shí)段閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真輸出數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表5和表6。

        從高峰時(shí)段閘口作業(yè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果來(lái)看:方案1和方案2均配置4條進(jìn)場(chǎng)通道,其中外集卡空車通道利用率很高,導(dǎo)致閘口前壓車現(xiàn)象嚴(yán)重;方案3和方案4增加外集卡空車通道數(shù)量,使通道負(fù)荷有效降低,壓車現(xiàn)象得到明顯緩解;方案5和方案6在重車進(jìn)場(chǎng)通道配置已經(jīng)滿足集卡最大進(jìn)場(chǎng)量負(fù)荷需求的情況下,仍然增加重車進(jìn)場(chǎng)通道數(shù)量,導(dǎo)致通道利用率下降,造成資源浪費(fèi)。以閘口實(shí)際通道利用率50%為參照,并以集卡進(jìn)場(chǎng)隊(duì)列最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)不超過(guò)20輛為約束條件,建議在高峰時(shí)段選擇方案4作為閘口通道配置優(yōu)化方案。雖然該方案的仿真結(jié)果顯示集卡進(jìn)場(chǎng)隊(duì)列最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為20.71輛,但仿真輸入數(shù)據(jù)以時(shí)段內(nèi)的集卡最大進(jìn)場(chǎng)量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而在絕大部分時(shí)段,實(shí)際閘口作業(yè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)低于仿真結(jié)果,因此,5進(jìn)4出的閘口通道配置方案是比較合理的。在低谷時(shí)段,按照同樣的約束條件來(lái)選擇,方案2(3進(jìn)3出)的閘口通道配置方案最為合理。

        根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果,閘口通道在保持4進(jìn)3出的常態(tài)配置的基礎(chǔ)上,在高峰時(shí)段增加1條外集卡空車進(jìn)場(chǎng)通道和1條重車出場(chǎng)通道,在低谷時(shí)段減少1條重車進(jìn)場(chǎng)通道,從而在使各通道資源得到均衡、合理利用的同時(shí),緩解閘口作業(yè)系統(tǒng)的壓力。閘口通道配置優(yōu)化方案見(jiàn)表7。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文將計(jì)算機(jī)仿真方法與實(shí)際復(fù)雜離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合,為集裝箱碼頭閘口通道資源的合理利用提供了一種有效的研究方法,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)為集裝箱碼頭的生產(chǎn)決策提供參考數(shù)據(jù)。此外,該方法還可用于評(píng)估集裝箱碼頭閘口現(xiàn)有通道配置的合理性及最大承載能力,對(duì)碼頭生產(chǎn)同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 李曉斌. 基于WITNESS的集裝箱碼頭堆場(chǎng)閘口系統(tǒng)仿真研究[D]. 大連:大連理工大學(xué),2007.

        [2] 劉加友. 基于WITNESS的集裝箱碼頭閘口仿真分析[J].中國(guó)水運(yùn),2007,7(10):51-53.

        (編輯:張敏 收稿日期:2016-03-01)

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