物流系统仿真技术在集装箱码头管理中的应用实践

袁罱蔚 胡聿理

系统仿真是针对研究对象建立模型，并在模型上对系统进行试验研究的方法。作为一种实用的决策工具，物流系统仿真技术广泛应用于运输调度、码头运营、库存管理、集疏运规划设计等领域，在集装箱码头运营管理及方案调整优化等方面发挥重要作用。

1 系统仿真技术的价值及特点

1.1 系统仿真技术实用价值

系统仿真技术是利用模型对系统进行试验，并借助经验知识、统计数据和系统资料等分析试验结果并作出决策的综合性和试验性学科。[1]系统仿真一般是在技术条件受限的情况下或出于人身和设备安全角度考虑在模型上开展研究的方法，可以获得与实际系统研究相同或近似的结果。因其具有低成本、高效率且试验结果较精准的优点，系统仿真技术被广泛应用于管理和决策领域，通过对现实问题的模拟分析，可以有效帮助企业缩小投资规模，降低生产成本，优化安全库存，提高资金效用。

1.2 系统仿真技术的特点

系统仿真技术可以为决策者提供关键性见解和创新性观点，拥有学科面广、综合性强、应用领域广、可重复试验、不受自然环境限制等优点， 可以服务于具体的生产活动;同时，生产活动的改进成果又可以反作用于系统仿真技术，推动该技术不断成熟和进步。

2 物流系统仿真目标、方法及步骤

2.1 物流系统仿真目标

物流系统仿真广泛应用于仓储系统、生产系统、库存系统、配送系统、供应链系统和港口物流领域。[2]物流系统仿真目标是，使用仿真技术辅助有关系统的规划设计、运营管理、综合性指标评估验证、多种方案比较等工作，最终达到优化系统的目的。

2.2 物流系统仿真优化方法

物流系统指在一定时间和空间里，由包装设备、物资、运输工具、人员、装卸搬运机械、仓储设施和通信联系等若干相互制约的动态要素构成的具有特定功能的有机整体。[3]物流系统具有复杂性、随机性、动态性和非线性的特点，仿真运行统计结果可以推演出系统的真实性能。物流系统仿真可以解决复杂系统问题，规避诸多不确定因素，并最终通过各类数据和表格分析， 实现物流系统优化。

考虑到物流系统的复杂性，借助计算机软件并行运算速度快、输出连续性强、易于与实物相连接、更接近实际控制系统等优势，基于FlexSim软件建立的系统仿真模型可以全面反映物流系统的特点。在实践运用中，软件仿真结果只能对问题进行直观性描述，只有将仿真技术与优化算法结合起来，才能实现物流系统优化目标。

2.3 物流系统离散事件仿真基本步骤

物流系统仿真是典型的离散事件系统仿真，其核心是时钟推进和事件调度机制，仿真基本步骤为：第一步，确定仿真目标，明确要解决的问题;第二步，开展系统调研，绘制总体流程，汇总建模参数，为建立数据模型作准备;第三步，建立数据模型，构建包含临时实体到达模型、永久实体服务模型和排队模型等的流程图;第四步，确定仿真算法，根据模型特质选取事件调度法等工作方法;第五步，建立仿真模型，实现系统模型数据化和数字化，其间可以增加一些部件来契合计算机运行特点;第六步，开展模型验证，确认所建立的模型能否被准确地描述成可执行的效果;第七步，运行仿真模型，其核心是确定终止仿真时间，并以此为先决条件来检测阶段效果;第八步，分析仿真结果，通过不断增加仿真次数来获取最终满意的结果;第九步，输出仿真结果，分为实时在线输出和仿真结束时输出，可以输出表格、直方图、饼图、曲线图等形式数据及数据文件，为决策辅助提供有价值、有说服力的数据参考。

3 物流系统仿真技术在集装箱码头管理中的应用

物流系统是多因素、多目标的复杂运营系统，其整体优化是综合性的复杂工程。近年来，在运输网络布局、物流园区规划、供应链管理控制等现代物流研究领域，通过计算机仿真技术来服务物流决策管理的效果显著。例如， 通过计算机仿真工具模拟码头集装箱物流系统，可以分析各种情况下集装箱物流系统各项性能指标，从而为老码头改建和新码头规划设计提供科学的决策依据。[4]码头集装箱物流系统涉及集装箱搬运和堆放、装卸机械作业、堆场箱位配置等诸多复杂因素， 利用系统仿真技术分析各项运管指标，可以为集装箱码头调整生产组织和优化作业流程提供决策辅助。

3.1 码头集装箱物流系统构成

码头集装箱物流系统设施设备包括泊位、岸线、前沿、堆场、集装箱货运站仓库、中控室、道口、修箱车间和岸桥、门机、正面吊、叉车、牵引车、跨运车等，实体构成较为复杂且互相关联和连接，高效协同的难度较大。码头集装箱物流系统生产作业具有连续性强、组织协调难度大、作业时间和空间不平衡等特点;因此，系统以尽量缩短集装箱在码头内逗留时间和保持生产连续性为出发点，最大程度保障各生产组织部门的多环节、多工种、内外部门高度协调，最终达到优化系统的目的。

从作业流程方面来看，码头集装箱物流系统由一个总的陆海域系统和与岸线垂直分布的四大子系统构成，其中，四大子系统分为前沿装卸系统、水平运输系统、堆场装卸系统和道口检查系统。从作业工艺方面来看，码头集装箱物流系统分为进港卸船、集装箱分流、堆场存提、货箱出站、装船出运等5个工艺环节，从而实现集装箱的不断流动。码头集装箱物流系统实体构成及工艺流程的复杂程度决定了其仅靠构建简单的数学模型是无法解决优化问题的，只有利用计算机仿真工具才能帮助码头管理者获取改进生产工艺和作业流程、提升管理水平和港口吞吐能力的优化方案。

3.2 码头集装箱物流系统仿真模型设计与应用

通过绘制码头集装箱物流系统仿真总流程图（见图1），建立一套完整的系统设计、运营和检验方法，系统地布局模型設计和设备建模，并在建模的基础上开展仿真运行，分析输出结果，能够对码头集装箱物流系统实施多方面优化。

（1）模型设计与运行 设置进港卸箱区域、集装箱分类区域、堆场作业区域、集卡驶离区域和装船出运区域等，设置原则如下：进港卸箱区域为流程起点，通过发生器按照一定比例模拟集装箱到达，由船舶发生器模拟靠港待卸船舶，然后与进港船舶合成器关联起来模拟船舶进港卸箱，再通过传输器模拟集装箱运输及船舶靠港待卸;在集装箱分类区域，利用分离器模拟卸船后，再通过排队器将集装箱分类，最后使用各自的传输器转运车将集装箱驳运到相关区位;在堆场作业区域，先用转运车将集装箱运往缓存区，再通过起重设备将集装箱放至预定的箱位;在集卡驶离区域，使用起重设备按箱位取箱并将其吊运至集卡上驶离码头，道口布置卡口系统，监控集卡出入码头区域情况;在装船出运区域，转运车将由集卡运来的集装箱经排队器放至缓存区内，再由岸桥将集装箱装船出运。

（2）仿真数据处理与分析转运器仿真结果输出为转运车的运营状态直方图，可以帮助码头了解转运车利用率，以便相关部门调整转运车配置;调度器仿真结果输出为泊位实际使用状况饼图，可以帮助码头获得各时段泊位利用率，以便相关部门调整船舶装卸方案，提高泊位利用率;堆场仿真结果输出为数据表格，可以直观呈现堆场内各种箱型堆存量随时间推移而变化的过程，可以协助码头判断堆场容量及箱区分配合理性，以便调度部门调整箱区分配。

4 结束语

随着集装箱码头生产规模的扩大和业务量的增加，码头生产作业过程中的信息量骤增，生产组织趋于复杂，依靠人力和经验难以实施港口生产调度决策。在此背景下，借助物流系统仿真技术辅助港口生产调度显得越来越重要。

参考文献：

[1] 邱小平. 物流系统仿真[M]. 北京：中国财富出版社，2012.

[2] 陈香莲. 基于物流系统仿真的集装箱港口数据拟合优化研究与实践[J]. 物流工程与管理，2017，39（11）：67-68.

[3] 李永先，胡祥培，熊英. 物流系统仿真研究综述[J].系统仿真学报，2007，19（7）：1411-1416.

[4] 王红卫，谢勇，王晓平，等. 物流系统仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-02-21）