趙珊珊，楚 行,黃永燊

（1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300463）

基于Arena的集裝箱堆場免堆存期動態(tài)調(diào)整

趙珊珊1，楚 行2,黃永燊1

（1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300463）

隨著港口吞吐量的快速增長，對碼頭有限資源設施有效利用是港口避免壓船壓港現(xiàn)象發(fā)生的關鍵。對于集裝箱碼頭，堆場運作效率的高低直接影響港口的整體運作效率和國際競爭能力。通過借助仿真軟件Arena對集裝箱碼頭堆場進行仿真建模，運行仿真軟件對基于免堆存期動態(tài)調(diào)整堆場利用效率的輸出結(jié)果進行統(tǒng)計分析，確認仿真模型的有效性。并對集裝箱堆存策略變化前后進行仿真，將結(jié)果進行統(tǒng)計比較，以期為堆場決策管理提供指導意見。

集裝箱碼頭；堆場；Arena仿真；免堆存期

1 引言

集裝箱碼頭是港口資源的重要集散地，集裝箱堆場作為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)中的重要部分，合理有效地組織堆場運輸，逐漸成為提高整個集裝箱碼頭系統(tǒng)效率的主要環(huán)節(jié)。王孟昌［1］利用模擬退火算法與仿真結(jié)合，對堆存策略進行優(yōu)化；楊枚［2］采取啟發(fā)式優(yōu)化算法建立堆場優(yōu)化模型，制定堆場管理策略；鐘慧玲［3］利用仿真軟件Flexsim建立集裝箱堆場仿真模型，研究以平面箱位為分配單元的改進型堆存策略。辜勇［4］分析了集裝箱堆場仿真建模的排隊理論，采用em-plant平臺建立了集裝箱堆場的仿真模型等。

當前研究大多從箱位分配的角度研究集裝箱堆場堆存策略，并未考慮集裝箱堆場的免堆存期，集裝箱碼頭免堆存期是指集裝箱到達目的港后可以免費在碼頭堆存的天數(shù)，免堆存期長短將影響集裝箱碼頭的裝卸效率和堆場利用率。再加上集裝箱船進場的隨機性，堆存計劃的不確定性，實際箱位分配方案往往會偏離相應的堆存計劃，致使堆場作業(yè)效率降低，影響裝船效率。因此，在將運輸條件設定為理想化下，通過探討港口集裝箱堆場免堆存期動態(tài)調(diào)整的優(yōu)化研究，以期提高集裝箱

堆場的運作效率。

2 問題描述及條件假定

基于集裝箱碼頭系統(tǒng)的復雜性，將其余相關系統(tǒng)進行簡化或理想化處理。將集裝箱堆場內(nèi)所能涉及到免堆存情況的箱體進行分類匯總，結(jié)果顯示：堆場中的堆載箱大部分是由船上卸下，等待貨主提箱疏港的集裝箱。因此本模型中忽略其余轉(zhuǎn)船箱，并將整個集裝箱堆場內(nèi)的箱體分為兩類，一類是堆場內(nèi)可涉及到堆存期問題的箱體，稱為Container，另一類是與第一類搶占堆場空間資源及裝卸機械的箱體，稱為Container1，其同第一類箱體會產(chǎn)生堆場空間資源與機械資源占用，但由于其快速集輸港的特性，又不同于Container箱類會長久占用堆場空間資源。并且假定堆場內(nèi)進出碼頭的箱體全部為20TEU標箱，同時集裝箱在疏港時除占用裝卸機械外，不占用其他任何資源，而且整個過程中不存在線路上的擁擠與排隊。

3 集裝箱碼頭堆場堆存仿真建模

3.1 變量設定與算法設計

基于上一節(jié)的描述，現(xiàn)將該Arena模型所涉及到的變量及其所代表的含義陳述如下，見表1。

表1 Arena模型元素設定表

同時將模型的基本運行過程以圖表形式表達如下，如圖1所示。

圖1 Arena堆場模型邏輯流程圖

在圖1中，假設系統(tǒng)在設定條件下運轉(zhuǎn)。作為堆場各項資源的主要占用實體，集裝箱以兩種特殊狀態(tài)作為競爭對手分別進入堆場，即堆存期相關箱Container和干擾箱Container1，兩者隨機產(chǎn)生且互不相干，當其到達堆場外圍后，系統(tǒng)會自動檢測集裝箱卸箱機械，即輪胎吊（模型中設定為2個）及堆場內(nèi)空間資源是否有空閑狀態(tài)存在，如若存在便會根據(jù)先到先得的原則進行進場卸箱堆存。

當兩類集裝箱進入堆場后，根據(jù)先前的設定條件，在其堆存時間到達后進行疏港。在這一步流程中，作為模型干擾箱的Container1箱體堆存時間相對較短，即其相對于同時進場的堆存期相關箱Container先行疏港，提前釋放堆場空間資源，且優(yōu)先占用裝箱機械（模型中設定為2個）。但由于港口系統(tǒng)運作的連續(xù)性，模型中的兩種箱體并不是一一對應出入的。因此，干擾箱在出場時也需要對裝箱機械是否空閑進行預判，當出場裝卸機械處于空閑狀態(tài)時，才可進行后續(xù)出場操作，否則需要進行排隊等待。堆存期相關箱Container的出場原理與流程同上［5-7］。

3.2 Arena建模過程

假設模型中箱體Container與集裝箱堆場免堆存期相關，其到達規(guī)律即到達間隔時間服從指數(shù)EXPO（3）分布；而搶占資源的干擾箱Container1的箱體到達間隔時間服從指數(shù)EXPO（2）分布，兩者基礎單位均為分鐘（minute），并且箱體到達時間設定為仿真時鐘當前值，同時每個箱體不分種類，到達堆場后裝卸箱操作過程都服從均勻UNIFORM（3,5）分布。此外，模型單獨設計卸箱機械龍門吊machine兩臺，服務于進場卸箱流程，操作過程服從延遲為TRIANGULAR（1,2,3）情況下的三角分布，基礎時間為小時（hour）。本模型最終箱體離港部分不考慮路線及時間問題，模型流程［8］如圖2所示。

圖2 集裝箱堆場Arena仿真模型

3.3 模型檢驗與驗證

仿真模型的“熱身”時間為0。為了符合實際情況，本模型將仿真長度定為350d，即仿真周期為一年，每天的工作時間設置為24h。模型的最終運行結(jié)果見表2（具體仿真模型輸出指標值因篇幅有限略）。

表2 Arena仿真模型運行結(jié)果指標

如上所示，此模型可運行到底，且得到最終結(jié)果，模型不存在語法和邏輯錯誤，模型驗證完畢。

4 集裝箱碼頭堆場堆存優(yōu)化分析

4.1 對比方案設計

當港方?jīng)Q定調(diào)整堆存期收費策略后（假設為縮短堆存期及調(diào)高各類箱體的堆存價格），首先會加快港區(qū)堆場內(nèi)的箱體流動速度，同時對于競爭比較激烈的港口，港方可能會產(chǎn)生貨源流失的現(xiàn)象。在Arena仿真模型中將通過調(diào)整堆存期相關箱Container模塊中的參數(shù)來表現(xiàn)箱體貨源的流失。如實驗組將Container產(chǎn)生模塊中的Delay時間由EXPO（3）修改為EXPO（3.1），延長箱體到達的間隔時間，以實現(xiàn)進場箱量的減少。

那么根據(jù)同樣的原理，堆存期政策的改變可以通過調(diào)整集裝箱堆存時間模塊Container Yard Capacity的參數(shù)予以實現(xiàn)。對于加快疏港速度情況下，也可以通過修改其操作Delay Time實現(xiàn)。在出港操作模塊里，基于整個模型的假設及參數(shù)設定，將Container箱型的出場操作間隔時間由TRIANGULAR（1,3,5）更改為TRIANGULAR（0.8,2.5,4.5）。

4.2 Arena模型運行結(jié)果分析

將對比組與實驗組的基礎假設條件與數(shù)據(jù)分別輸入Arena軟件，依次運行并收集最終的統(tǒng)計報告結(jié)果，并將集裝箱碼頭堆場最關注的幾個方面變化進行統(tǒng)計比較，見表3。

表3 仿真模型實驗結(jié)果統(tǒng)計與對比

通過分析表3對照組與實驗組的仿真結(jié)果可得，將Container Yard Capacity Delay Time（港口堆場免堆存期）縮小13.33%后，同時設定集裝箱堆場年通過量減少3.33%，整個堆場系統(tǒng)的集疏運速度加快，年吞吐量只減少1.28%，這是由于港口系統(tǒng)的連續(xù)性造成的。但是，集裝箱在堆場處的總體停留時間減少，數(shù)值為8.79%，其流轉(zhuǎn)速度增加，減少了貨主用箱的壓力；場內(nèi)龍門吊裝卸機械利用率有所降低，進出口機械利用率的降幅分別為1.26%、1.31%，雖然因此增加了空閑時間，但也延長了機械利用時間，對于整個系統(tǒng)來說是利大于弊的。另外，集裝箱堆場的排隊現(xiàn)象明顯減少，其數(shù)值達到了99.82%，排隊等待的減少預示著可以為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務，進而提高集裝箱碼頭的運作效率。

5 結(jié)束語

將提高集裝箱碼頭堆場利用效率作為目標，研究港口堆場堆存期策略，并以整個集裝箱堆場的運轉(zhuǎn)過程為研究對象，運用Arena仿真模型研究了堆存政策調(diào)整前后的整個運轉(zhuǎn)過程及主要考察指標的最終變化，分析變化前后對于集裝箱碼頭運轉(zhuǎn)的影響。雖然在構(gòu)建堆場仿真模型時進行了簡單化處理，即假設各種約束條件、運作指數(shù)以及在理想環(huán)境下簡化堆場運作過程，但是整個仿真過程對于堆場系統(tǒng)中的重要運轉(zhuǎn)部分還是進行了突出并盡力設計，以接近現(xiàn)實狀態(tài)，研究結(jié)果證明該模型可以被運用到港口運轉(zhuǎn)研究探討中，尤其是在集裝箱碼頭運作效率與資源利用方面。

［1］王孟昌.集裝箱碼頭堆場箱位動態(tài)分配優(yōu)化策略研究［D］.武漢：武漢理工大學,2007.

［2］楊枚.青島前灣集裝箱碼頭堆場管理策略研究［D］.大連：大連海事大學,2006.

［3］鐘慧玲,歐仙群,張冠湘,等.隨機集港的出口箱堆存策略設計與仿真［J］.上海海事大學學報,2012,33（1）：26-31.

［4］辜勇,董明望,劉潔濤,等.集裝箱堆場仿真建模及其在堆場規(guī)劃設計中的應用［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版）, 2007,31（4）：633-636.

［5］劉艷,周鵬飛,康海貴.集裝箱堆場箱位分配模糊優(yōu)化研究［J］.水運工程,2009,（11）：1-5.

［6］李鋒.集裝箱自動化堆場物流系統(tǒng)仿真與分析［D］.武漢：武漢理工大學,2005.

［7］鄭紅星,杜亮,董鍵.混堆模式下集裝箱堆場箱位指派優(yōu)化模型［J］.交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2012,12（1）：153-159.

［8］W David Kelto.仿真使用Arena軟件［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2007.

Dynamic Adjustment of Container Yard Free Storage Period Based on Arena

Zhao Shanshan1,Chu Hang2,Huang Yongshen1
（1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063；2. Tianjin Port Pacific International Container Terminal Co., Ltd., Tianjin 300463, China）

The operational efficiency of the container terminal and yard has direct bearing on the overall working efficiency andinternational competitivity of a port. In this paper, using the simulation program Arena, we modeled and simulated the container yard of aterminal, and analyzed statistically the output of the utilization efficiency of the yard based on free storage period dynamic adjustment to verifythe validity of the model. Next, we simulated the yard before and after its storage policy had been changed and compared the resultstatistically.

container terminal； yard； Arena simulation； free storage period

U169；F224

A

1005-152X（2016）09-0082-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.018

2016-07-21

趙珊珊（1993-），女，山東濟寧人，碩士研究生，主要研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理。