馬向宇，周　強，萬　穎

（武漢理工大學　物流工程學院，湖北　武漢　430063）

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集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫設(shè)計與應(yīng)用

馬向宇，周強，萬穎

（武漢理工大學物流工程學院，湖北武漢430063）

為設(shè)計一套具有通用性的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫，利用Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)對碼頭元素組成、關(guān)聯(lián)關(guān)系、工藝流程和動態(tài)特性進行深入分析；以集卡為顧客，建立了面向集疏運卡車的開環(huán)和面向裝卸船卡車的閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)模型，并進一步構(gòu)建了碼頭物流系統(tǒng)排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型；采用E-R圖的形式展現(xiàn)服務(wù)中心和其他實體間的聯(lián)系，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真理論，設(shè)計仿真模塊庫；最后用工程實例驗證了模塊庫的便捷性和正確性。

集裝箱碼頭；物流系統(tǒng)；Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)；仿真模塊庫

1　引言

集裝箱碼頭作為世界貨運的關(guān)鍵節(jié)點，如何合理地設(shè)計碼頭裝卸工藝［1］和平面布置［2］方案一直是國內(nèi)外學者研究的重點。作為典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)，集裝箱碼頭包含了許多難以運用數(shù)學方法描述的作業(yè)環(huán)節(jié)，利用離散事件仿真研究碼頭物流系統(tǒng)顯得更加可行［3］。

傳統(tǒng)方式搭建碼頭模型要經(jīng)過工藝方案分析、仿真元素建立等步驟。隨著船舶大型化的趨勢，碼頭也朝著大型化發(fā)展，這不僅增加了碼頭的復雜度，也提高了模型的搭建難度，降低了技術(shù)人員的工作效率。因此，設(shè)計一套可適用于不同碼頭模型搭建的模塊庫具有重要意義。

本文提出的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫是基于被廣泛采用的工藝方案開發(fā)的，適合于絕大多數(shù)碼頭仿真模型的搭建。

2　集裝箱碼頭物流網(wǎng)絡(luò)研究和仿真應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1碼頭物流網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

排隊論在集裝箱碼頭中多應(yīng)用于作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化和設(shè)備配置。文獻［4］構(gòu)建了碼頭排隊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置模型，對是否有集裝箱進場分別進行研究，尋找橋吊、集卡和龍門吊最佳配比，項目對上海外高橋集裝箱碼頭設(shè)備配置作出指導。文獻［5］構(gòu)建了泊位系統(tǒng)排隊論模型，利用Arena對其進行仿真，該系統(tǒng)主要解決泊位與岸橋的數(shù)量配置問題。在碼頭排隊模型方面，M/M/N排隊系統(tǒng)和Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多，也有學者用M/G/N模型研究閘口。

2.2仿真技術(shù)在碼頭中的應(yīng)用現(xiàn)狀

仿真技術(shù)主要用于研究碼頭工藝方案。鹿特丹港的仿真系統(tǒng)被用來研究減少船舶周轉(zhuǎn)時間的方法［6］。文獻［7］根據(jù)實際資料和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建了仿真模型分析天津港集裝箱碼頭的系統(tǒng)瓶頸，為碼頭改擴建提供建議。文獻［8］利用Witness建立了仿真系統(tǒng)，研究了提高大窯灣集裝箱碼頭裝卸效率的方法。文獻［9］建立了上海洋山港仿真模型，研究了碼頭最優(yōu)箱區(qū)布置形式。

2.3存在的問題

（1）排隊網(wǎng)絡(luò)的研究不夠細致，如碼頭吞吐量、堆場翻箱等問題研究不多，且系統(tǒng)指標直接通過理論計算得到。

（2）仿真模型開發(fā)周期長且往往只針對特定對象，個性較強。對象改變時必須重新搭建模型，需求響應(yīng)慢。

（3）集裝箱碼頭作業(yè)流程復雜，對技術(shù)人員專業(yè)背景要求高。

2.4研究內(nèi)容

利用排隊網(wǎng)絡(luò)對碼頭物流系統(tǒng)進行描述，分析其組成元素及關(guān)聯(lián)關(guān)系。運用仿真技術(shù)將組成元素抽象成模塊，將元素間關(guān)系抽象為模塊間邏輯，進而開發(fā)一套具有通用性的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫。

3　集裝箱碼頭Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型

集卡按生產(chǎn)任務(wù)在碼頭各功能區(qū)間的流動過程即碼頭內(nèi)部物流網(wǎng)絡(luò)的運作過程，排隊網(wǎng)絡(luò)作為研究隨機服務(wù)系統(tǒng)的工具能對其進行較好的描述。由于我國集裝箱碼頭多采用岸橋—集卡—場橋的傳統(tǒng)工藝，碼頭的排隊網(wǎng)絡(luò)具有一定共性。

3.1碼頭排隊網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)中心

碼頭排隊網(wǎng)絡(luò)包括閘口、堆場和泊位三個服務(wù)中心，不同服務(wù)中心間通過集卡的流動相互聯(lián)系。集卡分為滿載、空載兩類，它們在堆場接受的服務(wù)不同，在閘口進入的服務(wù)臺也有區(qū)別。

（1）閘口服務(wù)中心：M/M/C/S的排隊系統(tǒng)，顧客是外集卡，閘口通道為服務(wù)臺，其中有的服務(wù)臺只接受空車，另外的服務(wù)臺可服務(wù)兩類顧客。集卡按FCFS原則接受服務(wù)，服務(wù)時間相互獨立且為閘口放行車輛的時間。根據(jù)通道方向，將閘口分為進、出閘口服務(wù)中心兩類。

（2）堆場服務(wù)中心：M/M/C/S的排隊系統(tǒng)，顧客是集卡，堆場內(nèi)各箱區(qū)的裝卸設(shè)備為服務(wù)臺。集卡按FCFS原則接受服務(wù)，服務(wù)時間相互獨立且為設(shè)備完成一次裝、卸車的時間。

（3）泊位服務(wù)中心：M/M/C/S或M/M/1/S的排隊系統(tǒng)，顧客是內(nèi)集卡，岸橋為服務(wù)臺。內(nèi)集卡按FCFS原則接受服務(wù)，服務(wù)時間相互獨立且為岸橋完成一次裝、卸車的時間。

從服務(wù)的對象集卡來看，碼頭排隊網(wǎng)絡(luò)分為集疏運開環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)和裝卸船閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)。

3.2集疏運開環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)是由進閘口、堆場以及出閘口三個服務(wù)時間相互獨立的多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)串聯(lián)組成的多級排隊網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1　包含三個服務(wù)中心的集疏運Jackson開環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)

集運時，外集卡裝載出口箱經(jīng)進閘口服務(wù)臺進入網(wǎng)絡(luò)后，在箱區(qū)接受卸車服務(wù)，再經(jīng)出閘口服務(wù)臺離開網(wǎng)絡(luò)。疏運與之類似，不同的是進入網(wǎng)絡(luò)的是空載外集卡，在箱區(qū)接受裝車服務(wù)，最終滿載離開網(wǎng)絡(luò)。

綜上，外集卡進行集疏運的過程可近似看成具有三個服務(wù)中心的Jackson開環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)外集卡以l的Possion流進入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)串聯(lián)排隊網(wǎng)絡(luò)特性知到達堆場和出閘口服務(wù)中心的集卡到達時間間隔均為1 l［10］。為完成集運（或疏運）活動，共需N到K輛外集卡，可得A的概率分布函數(shù)見式1。

設(shè)進閘口有c1個并聯(lián)服務(wù)臺，n1為平均服務(wù)速率，則顧客服務(wù)率m1=1 n1；堆場有c2個服務(wù)臺，服務(wù)時間服從均值為E（x）的指數(shù)分布，E（x）可由式（2）確定，式中Q2為設(shè)備平均裝卸能力，w為集卡平均載箱量，設(shè)備平均服務(wù)率m2=1 E（x）；出閘口有c3個并聯(lián)服務(wù)臺，n3為平均服務(wù)速率，則顧客服務(wù)率m3=1 n3。

3.3裝卸船閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)是由泊位和堆場兩個服務(wù)時間相互獨立的多（或單）服務(wù)臺排隊系統(tǒng)串聯(lián)組成的多級排隊網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2　包含兩個服務(wù)中心的裝卸船Jackson閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)

卸船時，內(nèi)集卡駛離停車場在岸橋接受裝車服務(wù)后，在箱區(qū)接受卸車服務(wù)，再駛回前沿重復上述過程直至卸船完成。作為卸船的逆過程，裝船時內(nèi)集卡在箱區(qū)裝車后，到達前沿卸車。整個過程內(nèi)集卡只在兩個服務(wù)中心間移動不離開網(wǎng)絡(luò)。

綜上，內(nèi)集卡進行裝卸船的過程可近似看成具有兩個服務(wù)中心的Jackson閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)。

參考上節(jié)堆場服務(wù)中心設(shè)備平均服務(wù)率的計算方法，可確定泊位服務(wù)中心的設(shè)備平均服務(wù)率等參數(shù)，此處不再贅述。

3.4碼頭物流系統(tǒng)Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型

將堆場服務(wù)中心分為進、出口箱堆場服務(wù)中心，結(jié)合前兩節(jié)可構(gòu)建碼頭Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型。圖3中指向服務(wù)中心的多向箭頭表示集卡需要排隊進入?？?表示集運與裝船活動通過出口箱堆場相聯(lián)系。

圖3　碼頭物流系統(tǒng)的Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型

復合模型實際上是三個在時間上有先后順序，空間上存在聯(lián)系的開、閉環(huán)多級排隊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的混合排隊系統(tǒng)。

Jackson排隊網(wǎng)絡(luò)的特性表征有以下兩點約定：（1）服務(wù)中心內(nèi)部的服務(wù)臺互相平行；（2）每個服務(wù)中心緩沖區(qū)容量為無窮大［11］。但實際上，閘口的服務(wù)臺地位不平等；由于設(shè)備轉(zhuǎn)場等原因，堆場的服務(wù)臺數(shù)量可能會變化，上述原因?qū)е铝伺抨牼W(wǎng)絡(luò)不能完全體現(xiàn)系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)特性，可利用仿真技術(shù)對其進行研究。

基于碼頭排隊網(wǎng)絡(luò)的共性和仿真模型的個性，為基于排隊網(wǎng)絡(luò)的碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫的設(shè)計提供了一條現(xiàn)實有效的思路。

4　集裝箱碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫

4.1集裝箱碼頭物流系統(tǒng)概念模型

集卡的流轉(zhuǎn)體現(xiàn)了服務(wù)中心的聯(lián)系、接受的服務(wù)體現(xiàn)了服務(wù)中心的功能和屬性、進行的活動代表任務(wù)類型。采用E-R圖［12］的建模思想，將三個服務(wù)中心分別抽象成閘口、箱區(qū)以及泊位實體，將道路抽象成堆場路段和內(nèi)集卡停車場實體，進而構(gòu)建碼頭物流系統(tǒng)概念模型，如圖4所示。外集卡“進場”指的是進入閘口，駛向堆場；內(nèi)集卡“出場”指的是離開堆場，駛向泊位。

圖4　集裝箱碼頭集疏運與裝卸船系統(tǒng)復合概念模型

集疏運系統(tǒng)概念模型的首尾端均為閘口實體，表示兩者為顧客會離開網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)系統(tǒng)；裝卸船系統(tǒng)概念模型是圍繞內(nèi)集卡停車場和泊位實體組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，是顧客始終在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的閉環(huán)系統(tǒng)。

從離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的角度出發(fā)，根據(jù)實體功能和屬性將其抽象成仿真模塊，并添加為實現(xiàn)集卡按任務(wù)流動所需的輔助模塊。各模塊按實體的相互關(guān)系完成實體流和信息流的交互，共同組成碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫。

4.2碼頭物流系統(tǒng)模塊劃分及功能說明

碼頭物流系統(tǒng)模塊可分為計劃類、流程類和功能類三類。計劃類包括船舶計劃模塊以及堆場計劃模塊；流程類包括集運流程模塊、泊位作業(yè)流程模塊以及疏運流程模塊；功能類包括箱區(qū)模塊、設(shè)備管理模塊、閘口模塊和路段模塊。模塊功能說明如下：

（1）船舶計劃模塊：負責船舶計劃的產(chǎn)生、分解和調(diào)度。參考碼頭作業(yè)流程等信息，從船舶計劃中分解出泊位作業(yè)計劃、疏運計劃等子計劃，并根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)適時執(zhí)行，完成計劃調(diào)度。

（2）堆場計劃模塊：根據(jù)堆場實際堆存和船舶計劃附帶的進、出口箱信息，為集裝箱安排箱位。若堆場空間不足，模塊把計劃暫時送入緩存區(qū)。

（3）集運流程模塊：參考集運計劃的出口箱數(shù)量信息和堆場計劃模塊分配的出口箱位置信息，利用模塊內(nèi)置的外集卡實體完成集運活動。根據(jù)堆場堆存狀態(tài)，向泊位作業(yè)流程模塊傳遞箱位信息。

（4）泊位作業(yè)流程模塊：根據(jù)泊位占用情況控制船舶靠港或等待。根據(jù)泊位作業(yè)計劃的進口箱數(shù)量信息、堆場計劃模塊分配的進口箱位置信息以及集運模塊傳遞的箱位信息，模塊順序地完成卸船和裝船活動。根據(jù)進口箱堆場堆存狀態(tài)，向疏運流程模塊傳遞進口箱位置信息。

（5）疏運流程模塊：在客戶申請?zhí)嵯浜螽a(chǎn)生疏運計劃，參考泊位作業(yè)流程模塊傳遞的進口箱位置信息，利用模塊內(nèi)置的外集卡實體完成疏運活動。

（6）設(shè)備管理模塊：根據(jù)箱區(qū)種類、裝卸的位置、設(shè)備數(shù)量和裝卸順序，為集卡安排合適的裝卸設(shè)備。當設(shè)備數(shù)量不足時，可控制設(shè)備轉(zhuǎn)場。

（7）閘口模塊：由若干條道路組成的外集卡進出碼頭的通道，集卡按最小排隊原則進入。模塊按均勻分布設(shè)置滯留時間，模擬閘口服務(wù)耗時。

（8）路網(wǎng)模塊：由多種類型路段模塊組成的承載集卡的道路。

（9）箱區(qū)模塊：由若干垛位組成的裝卸、儲存和轉(zhuǎn)運集裝箱的區(qū)域。其堆存狀態(tài)被堆場計劃模塊記錄，為碼頭生產(chǎn)組織和計劃執(zhí)行提供依據(jù)。

（10）公共模塊：存放多個模塊共有的變量和實體。

（11）數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊：記錄各個模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

4.3模塊關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

（1）模塊結(jié)構(gòu)。模塊內(nèi)部邏輯確定后將其封裝，設(shè)計輸入、輸出接口負責與外界交互。使用者可通過輸入接口改變模塊內(nèi)部參數(shù)，提高模塊適用性。輸出接口與其他模塊的輸入接口連接，負責信息傳遞，如圖5所示。

圖5　模塊結(jié)構(gòu)

模塊邏輯主體負責實體流和信息流的邏輯流轉(zhuǎn)、分配、再處理等過程，與輸出接口模塊相連接，將運輸工具或計劃輸入至特定接口。

（2）模塊連接。由概念模型知模塊的連接方式已基本確定，如閘口模塊必與路段模塊連接，故輸出接口已寫入模塊連接語句。但由于模型中同類型的模塊可能不止一個，故對連接的具體模塊需進一步確定。

在輸入接口中設(shè)計模塊編號參數(shù)，同種類型的模塊編號不同。使用者通過輸入接口寫入模塊自身的編號和與之連接的模塊編號以完成模塊連接，如圖6所示。

圖6　模塊編號與連接方式

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由于模塊數(shù)量和統(tǒng)計指標不確定，在模塊的輸出接口專門設(shè)計了常用統(tǒng)計指標的數(shù)據(jù)傳輸通道，對統(tǒng)計模塊進行參數(shù)輸入后，由其內(nèi)置程序?qū)?shù)據(jù)整理并逐條輸出成TXT格式的文件。如泊位作業(yè)流程模塊設(shè)計了泊位利用率指標，根據(jù)泊位數(shù)量改變統(tǒng)計模塊內(nèi)部對應(yīng)的參數(shù)，模型運行后可從TXT文件查看各個泊位的利用情況。

圖7　數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.4模塊使用說明

利用模塊搭建模型應(yīng)按以下步驟進行：

（1）分析碼頭布局圖，確定閘口模塊、各類箱區(qū)模塊和泊位作業(yè)流程模塊的數(shù)量。它們分別與碼頭大門，進、出口箱箱區(qū)和泊位數(shù)量相等。

（2）確定集疏運和裝卸船集卡的行駛路線，選擇合適的路段模塊。

（3）定義剩余模塊。

（4）參考相關(guān)資料進行參數(shù)輸入。一部分參數(shù)如碼頭各部分尺寸、路網(wǎng)限制車速可從相關(guān)設(shè)計資料中獲得。另一部分參數(shù)如船舶到港時間需要從碼頭以往的運營數(shù)據(jù)中采集。

（5）模型可行性檢驗。主要指的是模塊連接的正確性檢驗以及仿真程序微調(diào)。

5　工程應(yīng)用實例

以H港集裝箱碼頭工程為例，利用模塊庫搭建其仿真模型。碼頭擁有兩個泊位，均可容納三臺岸橋同時作業(yè)。岸線總長約678m，縱深約775m。重箱堆場裝卸工藝采用岸邊集裝箱起重機—集裝箱卡車—輪胎龍門起重機，空箱堆場采用空箱堆高機進行堆碼作業(yè)。輪胎式起重機16臺，空箱堆高機5臺。選取2個泊位作業(yè)流程模塊、8條出口箱箱區(qū)模塊和11條進口箱箱區(qū)模塊；根據(jù)堆場和干道布局特點選擇路段模塊；定義剩余模塊并完成參數(shù)輸入后即完成了模型的快速搭建。以H港為例，模塊化仿真模型如圖8所示。

圖8　H港模塊化仿真模型

在既定數(shù)據(jù)的工況下將仿真模型運行518 400min，即1年的時間，根據(jù)TXT文件整理的部分統(tǒng)計參數(shù)見表1。

表1　部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)

除表中的指標外，路段車流量、設(shè)備利用率、外卡在閘口滯留時間等參數(shù)也可統(tǒng)計。改變碼頭工況，如改變船舶到達時間規(guī)律、設(shè)備效率的參數(shù)后6結(jié)論

重新進行仿真試驗，從TXT文件中挑選相應(yīng)指標進行對比分析，可識別該碼頭的系統(tǒng)瓶頸。當對象改變時，只需改變模塊的數(shù)量和輸入?yún)?shù)即可快速完成新的模型搭建。

基于Jackson排隊理論，本文建立了面向集疏運卡車的開環(huán)和面向裝卸船卡車的閉環(huán)排隊網(wǎng)絡(luò)模型，并進一步構(gòu)建了碼頭物流系統(tǒng)排隊網(wǎng)絡(luò)復合模型。通過對復合模型的分析，確定了碼頭的關(guān)鍵實體及其相互關(guān)系，結(jié)合離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真理論，設(shè)計了碼頭物流系統(tǒng)仿真模塊庫。針對實際對象的模型搭建證明了模塊庫的便捷性和正確性，但隨著集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展，碼頭裝卸工藝也更加復雜，模塊庫需要細化并加入具有新功能的模塊以滿足需求。

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Design and Application of Simulation Module Library in Container Terminal Logistics Systems

Ma Xiangyu，Zhou Qiang，Wan Ying
（School of Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

In this paper， in order to design a set of universal- purpose simulation module library for the container terminal logistics systems， we used the Jackson queuing network to analyze in- depth the composition， association， technical process and dynamiccharacteristics of the terminal elements； then with the container truck as the customer， we established the corresponding closed-loop queuingnetwork model and further established the terminal logistics system composite queuing network model； next we represented the connectionbetween the service center and other entities in the form of an E-R chart and on such basis， designed the simulation module library； and at theend， we demonstrated the ease and correctness of the library through an engineering case.

container terminal； logistics system； Jackson queuing network； simulation module library

U695.22

A

1005-152X（2016）08-0074-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.020

2016-07-02

馬向宇（1991-），男，安徽蚌埠人，武漢理工大學在讀碩士研究生，研究方向：港口物流系統(tǒng)建模與分析。