武 彬，張 凱，張 煜，楊彩云

(1.天津港第二集裝箱碼頭有限公司，天津 300461；2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院，廣東 韶關(guān) 512100)

近年來(lái)，集裝箱碼頭作業(yè)設(shè)備的智能化和柔性化程度不斷提高，碼頭的建設(shè)和發(fā)展需要適應(yīng)集裝箱船舶大型化、高效率、節(jié)能環(huán)保等新要求。傳統(tǒng)集裝箱碼頭存在大量固定布置的作業(yè)設(shè)備，設(shè)備綜合利用率較低，嚴(yán)重制約集裝箱裝卸及水平運(yùn)輸效率。自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)能根據(jù)作業(yè)情況動(dòng)態(tài)布置各類設(shè)備，這樣才能加快集裝箱進(jìn)出港流程，提高港口整體作業(yè)效率。

在以往的文獻(xiàn)中包含了大量關(guān)于自動(dòng)化碼頭總體布局的研究，如周鵬飛等[1]建立一種高架軌道式自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)仿真模型，改進(jìn)了自動(dòng)化集裝碼頭的裝卸工藝，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的船舶裝卸時(shí)間縮短約6%，節(jié)約了碼頭資源；高延輝等[2]提出一種水平布置的雙回字形碼頭工藝布局，具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，為自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝的發(fā)展提供了新思路；Roy等[3]首次嘗試建立考慮碼頭、運(yùn)輸工具和堆場(chǎng)的集裝箱碼頭集成模型，通過仿真試驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)與真實(shí)碼頭數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的有效性。

除此之外，研究人員在自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的配置和調(diào)度方面也進(jìn)行了深入研究，如秦悅[4]基于離散事件系統(tǒng)規(guī)范(discrete event system specifications，DEVS)構(gòu)建集裝箱碼頭裝卸作業(yè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過將仿真試驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際碼頭數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的正確性和有效性；陳歡[5]利用AnyLogic軟件建立場(chǎng)橋作業(yè)調(diào)度的仿真模型，并設(shè)計(jì)3種基于貪婪算法的場(chǎng)橋調(diào)度算法求解該模型，得出了合理場(chǎng)橋利用率下須配置的場(chǎng)橋數(shù)量，對(duì)實(shí)際作業(yè)有良好的指導(dǎo)作用；劉廣紅等[6]針對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭提出一種碼頭前方中轉(zhuǎn)平臺(tái)的布置方案，能夠很好地解決岸橋和自動(dòng)導(dǎo)引車(automated guided vehicle，AGV)之間作業(yè)的耦合和拆裝集裝箱鎖銷問題。

通過以上研究可知，對(duì)于集裝箱港口的研究大多集中在場(chǎng)橋、岸橋等大型設(shè)備的調(diào)度和配置上，對(duì)于地面鎖站及其緩沖區(qū)智能配置的研究較少。在傳統(tǒng)的岸邊集裝箱裝卸船流程中，每臺(tái)岸橋下配備固定數(shù)量的鎖站，負(fù)責(zé)對(duì)集卡上等待裝船的集裝箱安裝連接鎖，或者對(duì)剛卸下船的集裝箱進(jìn)行連接鎖拆卸作業(yè)。在實(shí)際工作中，隨著集裝箱裝卸量的增加，傳統(tǒng)固定布置方案無(wú)法適應(yīng)船舶尺寸差異，造成鎖站負(fù)載過高或過低，損耗的時(shí)間成本也相應(yīng)增加，降低生產(chǎn)效率。為提高集裝箱碼頭裝卸船效率及設(shè)備利用率，需要定義并開發(fā)一種考慮前置和后置緩沖區(qū)的地面鎖站動(dòng)態(tài)布置方案。

本文在分析自動(dòng)化碼頭集裝箱鎖站解掛鎖工藝流程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AnyLogic軟件構(gòu)建考慮前后緩沖的地面鎖站動(dòng)態(tài)布置仿真模型，通過對(duì)傳統(tǒng)布置方案與動(dòng)態(tài)布置方案的輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為相關(guān)決策提供建議。

1 考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站動(dòng)態(tài)布置方法

自動(dòng)化碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)如圖1所示，主要包括地面鎖站、前置緩沖區(qū)、后置緩沖區(qū)。

圖1 自動(dòng)化碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，地面鎖站位于艙蓋區(qū)下方，鎖站與艙蓋擺放區(qū)之間有一條寬3.5 m的通道，用于操作員和擺放鎖盒子的叉車穿行。鎖站由4個(gè)可移動(dòng)解鎖島組成，可以停放一輛智能運(yùn)輸機(jī)器人(artificial intelligence robot of transportation，ART)進(jìn)行解掛鎖作業(yè)，兩座鎖站之間規(guī)定間隔55 m，鎖站長(zhǎng)度為20 m，船首與首鎖站的間隔、船尾與尾鎖站的間隔均為35 m；前緩沖區(qū)用于ART在進(jìn)鎖站之前調(diào)整裝船次序或等待空閑鎖站，當(dāng)前解鎖站的前緩沖區(qū)位于船首方向(進(jìn)鎖站反方向)的上一個(gè)鎖站緩沖區(qū)下方，船首方向第一個(gè)鎖站的前緩沖區(qū)位于掉頭前的位置；后緩沖區(qū)用于在鎖站后調(diào)整裝船次序，此時(shí)已經(jīng)完成解掛鎖，等待進(jìn)入岸橋下作業(yè)等待位；當(dāng)前解鎖站的后緩沖區(qū)位于船尾方向(進(jìn)鎖站反方向)的后兩個(gè)鎖站緩沖區(qū)下方，船尾方向第一個(gè)鎖站的后緩沖區(qū)位于垂直岸線的艙蓋擺放區(qū)平行位置，位于ART駛往岸橋的道路上。

基于上述地面鎖站系統(tǒng)布局，岸邊集裝箱作業(yè)解鎖工藝流程如下：岸橋從船舶抓取集裝箱放于ART上→分配鎖站后載箱ART前往對(duì)應(yīng)鎖站前緩沖區(qū)→鎖站空閑后ART進(jìn)入鎖站完成解鎖作業(yè)→解鎖作業(yè)完成后進(jìn)入后緩沖區(qū)。在掛鎖作業(yè)中，ART在堆場(chǎng)取箱后，前往鎖站區(qū)進(jìn)行掛鎖作業(yè)，作業(yè)完成后進(jìn)入岸橋區(qū)域，岸橋從ART抓取集裝箱放于船舶上。

根據(jù)前文所述的鎖站布局、解掛鎖工藝流程以及船型尺寸d，對(duì)鎖站數(shù)量m進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(1)

式中：a、b、c、d分別為鎖站規(guī)定間隔、鎖站長(zhǎng)度、船首尾與首尾鎖站間隔、船舶長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果向下取整。同時(shí)，設(shè)置鎖站布置數(shù)量滿足岸橋作業(yè)需求為最高優(yōu)先級(jí)，岸橋與鎖站數(shù)量大致滿足1.5:1的配置比例。

2 鎖站動(dòng)態(tài)布置仿真模型

考慮前后緩沖區(qū)的自動(dòng)化碼頭岸邊鎖站系統(tǒng)為一個(gè)典型的離散事件[7]物流系統(tǒng)，而AnyLogic[8]為一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形化仿真軟件平臺(tái)，對(duì)于解決大規(guī)模港口物流系統(tǒng)仿真問題具有很強(qiáng)的適用性。本文應(yīng)用Anylogic構(gòu)建考慮前后緩沖區(qū)的自動(dòng)化碼頭岸邊鎖站仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面鎖站動(dòng)態(tài)布置的模擬。在輸入的基本參數(shù)一定的情況下，設(shè)計(jì)2種方案并獲得不同方案下的輸出數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)分析考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

本文對(duì)比分析地面鎖站動(dòng)態(tài)布置方法與傳統(tǒng)的固定鎖站布置方法的作業(yè)性能，針對(duì)考慮前后緩沖區(qū)的的地面鎖站動(dòng)態(tài)布置系統(tǒng)各對(duì)象要素的特點(diǎn)對(duì)鎖站、各設(shè)備實(shí)體及作業(yè)流程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，選擇的主要仿真單元見表1；建立的仿真模型見圖2；仿真流程見圖3。

表1 仿真模型采用的主要仿真單元

圖2 仿真模型界面

圖3 仿真流程

主要仿真事件實(shí)現(xiàn)如下：

1)岸橋作業(yè)仿真。采用發(fā)生器source模塊，根據(jù)歷史作業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)定任務(wù)到達(dá)時(shí)間分布，采用資源池resource pool模塊設(shè)置岸橋數(shù)量及布置位置。任務(wù)產(chǎn)生后，從資源池列表中獲得空閑岸橋資源，采用時(shí)間延遲模塊delay對(duì)岸橋裝卸船作業(yè)過程進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，單個(gè)集裝箱作業(yè)完成后釋放岸橋資源，岸橋狀態(tài)由忙碌轉(zhuǎn)為空閑。

2)ART作業(yè)仿真。卸船任務(wù)產(chǎn)生后seize模塊抓取空閑ART到達(dá)岸橋進(jìn)行卸船作業(yè)，岸橋?qū)⒓b箱放置到ART上，采用setspeed函數(shù)對(duì)載箱ART速度進(jìn)行調(diào)整，移動(dòng)模塊move to控制ART在作業(yè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。分配鎖站后，ART載箱前往鎖站區(qū)域進(jìn)行解掛鎖作業(yè)。

3)解鎖作業(yè)仿真。在仿真面板中利用矩形節(jié)點(diǎn)node標(biāo)記緩沖區(qū)及鎖站位置，ART在分配鎖站后前往鎖站對(duì)應(yīng)前緩沖區(qū)。同樣采用資源池控制鎖站資源，若鎖站空閑則ART進(jìn)入鎖站進(jìn)行解鎖作業(yè)，若鎖站處于作業(yè)狀態(tài)則在前緩沖區(qū)等待，其中前緩沖區(qū)最大容量限制為4輛ART，設(shè)置隊(duì)列queue容量限制為4。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型基本參數(shù)

根據(jù)某20萬(wàn)噸級(jí)碼頭實(shí)際布局，岸線長(zhǎng)度1 100 m，布置3個(gè)順岸式泊位。以3艘船舶同時(shí)作業(yè)為仿真場(chǎng)景，其中2艘10萬(wàn)噸級(jí)船舶、1艘5萬(wàn)噸級(jí)船舶。

在傳統(tǒng)固定布置方案下，無(wú)論船型噸級(jí)，鎖站位置及數(shù)量均為固定值，沿岸線布置9個(gè)鎖站，每艘船分配3個(gè)鎖站。該固定布置方案不考慮船型尺寸，往往導(dǎo)致鎖站利用率不合理，且在大型船舶到港時(shí)易產(chǎn)生緩沖區(qū)擁堵情況。動(dòng)態(tài)布置方案則是根據(jù)到港船舶尺寸確定鎖站數(shù)量，從而均衡作業(yè)量與設(shè)備數(shù)量之間的關(guān)系。由地面鎖站動(dòng)態(tài)布置方法(式(1))計(jì)算各船分配鎖站數(shù)量及布置位置，可得2艘10萬(wàn)噸級(jí)船舶配備4個(gè)鎖站、5萬(wàn)噸級(jí)船舶配備3個(gè)鎖站。

系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備參數(shù)為：岸線長(zhǎng)度1 100 m，堆場(chǎng)縱深600 m，岸橋14臺(tái)，集卡60臺(tái)，岸橋單次作業(yè)時(shí)間3 min，場(chǎng)橋單次作業(yè)時(shí)間為102、144、216 s(三角分布)，ART最大、平均行駛速度分別為35、20 km/h，鎖站單次作業(yè)時(shí)間2.5 min。其中岸橋設(shè)備單次作業(yè)時(shí)間及車輛行駛速度根據(jù)歷史作業(yè)數(shù)據(jù)確定。

基于以上設(shè)備參數(shù)及布置方案，在仿真模型中2種方案均設(shè)置仿真時(shí)間為10 h，收集各項(xiàng)仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，具體包括：每小時(shí)完成集裝箱數(shù)量、鎖站及ART等設(shè)備占用率、鎖站前緩沖區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度。

3.2 仿真試驗(yàn)分析

為了分析不同鎖站布置方案對(duì)碼頭作業(yè)性能的影響，設(shè)計(jì)兩組方案：方案A為鎖站及緩沖區(qū)傳統(tǒng)固定布置方案，鎖站數(shù)量固定為9，沿岸線均勻分布；方案B則根據(jù)船型尺寸計(jì)算所需鎖站數(shù)量。設(shè)置仿真時(shí)間為3 h，為比較不同方案下碼頭作業(yè)性能，仿真輸出數(shù)據(jù)為每小時(shí)處理集裝箱數(shù)量、鎖站、ART設(shè)備占用率及鎖站緩沖區(qū)排隊(duì)長(zhǎng)度。2種鎖站布置方案的仿真結(jié)果見表2。

表2 兩種鎖站布置方案的仿真結(jié)果

由表2可看出，動(dòng)態(tài)布置方案較傳統(tǒng)固定布置方案在10萬(wàn)噸級(jí)船舶的鎖站布置數(shù)量上增加了1套；同時(shí)動(dòng)態(tài)布置方案較傳統(tǒng)固定布置方案的每小時(shí)完成集裝箱數(shù)提高了14.6%，顯著提升了碼頭的裝卸船作業(yè)效率。

傳統(tǒng)固定式布置方案和動(dòng)態(tài)布置方案下的鎖站占用率見圖4?？梢钥闯觯c傳統(tǒng)固定式布置方案相比，動(dòng)態(tài)布置方案的資源占用率略有下降，靜態(tài)布置方案鎖站占用率最高為71%，動(dòng)態(tài)鎖站布置方案鎖站占用率最高為65%，適當(dāng)降低了各鎖站的作業(yè)負(fù)載，同時(shí)提高碼頭解鎖作業(yè)能力。

圖4 鎖站占用率

傳統(tǒng)布置方案下鎖站緩沖區(qū)平均排隊(duì)長(zhǎng)度見圖5a)?？梢钥闯?，在傳統(tǒng)布置方案中，鎖站平均排隊(duì)長(zhǎng)度達(dá)到鎖站緩沖區(qū)容量限制(4輛ART)，表明傳統(tǒng)固定式布置下的鎖站配置數(shù)量不能滿足大型船舶的作業(yè)需求。動(dòng)態(tài)布置方案下鎖站緩沖區(qū)平均排隊(duì)長(zhǎng)度見圖5b)?？梢钥闯觯c傳統(tǒng)固定布置方案相比，鎖站平均排隊(duì)長(zhǎng)度降低80.3%，這是由于在動(dòng)態(tài)布置方案下，鎖站數(shù)量根據(jù)作業(yè)船舶尺寸確定，能夠較好地適應(yīng)不同尺寸船舶的作業(yè)需求，從而在保證作業(yè)能力的前提下，降低各鎖站的交通壓力，避免緩沖區(qū)ART的交通擁堵和等待時(shí)間過長(zhǎng)等問題。

圖5 鎖站平均排隊(duì)長(zhǎng)度

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文基于AnyLogic仿真軟件，在分析自動(dòng)化碼頭集裝箱解掛鎖工藝流程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出考慮前后緩沖區(qū)的地面鎖站動(dòng)態(tài)布置仿真模型。

2)動(dòng)態(tài)布置方案能夠根據(jù)船型尺寸動(dòng)態(tài)確定鎖站數(shù)量，具有較高的靈活性。在相同的岸橋、ART及其他堆場(chǎng)資源條件下，相較于固定布置方案，采用鎖站動(dòng)態(tài)布置方案能將系統(tǒng)作業(yè)效率平均提高14.6%。

3)動(dòng)態(tài)布置方案能夠在滿足作業(yè)需求的前提下，降低鎖站的占用率及鎖站作業(yè)區(qū)域擁堵情況，緩解各緩沖區(qū)的交通壓力。