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集装箱码头堆场功能分区及仿真

作者:未知

  摘要:   为缩短集装箱船舶的装卸时间、提高集装箱堆场的利用率,探索港口集装箱码头的堆场功能分区.在分析集装箱作业流程中所存在问题的基础上,针对进口箱区提出带有货主等级制的新型堆存策略,针对出口箱区所提出的堆存策略配套设计新的集卡调度方案.利用Flexsim软件分别建立传统的和新的功能分区下的出口装船流程模型,分析两者的数据差异,证明新的堆存策略的实效性和优越性.对集装箱堆场功能分区的探索和设计,可为我国集装箱堆场管理和运营提供新思路. 枫叶论文网 /4/view-12307785.htm  关键词:
  集装箱码头; 堆场; 功能分区; 堆存策略; 集卡调度
  中图分类号: U693.35;U656.135
  文献标志码: A
  收稿日期: 20130916
  修回日期: 20140429
  基金项目: 国家自然科学基金(71101090);交通运输部应用基础研究项目 (2012329810180);教育部博士点科研基金(20133121110001);上海市扬帆计划项目(14YF1411200);上海市教育委员会科研创新项目(12ZZ148, 13YZ080, 14YZ112);上海海事大学校基金(20120102, 20110019);上海海事大学研究生创新基金(YXR2014074)
  作者简介:
  张雨婷(1991―),女,广东潮州人,硕士研究生,研究方向为物流管理与工程,(Email)ytzhang2013@163.com;
  黄有方(1959―),男,浙江新昌人,教授,博导,博士,研究方向为物流管理与工程,(Email)yfhuang@shmtu.edu.cn
  0引言
  集装箱堆场作为短暂堆存集装箱的必要场所,在集装箱物流系统中占据着举足轻重的地位,港口集装箱堆场的功能分区可能直接影响到整个码头的最终营运效率.近年来,全球贸易的复苏迫使集装箱堆场提前进入高负荷运转状态,原先的堆场营运模式已无法满足不断攀升的吞吐量要求,因此越来越多的学者开始着眼于对集装箱堆场的研究.
  PETERING通过研究箱区宽度与码头营运效率关系得出在不同情况下的箱区最优排数;LEE等对集装箱码头水平和垂直两种布局的箱区进行研究,从而得出细化至箱位分配的更优箱区布局;谢颖针对进口集装箱堆场提出多种空间分配策略并逐一验证;魏航考虑外集卡到达的不确定性对比分析两种取箱模式;王祁培从管理层面出发对空箱堆场进行研究分析,提出诸多管理问题.
  随着计算机仿真的不断深化,越来越多的设计策略开始与仿真相结合,以期更有说服力地阐述新型策略的可靠性与实效性.CLAUSEN等针对集装箱码头的系统复杂性和内部连接性,强调仿真模拟相比于数学模型和数理统计对测试新型码头运营策略有更加直观的效果和结论;陈晓希根据离散事件动态系统的建模理论对集装箱堆场系统进行建模仿真;钟慧玲等提出以平面箱位为分配单元的改进型堆存策略,并利用Flexsim建立仿真模型,分析不同策略效果;张涛等分别用仿真优化方法对集装箱堆场资源配置问题进行研究.
  上述对集装箱堆场的研究绝大多数为偏管理方面的资源配置、调度优化、堆存策略以及关于堆场整体或堆存位置的布局研究,很少有专门针对堆场功能分区的研究.王金红在翻箱问题上所提出的列复杂度和栈复杂度概念对两种不同堆存模式下的倒箱量进行分析,采用等级划分的形式后,不但有利于进口箱区的计划安排,也有利于减少可能出现的倒箱情况,见图4.
  正常顺序为同一列集装箱中计划先被提走的集装箱放在后被提走的集装箱之上(即等级小的放在等级大的上面).
  列复杂度σ(Ai):栈A中第i(1≤i≤6)列成为一个正常序且|Ai|≤4,至少需要从上面移去的集装箱数目.栈复杂度ρ(A):ρ(A)=6i=1σAi.
  堆场作业规定相邻两列集装箱的堆垛层数差不得超过两层,因此普通分列堆放货主集装箱的堆存模式还有一个弊端,即在部分集装箱被提走后,码头出于对安全因素的考虑会对剩下的集装箱进行整箱操作(见图5(a)),从而增加倒箱量.如果事先考虑进口箱的提箱先后顺序(见图5(b)),则可以避免多余的整箱翻箱量.
  在传统出口箱区的出口流程中,由于集装箱集港时间的不确定性,虽然出口箱堆存策略为“集中且分散”,但在堆场密度大于60%且生产作业集中的特定时间内,个别船舶的部分出口箱可能散布于距其较远的箱区;同时由于船舶到港的不确定性,船舶的靠泊位置可能偏离原先预定计划,导致大量出口箱距离船舶较远.在某些条件允许情况下,码头会在装船作业开始前对整体箱区进行迁移,虽然可为集装箱装船提供便利,但额外的作业量会大大增加码头的营运成本,对作业调度也提出很高的要求.因此,传统的出口箱作业流程如图6所示,即在装船作业时无论箱区远近,集卡均驶至各箱区进行取箱.这样虽然可避免装卸前的大规模迁徙作业,但会增加集卡的行驶路程,使得集卡资源浪费现象严重.
  另外,出口装卸中如何使集卡与岸桥合理配对和交接,也是一个很重要的问题.对于一般中小型码头而言,由于堆场距离前沿较近,泊位岸线较短,很容易造成过多集卡在岸桥下排队等待作业的现象,使码头前沿拥挤,影响其他船舶作业集卡的正常作业.对一些大型码头而言,由于其岸桥效率过于强大,堆场面积较大且距离码头前沿较远,后方集卡可能无法及时返回岸桥进行接应,导致岸桥作业效率无法得到最大程度的实现.如果一味地增加集卡配备数量,那么不仅增加成本,而且会大大提升码头调度难度,造成堆场内部的车辆拥堵.
  2.2集卡调度设计
  本文通过更加细分各箱区职能,设计新型堆场布局,见图7.图7中,出口重箱区开辟对应出口箱区和对应调度箱区,同时通过重置集卡功能以及运行路线,设计新型的港口集装箱堆场出口模式.就箱区而言,对应出口箱区存放的均为该泊位停靠船舶   的出口箱,而非此泊位停靠船舶的出口箱均存放于
  对应调度箱区,如此布局有利于箱区间的出口箱整理.就集卡而言,服务于出口重箱区的集卡被分为箱区内部调度集卡和泊位对应出口集卡:调度集卡负责各箱区内的集装箱转运,将非该泊位对应船舶的出口箱移至其对应泊位的调度箱区,同时在返回时将该泊位对应船舶散落在其他调度箱区的出口箱调回;对应出口集卡则专门负责对应箱区与船舶之间集装箱的运输.
  在新出口功能分区中着重强调对应出口箱区的功能,配套提出的调度集卡和出口集卡调度策略更加明确对应调度箱区和对应出口箱区的职责.针对出口箱区所提出的集卡调度新思路是:将虚拟的装卸时间进行功能划分和重组,通过规范集卡职能和行走路线将可以同时进行的操作予以合并.开通两条循环集卡线路,明确各自的运行轨迹,合理分工,节省集卡远距离提箱的时间,以保证港口装卸的准时性.如图8所示,通过假设装载4个分别位于A,B,C三个箱区的集装箱,更加直观地阐述在新功能分区下的集卡调度策略,结果表明新营运策略下的出口集卡周转时间比传统装船流程节省6个单位时间.
  考虑码头前沿一般存在集卡等待岸桥的现象,新的功能分区调度方案将原先的岸桥配套集卡划出一部分作为调度集卡,这样不仅不需要额外调配集卡资源,而且还能在增加装船效率的同时缓解岸桥下集卡排队等待时间过长等问题.针对某些大型码头后方机械无法跟上所致的装卸效率降低问题,通过改变出口箱区功能分区使集卡周转时间减少,保证在出口装船作业时内集卡能及时回到岸桥下取箱,做到集卡等岸桥,因此该策略的另一个优势在于为岸桥配备足够集卡的同时,不会过度增加集卡数量,避免岸桥下的集卡冲突.当多艘船同时作业时,新方案更能显示其优越性,因为调度集卡还能供多艘船使用,将某一船舶的远距离箱调至该船舶的对应出口箱区后,还可以在回程时将该箱区属于另一船舶的集装箱调回,减少调度集卡空载行驶的路程、节约集卡资源.
  3仿真
  3.1逻辑模型建立
  港口活动属于离散事件,因此选择在制造业、港口业采用较多的Flexsim软件对新型堆场分区和集卡路径进行评价.
  出口功能分区的设计不仅在分区的布置上进行设计和改革,而且配套设计一套新型集卡调度作业方案,改变原有的出口作业流程.本文选择运用仿真技术模拟新、旧两个出口作业流程(见图9和10).通过分析仿真结果,验证新功能分区的合理性和可行性,同时对比两者仿真数据,证明新方案的优越性和实效性.
  参照HE等利用混合并行遗传算法研究场桥调度中的相关数据进行仿真.
  该案例中,集装箱堆场拥有35个箱区和18台场桥,箱区规模为36贝4层6列,场桥移动速度为5 m/s,平均装卸1个集装箱的时间为123 s,每个箱区根据相应的堆场计划有不同的箱区配备、场桥数和装卸量.除相关堆场参数外,该码头拥有长800 m的作业岸线,分为4个泊位;配置7台岸桥、6辆集卡用于码头内部作业调度,岸桥平均装卸1个集装箱的时间为78 s,内集卡满载和空载的速度分别为5.66 m/s和8.33 m/s.
  3.2.2船舶参数
  在该仿真中,船舶是主要的研究对象,船舶的到达规律决定出口装船作业的开始时间,船舶的船型决定装载量,进而影响机械分配和装卸时间.
  大量资料表明,船舶到达时间一般服从泊松分布,即t时间间隔内到达的船舶数为n的概率为
  Pn(t)=(λt)nn!e-λt(1)
  式中:λ为船舶平均到港率,即单位时间内(通常为1 d)平均到港船舶数.
  根据泊松过程的相关性质可知,若{x(t),t≥0}是具有参数λ的泊松分布,则对应的时间间隔序列{ti,i≥1}是独立分布的均值为1/λ的指数分布.因此,本文假设船舶到达时间间隔服从均值为7.75 h的负指数分布规律.
  由于到达船型的不确定性,本文综合考虑长度、作业量、最大作业路数等,预设7种不同装卸量船型(表1),分别设定不同船型的到达概率.
  分别模拟运营传统和新型两种出口装船方案,通过扇形图直观反映仿真结果,见表2.发生器代表实际堆场中的待装船集装箱.根据理想装船效率设定发生器参数,通过对比两种方案的发生器阻塞情况间接显示堆场中的水平运输机械配备调度是否合理.在堆场运作中,传统的堆场布局和集卡调度会导致集卡运载路程过长和空载回程资源浪费等(在仿真系统中被表现为发生器阻塞),导致堆场内的集装箱无法运出,从而影响场桥装卸效率.新方案采用两条单独环路规避单辆集卡运输路程过长、资源浪费等,在装卸集装箱的同时将远距离集装箱移至较近堆场.由于负责运往前沿岸桥的都是近区堆场,大大增加岸桥的装卸频率和单位时间内的船舶装卸量,整体码头装船效率也随之上升.
  由表2可知,采用新方案后,装船延迟率和岸桥空闲率均降低,发生器滞后率和桥吊空闲率分别下降6.1和5.5个百分点,装船延迟率仅为原来的44.53%,岸桥闲置率仅为原来的15.38%,说明本文所提出的新功能分区策略对从前方堆场至码头前沿之间的运输效率的提高极为显著,从而能验证新型布局方案中采用两条单独环路提高集装箱码头装卸效率的方案具有一定的参考价值和合理性.
  4结束语
  本文在全面分析现有集装箱港口堆场问题的基础上,剖析内部因素及其关联性,从源头把握问题关键,设计新型港口集装箱功能分区方案.尝试用Flexsim检验设计方案的正确性和实效性,为今后集装箱码头堆场功能分区设计、重整和改进提供新思路.
  本文提出的新港口集装箱堆场功能分区建立在理想作业基础上,没有考虑港口堆场实际现状以及可能发生的特殊情况;在集装箱堆场仿真中对实际堆场作业抽象较多,参数也由相关数据计算所得,与实际情况有一定的出入.因此,需要在二次开发时全面考虑这两方面的影响.
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