集装箱码头物流系统仿真模块库设计与应用

马向宇，周　强，万　颖

（武汉理工大学　物流工程学院，湖北　武汉　430063）



集装箱码头物流系统仿真模块库设计与应用

马向宇，周强，万颖

（武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063）

为设计一套具有通用性的集装箱码头物流系统仿真模块库，利用Jackson排队网络对码头元素组成、关联关系、工艺流程和动态特性进行深入分析；以集卡为顾客，建立了面向集疏运卡车的开环和面向装卸船卡车的闭环排队网络模型，并进一步构建了码头物流系统排队网络复合模型；采用E-R图的形式展现服务中心和其他实体间的联系，并以此为基础，结合离散事件动态系统建模与仿真理论，设计仿真模块库；最后用工程实例验证了模块库的便捷性和正确性。

集装箱码头；物流系统；Jackson排队网络；仿真模块库

1　引言

集装箱码头作为世界货运的关键节点，如何合理地设计码头装卸工艺［1］和平面布置［2］方案一直是国内外学者研究的重点。作为典型的离散事件动态系统，集装箱码头包含了许多难以运用数学方法描述的作业环节，利用离散事件仿真研究码头物流系统显得更加可行［3］。

传统方式搭建码头模型要经过工艺方案分析、仿真元素建立等步骤。随着船舶大型化的趋势，码头也朝着大型化发展，这不仅增加了码头的复杂度，也提高了模型的搭建难度，降低了技术人员的工作效率。因此，设计一套可适用于不同码头模型搭建的模块库具有重要意义。

本文提出的集装箱码头物流系统仿真模块库是基于被广泛采用的工艺方案开发的，适合于绝大多数码头仿真模型的搭建。

2　集装箱码头物流网络研究和仿真应用现状

2.1码头物流网络研究现状

排队论在集装箱码头中多应用于作业系统优化和设备配置。文献［4］构建了码头排队网络节点配置模型，对是否有集装箱进场分别进行研究，寻找桥吊、集卡和龙门吊最佳配比，项目对上海外高桥集装箱码头设备配置作出指导。文献［5］构建了泊位系统排队论模型，利用Arena对其进行仿真，该系统主要解决泊位与岸桥的数量配置问题。在码头排队模型方面，M/M/N排队系统和Jackson排队网络应用较多，也有学者用M/G/N模型研究闸口。

2.2仿真技术在码头中的应用现状

仿真技术主要用于研究码头工艺方案。鹿特丹港的仿真系统被用来研究减少船舶周转时间的方法［6］。文献［7］根据实际资料和统计数据，构建了仿真模型分析天津港集装箱码头的系统瓶颈，为码头改扩建提供建议。文献［8］利用Witness建立了仿真系统，研究了提高大窑湾集装箱码头装卸效率的方法。文献［9］建立了上海洋山港仿真模型，研究了码头最优箱区布置形式。

2.3存在的问题

（1）排队网络的研究不够细致，如码头吞吐量、堆场翻箱等问题研究不多，且系统指标直接通过理论计算得到。

（2）仿真模型开发周期长且往往只针对特定对象，个性较强。对象改变时必须重新搭建模型，需求响应慢。

（3）集装箱码头作业流程复杂，对技术人员专业背景要求高。

2.4研究内容

利用排队网络对码头物流系统进行描述，分析其组成元素及关联关系。运用仿真技术将组成元素抽象成模块，将元素间关系抽象为模块间逻辑，进而开发一套具有通用性的集装箱码头物流系统仿真模块库。

3　集装箱码头Jackson排队网络复合模型

集卡按生产任务在码头各功能区间的流动过程即码头内部物流网络的运作过程，排队网络作为研究随机服务系统的工具能对其进行较好的描述。由于我国集装箱码头多采用岸桥—集卡—场桥的传统工艺，码头的排队网络具有一定共性。

3.1码头排队网络的服务中心

码头排队网络包括闸口、堆场和泊位三个服务中心，不同服务中心间通过集卡的流动相互联系。集卡分为满载、空载两类，它们在堆场接受的服务不同，在闸口进入的服务台也有区别。

（1）闸口服务中心：M/M/C/S的排队系统，顾客是外集卡，闸口通道为服务台，其中有的服务台只接受空车，另外的服务台可服务两类顾客。集卡按FCFS原则接受服务，服务时间相互独立且为闸口放行车辆的时间。根据通道方向，将闸口分为进、出闸口服务中心两类。

（2）堆场服务中心：M/M/C/S的排队系统，顾客是集卡，堆场内各箱区的装卸设备为服务台。集卡按FCFS原则接受服务，服务时间相互独立且为设备完成一次装、卸车的时间。

（3）泊位服务中心：M/M/C/S或M/M/1/S的排队系统，顾客是内集卡，岸桥为服务台。内集卡按FCFS原则接受服务，服务时间相互独立且为岸桥完成一次装、卸车的时间。

从服务的对象集卡来看，码头排队网络分为集疏运开环排队网络和装卸船闭环排队网络。

3.2集疏运开环排队网络

该系统是由进闸口、堆场以及出闸口三个服务时间相互独立的多服务台排队系统串联组成的多级排队网络，如图1所示。

图1　包含三个服务中心的集疏运Jackson开环排队网络

集运时，外集卡装载出口箱经进闸口服务台进入网络后，在箱区接受卸车服务，再经出闸口服务台离开网络。疏运与之类似，不同的是进入网络的是空载外集卡，在箱区接受装车服务，最终满载离开网络。

综上，外集卡进行集疏运的过程可近似看成具有三个服务中心的Jackson开环排队网络。

设外集卡以l的Possion流进入网络，根据串联排队网络特性知到达堆场和出闸口服务中心的集卡到达时间间隔均为1 l［10］。为完成集运（或疏运）活动，共需N到K辆外集卡，可得A的概率分布函数见式1。

设进闸口有c1个并联服务台，n1为平均服务速率，则顾客服务率m1=1 n1；堆场有c2个服务台，服务时间服从均值为E（x）的指数分布，E（x）可由式（2）确定，式中Q2为设备平均装卸能力，w为集卡平均载箱量，设备平均服务率m2=1 E（x）；出闸口有c3个并联服务台，n3为平均服务速率，则顾客服务率m3=1 n3。

3.3装卸船闭环排队网络

该系统是由泊位和堆场两个服务时间相互独立的多（或单）服务台排队系统串联组成的多级排队网络，如图2所示。

图2　包含两个服务中心的装卸船Jackson闭环排队网络

卸船时，内集卡驶离停车场在岸桥接受装车服务后，在箱区接受卸车服务，再驶回前沿重复上述过程直至卸船完成。作为卸船的逆过程，装船时内集卡在箱区装车后，到达前沿卸车。整个过程内集卡只在两个服务中心间移动不离开网络。

综上，内集卡进行装卸船的过程可近似看成具有两个服务中心的Jackson闭环排队网络。

参考上节堆场服务中心设备平均服务率的计算方法，可确定泊位服务中心的设备平均服务率等参数，此处不再赘述。

3.4码头物流系统Jackson排队网络复合模型

将堆场服务中心分为进、出口箱堆场服务中心，结合前两节可构建码头Jackson排队网络复合模型。图3中指向服务中心的多向箭头表示集卡需要排队进入。框1表示集运与装船活动通过出口箱堆场相联系。

图3　码头物流系统的Jackson排队网络复合模型

复合模型实际上是三个在时间上有先后顺序，空间上存在联系的开、闭环多级排队网络构成的混合排队系统。

Jackson排队网络的特性表征有以下两点约定：（1）服务中心内部的服务台互相平行；（2）每个服务中心缓冲区容量为无穷大［11］。但实际上，闸口的服务台地位不平等；由于设备转场等原因，堆场的服务台数量可能会变化，上述原因导致了排队网络不能完全体现系统的复杂性和动态特性，可利用仿真技术对其进行研究。

基于码头排队网络的共性和仿真模型的个性，为基于排队网络的码头物流系统仿真模块库的设计提供了一条现实有效的思路。

4　集装箱码头物流系统仿真模块库

4.1集装箱码头物流系统概念模型

集卡的流转体现了服务中心的联系、接受的服务体现了服务中心的功能和属性、进行的活动代表任务类型。采用E-R图［12］的建模思想，将三个服务中心分别抽象成闸口、箱区以及泊位实体，将道路抽象成堆场路段和内集卡停车场实体，进而构建码头物流系统概念模型，如图4所示。外集卡“进场”指的是进入闸口，驶向堆场；内集卡“出场”指的是离开堆场，驶向泊位。

图4　集装箱码头集疏运与装卸船系统复合概念模型

集疏运系统概念模型的首尾端均为闸口实体，表示两者为顾客会离开网络的开环系统；装卸船系统概念模型是围绕内集卡停车场和泊位实体组成的环形网络，是顾客始终在网络内的闭环系统。

从离散事件动态系统建模与仿真的角度出发，根据实体功能和属性将其抽象成仿真模块，并添加为实现集卡按任务流动所需的辅助模块。各模块按实体的相互关系完成实体流和信息流的交互，共同组成码头物流系统仿真模块库。

4.2码头物流系统模块划分及功能说明

码头物流系统模块可分为计划类、流程类和功能类三类。计划类包括船舶计划模块以及堆场计划模块；流程类包括集运流程模块、泊位作业流程模块以及疏运流程模块；功能类包括箱区模块、设备管理模块、闸口模块和路段模块。模块功能说明如下：

（1）船舶计划模块：负责船舶计划的产生、分解和调度。参考码头作业流程等信息，从船舶计划中分解出泊位作业计划、疏运计划等子计划，并根据生产任务适时执行，完成计划调度。

（2）堆场计划模块：根据堆场实际堆存和船舶计划附带的进、出口箱信息，为集装箱安排箱位。若堆场空间不足，模块把计划暂时送入缓存区。

（3）集运流程模块：参考集运计划的出口箱数量信息和堆场计划模块分配的出口箱位置信息，利用模块内置的外集卡实体完成集运活动。根据堆场堆存状态，向泊位作业流程模块传递箱位信息。

（4）泊位作业流程模块：根据泊位占用情况控制船舶靠港或等待。根据泊位作业计划的进口箱数量信息、堆场计划模块分配的进口箱位置信息以及集运模块传递的箱位信息，模块顺序地完成卸船和装船活动。根据进口箱堆场堆存状态，向疏运流程模块传递进口箱位置信息。

（5）疏运流程模块：在客户申请提箱后产生疏运计划，参考泊位作业流程模块传递的进口箱位置信息，利用模块内置的外集卡实体完成疏运活动。

（6）设备管理模块：根据箱区种类、装卸的位置、设备数量和装卸顺序，为集卡安排合适的装卸设备。当设备数量不足时，可控制设备转场。

（7）闸口模块：由若干条道路组成的外集卡进出码头的通道，集卡按最小排队原则进入。模块按均匀分布设置滞留时间，模拟闸口服务耗时。

（8）路网模块：由多种类型路段模块组成的承载集卡的道路。

（9）箱区模块：由若干垛位组成的装卸、储存和转运集装箱的区域。其堆存状态被堆场计划模块记录，为码头生产组织和计划执行提供依据。

（10）公共模块：存放多个模块共有的变量和实体。

（11）数据统计模块：记录各个模块传输的数据。

4.3模块关键技术实现

（1）模块结构。模块内部逻辑确定后将其封装，设计输入、输出接口负责与外界交互。使用者可通过输入接口改变模块内部参数，提高模块适用性。输出接口与其他模块的输入接口连接，负责信息传递，如图5所示。

图5　模块结构

模块逻辑主体负责实体流和信息流的逻辑流转、分配、再处理等过程，与输出接口模块相连接，将运输工具或计划输入至特定接口。

（2）模块连接。由概念模型知模块的连接方式已基本确定，如闸口模块必与路段模块连接，故输出接口已写入模块连接语句。但由于模型中同类型的模块可能不止一个，故对连接的具体模块需进一步确定。

在输入接口中设计模块编号参数，同种类型的模块编号不同。使用者通过输入接口写入模块自身的编号和与之连接的模块编号以完成模块连接，如图6所示。

图6　模块编号与连接方式

（3）数据统计。由于模块数量和统计指标不确定，在模块的输出接口专门设计了常用统计指标的数据传输通道，对统计模块进行参数输入后，由其内置程序对数据整理并逐条输出成TXT格式的文件。如泊位作业流程模块设计了泊位利用率指标，根据泊位数量改变统计模块内部对应的参数，模型运行后可从TXT文件查看各个泊位的利用情况。

图7　数据统计

4.4模块使用说明

利用模块搭建模型应按以下步骤进行：

（1）分析码头布局图，确定闸口模块、各类箱区模块和泊位作业流程模块的数量。它们分别与码头大门，进、出口箱箱区和泊位数量相等。

（2）确定集疏运和装卸船集卡的行驶路线，选择合适的路段模块。

（3）定义剩余模块。

（4）参考相关资料进行参数输入。一部分参数如码头各部分尺寸、路网限制车速可从相关设计资料中获得。另一部分参数如船舶到港时间需要从码头以往的运营数据中采集。

（5）模型可行性检验。主要指的是模块连接的正确性检验以及仿真程序微调。

5　工程应用实例

以H港集装箱码头工程为例，利用模块库搭建其仿真模型。码头拥有两个泊位，均可容纳三台岸桥同时作业。岸线总长约678m，纵深约775m。重箱堆场装卸工艺采用岸边集装箱起重机—集装箱卡车—轮胎龙门起重机，空箱堆场采用空箱堆高机进行堆码作业。轮胎式起重机16台，空箱堆高机5台。选取2个泊位作业流程模块、8条出口箱箱区模块和11条进口箱箱区模块；根据堆场和干道布局特点选择路段模块；定义剩余模块并完成参数输入后即完成了模型的快速搭建。以H港为例，模块化仿真模型如图8所示。

图8　H港模块化仿真模型

在既定数据的工况下将仿真模型运行518 400min，即1年的时间，根据TXT文件整理的部分统计参数见表1。

表1　部分统计数据

除表中的指标外，路段车流量、设备利用率、外卡在闸口滞留时间等参数也可统计。改变码头工况，如改变船舶到达时间规律、设备效率的参数后6结论

重新进行仿真试验，从TXT文件中挑选相应指标进行对比分析，可识别该码头的系统瓶颈。当对象改变时，只需改变模块的数量和输入参数即可快速完成新的模型搭建。

基于Jackson排队理论，本文建立了面向集疏运卡车的开环和面向装卸船卡车的闭环排队网络模型，并进一步构建了码头物流系统排队网络复合模型。通过对复合模型的分析，确定了码头的关键实体及其相互关系，结合离散事件动态系统建模与仿真理论，设计了码头物流系统仿真模块库。针对实际对象的模型搭建证明了模块库的便捷性和正确性，但随着集装箱运输的发展，码头装卸工艺也更加复杂，模块库需要细化并加入具有新功能的模块以满足需求。

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Design and Application of Simulation Module Library in Container Terminal Logistics Systems

Ma Xiangyu，Zhou Qiang，Wan Ying
（School of Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

In this paper， in order to design a set of universal- purpose simulation module library for the container terminal logistics systems， we used the Jackson queuing network to analyze in- depth the composition， association， technical process and dynamiccharacteristics of the terminal elements； then with the container truck as the customer， we established the corresponding closed-loop queuingnetwork model and further established the terminal logistics system composite queuing network model； next we represented the connectionbetween the service center and other entities in the form of an E-R chart and on such basis， designed the simulation module library； and at theend， we demonstrated the ease and correctness of the library through an engineering case.

container terminal； logistics system； Jackson queuing network； simulation module library

U695.22

A

1005-152X（2016）08-0074-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.020

2016-07-02

马向宇（1991-），男，安徽蚌埠人，武汉理工大学在读硕士研究生，研究方向：港口物流系统建模与分析。