港口集装箱堆场作业流程仿真分析

港口集装箱堆场作业流程仿真分析

敖晨,杨欣,朱辰丰,徐铭蔚,张晗

北京交通大学交通运输学院交通信息管理工程系，北京(100044)

摘要：本文在了解系统仿真在港口中应用的发展和现状以及深刻理解Petri网的基本原理和方法的基础上；研究集装箱港口平面布局、装卸系统以及集装箱堆场的基本职能、堆存的作业流程；并利用面向对象Petri网(OOPN)的建模方法对堆场作业进行静态、动态建模并做深入地分析；再利用计算机模拟仿真技术(ExtendSim仿真软件)，结合所建立的集装箱堆场系统的OOPN模型，对集装箱港口的整个生产作业系统进行数字仿真并实现了二维及三维的计算机动画模拟，直观地显示港口集装箱堆场的运作情况和效率，通过对模型输出的仿真的结果进行综合分析，剖析堆场的物流活动流程，对其进行集最优化处理，以达到提高堆场的资源利用率，使资源配置成本最小的目的。

关键词：集装箱堆场；OOPN建模；ExtendSim；仿真分析

1.引言

港口是联系内陆腹地和海洋运输（国际航空运输）的一个天然界面，是国际物流的一个特殊结点。国际货运量90%由海运来完成，我国进出口贸易85%以上依靠海运实现[1]。

随着我国经济体制改革和开放政策的深化，以及加入WTO的机遇，我国与世界各国贸易迅速发展，港口集装箱吞吐量保持了高速度的增长。20年来，我国集装箱运输事业有了突破性的发展，港口集装箱吞吐量平均年增长29.4%（（不包括台湾、香港、澳门）1988年仅947万标箱（TEU），2001年则达到了2700万标箱）[2]。中国港口货物吞吐量和集装箱吞吐量已连续5年居世界第一，中国已有12个港口的吞吐量超过亿吨。2007年，中国港口货物和集装箱吞吐量保持快速增长态势，其中集装箱吞吐量突破1亿标箱大关[3]。

集装箱港口由于结构复杂、投资大、建设周期长以及生产过程的随机因素，使港口的合理规划意义重大，难度也较大。计算机仿真作为一种有效的定量分析手段，在确定合理泊位利用率、设施及设备的配置、码头装卸工艺流程等方面都得到了应用。

集装箱港口物流系统作为典型的离散事件动态系统，是一类比较复杂的系统，单纯地利用数学分析方法来研究有一定的局限性，要么不能建立准确的数学模型，要么建立了数学模型之后，由于计算时出现的“指数爆炸”问题，而得不到解析解。因此，利用计算机仿真方法，对港口物流系统进行计算机建模，不仅界面显示更加直观，而且可以考虑更多随机因素的影响，通过多次的仿真分析，从而得到系统的各种性能统计参数，对系统进行优化分析[4]。

目前国外对集装箱港口物流系统的研究主要理论和方法为解析法和系统仿真法。堆场是港口最复杂的部分，因为进出口集装箱在那同时进行装卸。堆场的资源调配在很大程度上决定了港口的效率。对于堆场的运作有两个主要的研究方向：集装箱区域的划分（堆放策略）和堆场设备调度。国外的Talebibrahimi[5]、De Castilho和Daganzo（1993）[6]分别比较了进口箱和出口箱在不同堆放策略下所需的堆场面积并得出了工作量。Kim（1994）[7]和Park（1998）[8]，Kim （1998）[9]研究了多种数学算法和费用模型以寻找在不同标准的堆放策略。在国内，张新艳(2002)在她的博士论文中，忽略场桥的影响，用基于生物进化策略对堆场上集装箱运送顺序进行优化，实现了基于生物进化策略的港口集装箱物流子系统的优化[10]。

港口码头系统计算机模拟技术早就被引进介绍到国内。交通部水运科学研究所针对国内集装箱码头船舶作业效率受码头内交通堵塞影响的情况利用计算机动画模拟技术进行了研究[11]。天津大学的别社安教授，提出了利用循环网络模拟方法将排队论、网络计划技术、计算机模拟技术结合起来，对港口的营运过程进行模拟[12]。武汉理工大学物流工程学院港口物流技术装备中心运用WITNESS仿真平台，先后将系统仿真方法应用与天津东突堤集装箱码头和上海外高桥集装箱码头五期工程，建立了集装箱码头整体模型，从而对集装箱码头的各总体方案进行了有效的评估。

因此，对集装箱港口堆场作业流程进行建模研究，并利用仿真软件对实现可视化仿真，不仅可以实时动态地显示港口集装箱堆场的装卸作业流程，同时通过对模拟数据的优化分析，以达到提高堆场的资源利用率，使资源配置成本最小的目标，对于港口集装箱堆场作业系统的合理规划设计，提高港口作业效率，都具有很大的实际意义。

2.OOPN的堆场作业流程建模分析

在集装箱进口业务中，码头主要负责进口集装箱的卸船准备、集装箱在码头的堆场作业、货物

的交付出场作业。在集装箱出口货运业务中，码头主要负责出口转船准备，堆场作业以及出口装船作业。

2.1集装箱堆场系统的OOPN 静态模型

1. 模型假设说明

由于集装箱堆场的实际作业非常复杂，有大量的变动因素，给分析带来很多困难。为了便于建立模型，对堆场系统进行如下假设：

假设1：在一定数量的作业周期内进行优化；

假设2：码头的最初配箱量已知；

假设3：场桥的数量充足；

假设4：集装箱的装卸时间、内卡外卡的行驶时间、场桥的工作时间及等待时间、岸桥的工作时间所服从的概率分布已知；

假设5：系统中只考虑20英尺集装箱（TEU ）标准箱，不考虑其他型号的集装箱和冷藏箱、开口箱、超高箱等特种箱的影响；

假设6：忽略堆场中的移箱、翻箱作业。

2. 建立堆场系统的OOPN 模型

根据集装箱堆场系统的层次模型，可建立集装箱堆场系统的OOPN 模型以及各对象子系统的OOPN 模型，如图1：

2.2集装箱堆场系统各对象层的OOPN 静态模型

图2—图7给出了对象层各个对象的OOPN 模型，设出口箱/进口箱经过场桥装卸前状态为

att att Bi Ai 1,1，装卸后状态为att att Bi Ai 2,2（其中i=1、2、3、4、5、6，分别代表各个对象）

，以下工件指的是对象的加工对象，⎩⎨

⎧=，其他情况种类的工件如果库所和变迁对相同0,1,O I 。

(1) 场桥对象的OOPN 图1 集装箱堆场系统的面向对象层次结构 顶层： 集装箱堆场系统

L1

1 空闲

2 占用

对象层：

场桥

L21

1 空闲

2 接受调度

3 驶达作业点

4 装卸作业

岸桥 L22 1 空闲 2 接受调度 3 驶达作业点 4 装卸作业 泊位 L23 1 空闲 2 靠泊 3装卸作业 4 完工 内卡

L24

1 空闲

2 接受调度

3 驶达作业起点

4 等待装卸

5 驶达作业终点 堆场 L25 船 L2

6 1 到港 2 装卸作业 3 离港

1 空闲

2 存入集装箱

3 取出集装箱