王帥

摘 要：自動(dòng)化集裝箱碼頭作為銜接水運(yùn)及其它運(yùn)輸方式的重要物流節(jié)點(diǎn)，迎合了我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)的需要，是未來(lái)碼頭發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文基于合理的假設(shè)條件和參數(shù)設(shè)置，利用Flexterm仿真軟件對(duì)不同的自動(dòng)化碼頭布局進(jìn)行裝卸作業(yè)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垂直式的碼頭布局形式能有效減少整體的作業(yè)時(shí)間和相關(guān)設(shè)施的空閑等待時(shí)間。

關(guān)鍵詞：Flexterm;仿真模擬;自動(dòng)化碼頭;裝卸作業(yè)

中圖分類號(hào)：U693? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0072-03

1 引言

隨著國(guó)際貿(mào)易和全球化的快速發(fā)展，各國(guó)間的聯(lián)系越來(lái)越緊密，港口在物流運(yùn)輸業(yè)中也占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。隨著碼頭貨物吞吐量的增加，船舶不斷朝著大型化、重型化發(fā)展，提高集裝箱碼頭的核心競(jìng)爭(zhēng)力尤為重要，對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭的需求也就應(yīng)時(shí)而生。

隨著信息化水平的提高，仿真模擬技術(shù)開始越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。楊斌等[1]在Flexsim中建立了以碼頭鐵路裝卸作業(yè)系統(tǒng)為對(duì)象的仿真模型，通過(guò)對(duì)比分析包括設(shè)備的利用率、作業(yè)效率等仿真結(jié)果，對(duì)碼頭的不同的系統(tǒng)配置方案進(jìn)行分析和優(yōu)化。陳天沛等[2]使用仿真軟件Flexterm建立了以國(guó)內(nèi)某個(gè)碼頭為背景的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了碼頭各環(huán)節(jié)的銜接合作，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析驗(yàn)證了碼頭設(shè)計(jì)的合理性。孫洪運(yùn)等[3]利用Flexsim CT仿真軟件建立了仿真模型，對(duì)集卡在作業(yè)線和作業(yè)面兩種作業(yè)模式下的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)其進(jìn)行了定性和定量?jī)煞N方法的分析和研究，證明了作業(yè)面模式是更優(yōu)的選擇。張程[4]結(jié)合仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)分析得出的優(yōu)化的資源配置結(jié)果能夠有效地提高碼頭的裝卸設(shè)備作業(yè)效率，為碼頭的經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行決策時(shí)提供支持，降低碼頭的經(jīng)營(yíng)成本。侯東亮[5]在Flexsim中建立了以某碼頭為參考的碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模擬，通過(guò)仿真給出了裝卸設(shè)備之間的關(guān)系，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

本文以國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化碼頭為參考，基于Flexterm仿真軟件設(shè)置相關(guān)的參數(shù)建立模型，對(duì)兩種布局形式的碼頭進(jìn)行基于作業(yè)面的仿真模擬，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，證明布局對(duì)碼頭作業(yè)效率的影響。

2 碼頭裝卸作業(yè)分析

2.1 碼頭布局形式

自動(dòng)化集裝箱碼頭有兩種布局形式——水平布局以及垂直布局。目前國(guó)內(nèi)外大部分的自動(dòng)化碼頭采用的都是堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線的方式，例如青島港和洋山港四期碼頭，位于廈門的遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭采用的則是水平式布局。

如圖1所示，（a）為采用堆場(chǎng)箱區(qū)平行于岸線的碼頭布局形式，水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸集裝箱任務(wù)時(shí)必須按照指定的路徑才能完成集裝箱的運(yùn)輸。每次運(yùn)輸都會(huì)經(jīng)過(guò)A區(qū)域，極易造成該區(qū)域的擁堵，且若要運(yùn)行至最后面的堆場(chǎng)箱區(qū)需要經(jīng)過(guò)的路程最長(zhǎng)，水平運(yùn)輸設(shè)備的能耗將會(huì)增加，完成任務(wù)的時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)，造成裝卸效率的低下。（b）為采取堆場(chǎng)垂直于岸線的布局形式，堆場(chǎng)箱區(qū)位于岸橋與后方交換區(qū)之間，海岸線與每個(gè)堆場(chǎng)箱區(qū)的垂直距離都是相同的，水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行集裝箱任務(wù)運(yùn)輸時(shí)的行走路徑較短，相對(duì)來(lái)說(shuō)路徑重疊的部分較少，不容易造成大范圍的擁堵，也有利于減少能耗，提高碼頭的作業(yè)效率。

自動(dòng)化碼頭的具體布局形式首先應(yīng)當(dāng)滿足碼頭的吞吐量并對(duì)不同分區(qū)進(jìn)行細(xì)致的分解規(guī)劃;其次，應(yīng)當(dāng)根據(jù)碼頭所在的地形等，并結(jié)合船舶作業(yè)的類型、當(dāng)?shù)刂饕M(jìn)口貨物特點(diǎn)以及集疏運(yùn)的特點(diǎn)等情況進(jìn)行綜合考慮。最終的設(shè)計(jì)布局需要留下余地，以便在未來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 AGV作業(yè)模式

自動(dòng)化碼頭AGV的調(diào)度作業(yè)就是為岸橋從作業(yè)船舶上卸下的集裝箱任務(wù)運(yùn)送至場(chǎng)橋處以及將場(chǎng)橋從出口箱區(qū)吊起的集裝箱任務(wù)運(yùn)送至岸橋作業(yè)處這兩種作業(yè)的運(yùn)輸提供最合理的任務(wù)分配調(diào)度。AGV的作業(yè)調(diào)度模式根據(jù)多臺(tái)岸橋同時(shí)作業(yè)時(shí)是否同時(shí)共享所有的水平運(yùn)輸設(shè)備可分為獨(dú)立調(diào)度以及資源池共享調(diào)度，即“作業(yè)線”和“作業(yè)面”者兩種調(diào)度模式。

集裝箱碼頭在進(jìn)行裝卸任務(wù)作業(yè)時(shí)，通常采用的是“作業(yè)線”的調(diào)度模式，即每臺(tái)岸橋都配有幾輛固定服務(wù)于它的AGV，通常配置的比例為1：4到1：6之間。對(duì)于這些AGV來(lái)說(shuō)，它們是固定的服務(wù)于這臺(tái)岸橋的，在這臺(tái)岸橋的任務(wù)沒有全部完成之前，它們是無(wú)法重新分配給其他岸橋的，即無(wú)法接受其他岸橋分配的任務(wù)。這種調(diào)度模式下，雖然能有效地減少岸橋等待時(shí)間，但極易導(dǎo)致AGV的空載等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成水平運(yùn)輸設(shè)備資源的浪費(fèi)。

現(xiàn)在很多港口也開始采用“作業(yè)面”的調(diào)度模式，在該模式下，AGV不再固定的服務(wù)于某一臺(tái)岸橋，而是將AGV們作為一個(gè)資源池中的資源，由一些岸橋共享。AGV的作業(yè)區(qū)域不再將某一個(gè)岸橋作為固定的起點(diǎn)，而是一定位置范圍內(nèi)所有的作業(yè)線構(gòu)成了整個(gè)作業(yè)面，每一輛AGV可以響應(yīng)作業(yè)面內(nèi)任意一臺(tái)岸橋的任務(wù)需求，在完成某臺(tái)岸橋分配的任務(wù)之后可以被指派接受作業(yè)面內(nèi)任意一臺(tái)岸橋的任務(wù)分配?！白鳂I(yè)面”模式在一定程度上優(yōu)化了碼頭的資源配置，減少了AGV的空載等待時(shí)間，提高了自動(dòng)化碼頭的作業(yè)效率。

在自動(dòng)化碼頭中，AGV的任務(wù)調(diào)度過(guò)程直接影響著整個(gè)碼頭的作業(yè)效率，是碼頭裝卸作業(yè)系統(tǒng)中最重要的組成部分，其作業(yè)過(guò)程受到岸橋與場(chǎng)橋調(diào)度作業(yè)的約束，主要是岸橋裝卸作業(yè)船舶的作業(yè)約束。采用作業(yè)面模式進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，對(duì)AGV的調(diào)度進(jìn)行合理規(guī)劃，能夠使其更加有序、高效地作業(yè)。

3 仿真建模

3.1 軟件介紹

Flexterm是一款可以用于港口或集裝箱碼頭仿真的模擬仿真軟件工具，通過(guò)拖放各類實(shí)體設(shè)施并設(shè)置各類參數(shù)，例如裝卸集裝箱的數(shù)量、裝卸的堆場(chǎng)和場(chǎng)橋參數(shù)、集裝箱的規(guī)格參數(shù)等來(lái)建成3D集裝箱碼頭仿真環(huán)境，每次進(jìn)行仿真都可以通過(guò)3D動(dòng)畫運(yùn)行、統(tǒng)計(jì)報(bào)表及圖表來(lái)進(jìn)行相關(guān)的分析，利用Flexterm可以在實(shí)際應(yīng)用之前先進(jìn)行仿真模擬，能夠更有效地預(yù)測(cè)和控制碼頭的實(shí)際操作過(guò)程。

3.2 建模過(guò)程

本文的自動(dòng)化碼頭仿真模型主要是以從靠泊船舶到堆場(chǎng)之間的裝卸作業(yè)開展的，在Flexterm中主要需要對(duì)船舶泊位計(jì)劃、堆場(chǎng)計(jì)劃以及運(yùn)輸車輛進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，其作業(yè)過(guò)程可簡(jiǎn)單的描述為：船舶到港后，對(duì)其進(jìn)行裝卸作業(yè)，將進(jìn)口集裝箱從船舶上運(yùn)至進(jìn)口堆場(chǎng)，將出口集裝箱從出口堆場(chǎng)運(yùn)送至靠港船舶上。垂直式布局和水平式布局分別參考青島港以及廈門港，垂直式布局示例圖如圖4所示：

自動(dòng)化碼頭的三維模型實(shí)體擺放完成后，還需要對(duì)泊位計(jì)劃、堆場(chǎng)計(jì)劃以及AGV等其他參與仿真的實(shí)體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置來(lái)保障模型能夠順利運(yùn)行，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示：

4 結(jié)果分析

以垂直式布局的仿真模型為例，進(jìn)口集裝箱服從（200，310）隨機(jī)分布，出口集裝箱服從（160，260）隨機(jī)分布。在運(yùn)行過(guò)程中，選擇岸橋以及AGV這兩類實(shí)體進(jìn)行分析，分析的結(jié)果如圖5所示：

從圖中可以看出岸橋1等待AGV的時(shí)間占總時(shí)長(zhǎng)的25.9%;岸橋2等待AGV的時(shí)間占總時(shí)長(zhǎng)的30.8%。由此可以看出岸橋的空閑以及等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成了岸橋資源的浪費(fèi)。從AGV的分析情況來(lái)看，幾乎所有AGV等待作業(yè)集裝箱的時(shí)間都在40%以上，造成了AGV等待及空載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，利用率嚴(yán)重不足。在模型運(yùn)行過(guò)程中可以看出，岸橋空閑等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的主要原因是AGV在另一岸橋或在場(chǎng)橋處等待作業(yè)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致某一岸橋在提取集裝箱后等待AGV作業(yè)的時(shí)間延長(zhǎng)。

兩種布局形式的仿真模擬結(jié)果數(shù)據(jù)如下表所示：

由表2數(shù)據(jù)可知，垂直式的布局形式完工時(shí)間小于水平式布局的完工時(shí)間，垂直式布局的AGV的整體利用率即AGV的重載率大于水平式布局，垂直式布局的岸橋等待率小于水平式布局的岸橋等待率。由這三個(gè)指標(biāo)來(lái)看，垂直式布局的碼頭優(yōu)于水平式布局的碼頭。

5 結(jié)論

本文以Flexterm仿真模擬軟件為平臺(tái)，建立了從靠泊船舶到堆場(chǎng)區(qū)域的仿真模型，以青島港和廈門遠(yuǎn)海的自動(dòng)化碼頭布局為參考，通過(guò)對(duì)兩種不同布局形式的碼頭的多次仿真以及對(duì)相關(guān)實(shí)體的分析對(duì)比，證明了垂直式布局的自動(dòng)化碼頭優(yōu)于水平式布局的自動(dòng)化碼頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊斌，胡繼龍，林意斐.基于FlexSim的集裝箱碼頭鐵路裝卸線建模與仿真分析[J].港口裝卸，2020（01）：6-9.

[2]陳天沛，劉慶輝，彭駿駿.基于FlexTerm軟件的集裝箱碼頭仿真試驗(yàn)[J].水運(yùn)工程，2019（09）：176-180+226.

[3]孫洪運(yùn)，郭姝娟，鄭彭軍.基于Flexsim CT的集裝箱碼頭集卡作業(yè)模式比較仿真研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2019，32（01）：104-108.

[4]張程，樂婉.基于Flexsim的集裝箱碼頭裝卸仿真[J].水運(yùn)管理，2018，40（08）：15-18+25.

[5]侯東亮.基于Flexsim的集裝箱碼頭物流作業(yè)系統(tǒng)建模與仿真[J].物流科技，2016，39（12）：70-72.