張程 樂婉

【摘 要】 為提升集裝箱碼頭機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率，降低碼頭運(yùn)營成本，以某集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)流程為研究對(duì)象，借助Flexsim仿真平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)模型，對(duì)碼頭作業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。結(jié)合Flexsim軟件中的實(shí)驗(yàn)管理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行置信度為90%的概率分析，提出較優(yōu)的港口資源配置方案。方案覆蓋從船舶進(jìn)入航道開始到集裝箱疏運(yùn)出港為止的整個(gè)過程，并且將不同類型的集裝箱在堆場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)堆存，使得仿真模型更加完整合理，可為港口管理者提供相應(yīng)的決策支撐。

【關(guān)鍵詞】 Flexsim；集裝箱碼頭；裝卸作業(yè)；資源配置優(yōu)化；裝卸流程仿真

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)以及“工業(yè)4.0”的到來，港口將呈現(xiàn)工業(yè)智能化、高度自動(dòng)化、信息技術(shù)化和低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。資源優(yōu)化配置對(duì)提高集裝箱碼頭的作業(yè)效率顯得尤為重要，利用Flexsim仿真軟件對(duì)碼頭作業(yè)過程進(jìn)行模擬是優(yōu)化碼頭裝卸作業(yè)效率的重要手段之一。本文以某集裝箱碼頭的裝卸工藝流程為研究對(duì)象，分析港口作業(yè)子系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，運(yùn)用Flexsim軟件建立離散系統(tǒng)模型，對(duì)不同的裝卸工藝方案進(jìn)行預(yù)演，為復(fù)雜的港口集裝箱裝卸系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理決策提供科學(xué)合理的指導(dǎo)意見。

1 某集裝箱碼頭作業(yè)情況

1.1 碼頭布局

某集裝箱碼頭占用岸線長度為1 400 m，港池寬度為600 m、碼頭前沿吃水深度為15.5 m，有4個(gè)10萬噸級(jí)集裝箱專用泊位及相應(yīng)駁船泊位，后方堆場(chǎng)占地面積達(dá)108萬m2，碼頭閘口有進(jìn)閘通道16條、出閘通道12條，該碼頭具體布局情況見圖1。

1.2 設(shè)備配置

該碼頭擁有先進(jìn)的裝卸機(jī)械設(shè)備和計(jì)算機(jī)智能管理系統(tǒng)。港口裝卸機(jī)械設(shè)備有岸橋、場(chǎng)橋、堆高機(jī)、輪胎吊等流動(dòng)作業(yè)機(jī)械，有超巴拿馬型的大型集裝箱裝卸橋19臺(tái)、門式起重機(jī)12臺(tái)、龍門吊60臺(tái)，有港內(nèi)牽引車、堆高機(jī)、正面吊、叉車、汽車吊、輪胎吊等流動(dòng)機(jī)械設(shè)備200多臺(tái)。

1.3 碼頭作業(yè)流程

該碼頭采用的集裝箱裝卸工藝流程系統(tǒng)由碼頭前沿裝卸子系統(tǒng)、水平搬運(yùn)子系統(tǒng)、堆場(chǎng)裝卸子系統(tǒng)以及閘口子系統(tǒng)等構(gòu)成，見圖2。

2 基于Flexsim的仿真模型構(gòu)建和分析

2.1 確定仿真模型實(shí)體

Flexsim建模分兩部分，第一部分是船舶在錨地等待裝卸作業(yè)的過程，第二部分是集裝箱在港內(nèi)裝卸搬運(yùn)的過程。Flexsim中的主要實(shí)體如表1所示。為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的操作過程，裝卸仿真研究只研究單艘船舶在某一特定泊位的裝卸。在Flexsim中：發(fā)生器代表已經(jīng)靠泊等待裝卸的船舶；多個(gè)處理器分別代表不同的岸橋和場(chǎng)橋；叉車代表水平搬運(yùn)機(jī)械集裝箱卡車（下文簡(jiǎn)稱“集卡”）；貨架代表集裝箱堆場(chǎng)；吸收器代表實(shí)體直接離開系統(tǒng)，即集裝箱出碼頭閘口。

2.2 建立邏輯關(guān)系

在船舶靠泊過程中，可能會(huì)出現(xiàn)船舶等待裝卸作業(yè)的情況，因此建立一個(gè)暫存區(qū)表示船舶靠泊的排隊(duì)狀況。

仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是任務(wù)序列規(guī)則。在港口進(jìn)行裝卸搬運(yùn)作業(yè)過程中，對(duì)于該集裝箱碼頭而言，單艘船舶的裝卸一般需要兩臺(tái)岸橋同時(shí)運(yùn)作。當(dāng)集裝箱離開岸橋時(shí)，系統(tǒng)需要指派水平運(yùn)輸工具來搬運(yùn)集裝箱，此時(shí)的任務(wù)分配器分配一定數(shù)量的集卡在碼頭前沿和堆場(chǎng)之間運(yùn)輸集裝箱。一部分集裝箱從出閘口送出直接離開系統(tǒng)，另一部分集裝箱根據(jù)其類型被存放到不同的堆場(chǎng)。作業(yè)中除了岸橋里的暫存區(qū)到任務(wù)分配器的連接是無方向的外，其他邏輯連接均有方向，此方向即集裝箱的流動(dòng)方向。Flexsim所建立的邏輯關(guān)系如表2所示。

2.3 設(shè)置參數(shù)

2.3.1 船舶到達(dá)參數(shù)

根據(jù)大量的調(diào)查資料確定船舶到港情況服從泊松分布，相繼到港的兩艘船舶的間隔時(shí)間t服從指數(shù)分布，其概率為

2.3.2 船舶裝卸及集裝箱類型情況說明

船舶到達(dá)按港口制定的船舶裝卸作業(yè)計(jì)劃時(shí)間表，模型中“數(shù)量”指船舶需要卸載的集裝箱數(shù)量；臨時(shí)實(shí)體流中發(fā)送至下一端口的方式設(shè)為隨機(jī)可用端口，即集裝箱被任意一個(gè)可用岸橋進(jìn)行卸船作業(yè)；在“創(chuàng)建觸發(fā)”中根據(jù)不同的百分比設(shè)置臨時(shí)實(shí)體類型，在“離開觸發(fā)”中根據(jù)不同的臨時(shí)實(shí)體類型設(shè)置相應(yīng)的顏色用以區(qū)分。在所有到港集裝箱中：60%為進(jìn)口普通箱，用紅色表示；30%為中轉(zhuǎn)箱，用綠色表示；10%為特種箱，用藍(lán)色表示。

2.3.3 岸橋相關(guān)參數(shù)

處理器中的最大容量設(shè)置為2.00（模型中以1個(gè)臨時(shí)實(shí)體代表1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱，以2個(gè)實(shí)體來代表1個(gè)40英尺的集裝箱），默認(rèn)為臨時(shí)實(shí)體走完處理器全長才被釋放到下一端口；加工時(shí)間為岸橋裝卸1個(gè)集裝箱的時(shí)間，時(shí)間設(shè)置為60 s（可以根據(jù)設(shè)備具體情況進(jìn)行合理的設(shè)置或者設(shè)置為服從于某一特定的函數(shù)分布）；岸橋在裝卸過程中可能發(fā)生故障，設(shè)故障形式為MTBF_MTTR_1）。

2.3.4 水平搬運(yùn)參數(shù)

（1）分配器參數(shù)設(shè)置。在實(shí)際的港口操作中，岸橋的作業(yè)過程往往需要多輛集卡進(jìn)行配合裝卸，因此從碼頭前沿至堆場(chǎng)的水平搬運(yùn)需要分配器指派一定數(shù)量的集卡。

（2）集卡的設(shè)置。設(shè)置水平搬運(yùn)機(jī)械最大速度為5 m/s，裝載時(shí)間和卸載時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定平均值，也可以設(shè)置它服從某一函數(shù)分布；模型的裝載時(shí)間和卸載時(shí)間分別服從Normal（18，2，0）和Normal（12，2，0），其中第一個(gè)參數(shù)為均值，第二個(gè)參數(shù)為方差，第三個(gè)參數(shù)為隨機(jī)流（通常取值為0）。

2.3.5 堆場(chǎng)參數(shù)設(shè)定

（1）卸船后的集裝箱有進(jìn)入堆場(chǎng)堆存的，也有直接運(yùn)出港口的；模型中設(shè)置70%的集裝箱進(jìn)入堆場(chǎng)堆存，30%的集裝箱運(yùn)出港口。

（2）不同類型的集裝箱在堆場(chǎng)上是分區(qū)堆存的，在Flexsim中通過設(shè)置臨時(shí)實(shí)體流根據(jù)返回值選擇輸出端口來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)操作。

（3）場(chǎng)橋的最大容量設(shè)為2.00，裝卸1個(gè)集裝箱的作業(yè)時(shí)間設(shè)置為50 s。

（4）場(chǎng)橋的故障形式設(shè)為MTBF_MTTR_2。

（5）出閘口設(shè)置為吸收器，回收策略為不回收實(shí)體，實(shí)體流的輸入選用拉入模式，即任意實(shí)體類型均可離開系統(tǒng)。

除了以上參數(shù)設(shè)置外，其他的參數(shù)均采用默認(rèn)值。仿真模型運(yùn)行前后的整體界面如圖3所示。

2.4 仿真結(jié)果

2016年該碼頭集裝箱吞吐量為578.6萬TEU，水水中轉(zhuǎn)集裝箱吞吐量為470萬TEU。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來港口進(jìn)口箱量約為進(jìn)出口箱量的50%，由此推算2016年日均卸船進(jìn)港箱量為 TEU。由于仿真模型是對(duì)進(jìn)口集裝箱的卸船作業(yè)情況進(jìn)行的模擬，因此扣除了水水中轉(zhuǎn)集裝箱數(shù)。

2.4.1 不同到港箱量條件下的設(shè)備利用率

改變發(fā)生器中臨時(shí)實(shí)體的數(shù)量來設(shè)置不同的到港箱量，在其他各類機(jī)械設(shè)備保持不變的情況下，分析到港箱量分別為500、、、和 TEU時(shí)碼頭岸橋和場(chǎng)橋的運(yùn)行情況，最終運(yùn)行結(jié)果如表3所示。

由表3可知，集裝箱的單箱處理時(shí)間隨著到港箱量增加逐漸縮短。當(dāng)?shù)礁巯淞繛? 500 TEU時(shí)，港口各機(jī)械設(shè)備利用率較高；當(dāng)?shù)礁巯淞繛? 000 TEU或2 500 TEU時(shí)，由于箱量過多造成港口作業(yè)瓶頸，使得各機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率增幅明顯減小，甚至出現(xiàn)了小幅降低的情況。因此，該碼頭的日均卸船箱量處于1 500 TEU時(shí)可使各機(jī)械設(shè)備利用率指標(biāo)最優(yōu)。

2.4.2 不同集卡數(shù)量條件下設(shè)備利用率

在上述仿真研究基礎(chǔ)上，為1 500 TEU到港箱量選擇合理的設(shè)備配置數(shù)量情況見表4。

岸橋的利用率隨著集卡配置數(shù)量的增加而呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)集卡數(shù)量增至10輛和12輛時(shí)岸橋利用率無變化。對(duì)場(chǎng)橋而言，隨著配置集卡數(shù)量增加其利用率呈先升后降趨勢(shì)，場(chǎng)橋1利用率在配置10輛集卡時(shí)達(dá)到最高，場(chǎng)橋2、場(chǎng)橋3利用率在配置8輛集卡時(shí)達(dá)到最高。由于配置10輛集卡時(shí)場(chǎng)橋2、場(chǎng)橋3的利用率與最高利用率無顯著差異，而此時(shí)其他機(jī)械可以達(dá)到較高的利用率，因此配置10輛集卡較為合理。

3 結(jié) 語

借助Flexsim仿真系統(tǒng)建立離散仿真模型是對(duì)集裝箱碼頭裝卸工藝進(jìn)行優(yōu)化的重要手段之一。針對(duì)某集裝箱碼頭的實(shí)際作業(yè)情況，F(xiàn)lexsim仿真船舶從進(jìn)入港區(qū)航道至集裝箱運(yùn)出港口的整個(gè)作業(yè)流程，將不同類型的集裝箱在堆場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)堆存，對(duì)仿真系統(tǒng)中各個(gè)實(shí)體進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，使得仿真結(jié)果更具合理性，可為港口管理者提供相應(yīng)的決策支撐。