新工艺下集装箱码头装卸资源分配模拟

金 鑫，丁以中

(上海海事大学科学研究院，上海 200135)

0 引言

现代港口物流的发展以及全球范围的能源危机迫切要求集装箱码头装卸工艺的改进和装卸效率的提高.很多港口管理者采用增加装卸机械数量的方法提高集装箱码头装卸效率，但在无形之中增加了能耗和运作成本，而且往往出现一些机械的闲置现象.集装箱码头的装卸作业非常复杂，很多事件都存在随机因素(如集卡和龙门吊的运行速度，桥吊和龙门吊的装卸时间等).当港口采用面向作业面的装卸新工艺时，某些元素的随机性对整个装卸流程会产生很大影响.因此，单纯采用解析法已不能满足对港口装卸作业研究的需求，计算机仿真方法成为解析法的有效补充.

近几年，国内外学者运用仿真技术对集装箱码头装卸设备资源分配问题的研究很多.杨静蕾等［1]以上海港外高桥集装箱码头为例，通过构建1个动态多级排队网络，运用仿真技术描述集装箱码头装卸系统，通过对系统输出指标的分析得出外高桥集装箱码头的最佳机械配比和最合适的桥吊台数;孙立启［2]从定性的角度阐述集装箱装卸设备选型和数量配置上应注意的问题，结合日照港的具体规划分析了两种适合日照港发展现状的装卸工艺方案;CANONACO等［3]通过排队网络模型和仿真，对所有泊位的岸边起重机进行评估，优化管理集装箱装卸资源;PETERINGA等［4]通过模拟研究显示长期平均岸桥效率取决于集装箱堆场终端箱区的长度和同一箱区中部署的起重机数量;ZENG等［5]开发出1个集装箱码头装卸资源调度的模拟优化方法，集成了智能决策机制的优化算法和评价职能的仿真模型.这些研究对港口的最优运营、港口设备利用率的提高和港口运营成本的降低起到很好的作用.

目前，对面向作业面新工艺下码头装卸资源配置的研究，国内外鲜有报道，对整体装卸资源分配的仿真也缺少研究.面向作业面的装卸工艺是指实行面向作业面的集卡分配策略，所有集卡排成1个队列为所有桥吊服务.本文介绍应用上海外高桥集装箱码头的数据以及码头布局构建的1个包括锚地、泊位、堆场、桥吊、龙门吊和集卡的Witness仿真模型，并运用仿真技术模拟得到集装箱码头装卸系统的运行指标和最佳设备配比.集装箱港口最佳设备配比是指在其他条件不变的情况下以作业时间最小化为目标，或者在其他条件不变的情况下以桥吊平均单机效率(TEU/h)最大化为目标得到的桥吊、龙门吊、集卡的比例.不论是以作业时间最小化还是以桥吊平均单机效率最大化为目标，寻找最佳设备配比的最主要目的就是尽量减少能耗，达到“节能减排”的效果.

1 面向作业面的集装箱码头装卸系统

1.1 模拟要素

(1)船舶的到达、靠泊及离开.船舶先到达锚地，若有空闲泊位，则进入泊位开始卸货;若没有空闲泊位，则在锚地等待.若进入泊位的船舶上所有货物都卸载完毕，船舶立即离开泊位，原本在锚地等待的其他船舶则进入这个空闲泊位.［6]

(2)桥吊的装载和卸载.对进入泊位的船只，应按照船舶的大小安排桥吊数.［7]根据现在港口的实际运营情况，正常使用的桥吊数为3或4，所以本文主要针对这2种情况进行模拟研究.桥吊的作业分为两部分，一部分是装载船只上的集装箱，另一部分是将装载的集装箱卸载到集卡上.

(3)集卡的装载、运行及卸载.集卡在岸边排成1个队列，任一桥吊有集装箱需要卸载，集卡就到该桥吊下进行装载，装完集装箱后按集装箱的属性及规定的路径将集装箱送往指定的堆场.当集卡到达堆场但龙门吊没有到达该堆场时，集卡需在堆场等待;当龙门吊到达时，集卡进行卸载，卸载完成后按规定的路径回到岸边的集卡队列.

(4)龙门吊的运行、装载和卸载.模拟中，有的龙门吊管理1个堆场，有的龙门吊管理2个堆场，甚至3～4个堆场.如果龙门吊管理2个或2个以上的堆场，则应该有较好的机动性，需要根据各个堆场的装箱集卡到达情况按一定的规则移动到其中1个堆场进行集装箱装卸活动.

1.2 模拟框架

船舶在面向作业面的装卸工艺下的作业流程见图1.船舶的出现按照一定的规则，当泊位空闲时船舶进入泊位，否则就要在锚地等待，当进入泊位的船舶完成卸箱后离开泊位.

图1 船舶作业流程

桥吊基本作业流程见图2.

图2 桥吊基本作业流程

当泊位有船舶时，需根据船舶的大小确定需要工作的桥吊数目.首先从船舶上卸箱，接着判断岸边的集卡队伍中有无空闲集卡，向空闲集卡上装箱.集装箱卸载完毕，该船舶离开泊位.

集卡基本作业流程见图3.当作业的任一桥吊有进口集装箱需要装载时，排队等待的集卡队伍中最靠近岸边的1辆集卡驶向该桥吊卸箱处进行装箱，然后根据集装箱的属性按既定线路将集装箱运往指定堆场卸箱，卸箱完毕后根据指定线路回到岸边的集卡队伍等待.

图3 集卡基本作业流程

龙门吊基本作业流程见图4.当龙门吊所在箱区有需要卸箱的集卡到达时，龙门吊进行卸箱作业;否则要判定龙门吊所管辖的其他箱区是否有需要卸箱的集卡到达，如果有，龙门吊就驶向该箱区进行卸箱作业.［8]

图4 龙门吊基本作业流程

1.3 基于Witness仿真软件的模型界面概述

Witness是Lanner Group公司开发的仿真软件，主要用于离散事件系统的仿真.Witness仿真软件已被广泛应用于各种领域.集装箱码头装卸作业的Witness模型界面见图5.

图5 集装箱码头装卸作业的Witness模型界面

由图5可知，区域1为元素选择窗口，模型所需的元素和用到的元素都在此区域，可进入任何1个元素进行各种操作;区域2为港口和泊位的一些元素，包含锚地、在泊船数和正在卸载的船舶上的集装箱数目;区域3为岸边的部分，3个桥吊同时工作，并且3个桥吊之间有道路相通;区域4为等待装箱的集卡排队道路，所有工作的集卡都在这里排队等待;区域5为堆场，每个堆场右下角的数字代表堆场的集装箱数目.图5所示为3个桥吊、8个龙门吊和21辆集卡组成的模型.

2 参数及程序设计

2.1 输入参数

(1)船舶信息:到达间隔、离靠泊时间和船舶容量;

(2)集装箱信息:20英尺、40英尺、特种箱、空箱和到达各个堆场的概率;

(3)桥吊信息:装卸时间、空载返回时间、平移速度和2个桥吊之间的距离;

(4)龙门吊信息:装卸时间、空载返回时间、直行转弯的行走速度和当前的分配情况;

(5)集卡:重载速度、空载速度和在码头前沿道路、箱区及拐弯时的速度;

(6)码头平面图:堆场个数以及其尺寸、距离和道路长度;

(7)随机情况:船舶到达时间分布、船舶离靠泊时间、船舶容量、桥吊和龙门吊的装卸时间和运行速度以及集卡的速度.

2.2 输出参数

(1)船时效率:船舶装卸总量/装卸总时间;

(2)桥吊平均单机效率:桥吊装卸总量/(桥吊运行总时间×桥吊个数);

(3)桥吊下集卡和集卡在堆场的平均等待时间;

(4)桥吊下集卡的平均队长.

3 装卸设备最佳配比分析

3.1 装卸设备配置最佳配比的内涵

本文对集装箱码头装卸设备配置最佳配比的研究以桥吊平均单机效率最大化为目标，通过运行桥吊、龙门吊和集卡的各种配置比例模型，得到桥吊、龙门吊和集卡的最佳配比.以桥吊平均单机效率最大化为目标，本质上就是减少能耗，因为在集装箱码头实际运作中桥吊的运行能耗远远大于龙门吊和集卡.集装箱码头在作业过程中充分利用已经启动的桥吊，并在此条件下使用最少的龙门吊和集卡完成相同的装卸量，可减少桥吊的运行时间，大大减少能耗.

3.2 最佳配比模拟运算过程

(1)已知桥吊和龙门吊数量，模拟最佳的集卡数量.设集装箱以同等概率运至12个堆场，桥吊数目为3台，通过模拟模型的运行可分别得到龙门吊数为3～12台、集卡数为1～18辆时的桥吊平均单机效率.模拟结果表明，当桥吊和龙门吊数量确定后，桥吊的单机效率将随集卡数量的增加而上升，但其上升的速度逐渐减小;当集卡数量达到某个值(拐点)时，桥吊的单机效率基本不再上升，这时的集卡数量就是使桥吊单机效率最大的最低集卡数.表1为桥吊数取3，不同龙门吊数目下取得拐点时的集卡数目和桥吊平均单机效率.

表1 桥吊数为3时的最佳装卸设备配比模拟运算

(2)已知桥吊数量，模拟最佳的龙门吊数量.通过模拟可得，在3台桥吊下且以表1中的最佳集卡进行配置时，不同龙门吊数量对于桥吊单机效率的影响.模拟结果表明，当龙门吊数量增加时，桥吊的单机效率上升，但其增加的速度随龙门吊数量的不断增加而放慢;当龙门吊数量增加至某个数值(拐点)时，桥吊的单机效率基本不再增加，因为这时已有足够的龙门吊来为集卡服务，继续增加龙门吊只能造成龙门吊等待集卡的时间变长.这个拐点就是在3台桥吊下龙门吊的最佳配置数量.同理可得在不同桥吊数量下的最佳龙门吊配比.

图6为3台桥吊以最佳集卡数配备时，不同龙门吊数量对桥吊单机效率的影响.

图6 3台桥吊、不同龙门吊数目下的桥吊单机效率

由图6可知，当龙门吊数量从3台开始增加时，桥吊的单机效率上升;但当龙门吊数量增加至7台后，桥吊单机效率增加的速度放慢;当龙门吊数量增加至9台后，桥吊的单机效率基本不再增加.因此，当桥吊为3台时，龙门吊的最佳数量为9台，集卡的最佳数量为15辆，这时桥吊的平均单机效率为26.8 TEU/h，对应船时效率为80 TEU/h，堆场和桥吊下每辆集卡的平均等待时间分别为0.014 h和0.045 h，桥吊下集卡的平均队长为22.2辆/h.

同理可得不同桥吊数下龙门吊的最佳数量.桥吊数为4台、龙门吊的实验数目依次为4～16台、集卡的实验数目依次为1～22辆时的模拟运算结果见表2.

表2 桥吊数为4时的最佳装卸设备配比模拟运算表

图7为4台桥吊时龙门吊数量对桥吊平均单机效率的影响.根据拐点分析可得，4台桥吊下的最佳龙门吊数和集卡数分别是12台和16辆，单机效率是26.8 TEU/h，对应船时效率为107 TEU/h，桥吊下集卡和堆场的每辆集卡的平均等待时间分别为0.036 h和0.011 h，桥吊下集卡的平均队长为27.8辆/h.

图7 4台桥吊、不同龙门吊数目下的桥吊单机效率

在传统工艺下，桥吊、龙门吊和集卡分配的方法与面向作业面的方法基本相同.通过模拟运算可以得到传统工艺下桥吊数为3台时，最佳龙门吊和集卡数分别是10台和16辆;桥吊数为4台时，最佳龙门吊和集卡数分别是13台和18辆.传统工艺和面向作业面工艺下装卸设备的配比见表3.由表3可知，面向作业面工艺可有效节约设备资源.当桥吊数为3台时，可节约1台龙门吊、1辆集卡;当桥吊数为4台时，可节约1台龙门吊和2辆集卡.

表3 传统工艺和面向作业面工艺下装卸设备配比比较

4 结论

本文主要探讨面向作业面新工艺下码头装卸资源的配置，运用Witness仿真软件进行模拟运算，最终给出合理的整体码头装卸资源配置.相对于传统的面向作业线作业的码头装卸系统，面向作业面作业的码头装卸系统可减少装卸设备的使用量，减少能耗.

在实践方面，上海“外高桥5期”已经采用“面向作业面”的集卡调度，宁波北仑港码头和青岛港也已经开始采用“面向作业面”的新工艺;但由于缺乏对面向作业面新工艺下资源配置的理论研究，大多凭借经验进行管理，不利于合理决策实际操作中的资源配置.本文的研究结果可为集装箱码头装卸资源整体配置提供科学的决策依据.

［1]杨静蕾，丁以中.集装箱码头设备配置的模拟研究［J].系统仿真学报，2003，15(8):1069-1073.

［2]孙立启.沿海集装箱中小码头装卸设备配置和工艺研究［J].中国水运，2007，7(10):6-8.

［3]CANONACO P，LEGATO P，MAZZA R M，et al.A queuing network model for the management of berth crane operations［J].Computers＆ Operations Res，2008，35(8):2432-2446.

［4]PETERINGA M E H，MURTYB K G.Effect of block length and yard crane deployment systems on overall performance at a seaport container transshipment terminal［J].Computers＆ Operations Res，2009，36(5):1711-1725.

［5]ZENG Qingcheng，YANG Zhongzhen.Integrating simulation and optimization to schedule loading operations in container terminals［J].Computers＆ Operations Res，2009，36(6):1935-1944.

［6]LU Chen，NATHALIE B，PIERRE D，et al.A tabu search algorithm for the integrated scheduling problem of container handling systems in a maritime terminal［J].Eur J Operational Res，2007，118(1):48-50.

［7]LEGATO P，GULLI D，TRUNFIO R.Simulation at a maritime container terminal:models and computational frameworks［C]//Proc 22th Eur conf on Modelling＆ Simulation(ECMS 2008).Nicosia，2008:261-269.

［8]HENRY Y，LAU K，ZHAO Y.Integrated scheduling of handling equipment at automated container terminals［J].Int J Production Econ，2008，112(2):665-682.