基于FlexSim的集装箱码头铁路装卸线建模与仿真分析

1 日照港集装箱发展有限公司 2 青岛海西重机有限责任公司

1 引言

集装箱贸易量不断增长为集装箱港口集疏运建设带来新的挑战，亟需有效的工具来评估港内铁路装卸线作业系统效率。由于系统的离散型和随机性，资源的优化与配置难以用精确的数学模型来表达，比较适用于仿真方法来进行描述和优化。

现有的研究成果主要集中在港区外铁路、铁路装卸线整体布局等。例如，对于港内铁路装卸线/场，刘学武等探讨了确定铁路集装箱装卸设施建设规模的主要条件和港内铁路装卸线的布置形式与集装箱码头装卸作业的关系[1]；王玥葳定性分析了铁路进线布局对港内交通的影响，提出港外集结站方式为海铁联运的高效方式[2]；李达等通过多智能体仿真技术和微观交通仿真技术构建铁路装卸线模型，模拟系统作业流程，其模型基于集装箱码头整体，对铁路线作业调度等方面进行了抽象[3]。

本文利用离散事件虚拟仿真软件FlexSim对码头铁路装卸线进行仿真建模，对泊位、港内堆场、闸口等进行抽象处理，细化装卸作业策略，通过某港集装箱码头铁路装卸线系统运作实况，验证模型的有效性，仿真得出作业系统的数据指标，为系统的资源优化配置提供决策支持。

2 集装箱码头铁路装卸线

典型的集装箱码头主要包括码头前沿作业区、堆场作业区、铁路作业区三大作业区。铁路装卸线的布置应满足港口总平面设计及工艺设计的要求，铁路装卸线宜布置在港口的后方，当码头陆域纵深不足时，可将铁路装卸线布置在港区以外专设的铁路装卸站或者集装箱物流中心[4]。

船舶到港后，到港集装箱通过码头前沿作业区的岸桥卸载至港内集卡上，港内集卡将集装箱运送至铁路装卸区，由轨道吊装车离港，或将集装箱运送至堆场暂时堆存，再运送至铁路作业区装车疏港或由港外集卡疏港；对于出港集装箱，列车到港后，由铁路轨道吊卸载至港内集卡，集卡将集装箱运送至堆场暂存，或直接运送至码头前沿作业区由岸桥完成装船作业(见图1)。船舶和列车到港、设备调度、集卡路线选择、装卸作业策略等各作业都存在随机性，也需要通过信息交互实现协同作业。集装箱码头铁路装卸线作业系统是由复杂随机动态物流系统和道路交通系统组成，需要建立有效模型来描述铁路装卸线作业。

图1 典型集装箱码头布置示意图

3 集装箱码头铁路装卸线作业流程

建立仿真模型对码头前沿作业区和堆场作业区进行抽象化处理，只考虑铁路作业区的装车作业、卸车作业和水平运输作业3个子系统。

3.1 装车作业和卸车作业系统

列车到达铁路装卸线后，由铁路轨道吊来完成集装箱的装车作业、卸车作业，其详细流程见图2。

图2 列车装卸作业流程图

3.2 水平作业系统

水平作业系统的主要运输工具为港内集卡，负责铁路作业区与堆场作业区和码头前沿作业区间的集装箱水平运输，水平作业系统流程见图3。

图3 水平运输作业流程图

4 基于FlexSim的某港集装箱码头铁路线装卸系统建模

FlexSim软件是典型的离散虚拟现实仿真软件，采用面向对象技术，突出3D显示效果，可以有效地对离散型、随机型系统进行仿真分析。利用FlexSim仿真软件建立铁路装卸线系统仿真模型，可逼真地描绘系统，为系统的规划设计或资源配置优化提供了有效的可视化手段。

4.1 模型假设

为便于系统建模与分析，做出下列假设：

(1)只考虑集装箱码头铁路装卸线部分，对泊位、港内堆场、闸口等设施进行抽象处理。

(2)考虑实际情况，集装箱分为20 ft和40 ft这2种箱型，不考虑特种箱的装卸。

(3)轨道堆区为4列，最高可放3层，20 ft箱型较少，放在铁道堆区离轨道最近的一列，40 ft箱型随机放在其他3列。考虑实际情况，装卸车时按照“Z”字型堆取策略取箱或放箱，可尽量减少轨道吊行走距离。

(4)当同时存在集卡装卸任务和装卸车任务时，轨道吊执行完当前任务后会优先执行集卡装卸任务，集卡的服务原则为先到先服务。

4.2 FlexSim对象实体与实际设施的对应分析

依据对象控件的功能建立铁路装卸设施与FlexSim对象实体的映射(见表1)。

表1 铁路装卸线设施的实体映射对照表

4.3 建立仿真模型

根据以上分析，建立某港集装箱码头铁路线装卸系统仿真模型见图4。

图4 仿真模型效果图

5 仿真实验过程及结果分析

5.1 约束输入条件

针对某港集装箱码头的实际作业现状，本次实验模型输入参数如下：

(1)轨道吊单箱装卸时间为三角分布(1.2 min、1.6 min、2 min)。

(2)进出口箱各占50%，40 ft箱型数量按照占总箱量的80%计算。

(3)列车长度为60节，120 TEU/车，轨道堆区长度约为800 m，轨道吊和港内集卡数量按照1∶3比例配置。

5.2 仿真结果与分析

分别在铁路装卸线上配置2、3、4台轨道吊，形成3种轨道吊配置方案，运行仿真实验20次，每次时间取1个月，统计列车平均装卸时间、集卡平均等待时间和轨道吊平均利用率仿真数据见表2。从表2中数据可以看出，随着轨道吊数量的增加，列车平均装卸时间和集卡平均等待轨道吊时间均减少，铁路装卸线效率提高，但轨道吊利用率降低。仿真结果与铁路线实际作业情况基本相符，该仿真模型可较真实地描述铁路装卸线系统，可运用此仿真方法进行轨道吊、火车和集卡的合理配置，使三者有机地协调，为实际的资源配置、装卸工艺方案等提供参考。

表2 仿真结果

6 结语

在综合集装箱码头铁路装卸线仿真特点以及FlexSim离散系统仿真方法的基础上，结合某港铁路装卸线实例建立了仿真模型，通过对比多种轨道吊方案的仿真结果，证明基于FlexSim仿真建模方法在集装箱码头铁路装卸线系统中应用的可行性，该模型为铁路装卸线资源设施的配置规划提供了一种切实可行的理论方法。