装卸同步工艺下的集卡配置仿真研究

乐美龙， 于 航， 张少凯

(1.上海海事大学 物流研究中心,上海 201306)(2.上海海事大学 经济管理学院,上海 201306)

2008年经济危机以后,世界航运市场正在慢慢复苏,我国的集装箱运输量也在逐年增长.如何提高集装箱码头的作业效率,减少码头的作业成本已成为我国各码头公司关注的焦点.在集装箱码头的作业系统中,内集卡资源的配置是衔接各设备流畅作业的核心,也是降低码头作业成本的关键.如何优化集装箱码头内集卡资源的配置成为当前研究的核心.

国内外许多学者已对该问题进行了研究.文献[1]运用基于仿真的优化方法着重研究集装箱港口动态集卡配置问题；文献[2]研究了堆场和集卡的一体化,并提出了集装箱港口卸船作业调度方案两阶段禁忌搜索算法；文献[3]研究了场桥与集卡的协同调度；文献[4]提出了动态集卡调度和人员排班计划问题,并提出了以解决队列优化为目标的动态规划方法；文献[5]提出了桥吊和集卡排班的问题,并采用基于Johnson规则的遗传算法来优化排班问题.以上研究局限于港口的部分装卸设备,不能将港口装卸过程进行系统化的考虑.因此，文献[6]提出了由集装箱集疏运问题向柔性制造系统(flexible manufacture system,FMS)生产调度问题转化的方法和模型,解决复杂的集装箱港口集疏运系统多阶段动态调度问题；文献[7]通过研究对港口前沿交通流,分析了集装箱拖挂车在前沿的滞留时间与作业的集装箱岸桥数量比的关系.随着计算机技术的发展,港口装卸设备的研究开始以仿真的方法为主.文献[8-13]利用仿真对港口装卸问题进行了研究.其中文献[8]建立了港口装卸设备动态多级排队网络,研究了上海外高桥港口的最优岸桥数和最佳集卡配比数；文献[12]分析了在传统模式下单船装卸运输仿真模型中集卡数量配置和车速对整船装卸时间的影响.针对同步装卸研究工艺,文献[14]进行了码头同步装卸工艺的优化研究；文献[15]建立了同贝同步装卸调度模型,实现装卸桥在同一贝位内同时进行装船与卸船作业,模型通过优化装卸桥作业序列与出口集装箱积载计划降低装卸桥与龙门吊作业时间.

当前研究中缺少在装卸同步这种作业工艺下的集卡配置策略研究.本文中利用Flexsim-CT对码头作业链进行仿真,通过对不同集卡资源下仿真指标的对比分析,试图找到适用于码头的最优配置策略.

1 问题描述

1.1 装卸同步作业特点

传统的集装箱码头装卸工艺为先卸后装,即船舶靠泊后先根据船舶各贝位的装卸量信息制定进口箱的卸载计划,当该船的所有卸载任务完成后再开始进行出口箱的装载任务安排.该种作业工艺适用于各种大小的船只,并广泛应用于国内的各个集装箱码头.先装后卸工艺保证了装载过程中船舶的稳定性,同时减少了集卡在桥吊下的排队等候时间.

装卸同步工艺较先卸后装工艺来说在实际的生产中使用较少,该工艺要求桥吊在完成一个集卡的装载任务之后立刻为该集卡安排一个卸载箱的运输任务.该工艺仅适用于对装卸稳定要求低的大型船只,对小船的实用性较低.同时该工艺对集卡的调度要求更高,如果作业衔接环节失稳会造成集卡在桥吊下的等待时间增长.两种工艺的示意如图1.

与传统操作工艺相比,装卸同步工艺可以优化码头的作业效率,提高码头内集卡的利用率,降低码头的运营成本.但装卸同步工艺对码头公司的调度水平要求更高,对集卡的配置方案要求更细.因此,采取该种工艺能否起到预期的优化效果,关键的环节就是对集卡资源的配置研究.

a) 先卸后装

b) 装卸同步

1.2 作业面与作业线策略

集卡作为集装箱码头作业中的主要运输工具,其资源的合理配置和调度关系着整个码头作业的效率和成本.如何减少集卡在装卸同步工艺下的等待时间,提高集卡的利用率是集卡配置策略考虑的重点.当前的集卡配置策略主要有两种：一种为基于作业线(dedicated dispatching)的集卡分配策略；一种为基于作业面(pool dispatching)的集卡分配策略.两种作业方式的示意如图2.其中作业线的分配策略为每一作业路分配了一定数量的集卡,该集卡群仅负责该作业路的装卸任务,并不负责不同作业路间调度.该策略保证了每个作业路的作业效率，但集卡的利用率较低.

作业面的分配策略特点是将全部内集卡放置于一个虚拟的集卡池(pool)中供船舶的所有作业路共同调度,该种策略一方面可提高集卡的利用率,提高集装箱码头的整体作业效率.另一方面,对中控的调度水平提出了更高的要求,如何在作业面模式下降低集卡的等待时间,控制集卡池的规模是优化的重点.

a) 作业线

b) 作业面

2 建模仿真

2.1 仿真流程

在装卸同步的作业模式下,所构建的集卡工作仿真系统主要包括船舶、桥吊、堆场、龙门吊和集卡等实体.该仿真模型中集卡进行的主要作业为进口箱的卸载运输作业和出口箱的装载运输作业.模型的仿真工作流程如图3.在该仿真模型中产生的主要事件有:

图3 集卡作业仿真流程Fig.3 Process of yard truck simulation

1)Load事件 用来描述进口箱卸载时桥吊放箱空集卡上和出口箱提箱时龙门吊放箱在空集卡上的动作.同时该事件也包括了出口箱装载时桥吊的放箱动作和进口箱进场时龙门吊的放箱动作.

2)Unload事件 用来描述出口箱装载时桥吊从集卡上提走集装箱和进口箱进场时龙门吊从集卡上提箱的动作.同时该事件也包括了进口箱卸载时龙门吊从集卡取箱的操作和出口箱装载时桥吊从集卡取箱的操作.

3)Travel事件 用来描述集卡载箱运输的动作.

4)Waiting事件 用来描述集卡等待装箱和等待提箱的动作.同时也表示其他设备作业衔接间产生等待时的动作.

2.2 性能指标仿真计算公式

研究的重点是集卡的配置方案,而配置方案不仅关系到集卡的作业,同时也影响到整个码头系统的作业效率.因此选择整体的作业完成,时间Ti和集卡的平均工作等待率Wi及集卡的平均利用率Pi,作为主要的评价指标进行分析.指标的定义如下:

式中：n为仿真实验的次数,ti为第i次仿真时的作业完成总时间,wi为在第i次仿真时的集卡平均工作等待率,pi为第i次仿真时的集卡平均空置率.

3 仿真结果分析

3.1 设置对象参数

以一艘载箱量为8 000TEU的集装箱船为研究对象,对其从船舶靠港开始到其离开连续进行装卸船作业仿真.在模型中假设只有40FT一种箱型,船舶靠岸后需要靠港卸载1 600 TEU,即需要卸载800个集装箱到进口箱区;装载1 400 TEU,即需要装载700个集装箱到出口箱区.设计单个箱区的最大容量为600个40英尺箱,文中采用4个箱区来存放需要装卸的集装箱,分为2个出口箱堆存区和2个进口箱堆存区.堆存策略为默认值,进口箱放在前方堆场,出口箱放在后方堆场.在开始仿真之前可根据实际作业的平均情况为整个仿真系统指定完成所有装卸任务的上限时间为12 h.

大量统计资料表明,港口的装卸设备作业过程服从数学三角分布,本模型中主要涉及的装卸设备的具体参数见表1,其余参数为默认值.

表1 参数设置Table 1 Parameters

3.2 结果分析

1)平均作业完成总时间Ti的对比分析

通过仿真可以得到在作业面和作业线的集卡作业模式下,码头装卸作业完成的总时间计算汇总如图4，图中N为集卡数.

图4 作业面与作业线完工时间比较Fig.4 Conparison between different handlings

由图可知，在内集卡配置总量较少时,不管集卡采用作业面还是作业线的作业方式,码头的作业任务都无法在给定的时间上限720 min内完成,但在集卡资源较少时作业面模式比作业线模式更快完成装卸任务.作业时间随着集卡资源的增加快速减少,当可用集卡资源达到11台时,作业面模式可达到作业总时间的要求而作业线方式需要再增加一台集卡才能达标.当配置的集卡数量在13台以上时,作业线模式下的时间将短于作业面模式下的时间.此时随着集卡资源的增加,作业总时间的缩短速度也在逐渐放慢.

2)集卡资源的平均利用率Pi的对比分析

通过两种作业模式下集卡的平均利用率的计算和汇总如图5.

图5 集卡资源平均利用率Fig.5 Average utilization of yard truck

图5中可以看出作业面模式下的集卡资源平均利用率要优于作业线模式下的集卡资源平均利用率,随着集卡资源的增加,两种作业模式的作业时间在减少,作业线模式下的集卡利用率上下波动,平均利用率水平基本高于80%.与其相比作业面模式的集卡利用率有所降低，但其集卡的平均利用率一直维持在87%以上,大大优于作业线模式.

3)集卡资源的平均等待率Wi的对比分析

通过已有仿真结果参数的计算，可将两种作业模式下的集卡平均等待率统计如图6.

图6 集卡平均等待率Fig.6 Average waiting ratios of yard trucks

由图可知,在可用集卡资源较少时,由于作业面模式整体调度集卡的特点,集卡池的资源可能同时被指派多个任务,任务衔接更为紧密,因此产生等待的可能性就会增大,在该模式下的集卡平均等待率要高于作业线模式.此时,作业线模式由于其专属服务的特性,避免了作业路间的等待情况产生.但随着集卡资源的增多,作业线模式的等待率并不会很快的下降,这是因为各作业路的生产节拍基本稳定,因此没有很大的缩减空间.相反,由于作业面模式灵活的调度方式,随着集卡资源的增加,等待率将大大的减少.集卡并不死板的在特定作业路服务,因此减少了等待的可能.

通过上述分析可以看出,在装卸同步的作业工艺下,作业面模式的集卡资源配置策略使集卡的作业效率更高,该策略具有更高的设备利用率和较低的作业过程等待率.在可用集卡资源紧缺的情况下完成速度较快.而作业线模式更适用于集卡资源相对充足的码头,在作业线模式下如何避免集卡资源的相对过剩、如何提高集卡的利用率是码头方需要优化的重点.

4 结论

采用仿真的方法解决码头集装箱作业中产生的问题,更加贴近生产实际,研究通过仿真对装卸同步工艺下的集卡资源配置策略进行探讨,得到了不同集卡资源情况下的作业配置方案，且发现作业面模式下集卡平均利用率更高.在实际码头生产过程中,制定合理的资源配置策略势必会提高生产作业效率,同时能够有效避免资源过剩,大幅节约企业成本.

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