基于单船装卸运输模型的集卡配置仿真研究
第18卷第12期
系统仿真学报?V ol. 18 No. 12 2006年12月Journal of System Simulation Dec., 2006
基于单船装卸运输模型的集卡配置仿真研究
张莉，霍佳震
（同济大学经济与管理学院, 上海 200092）
摘要：分析了集卡配置对集装箱码头的装卸作业的影响，使用Witness仿真软件以国内某大型集
装箱码头为案例，建立了基于码头前沿至堆场的整体道路网络的单船装卸运输仿真模型。通过仿
真模型的运行，分析集卡配置数量和车速对整船装卸时间的影响，研究发现集卡的数量应根据装
卸的不同时段进行动态调配，集卡的车速提高不一定可加快整船的装卸效率。本模型为建立基于多
船装卸运输模型的码头仿真预测系统提供了参考。
关键词：集装箱码头；装卸运输；仿真模型；集卡配置
中图分类号：U169 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) 12-3532-04 Configuring Container Truck Optimization Based on Simulation Model
of Single Ship Handling and Transportation on Container Terminal
ZHANG Li, HUO Jia-zhen
(School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: The effect of the container truck configuration on the handling operation on container terminal was analyzed. In accordance with the data from a large container terminal in China, a simulation model of ship handling and transportation was built by using Witness simulation software, in which a transportation road network from the front berth to the container yard is included. Through running the model, the effect of the quantity and the speed of the container trucks were analyzed on the ship handling time. It is concluded that for the sake of efficient operation, the quantity of the trucks should be configured dynamically according to the different period of handling, and that a higher speed of the trucks would not necessarily result in a faster handling efficiency. This model could be a good reference to building up the simulation-based prediction system of container terminal built on multi-ship handling and transportation model in future.
Key words: container terminal; handling operation and transportation; simulation model; truck configuration
引言
随着国内航运事业的快速发展，各集装箱港口码头十分重视自身竞争力的提高，对集装箱码头的信息化管理愈加关注。除了集装箱码头管理信息系统外，越来越多的计算机建模和仿真技术被应用在集装箱码头的战略决策和日常运营管理中。仿真技术的优势在于可以对规划中的系统或现有配置提出各种假设并建立合理的仿真模型，在计算机中运行仿真系统，测试和检验仿真模型在各种运行状态下的绩效[1]。
现代集装箱码头管理系统可研究的内容十分丰富，包括码头布局的优化，码头吞吐量的预测，运输调度计划的制定，日常运营管理的决策，码头资源的合理调配、物流信息的传递和处理等。目前，国内外对于集装箱码头物流系统的仿真研究，主要集中在码头规模和资源配置优化、运营环节局部的设备配置和泊位分配，码头装卸能力和泊位通过能力研究，以及装卸工艺方案设计和改善等方面等[4-9]，但对于集装箱码头日常装卸作业却少有具体的整体性的建模仿真研究[2]。在集装箱码头资源配置问题中，国内外学者中主要是利用排队模型和各种随机分布来模拟船舶到达、机械作业和
收稿日期：2005-09-21 修回日期：2006-03-20
作者简介：张莉(1979-), 女, 湖北江陵人, 博士生, 研究方向为物流系统优化与仿真；霍佳震(1962-), 男, 上海人, 教授, 博士, 博导, 研究方向为管理理论与工业工程、企业管理、现代物流与供应链管理。集卡运输这一系列作业过程，研究锚地、泊位、桥吊和龙门吊等资源中的一种或多种的合理配置，但大多数学者的研究中没有考虑集卡运输及其配置问题，也没有建立与实际码头对应的运输道路网络。文献[3]建立了包括锚地、泊位、桥吊、龙门吊和集卡的动态多级排队网络，
用VB编写模拟程序描述集装箱码头装卸系统，研究外高桥码头的最优桥吊数和最佳机械比，模型将集卡从泊位到堆场的运输距离作为随机分布输入。实际上，装卸作业中集卡的运输距离是由起始点（如泊位）和目的地（如某箱区）决定的，取值相对固定，在交通拥挤的情况下，还会受到路径选择的影响，随机分布模拟会造成与实际较大的差距。
为此，本文基于国内某大型集装箱码头实例，利用仿真工具Witness尝试建立了以码头前沿至堆场的运输道路网络为基础的单船装卸运输仿真模型。利用该仿真模型，以集卡为研究对象，考虑了集卡路径选择对装卸作业的影响，分析单船作业中集卡的车速和数量的配置与作业时间的关系，最终做出了集卡配置的优化建议。
1 集装箱码头装卸运输的特点
集装箱码头装卸作业系统是一个复杂的多环节且并发性强的多维空间作业的离散事件系统。为了保证完整高效的运作，要求集装箱码头有合理的平面布局以及集装箱装卸工艺，其中集装箱装卸工艺是综合评价码头经济效益的基础。
2006年12月张莉，等：基于单船装卸运输模型的集卡配置仿真研究 Dec., 2006
集装箱堆场的运营成本中，桥吊的成本相当昂贵，每增配一台桥吊，就必须相应配备一定数量的龙门吊和集卡，还有其他设备和人员等。只有充分利用桥吊产能，提高桥吊的工作效率，提高产值，才可能节约运营成本。
为保证桥吊的工作效率，一般在码头后方配备较多数量的龙门吊和集卡，以防止在装卸船过程中出现桥吊等候集卡的现象。通常情况下(桥吊：龙门吊：集卡)的数量配置比为1:3:5，而实际运营中，如果码头前沿任务不是特别繁忙，码头管理人员可以配置超量的集卡，以期望提高桥吊对船只的装卸效率。但是在这种配置模式下，对于集卡资源有一定的浪费，而且当码头上集卡数量过多时，会造成堆场上集卡运输可能发生交通堵塞。而一旦发生堵塞或供给不足，都会对码头生产效率带来很大的影响。在集装箱码头上集卡数量的配置存在着这样的trade-off(效益背反)现象，说明其间必然存在一个最佳集卡配置令装卸效率和堵塞状况达到一定的平衡状态。
集卡运输是码头作业系统中的重要环节，衔接前沿桥吊和后方龙门吊的工作。只有令其数量和车速的安排同时适合桥吊和龙门吊的装卸，才能确保整体效率的提高。但是由于集装箱码头作业集卡运输问题的复杂性和并发性，解析计算方法很难满意地得到问题的解答，我们只能通过计算机的仿真模拟来对这个问题进行深入研究。
为此，我们利用国内某大型集装箱港口的码头的实际调查资料，使用Witness仿真软件建立了集装箱码头单船装卸及运输作业全过程的仿真模型。码头模型中设置了4个泊位，后方堆场有50多个龙门吊工作箱区与20多个不规则箱区。垂直装卸和平面运输机械设备有桥吊、龙门吊、堆高机和集卡等。根据码头的实际平面布置，模型中按比例建立了集卡的运输道路网络，如图1。
图1 Witness仿真模型运行界面
2 Witness集装箱码头装卸运输仿真建模2.1Witness简介
Witness是英国Lanner公司推出的功能强大的仿真平台软件，积累了十多年的计算机仿真软件研发经验，可以同时应用于离散事件系统和连续流体系统的仿真，在世界上得到了较为广泛的应用。
2.2 仿真作业流程
仿真模型模拟了集装箱码头的集装箱轮船从卸船开始到装箱完毕的整个码头运营过程，显示了桥吊、集卡和后方堆场装卸设备之间的全程协作，通过对不同集卡数量和集卡车速的运行结果考察，找到适于流程特点的集卡配置策略。
现代集装箱码头的装卸工艺一般先将进口集装箱从船只上卸下，后将出口集装箱装上船。每个集装箱在码头上的位移过程分为三个阶段：码头前沿装卸机械对船舶的集装箱装卸，后方堆场装卸机械对集装箱吊取码放，水平运输机械往返于前沿和堆场之间的运输过程。据此设计仿真模型的整个流程，如图2所示。
模型
开始
开始
图2 码头装卸仿真事件流程
模型的初始状态是：集卡在等候场地待命，集装箱船靠泊在码头前沿，待装船的出口集装箱全部码放在各个出口箱区。由于集装箱码头的装卸过程是多环节且并发性强的离散事件系统，不同设备发生的主要事件流程如下：
桥吊：卸船作业中的流程：从船上某个箱位提起集装箱→对空闲集卡发出指令→将集装箱放置在集卡上；
装船作业中的流程：从集卡上提起集装箱→放置集装箱在船上指定箱位；
堆场装卸设备：卸船作业中的流程：从集卡上提起集装箱→放置集装箱在箱区的指定箱位；
装船作业中的流程：从箱区某个箱位提起集装箱→对空闲集卡发出指令→将集装箱放置在集卡上；
集卡：集卡作业流程：在等待区域等候指令→接收指令→到指定装箱地点(码头前沿/堆场)处接箱→运输→到指定卸箱
2006年12月系统仿真学报 Dec., 2006
地点(堆场/码头前沿)处等待放箱→返回等候区域等待指令。
2.3 集卡运输与调度模式
集装箱码头的集卡运输模式一般有单循环与双循环两种。在单循环模式中，集卡服务于一台桥吊，往返两程有一程是空驰；而双循环模式中，集卡可服务于分别处于装船或卸船状态的几台桥吊，集卡的空驰率和运输时间都有所减小，但是组织难度很大。对于采用自动导航车辆(AGV)或自动跨运车(ALV)运输的高度自动化的集装箱码头，可以使用双循环运输模式，并在对车辆发出的指令中包含指定行驶路线的信息，使车辆完全按照指令进行运输作业。但国内集装箱码头一般都没有使用自动化水平运输机械，集卡运输存在很多随机和人为的影响因素，多采用单循环模式。码头作业计划员将一定数目的集卡分配给某台桥吊服务，作业时通过车载的无线讯号手持终端对集卡司机发出工作指令，指令包括需要去提取的集装箱号及其所在箱区箱位等信息，当司机完成一个集装箱的任务并确认后，系统获得反馈信息再对其发出下一个工作指令。在各个路口的路径选择由司机自行确定，一般来说司机选择路径的原则有两个，即离目标位置最近和前方不堵塞。
本仿真模型根据码头的实际集卡行驶规则，对集卡运输路网进行如下规定：集卡在干道上可以双向分流行驶，但箱区内的道路上只允许固定单向行驶，且在任意道路上行驶时后方车辆不可超车。模型紧扣集装箱码头集卡实际调度的几个主要特点，模拟了如下的调度方式：
1) 桥吊数量与集卡数量遵循一定的比例配置；
2) 单循环运输模式：模型使用VSEARCH规则对所有路径上活跃的集卡进行搜索，如果集卡状态为IDLE则用CALL命令对其发出工作指令，指令包括提取集装箱的地点、卸下集装箱的地点等信息；集卡接收任务，更改状态为DEMANDED，装载集装箱后状态更改为LOADED，完成此次运输任务后恢复IDLE的状态，并可接收新的工作指令；
3) 集卡路径选择原则：模拟司机路径选择，用DESTINATION判断目的地后在对应输出规则的路径列表中优先选择最短路径，如果该道路堵塞，则选择次短道路，依此类推。
2.4 模型单元设置
Witness软件提供了几种可用于构造仿真模型的基本单元，分为物理单元和逻辑单元两类。其中用于离散事件系统的物理单元有part，buffer, machine, track, vehicle, conveyor 等，逻辑单元有attribute, variable, distribution, function, shift, file, timeseries, histogram, pie等。在本模型中，将码头各要素用witness基本单元模拟如表1。同时，给集装箱设置属性，如箱号、桥吊号、龙门吊或堆高机编号、集卡号，起始箱位和目的箱位等，根据对属性的判断控制集装箱的位移。
3 模型参数
模型使用了今年3月份一艘大型集装箱船在该港口装
表1 模型中码头要素的模拟
码头要素 Witness基本单元功能
进口集装箱 Part 主要工作对象
出口集装箱 Part 主要工作对象
Buffer 存储集装箱船舶上贝位
Machine 桥吊工作点
桥吊 Labor
岸边起重机械龙门吊，堆高机 Labor 堆场起重机械
Buffer 存储集装箱堆场箱区
Machine 龙门吊工作点
道路 Track
集卡运行路径
集卡 Vehicle
集装箱运输工具
卸的所有集装箱的数据。在这艘船的实际装卸作业过程中，总装卸自然箱量为1624箱，其中卸箱量640箱，装箱量984箱；作业机械包括桥吊5台（并非始终同时工作），龙门吊23台，堆高机5台，集卡50台；装卸的集装箱涉及7个进口箱区，15个出口箱区；各桥吊所工作的贝位及先后顺序均采用实际调度的顺序等；取箱完全按照实际取箱的先后顺序。集装箱的属性数据包括有装/卸船、箱号、起吊设备、放置设备、起始箱位、目的箱位、起吊时刻、放置时刻等。
桥吊的每箱作业时间（分/箱）取决于桥吊司机的工作效率。通过当月70多名桥吊司机的工作情况的统计分析，司机的效率（箱/时）符合正态分布N(24.6,2.69)。龙门吊的取放箱工作效率为30箱/时，故设置每箱作业时间为2分钟。
4 模型的运行及分析
在运行过程中，港口模型的运行状况基本反映了卸船与装船用时的客观规律。卸船是由线带动面的模式，桥吊的效率决定了堆场整体的工作效率，因此运行时可见龙门吊较多时间处于等待状态，而桥吊旁有较长的集卡等待队伍。装船时，箱区龙门吊的数量比前方桥吊数量多，故集卡将集装箱从运输网络各个节点上的龙门吊装卸运送汇集到码头前沿，是以面带动线的模式，桥吊的工作效率依然是瓶颈。
4.1 空载车速的变化对作业时间的影响
配置25台集卡，取满载车速为20km/h不变，将空载车速分别设为20、30、40、50、60km/h，运行模型，比较各次运行的结果，整理如图3。从空载车速与作业时间的关系图来看，可得到如下结论：
1) 空载车速对卸船作业时间影响较大。随着车速增加，作业时间有很大程度缩短。但当车速超过40km以上，时间的缩短空间减小。空载车速对装船作业时间影响程度不大。
图3 空载车速与作业时间关系图
2006年12月张莉，等：基于单船装卸运输模型的集卡配置仿真研究 Dec., 2006
2) 由于卸船时间的缩短，整体作业用时也大大缩短。车速每提高10km/h，总用时缩短幅度分别为25%，16%，8.5％，-1％。加上安全因素的考虑，合理的空载车速应保持在40～50km/h 左右。
4.2 集卡满载车速对作业时间的影响
配置25台集卡，取空载车速为40km/h不变，将满载车速分别设置为15、20、30、40、50km/h，运行模型，比较结果如图4。从满载车速与作业时间的关系图来看，可得到如下结论：
1) 满载车速对装卸船作业时间影响不大，随着车速增加，作业时间有一定缩短，速度每提高10km/h，总作业时间的缩短幅度不过1.3％，0.7％和0.5％。
2) 因此，无论从效率还是从安全角度，不提倡满载车的高速行驶。
图4 满载车速与作业时间关系图
4.3 集卡的配置数量对装卸作业时间的影响
以空车速40，满车速20条件下，集卡数分别设为：N=15；N＝25，N=35；N=55；N=75。考虑集卡数量对装卸时间的影响，模型运行结果如图5。由集卡配置数量和作业时间的关系图，可以得到如下结论：
图5 集卡配置数量与作业时间关系
1) 卸船时25台即可达到很好的效果，而装船时，集卡增加到35台的作业时间显然比配置25台的要短。
2) 随着集卡数量的增多，卸船时间有一定程度缩短，但空间不大。集卡增多，后方堆场装箱效率提到最高，桥吊成为瓶颈，等待的集卡堵塞前方道路，导致装船时间延长。
3) 故对于集卡的配置应当是动态的，对于装船和卸船的过程中可以配置不同数量的集卡，而不是始终数量固定。
5 结论与展望
本文建立了集装箱码头的单船装卸运输的仿真模型，对集卡配置对装卸船作业时间的影响进行了仿真分析，研究发现：集卡的数量须根据装卸的不同时段进行动态调配，集卡车速提高并不一定能加快整船的装卸效率。
本模型提出的单船装卸运输仿真模型体现了以码头整体作业网络为对象的日常运营绩效的预测，提供了较为一致的面向日常作业的仿真概念框架，可作为基于多船装卸运输模型的码头仿真预测系统研究的实践和技术基础。
参考文献：
[1] 肖田元, 张燕云, 陈加栋.系统仿真导论[M]. 北京: 清华大学出版
社, 2000.
[2] 沙梅. 集装箱码头物流系统建模与仿真综述[J]. 上海海事大学学
报, 2005, 26(1): 6-12.
[3] 杨静蕾,丁以中. 集装箱码头设备配置的模拟研究[J]. 系统仿真学
报, 2003, 15(8): 1069-1073. (YANG Jin-lei, DING Yi-zhong. Study on the Simulation of a Dynamic Multilevel Queuing Network for Container Terminals [J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(8): 1069-1073.)
[4] Won Young Yun, Yong Seok Choi. A Simulation Model for
Container-terminal Operation Analysis Using an Object-oriented Approach [J]. International Journal of Production Economics (S0925-5273), 1999, 59(1): 221-230.
[5] 鲁子爱, 林民标. 港口服务系统的计算机仿真研究[J]. 河海大学
学报（自然科学版）, 1999, 27(3): 17-21.
[6] 鲁子爱. 港口服务系统仿真与港口规模优化研究[D]. 江苏南京:
河海大学, 2001.
[7] 关秀光. 基于BPR思想的集装箱码头集卡作业系统模拟及优化分
析[D]. 上海: 上海海事大学, 2004.
[8] Mohamed Rida, et.al. Object Oriented Approach and Java-based
Distributed Simulation for Container Terminal Operational Management
[C]//2003 International Conference on Information Systems and
Engineering, Quebec, Canada, 2003.
[9] Sgouris P Sgouridis, Demos C Angelides. Simulation-based Analysis
of Handling Inbound Containers in a Terminal [C]//2002 Winter Simulation Conference, San Diego, December, 2002.
(上接第3531页)
参考文献:
[1] Jin H Y, Jayant S, Norman M W. Design of a MR hydraulic power
actuation system [J]. Proc. of SPIE on Smart Structures and Materials, 2001, 4327: 148-157.
[2] Jolly M R. Pneumatic motion control using Magnetorheological
Technology[C]// SPIE 8th Int. Symp. On Smart Struct. And Mat..
Newport Beach, 2001.
[3] SMC（中国）有限公司. 现代实用气动技术[M]. 北京: 机械工业
出版社, 1998, 45-54.
[4] 王传杰. 磁流变阻尼器的研制及其应用研究[D]. 桂林: 电子工业
学院, 2004, 15-18.
[5] 吴振顺. 气压传动与控制[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,
1990, 215-220.