西部港口物流枢纽运营与流程技术研究

摘要：文章结合西部港口特点，以管控一体化为核心理念，以优化港口物流运作组织流程为主线，从散杂货物流系统、集装箱物流系统两大方面，研究提出了港口业务管理与作业控制一体化框架体系、港口物流运作组织优化技术方案和港口物流作业机械状态智能化监控技术方案。研究成果对于提高港口物流运营组织与流程控制技术水平具有重要的指导意义。

关键词：港口物流枢纽;运营;流程;优化;机械状态监控

中图分类号：U695文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 045

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0170 - 07

0 引言

北部湾港口作为连接我国西部地区与国际社会重要通道和国际化综合物流链的重要环节，必须主动承担起区域性港口综合物流枢纽的重任。但目前北部湾港口基本以大宗货物装卸、运输为主，物流业发展基础薄弱，与综合物流枢纽建设的目标存在差距。为促使北部湾港口实现货运运输、仓储、配送、加工改装、包装、通关、商检、保险和信息交换等商品供应链服务，即为用户提供多功能一体化的综合物流服务，本文将从港口业务管理与作业控制一体化技术、枢纽运营组织优化与模拟技术、港口作业智能化监控技术等方面，破解制约西部港口综合物流枢纽建设的关键技术问题。

1 关键技术的架构

本文以管控一体化为港口物流运作流程优化的核心理念，以优化仿真和机械状态监控为关键技术，突出港口物流运作流程中的關键环节，实现理论、流程、技术的有机统一。通过对北部湾港口进行分析，各关键技术的逻辑架构如图1所示。

2 港口业务管理与作业控制一体化技术

2.1 管控一体化技术

管控一体化（也称EMS）指的是处理ERP（企业资源规划）与现场控制层的中间层。管控一体化的核心思想就是“采用系统集成、信息集成的方法组织生产，把市场经营、生产计划、制造过程、企业管理、产品设计、售后服务看作统一的生产过程，把人力、财力、设备等生产要素集成起来统一控制，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个生产过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策，实现从最底层的现场设备运行到最高层的市场运作所产生的数据共享。”

2.2 港口物流枢纽管控一体化体系框架

港口物流枢纽管控一体化体系在本文中基本分成两大系统：港口物流枢纽生产系统和港口物流枢纽运输服务系统。这两大系统通过指令流、数据流等在各个管理部门之间进行交流。港口物流枢纽管控一体化体系框架如图2所示。

3 港口枢纽运营组织优化与模拟技术

3.1 港口物流运作组织优化总体目标

港口物流运作组织优化与模拟从节省资源、提高效率、优化布局、提高智能、节能减排等方面，以提高港口竞争力、促进港口发展为目的，实现港口资源合理配置和调度。在港口物流整体视角上优化各作业环节的衔接，实现整个流程的优化和无缝衔接。

鉴于文章篇幅，本文主要以钦州港集装箱物流运作组织优化方案为例来解释港口物流运作组织优化技术。

3.2 钦州港集装箱物流运作组织优化

集装箱物流运作组织优化包括两个方面：（1）集装箱码头不同业务环节流程优化的目标;（2）集装箱物流运作组织全过程优化的目标。

3.2.1 钦州港集装箱物流运作组织优化需求分析

钦州港区TOPS集装箱操作系统功能存在不足，导致出口堆场倒箱率较高。考虑钦州港集装箱码头到港集装箱船舶数量相对较少、装卸箱量相对较少的实际情况，其具体需求为：

（1）到港船舶动态指泊优化。通过对钦州港保税物流园区集装箱码头到港船舶的靠泊作业进行动态模拟，分析船舶靠泊作业的瓶颈和制约因素，实现动态指泊的优化，提高泊位利用率，减少船舶等待时间。

（2）港口装卸设备配置的优化与模拟。利用模拟优化方法进行港口装卸流程的模拟，发现设备浪费情况，优化岸桥、场桥、集卡等装卸设备的配置，提高装卸资源的利用效率，控制装卸设备使用、维护和保养成本。

（3）堆场自动派位模拟优化。通过模拟优化技术对钦州港保税物流园区集装箱码头出口堆场的堆存作业进行模拟优化，分析堆场的运作情况和货物堆垛情况，优化堆场货物的堆存作业，实现堆场自动派位优化，降低倒箱率，减少堆场拥堵，实现货物顺利堆存、提取。

3.2.2 钦州港集装箱物流运作组织优化方案设计

钦州港集装箱码头属于小型集装箱码头，尽管其泊位生产能力有限，但是随着大型泊位的建设，钦州港集装箱码头的装卸需求会大大增加。针对钦州港的特点及需求，设计集装箱码头物流运作组织优化业务流程（见图3）。

具体来说，就是将模拟优化技术嵌入到TOPS系统中，实现TOPS系统的升级，利用升级后的TOPS系统进行靠泊计划的编制。

3.3 钦州港集装箱物流运作组织优化实证分析

为了验证所设计的优化方案的可行性，结合钦州港集装箱码头的实际情况，对钦州港集装箱码头的靠泊环节与出口堆场派位优化选用POEM物流优化平台进行实证分析。

3.3.1 动态指泊优化实证分析

钦州港集装箱码头的岸线长度约为1 000 m，假设船舶之间的安全距离为20 m，考虑1 d之内的船舶的靠泊计划，为了叙述方便，以30 min为1单位时间，将1 d划分为48个单位时间，船舶信息如表1所示。

岸边可用桥吊数为10，给10个岸桥进行顺序编号，从左至右依次为岸桥1到岸桥10。一台岸桥作业30 min的费用是300元，每开一台岸桥围绕其配置的人力、集卡等成本费用为4 000元，船舶之间的安全距离为20 m，其他参数信息如表2所示。

以最小化船舶等待作业时间为目标，通过第一阶段模型对该问题运用POEM物流优化软件进行求解，能很快得到初始解。经运算，随着POEM的运行，等待时间的数值在不断优化，POEM运行大约24 s后得到最优解waittime=0，而且最优解得到验证，船舶作业区间与停靠位置的POEM运行结果信息见表3。

通过对第二阶段的模型进行求解，得到岸桥数量n=6，fee=690，即69 000元。具体岸桥数量配置及调度如表4所示。

从图4及表4可以看出，POEM求解能有效地解决动态指泊优化问题，并且具有较高的运算速度。但是，由于动态指泊优化问题的NP性，随着问题规模的增大，需要对该问题设计专门的求解策略，才能得到较为满意的求解速率及求解结果。

3.3.2 堆场自动化派位优化

在钦州港集装箱码头船舶靠泊装卸过程中，假设出口堆场中某箱区有40 TEU集装箱需要出口装船，这40 TEU集装箱的重量级别与航线级别信息如表5所示。该箱区预留堆存这40 TEU的贝位、列位、层位分别为3、5、5，对这40 TEU进行派位，力求派位后翻倒率最小。

利用POEM物流优化系统软件平台对优化模型运行求解，能很快得到优化结果，如图5所示。

从图5可以看出，POEM运行2.7 s作业得到解，并且解的最优性得到证明。POEM得到的最优解如下：min p=0，具体堆放位置如表6所示。

由表6可知，利用POEM优化后的集装箱1放到1贝1列1层位置，集装箱2放到1贝2列1层位置，集装箱3放到1贝2列2层……以此派位后该箱区的倒箱率为0。派位示意图如图6～8所示。

由此可以看出，POEM求解能有效地解决出口堆场自动派位问题，并且具有较高的运算速度。但是，由于出口堆场派位优化问题的NP性，随着问题规模的增大，需要对该问题设计专门的求解策略，才能得到较为满意的求解速率及求解结果。

4 港口物流作业机械状态智能化监控技术

港口物流作业机械状态智能化监控是智能化监控在港口物流作业机械上的应用，即利用智能监控服务器、集成智能行为识别算法，对港口物流作业机械状态进行识别、判断，并在适当的条件下，产生报警提示，以达到监控的目的。

4.1 港口物流作业机械监控实施技术方案

针对与港口物流作业机械有关的环节，如码头前沿装卸机械环节、堆存机械环节、地磅系统环节、集疏运系统环节等，采取远程视频监控、智能数字视频监控、网络监控、移动监控、物联网智能监控以及无线互联网、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、无线射频标识（RFID）、自动导引小车（AGV）技术、智能交通（ITS）等技术，研究机械状态监控技术在关键环节实施的目标、范畴、环境等。

鉴于文章篇幅，本文主要以防城港散杂货码头物流作业机械智能监控实施方案为例来解释港口物流作业机械状态智能监控技术。

4.2 防城港散货码头物流作业机械智能化监控实施方案

4.2.1 防城港散货码头物流作业机械智能化监控需求分析

防城港散货码头现有的监控系统主要有视频监控和水平移动车辆GPS监控。

防城港散货码头监控指标包括：车载机序列号、时间、回传间隔、回传次数、车牌号码、车载电话、速度、状态（刹车、左转、右转）、所在线路、所在位置、经度、纬度、方位角、油量、总里程等。

4.2.2 防城港散货码头物流作业机械智能化监控流程方案设计

主要是对防城港散货码头物流作业机械状态自动监控、远程视频监控、数字智能化监控以及基于.NET Remoting设备远程监控进行详细的方案设计。（1）机械状态自动监控，针对防城港散货码头的特点，主要应用PLC、OPC技术和以太网系统，保证监控系统的稳定性和准确性，这是其他监控技术应用的基础。（2）远程视频监控技术，主要针对散货码头货物的流动性比较大、机械运动量也比较大的情况，应用互联网技术和视频技术，提高监控的范围。（3）数字智能化监控和基于.NET Remoting设备远程监控是远程监控的进一步应用。由于散货码头机械结构复杂，可以利用数字智能化监控对监控图像进行智能处理，提供清晰的画面。由于散货码头作业机械不断运动，利用摄像机对运动的机械进行监控存在差错，可以利用.NET Remoting技术，无需摄像机就可以对机械状态进行信息采集。基于.NET Remoting的设备远程监控主要由监控管理控制台、监控服务器、监控代理等构成。

鉴于文章篇幅，本文主要以.NET Remoting技术为例来解释物流作业机械智能化监控技术方案。

4.2.3 基于.NET Remoting设备远程流程监控方案

防城港散货码头设备远程监控管理系统由监控管理控制台、监控服务器、远程监控代理和监控数据库组成。监控系统结构如图9所示。

5 结语

本文研究成果已应用于北部湾港口（防城港域、钦州港域），对于提高作业效率和管理效率，提升港口综合交通具有重要的应用价值。随着港口操作系统的不断改进，项目的研究成果将得到更多应用，对于增强西部地区，乃至全国的港口物流操作系统的技术含量将发挥越来越重要的作用。本文提出的港口物流业务运作优化及仿真方案，试图解决业界普遍存在的一些难题，优化方案的实施需要一定的假设条件，而且如何在局部优化的基础上实现全局优化还需进一步探讨。从方案的应用方面看，目前只有一部分研究成果应用于依托工程，需要与相关企业及管理部门共同在生产实践中研究成果的应用方式，通过实践不断完善。

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作者简介：王勇（1980-），高级工程师，硕士研究生，主要從事信息化建设和科研工作。

基金项目：交通运输部西部交通建设科技重大专项“西部港口物流枢纽运营组织与流程控制技术研究及示范应用”（项目编号：2011328345530）