孫金余

上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)物流作業(yè)系統(tǒng)，有效地提高資源配置效率和作業(yè)能力，是目前自動化集裝箱碼頭急需要解決的問題。利用仿真技術(shù)模擬自動化集裝箱碼頭物流系統(tǒng)運(yùn)行，為自動化集裝箱碼頭物流作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化提供決策依據(jù)是一個重要課題。結(jié)合某自動化碼頭裝卸設(shè)備特點(diǎn)，研發(fā)了TOS(Terminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))指令調(diào)度架構(gòu)平臺，通過設(shè)備調(diào)度模塊與協(xié)同過程控制系統(tǒng)，高效率地組織碼頭現(xiàn)場生產(chǎn)[1]。

2 功能目標(biāo)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動化集裝箱碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真功能目標(biāo)

(1)實(shí)現(xiàn)TOS與仿真系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字化雙胞胎系統(tǒng)之間的快速、無縫對接。

(2)驗(yàn)證調(diào)度策略的有效性。對泊位計(jì)劃、作業(yè)路計(jì)劃、堆場作業(yè)計(jì)劃、堆場選位策略、岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)調(diào)度規(guī)則、堆場門式起重機(jī)(以下簡稱場橋)調(diào)度規(guī)則、AGV(Automated Guided Vechicle，自動化引導(dǎo)小車)調(diào)度規(guī)則等智能算法進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)作業(yè)調(diào)度實(shí)時優(yōu)化。

(3)預(yù)測在未來一段時間內(nèi)碼頭作業(yè)運(yùn)營設(shè)備狀態(tài)、船舶狀態(tài)、堆場狀態(tài)、泊位狀態(tài)等的變化，同時驗(yàn)證碼頭整體作業(yè)運(yùn)營方案的合理性及效果。

2.2 自動化集裝箱碼頭運(yùn)營仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接。TOS中數(shù)據(jù)需要經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、歸并、擬合等一系列加工才能導(dǎo)入仿真系統(tǒng)中使用。因此，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接是保證實(shí)際作業(yè)過程快速、高效、準(zhǔn)確的基本條件。

(2)仿真系統(tǒng)模擬作業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。要構(gòu)建包含更多作業(yè)細(xì)節(jié)的仿真模型，并反復(fù)測試、多次迭代仿真模型，同時，也要構(gòu)建指標(biāo)體系評價(jià)仿真系統(tǒng)，確保仿真系統(tǒng)真實(shí)地模擬作業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)。

(3)仿真系統(tǒng)適應(yīng)碼頭外部環(huán)境變化的柔性。集裝箱碼頭外部環(huán)境復(fù)雜多變，受天氣、季節(jié)、政策、經(jīng)濟(jì)等多種因素影響，要求仿真必須具備不同情景下快速仿真評估的能力。

(4)仿真系統(tǒng)與優(yōu)化算法集成開發(fā)。仿真本質(zhì)上是一種評估模式，作業(yè)運(yùn)營需要持續(xù)地對計(jì)劃、調(diào)度、流程、工藝進(jìn)行優(yōu)化。因此，仿真系統(tǒng)需要具備在仿真過程中進(jìn)行優(yōu)化的能力。

3 仿真系統(tǒng)開發(fā)

3.1 整體研發(fā)框架設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有硬件設(shè)施和作業(yè)運(yùn)營狀況，將TOS中各種運(yùn)營數(shù)據(jù)、設(shè)備信息導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，形成作業(yè)運(yùn)營數(shù)字孿生系統(tǒng)，進(jìn)行碼頭智能計(jì)劃與調(diào)度仿真，業(yè)務(wù)流程及信息系統(tǒng)的驗(yàn)證、測試與預(yù)測。依據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)、調(diào)度策略等信息，經(jīng)過多次迭代，實(shí)現(xiàn)碼頭作業(yè)運(yùn)營調(diào)度策略優(yōu)化。仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 超大型自動化集裝箱碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 碼頭作業(yè)運(yùn)營復(fù)雜仿真系統(tǒng)建模

自動化集裝箱碼頭設(shè)備多樣、流程復(fù)雜，碼頭作業(yè)運(yùn)營具有連續(xù)性、協(xié)作性和生產(chǎn)任務(wù)不平衡的特點(diǎn)。因此，需要綜合考慮碼頭內(nèi)泊位分配計(jì)劃、岸橋調(diào)度計(jì)劃、AGV調(diào)度計(jì)劃、場橋調(diào)度計(jì)劃，以及船舶配載、箱位分配等多種流程的集成調(diào)度，構(gòu)建仿真優(yōu)化模型平衡各個流程的調(diào)度作業(yè)，實(shí)現(xiàn)整個碼頭的調(diào)度作業(yè)優(yōu)化。

自動化集裝箱碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真建模涵蓋碼頭物流系統(tǒng)運(yùn)營環(huán)節(jié)的各個方面，包括碼頭泊位子系統(tǒng)、碼頭閘口子系統(tǒng)、碼頭交通集疏運(yùn)子系統(tǒng)、碼頭堆場子系統(tǒng)等[2]。

碼頭泊位系統(tǒng)分別采用分層建模方法、對象建模方法及Petri網(wǎng)建模方法建立模型，然后基于Witness仿真平臺進(jìn)行模擬。閘口運(yùn)營系統(tǒng)基于Flexsim建立模型，對閘口資源進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)均衡合理利用閘口通道資源和堆場內(nèi)裝卸資源的目標(biāo)。依據(jù)自動化集裝箱碼頭隨機(jī)性特征，利用EM-Plant建立港口集疏運(yùn)模型，結(jié)合碼頭裝卸工藝和運(yùn)營流程，在仿真環(huán)境下分析區(qū)域道路網(wǎng)交通流量與港口集疏運(yùn)之間的關(guān)系影響。

3.3 仿真系統(tǒng)開發(fā)

碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真系統(tǒng)開發(fā)包括集裝箱碼頭計(jì)劃、調(diào)度驗(yàn)證與優(yōu)化、設(shè)備投入與作業(yè)預(yù)測等，全方位涵蓋作業(yè)運(yùn)營環(huán)節(jié)。

在碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真邏輯模型的設(shè)計(jì)方面，還需要建立具有層次的對象模型，如前方碼頭作業(yè)系統(tǒng)、水平輸送系統(tǒng)、堆場系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)的層次模型，建立各層次子系統(tǒng)的對象模型；根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，將系統(tǒng)和子系統(tǒng)內(nèi)的事件列表，建立事件之間的關(guān)系表；根據(jù)已建立的各層次子系統(tǒng)的對象模型及其系統(tǒng)內(nèi)部事件之間的關(guān)系表，建立該對象的動態(tài)模型，寫出每個事件發(fā)生的前提條件和后繼條件。

為了解決碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真系統(tǒng)的接口開發(fā)與數(shù)據(jù)采集，需要連接TOS和相關(guān)的VMS(Vechicle Management System，車隊(duì)調(diào)度系統(tǒng))等系統(tǒng)，獲取集裝箱碼頭生產(chǎn)數(shù)據(jù)與計(jì)劃調(diào)度信息，并對這些獲得的碼頭作業(yè)動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得到反映碼頭作業(yè)運(yùn)營的隨機(jī)動態(tài)變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為系統(tǒng)仿真提供可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。

對于碼頭作業(yè)運(yùn)營評價(jià)體系的構(gòu)建，基于集裝箱碼頭業(yè)務(wù)特點(diǎn)與仿真目標(biāo)，構(gòu)建針對不同業(yè)務(wù)的分類仿真評價(jià)體系。

4 結(jié)語

該仿真系統(tǒng)解決了仿真系統(tǒng)與TOS的高效無縫連接、模擬作業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、仿真系統(tǒng)適應(yīng)碼頭外部環(huán)境變化的柔性以及優(yōu)化算法集成開發(fā)等難點(diǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)對自動化集裝箱碼頭整體作業(yè)運(yùn)營優(yōu)化具有實(shí)用性與有效性，可為自動化集裝箱碼頭作業(yè)運(yùn)營仿真提供參考。