張 凱 武 彬 張 煜 尹 星

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300450 2武漢理工大學(xué)交通與物流學(xué)院 武漢 430063 3武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院 韶關(guān) 512000

0 引言

近年來，國際貿(mào)易量逐年增加，一些大型港口為提高集裝箱吞吐量，開始建設(shè)作業(yè)效率更高、人工成本更低的自動化集裝箱碼頭。在自動化集裝箱碼頭裝卸及水平運輸作業(yè)過程中，碼頭鎖站是保障集裝箱運輸效率的重要環(huán)節(jié)，也是影響自動化碼頭作業(yè)效率的關(guān)鍵設(shè)備。高效合理的鎖站調(diào)度方法對提高碼頭水平運輸效率和綜合運營水平有著至關(guān)重要的作用。

目前，研究人員針對自動化碼頭設(shè)備管理及整體布局方面做了大量研究，宓為建等[1]提出一種帶梭車的自動化集裝箱碼頭，并對傳統(tǒng)無梭車系統(tǒng)和新型有梭車系統(tǒng)的作業(yè)性能進行仿真分析，研究表明使用梭車可降低卸船作業(yè)能耗，減少翻箱次數(shù)，提高碼頭作業(yè)效率；劉廣紅等[2]對10種自動化碼頭總體布局模式進行了綜合分析，為自動化碼頭的布局設(shè)計提供參考；張連鋼等[3]對自動化碼頭的平面布局進行研究，根據(jù)碼頭吞吐量和作業(yè)要求確定碼頭前沿作業(yè)區(qū)、AGV運行區(qū)的區(qū)域劃分及設(shè)備配置，為自動化集裝箱碼頭的設(shè)計和建設(shè)提供參照方案。

除此之外，國內(nèi)外許多學(xué)者針對集裝箱港口水平運輸設(shè)備的調(diào)度和配置進行了深入研究。陳歡等[4]運用離散事件建模方法，通過AnyLogic軟件建立了集裝箱堆場仿真調(diào)度模型，設(shè)計了基于貪婪算法的場橋調(diào)度算法；沙梅[5]運用離散事件系統(tǒng)仿真方法對集裝箱碼頭的新型工藝系統(tǒng)進行模擬，通過專家評價、合理性檢驗等手段，驗證了該碼頭工藝的合理性；Zhang Q L等[6]構(gòu)建了帶雙緩沖區(qū)的起重機、ASC和AGV碼頭協(xié)同調(diào)度模型，結(jié)果表明帶緩沖區(qū)的碼頭模型可使AGV的平均等待時間較傳統(tǒng)碼頭減少4%，為自動化集裝箱碼頭建設(shè)提供了借鑒。

現(xiàn)有文獻對自動化集裝箱碼頭作業(yè)設(shè)備的研究多集中于輪胎式集裝箱起重機、AGV的作業(yè)流程和調(diào)度計劃等方面，而缺少對碼頭鎖站調(diào)度策略的研究。傳統(tǒng)的集裝箱碼頭仍采取鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調(diào)度策略，該策略會導(dǎo)致鎖站及緩沖區(qū)利用率較低、鎖站作業(yè)區(qū)域容易出現(xiàn)擁堵問題，嚴重影響港口作業(yè)效率。隨著碼頭集裝箱吞吐量的增加，傳統(tǒng)鎖站調(diào)度方法嚴重制約碼頭水平運輸效率。因此，為解決碼頭解掛鎖作業(yè)區(qū)域的擁堵問題，提高港區(qū)水平運輸效率，本文結(jié)合一種新型水平輸送車輛（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART），設(shè)計了一種考慮ART前后置緩沖區(qū)的地面鎖站動態(tài)調(diào)度方法。

本文在分析自動化集裝箱碼頭鎖站解掛鎖工藝流程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AnyLogic軟件構(gòu)建考慮前后緩沖區(qū)的鎖站動態(tài)調(diào)度模型，通過對比鎖站傳統(tǒng)調(diào)度方案與動態(tài)調(diào)度方案的輸出結(jié)果，為決策者提供參考。

1 問題描述

1.1 鎖站作業(yè)流程

如圖1所示，自動化集裝箱碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)主要由ART地面鎖站、前置緩沖區(qū)(QPB)和后置緩沖區(qū)(HPB)等組成。在該系統(tǒng)中，地面鎖站位于艙蓋區(qū)下方，4個可移動解鎖島組成一座鎖站，可用于一輛ART進行解掛鎖作業(yè)。前緩沖區(qū)用于ART在進鎖站之前調(diào)整裝船順序或等待空閑鎖站，ART解掛鎖作業(yè)完成后在后緩沖區(qū)調(diào)整裝船次序。鎖站作業(yè)流程為：ART裝載集裝箱前往對應(yīng)鎖站的前緩沖區(qū)等待，待鎖站空閑時，ART進入鎖站完成解鎖/掛鎖作業(yè)，隨后進入后緩沖區(qū)排隊前往堆場前沿指定裝卸點。

1.2 鎖站調(diào)度策略

針對自動化集裝箱碼頭的鎖站調(diào)度策略研究較少，鎖站傳統(tǒng)調(diào)度策略是鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調(diào)度，即假設(shè)船舶左舷靠泊，橋下的交通流向為船尾進船頭出，解鎖站從左到右依次為1號、2號、3號，2號解鎖站的QPB位于1號鎖站的下方，3號解鎖站的QPB位于2號的下方，1號解鎖站的QPB位于ART進入1號解鎖站之前的道路上。

由于這種鎖站與緩沖區(qū)一對一的策略易使ART擁堵，不利于提高碼頭作業(yè)效率，為了提高自動化港口的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益，應(yīng)設(shè)計一種新的鎖站調(diào)度策略，實現(xiàn)鎖站與緩沖區(qū)的靈活匹配。

2 地面鎖站動態(tài)調(diào)度仿真

考慮前后緩沖區(qū)的岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)是一個典型的離散事件物流系統(tǒng)[7]，AnyLogic仿真軟件[8]是一款應(yīng)用廣泛的、對離散事件系統(tǒng)及混合系統(tǒng)建模和仿真的工具。本文應(yīng)用AnyLogic軟件構(gòu)建自動化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計鎖站與緩沖區(qū)多對多的動態(tài)調(diào)度策略，與鎖站、緩沖區(qū)進行一對一靜態(tài)調(diào)度策略對比。在輸入基本參數(shù)一定的條件下，分析不同緩沖區(qū)及鎖站調(diào)度策略對碼頭作業(yè)的影響。

自動化碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)流程復(fù)雜，為降低仿真模型的復(fù)雜度，重點分析不同鎖站調(diào)度策略對碼頭作業(yè)的影響，對鎖站各設(shè)備實體及作業(yè)流程進行合理簡化。分析考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)各要素特點及作業(yè)流程，選擇表1所示系統(tǒng)主要仿真單元，建立圖2所示仿真模型，仿真流程見圖3。

圖3 仿真流程圖

表1 仿真模型采用的主要仿真單元

1）裝卸船仿真 岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）采用Source模塊生成待處理集裝箱，待處理集裝箱產(chǎn)生后使用模塊Seize獲取岸橋資源，隨后采用資源池ResourcePool模塊對岸橋資源屬性進行控制。采用延遲模塊 Delay 模擬岸橋裝卸船作業(yè)過程，岸橋單次作業(yè)時間分布根據(jù)歷史作業(yè)數(shù)據(jù)確定。

2）鎖站選擇策略仿真 采用函數(shù)Function單元編寫鎖站調(diào)度策略，函數(shù)返回值為鎖站及緩沖區(qū)序號。在鎖站及緩沖區(qū)靜態(tài)調(diào)度策略中，鎖站與緩沖區(qū)（Queue）一一對應(yīng)，ART分配鎖站后即前往鎖站對應(yīng)前緩沖區(qū)等待（Delay），遵循先到先服務(wù)（FCFS）原則。在鎖站動態(tài)調(diào)度策略中，鎖站與緩沖區(qū)解耦，對ART進行2輪調(diào)度，第1輪中根據(jù)緩沖區(qū)隊列長度選擇隊列最短的緩沖區(qū)分配給當前ART；第2輪根據(jù)鎖站作業(yè)狀態(tài)動態(tài)變化情況選擇鎖站。

3）ART作業(yè)仿真 采用MoveTo模塊控制ART運動，ART在到達緩沖區(qū)前調(diào)用函數(shù)Function1（選擇排隊數(shù)量雖少的前緩沖區(qū)）分配前緩沖區(qū)，到達前緩沖區(qū)（Queue）后在出口調(diào)用Function2（選擇最早空閑的鎖站）分配鎖站，根據(jù)函數(shù)返回值前往對應(yīng)鎖站進行解鎖作業(yè)，解鎖過程采用延遲Delay模塊進行模擬。

3 實驗與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

在對自動化碼頭岸邊鎖站作業(yè)系統(tǒng)及其設(shè)備配置與相關(guān)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)模型，模型輸入?yún)?shù)包括岸線長度等系統(tǒng)配置相關(guān)參數(shù)及主要設(shè)備運行參數(shù)，系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

以1艘10萬t船舶作業(yè)為例，仿真時長為3 h。為分析不同鎖站調(diào)度策略對自動化碼頭鎖站系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計仿真輸出參數(shù)包括系統(tǒng)作業(yè)效率、鎖站及ART利用率、緩沖區(qū)排隊長度及單個作業(yè)平均用時。

仿真系統(tǒng)顯示鎖站系統(tǒng)作業(yè)流暢，能反應(yīng)碼頭鎖站系統(tǒng)作業(yè)動態(tài)過程，作業(yè)到達時間分布及單次解鎖作業(yè)時間與實際作業(yè)情況大致相符，檢驗分析表明所建模型滿足鎖站系統(tǒng)仿真邏輯及參數(shù)，可供后續(xù)不同調(diào)度方案的仿真分析。

3.2 仿真實驗分析

為了對比分析自動化碼頭鎖站系統(tǒng)不同調(diào)度方案對系統(tǒng)作業(yè)性能的影響，設(shè)計2組方案：方案A為鎖站與緩沖區(qū)一對一的靜態(tài)調(diào)度策略；方案B為鎖站與緩沖區(qū)多對多的動態(tài)調(diào)度策略。在方案B中，根據(jù)鎖站及緩沖區(qū)實時作業(yè)情況對鎖站進行動態(tài)調(diào)度，動態(tài)調(diào)度具體流程如圖4所示。根據(jù)當前各緩沖區(qū)排隊情況，將排隊長度最小的前緩沖區(qū)分配給當前ART，ART到達緩沖區(qū)后選擇最早空閑的鎖站進行解鎖作業(yè)，實現(xiàn)緩沖區(qū)與鎖站的解耦。

圖4 動態(tài)調(diào)度流程圖

設(shè)置仿真時長為3 h，運行仿真模型的實驗結(jié)果如表3所示。其中，單次作業(yè)用時為集裝箱解鎖完成離開系統(tǒng)時間與進入鎖站系統(tǒng)時間的差值。由表3可知，動態(tài)調(diào)度策略下的系統(tǒng)性能指標均優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度策略，每小時作業(yè)效率提高約9.7%，單次作業(yè)平均用時降低約22.9%，提高了鎖站系統(tǒng)的作業(yè)能力。

表3 策略對比實驗結(jié)果

在相同參數(shù)及設(shè)備配置條件下，2種策略的鎖站及ART利用率如圖5所示。當鎖站及ART數(shù)量相同時，動態(tài)調(diào)度策略下鎖站利用率提高約11.9%，ART利用率提高約12.4%。系統(tǒng)穩(wěn)定后動態(tài)調(diào)度策略下鎖站利用率維持在90%以上，ART利用率維持在60%以上，實現(xiàn)港口設(shè)備的充分利用，從而提高鎖站系統(tǒng)的作業(yè)效率。

圖5 設(shè)備利用率性能指標

進一步分析2種調(diào)度策略對緩沖區(qū)排隊情況的影響，結(jié)果如圖6所示。從圖中可知，在傳統(tǒng)調(diào)度策略下的各緩沖區(qū)負載差別較大，單個緩沖區(qū)前期排隊ART多會一直持續(xù)到作業(yè)結(jié)束，而其他緩沖區(qū)ART較少，導(dǎo)致鎖站利用率不平衡，ART等待時間過長。而動態(tài)調(diào)度策略下各緩沖區(qū)的排隊長度較傳統(tǒng)調(diào)度策略更加均衡，平均排隊長度不超過3輛ART，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實時作業(yè)情況進行動態(tài)調(diào)度，減輕鎖站作業(yè)區(qū)域的局部擁堵情況，均衡各緩沖區(qū)負載，從而降低單個作業(yè)平均處理時間。

圖6 緩沖區(qū)排隊長度性能指標

4 結(jié)論

本文在對自動化碼頭鎖站作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)流程分析的基礎(chǔ)上，提出了鎖站與緩沖區(qū)解耦的動態(tài)調(diào)度策略，并利用Anylogic構(gòu)建了鎖站系統(tǒng)仿真模型，分別采用傳統(tǒng)調(diào)度策略與動態(tài)調(diào)度策略對其進行了仿真分析。實驗表明：1）在相同設(shè)備配置及參數(shù)條件下，動態(tài)調(diào)度策略較傳統(tǒng)調(diào)度策略鎖站及ART利用率更高，從而提高鎖站系統(tǒng)的整體作業(yè)效率；2）動態(tài)調(diào)度策略能夠明顯縮短單個作業(yè)平均用時，減少ART在系統(tǒng)中的逗留時間；3）動態(tài)調(diào)度策略能夠根據(jù)設(shè)備實時作業(yè)情況進行調(diào)度，各緩沖區(qū)排隊長度更加均衡，從而減輕作業(yè)區(qū)域局部擁堵情況。