基于WITNESS的港口物流系统瓶颈分析

卢 鸿

（广东省海洋工程职业技术学校，广东 广州 510320）

基于WITNESS的港口物流系统瓶颈分析

卢 鸿

（广东省海洋工程职业技术学校，广东 广州 510320）

有效识别港口发展的瓶颈是优化港口物流系统的前提.假设理想的后方集疏运系统，以某港口船舶物流系统为研究对象，在分析某港口的主要作业流程图基础上，综合运用基于WITNESS仿真建模与分析技术，从航道通航能力、内港区容量以及码头的岸桥数量等方面探讨限制港口生产能力提升的潜在瓶颈.通过仿真分析找出港口物流系统的瓶颈点，并有针对性的给出了提升该港口生产能力的途径.

港口物流系统；WITNESS；物流瓶颈

1 绪论

港口物流系统仿真是借助于计算机对于港口系统或活动本质的实现.港口作业区的仿真建模较多的是基于仿真软件WITNESS平台.WITNESS采用面向对象建模的编程方法，打破以往仿真软件面向过程的方式，因而建模灵活且使用方便.WITNESS的主要特点有：交互式面向对象的建模环境，其将对象的图形与逻辑关系集成在一起；灵活的执行策略，允许通过交互界面定义各种系统执行的策略；工程友好性强，其所提供的物理单元充分考虑了可能遇到的各种工程实际需要；提供灵活的输入输出方式和丰富的模型单元；软件较大的柔性.该软件强大的仿真功能使其能贴切地模拟实际中的各种变化等.其主要用于离散事件系统的仿真，如投资规划、物料输送策略、交通运输、码头规划、自动化生产线、识别生产瓶颈、生产计划与调度、人力需求规划、成本估算等问题.

港口物流系统能力的提升对港口的发展是至关重要的.为了更深入地把握未来某港口作业区物流系统的运营能力，特别是分析港区在未来船舶到港不断增加时的工作状态，及时发现和改进码头设计中的不足，需要对港口物流系统进行系统建模和计算机仿真试验.本文以某港口物流系统为研究对象，综合运用witness仿真建模与分析软件，从各方面分析限制港口运营能力提升的瓶颈，进一步探讨提升该港口生产能力的途径，最终为建设单位和设计院做决策提供依据.

2 某港口物流系统仿真模型

2.1 某港口作业流程分析

设计中的某港口分为外港区和内港区两部分。外港区包含两个船舶等待区，一个等待区停泊即将进入港口接受服务的船舶，另一个停泊已经接受完服务即将离港的船舶.内港区也包含两个等待区，一个停泊等待接受岸桥服务的船舶，另一个停泊服务完毕等待驶出内港的船舶.内外港区有航道相连，航道中有一船闸，船舶经过航道往返于外港与内港间.内港中有岸桥对船舶进行卸货等作业.不考虑岸桥卸货后的其他集疏运系统等，仅在假设理想的集疏运系统基础上讨论和分析船舶的作业情况.

港口的主要作业程序如图1所示：船舶先从海上驶向港口，进入外港等待区等待进入内港接受服务.当船闸空闲、航道可通航且内港泊位有空位，船舶通过航道和船闸进入内港的等待区排队，当岸桥空闲时船舶即接受岸桥的服务，如装货和卸货等.服务完毕船舶进入内港令一泊位等待驶出内港.当船闸空闲且航道可通航是船舶通过航道和船闸进入外港的另一泊位，在稍作休整最后驶离港口.

2.2 模型边界及假设条件

确定模型边界是建立计算机仿真模型的基础，一个合适的边界对于正确建模和分析物流系统是十分关键的.仿真模型边界的确定需要根据所要解决的实际问题而确定.模型边界确定的不合适，有可能造成所建立的模型太大太复杂或者是太简单而不能解决实际问题.一般来说，只要能够解决所提出的实际问题，边界范围越小越好.就本港口仿真模型而言，结合仿真目的确定其模型边界为，水域以船舶到离外港泊位区为边界，陆域以船舶接受岸桥服务后货物离开船舶为边界.

为更好的建模通常需要对实际物流系统进行一定程度的简化，提出假设条件.建模过程中的逻辑关系的设置也需要一些具体的数据，数据的来源大部分是实际港口物流系统的运作经验的总结.现将假设条件和部分数据假设如下：

（1）假设后方集疏运系统非常理想，只要有货物被岸桥起吊，后方都能够及时的进行运输和处理.且假设2个负责设备维修和调整的员工工作期间随时都可以提供服务.

（2）船舶的到港时间间隔服从参数为120的负指数分布NEGEXP(120,1)；港口的4个泊位或者是锚地的容量分别为4、4、2和10.当外港等待区没有空位情况时，来港船舶将被迫离港.船舶在且船舶服务完毕后在外港泊位等待区时间达到2分钟就驶离港口.

（3）如果海水深度达到可以作业的深度，外港区泊位有船舶在等待进港，则将外港区的船舶拉入内港区锚地处，否则将内港区停泊已经服务完毕的空船拉向外港区处；如果海水深度不够，则停止作业.

（4）船舶经过港口航道受到潮汐的影响，假设初始条件为港道的海水深度最高为5米，当海水深度超过3米时，船舶才可以正常通过，否则低于3米则不能通过.船舶经过船闸的时间服从均值为20，方差为2的对数正态分布LOGNORML(20,2,2).且船闸作业次数达到100次则需要工人进行调整，其作业时间服从LOGNORML(50,5,3)分布.

（5）内港码头中的岸桥服务一条船舶的时间服从LOGNORML(150,10,4)分布，并且假设每隔NEGEXP(4800,1)将会发生一次故障，维修的时间服从LOGNORML(120,10,2)分布.

2.3 Witness仿真模型的建立

根据该港口船舶进出港的实际情况等建立码头仿真模型.模型建立时必须要明确码头系统实体与仿真模型元素的关系.WITNESS提供了一系列用于构造系统仿真模型的基本元素，大致可分为两类：物理元素和逻辑元素.表1给出了该港口物流系统的主要实体与该系统的WITNESS仿真模型的物理元素之间的关系.

表1 港口物流系统主要实体与WITNESS模型元素的关系

模型建立过程中，需特别注意模型的各个元素之间的逻辑关系的设置吗，逻辑关系的设置有问题将直接影响后面的仿真结果，因此建模时需要认真且建模完成后要反复的调试.为了使得模型具有较好的交互性，在系统逻辑单元建立的同时要将模型元素进行可视化操作，建立相应的彩色图形模型，使其具有实时的彩色动画显示效果.同时还要设置相应的背景等.模型完成后的界面如图2所示.

图2 码头仿真实验模型布局图

3 仿真实验模型及数据分析

3.1 仿真模型运行及数据分析

一般来说，港口作业高峰时段，船舶到港的密度比平时要增加很多.在不改变船舶来到港口的速率的情况下，为了测得港口在该环境中的最佳码头数量，本实验通过成比例的增加码头岸桥的数量，分为三种不同的工矿进行仿真实验，探讨码头合理的岸桥数量.具体的设置分为三种不同的工况：即岸桥的数量分别为1台、2台和3台时的情况.仿真实验的其他参数采用前面的假设条件的数据.模型是在某设定的初始状态下开始运行的，以设定的仿真时间结束，仿真时间单位以分钟计.假设该码头运行一年，将仿真时间设置为175200分钟，仿真模型经过运行获得如下表2至表4所示的结果.

表2 不同工况下船舶在内港1号泊位等待时间

观察表2，可以发现当岸桥数量为1时，船舶在内港1号泊位处的等待时间为305.91分钟，而岸桥数量为2时，等待时间为199.14分钟，岸桥数为3时，等待时间为158.59分钟.而三种不同数量岸桥情况下，其方差变化不大，基本在180左右浮动.从而可以看出，船舶在该处的等待时间随着岸桥数量的增加而显著减少，说明增加内港的码头数量能够降低船舶在内港1号泊位处等待时间.

表3 不同工况下岸桥平均忙闲程度

从表3可以知道当岸桥数为1时，码头的繁忙程度为89.81%，而岸桥数为2时，2个码头的繁忙程度45.675%左右，岸桥数为3时，3个码头的繁忙程度31.293%左右.即不管岸桥的数量如何变化，所有岸桥的宗繁忙程度即单个岸桥繁忙程度乘上岸桥数基本在90%左右浮动.

表4 不同工况下船舶平均在港时间及港口总服务船舶数

再观察表4，可以看出不同的岸桥数量情况下，船舶的在港总时间变化不大，基本上在790分钟到870分钟变化.而且港口一年中所服务的船舶总数也是在1030到1096区间，变化不大.另外，不管岸桥数量如何变化，总有很大一部分船舶被迫离去，数量从384到430间.从而说明港口的服务能力有待提升.

3.2 初步结论与进一步探讨

通过上面的仿真实验，初步分析可以得出以下结论：

3.2.1 在理想的后方集疏运系统前提下，将岸桥数量从1增加3的意义不大.岸桥数量的增加，只是有助于降低船舶在内港1号泊位的等待时间，对于船舶在港总时间的减少是没有帮助的.发现岸桥数量的增加，没有使得港口在一年内服务的总船舶数量上有显著的增加.也就是说，限制该港口发展的瓶颈不在码头的数量，而在于其他.值得说明的是，不同岸桥数量情况下，全部码头的总繁忙程度总保持在90%左右.假如仅仅只是为了改善码头工人的劳动强度，使其获得更多的休息时间，基于这种目的，将码头数量从1增加到2或者3才有意义.

3.2.2 当岸桥数量不断变化时，航道中船闸的繁忙程度变化不大，闲忙比基本上处于25%左右浮动，也即其大部分时间是处于不工作状态.而船闸的忙闲程度一定程度上反映港口的繁忙程度.影响其工作状态的因素，除了船舶的来港情况外，还有其他因素如潮汐的情况以及内港泊位的容量大小等.海水的涨潮和落潮引起港口航道海水深度的不断变化，使得港口航道大部分时间处于不能工作状态.同时内港泊位容量的不足迫使船闸停止工作.

因此，在现有条件下限制该港口生产能力提升的关键点不在于岸桥数量的增加，而有可能在于因潮汐变化引起的港口航道的通行能力的限制，也有可能是内港泊位的容量不足等因素.如果该港口的瓶颈是这两个因素可以通过相关作业进行改善.航道的通行能力可以通过挖深航道等作业进行提升.内港的泊位容量的提升可以通过相关的工程作业，将内港旁边的位置利用起来使得内港的1号泊位的容量从4增加到8.为找出该港口码头的运营瓶颈，现分析岸桥数量为1时的四种不同工况下的港口运营情况.同样假设该码头运行一年，将仿真时间设置为175200分钟，分四种不同的工况进行仿真，仿真结果如表6所示.

表5 仿真实验各工况设置条件

表6 不同工况下港口运行参数

观察表6，对比工况一和二发现，将内港1号泊位数从4增加到8，使得该港口服务的船舶总数增加到1098，而船舶在港总时间大大增加到1119.30，说明仅仅增加内港泊位数得不偿失.对比工况三和四发现，当航道水深最高8米时，内港1号泊位数增加到8，船舶在港总时间大大增加，而港口服务的船舶总数仅从1088增加到1117，同样也不可取.对比工况一和三，泊位数为4时航道加深至8米，船舶在港总时间减少，港口服务的总船舶数增加.对比工况二和四，泊位数为8时航道加深至8米，船舶在港总时间增加，而服务的船舶总数也增加.

总的来说，在该港口目前条件下，通过挖深航道提升航道的通航能力来提高该港口的生产能力是有效和可行的.在保持来港船舶情况不变时，增加岸桥的意义不大.而在保持内港1号泊位的数量不变时，力挖深航道到8米提升港口的通航能，可以在增加港口年度总服务船舶数量的同时减少船舶在港的总时间.保持航道水深不变，将内港1号泊位的数量增加到8，虽然在一定程度上增加年度总服务船舶数量，但是却大大增加船舶在港总时间.在增加航道水深至8米后，增加内港泊位数也会大大增加船舶在港总时间.因此，可以说该港口的瓶颈在于港口航道的通航能力.提升该港口生产能力的途径主要在于挖深港口航道.

4 结语

正确识别限制港口发展的瓶颈是优化港口物流系统的基础，也是充分发挥港口的潜在能力的必然要求.首先介绍离散事件仿真软件witness及特点，接着以某港口船舶物流系统为研究对象分析了该港口的物流瓶颈.在分析某港口的主要作业流程图基础上，综合运用离散事件仿真建模与分析技术，从航道通航能力、内港区容量以及码头的岸桥数量等方面探讨限制港口生产能力提升的潜在瓶颈.通过仿真分析认为提升该港口的生产能力的关键点在于提高港口航道的通航能力.

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1673-260X（2012）01-0009-04