基于Arena的集裝箱堆場(chǎng)免堆存期動(dòng)態(tài)調(diào)整

趙珊珊，楚 行,黃永燊

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.天津港太平洋國(guó)際集裝箱碼頭有限公司，天津 300463）

基于Arena的集裝箱堆場(chǎng)免堆存期動(dòng)態(tài)調(diào)整

趙珊珊1，楚 行2,黃永燊1

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.天津港太平洋國(guó)際集裝箱碼頭有限公司，天津 300463）

隨著港口吞吐量的快速增長(zhǎng)，對(duì)碼頭有限資源設(shè)施有效利用是港口避免壓船壓港現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵。對(duì)于集裝箱碼頭，堆場(chǎng)運(yùn)作效率的高低直接影響港口的整體運(yùn)作效率和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。通過(guò)借助仿真軟件Arena對(duì)集裝箱碼頭堆場(chǎng)進(jìn)行仿真建模，運(yùn)行仿真軟件對(duì)基于免堆存期動(dòng)態(tài)調(diào)整堆場(chǎng)利用效率的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確認(rèn)仿真模型的有效性。并對(duì)集裝箱堆存策略變化前后進(jìn)行仿真，將結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，以期為堆場(chǎng)決策管理提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

集裝箱碼頭；堆場(chǎng)；Arena仿真；免堆存期

1 引言

集裝箱碼頭是港口資源的重要集散地，集裝箱堆場(chǎng)作為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)中的重要部分，合理有效地組織堆場(chǎng)運(yùn)輸，逐漸成為提高整個(gè)集裝箱碼頭系統(tǒng)效率的主要環(huán)節(jié)。王孟昌［1］利用模擬退火算法與仿真結(jié)合，對(duì)堆存策略進(jìn)行優(yōu)化；楊枚［2］采取啟發(fā)式優(yōu)化算法建立堆場(chǎng)優(yōu)化模型，制定堆場(chǎng)管理策略；鐘慧玲［3］利用仿真軟件Flexsim建立集裝箱堆場(chǎng)仿真模型，研究以平面箱位為分配單元的改進(jìn)型堆存策略。辜勇［4］分析了集裝箱堆場(chǎng)仿真建模的排隊(duì)理論，采用em-plant平臺(tái)建立了集裝箱堆場(chǎng)的仿真模型等。

當(dāng)前研究大多從箱位分配的角度研究集裝箱堆場(chǎng)堆存策略，并未考慮集裝箱堆場(chǎng)的免堆存期，集裝箱碼頭免堆存期是指集裝箱到達(dá)目的港后可以免費(fèi)在碼頭堆存的天數(shù)，免堆存期長(zhǎng)短將影響集裝箱碼頭的裝卸效率和堆場(chǎng)利用率。再加上集裝箱船進(jìn)場(chǎng)的隨機(jī)性，堆存計(jì)劃的不確定性，實(shí)際箱位分配方案往往會(huì)偏離相應(yīng)的堆存計(jì)劃，致使堆場(chǎng)作業(yè)效率降低，影響裝船效率。因此，在將運(yùn)輸條件設(shè)定為理想化下，通過(guò)探討港口集裝箱堆場(chǎng)免堆存期動(dòng)態(tài)調(diào)整的優(yōu)化研究，以期提高集裝箱

堆場(chǎng)的運(yùn)作效率。

2 問(wèn)題描述及條件假定

基于集裝箱碼頭系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其余相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想化處理。將集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)所能涉及到免堆存情況的箱體進(jìn)行分類(lèi)匯總，結(jié)果顯示：堆場(chǎng)中的堆載箱大部分是由船上卸下，等待貨主提箱疏港的集裝箱。因此本模型中忽略其余轉(zhuǎn)船箱，并將整個(gè)集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)的箱體分為兩類(lèi)，一類(lèi)是堆場(chǎng)內(nèi)可涉及到堆存期問(wèn)題的箱體，稱(chēng)為Container，另一類(lèi)是與第一類(lèi)搶占堆場(chǎng)空間資源及裝卸機(jī)械的箱體，稱(chēng)為Container1，其同第一類(lèi)箱體會(huì)產(chǎn)生堆場(chǎng)空間資源與機(jī)械資源占用，但由于其快速集輸港的特性，又不同于Container箱類(lèi)會(huì)長(zhǎng)久占用堆場(chǎng)空間資源。并且假定堆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)出碼頭的箱體全部為20TEU標(biāo)箱，同時(shí)集裝箱在疏港時(shí)除占用裝卸機(jī)械外，不占用其他任何資源，而且整個(gè)過(guò)程中不存在線(xiàn)路上的擁擠與排隊(duì)。

3 集裝箱碼頭堆場(chǎng)堆存仿真建模

3.1 變量設(shè)定與算法設(shè)計(jì)

基于上一節(jié)的描述，現(xiàn)將該Arena模型所涉及到的變量及其所代表的含義陳述如下，見(jiàn)表1。

表1 Arena模型元素設(shè)定表

同時(shí)將模型的基本運(yùn)行過(guò)程以圖表形式表達(dá)如下，如圖1所示。

圖1 Arena堆場(chǎng)模型邏輯流程圖

在圖1中，假設(shè)系統(tǒng)在設(shè)定條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。作為堆場(chǎng)各項(xiàng)資源的主要占用實(shí)體，集裝箱以?xún)煞N特殊狀態(tài)作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分別進(jìn)入堆場(chǎng)，即堆存期相關(guān)箱Container和干擾箱Container1，兩者隨機(jī)產(chǎn)生且互不相干，當(dāng)其到達(dá)堆場(chǎng)外圍后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)集裝箱卸箱機(jī)械，即輪胎吊（模型中設(shè)定為2個(gè)）及堆場(chǎng)內(nèi)空間資源是否有空閑狀態(tài)存在，如若存在便會(huì)根據(jù)先到先得的原則進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)卸箱堆存。

當(dāng)兩類(lèi)集裝箱進(jìn)入堆場(chǎng)后，根據(jù)先前的設(shè)定條件，在其堆存時(shí)間到達(dá)后進(jìn)行疏港。在這一步流程中，作為模型干擾箱的Container1箱體堆存時(shí)間相對(duì)較短，即其相對(duì)于同時(shí)進(jìn)場(chǎng)的堆存期相關(guān)箱Container先行疏港，提前釋放堆場(chǎng)空間資源，且優(yōu)先占用裝箱機(jī)械（模型中設(shè)定為2個(gè)）。但由于港口系統(tǒng)運(yùn)作的連續(xù)性，模型中的兩種箱體并不是一一對(duì)應(yīng)出入的。因此，干擾箱在出場(chǎng)時(shí)也需要對(duì)裝箱機(jī)械是否空閑進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)出場(chǎng)裝卸機(jī)械處于空閑狀態(tài)時(shí)，才可進(jìn)行后續(xù)出場(chǎng)操作，否則需要進(jìn)行排隊(duì)等待。堆存期相關(guān)箱Container的出場(chǎng)原理與流程同上［5-7］。

3.2 Arena建模過(guò)程

假設(shè)模型中箱體Container與集裝箱堆場(chǎng)免堆存期相關(guān)，其到達(dá)規(guī)律即到達(dá)間隔時(shí)間服從指數(shù)EXPO（3）分布；而搶占資源的干擾箱Container1的箱體到達(dá)間隔時(shí)間服從指數(shù)EXPO（2）分布，兩者基礎(chǔ)單位均為分鐘（minute），并且箱體到達(dá)時(shí)間設(shè)定為仿真時(shí)鐘當(dāng)前值，同時(shí)每個(gè)箱體不分種類(lèi)，到達(dá)堆場(chǎng)后裝卸箱操作過(guò)程都服從均勻UNIFORM（3,5）分布。此外，模型單獨(dú)設(shè)計(jì)卸箱機(jī)械龍門(mén)吊machine兩臺(tái)，服務(wù)于進(jìn)場(chǎng)卸箱流程，操作過(guò)程服從延遲為T(mén)RIANGULAR（1,2,3）情況下的三角分布，基礎(chǔ)時(shí)間為小時(shí)（hour）。本模型最終箱體離港部分不考慮路線(xiàn)及時(shí)間問(wèn)題，模型流程［8］如圖2所示。

圖2 集裝箱堆場(chǎng)Arena仿真模型

3.3 模型檢驗(yàn)與驗(yàn)證

仿真模型的“熱身”時(shí)間為0。為了符合實(shí)際情況，本模型將仿真長(zhǎng)度定為350d，即仿真周期為一年，每天的工作時(shí)間設(shè)置為24h。模型的最終運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2（具體仿真模型輸出指標(biāo)值因篇幅有限略）。

表2 Arena仿真模型運(yùn)行結(jié)果指標(biāo)

如上所示，此模型可運(yùn)行到底，且得到最終結(jié)果，模型不存在語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，模型驗(yàn)證完畢。

4 集裝箱碼頭堆場(chǎng)堆存優(yōu)化分析

4.1 對(duì)比方案設(shè)計(jì)

當(dāng)港方?jīng)Q定調(diào)整堆存期收費(fèi)策略后（假設(shè)為縮短堆存期及調(diào)高各類(lèi)箱體的堆存價(jià)格），首先會(huì)加快港區(qū)堆場(chǎng)內(nèi)的箱體流動(dòng)速度，同時(shí)對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的港口，港方可能會(huì)產(chǎn)生貨源流失的現(xiàn)象。在Arena仿真模型中將通過(guò)調(diào)整堆存期相關(guān)箱Container模塊中的參數(shù)來(lái)表現(xiàn)箱體貨源的流失。如實(shí)驗(yàn)組將Container產(chǎn)生模塊中的Delay時(shí)間由EXPO（3）修改為EXPO（3.1），延長(zhǎng)箱體到達(dá)的間隔時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)場(chǎng)箱量的減少。

那么根據(jù)同樣的原理，堆存期政策的改變可以通過(guò)調(diào)整集裝箱堆存時(shí)間模塊Container Yard Capacity的參數(shù)予以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于加快疏港速度情況下，也可以通過(guò)修改其操作Delay Time實(shí)現(xiàn)。在出港操作模塊里，基于整個(gè)模型的假設(shè)及參數(shù)設(shè)定，將Container箱型的出場(chǎng)操作間隔時(shí)間由TRIANGULAR（1,3,5）更改為T(mén)RIANGULAR（0.8,2.5,4.5）。

4.2 Arena模型運(yùn)行結(jié)果分析

將對(duì)比組與實(shí)驗(yàn)組的基礎(chǔ)假設(shè)條件與數(shù)據(jù)分別輸入Arena軟件，依次運(yùn)行并收集最終的統(tǒng)計(jì)報(bào)告結(jié)果，并將集裝箱碼頭堆場(chǎng)最關(guān)注的幾個(gè)方面變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，見(jiàn)表3。

表3 仿真模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與對(duì)比

通過(guò)分析表3對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的仿真結(jié)果可得，將Container Yard Capacity Delay Time（港口堆場(chǎng)免堆存期）縮小13.33%后，同時(shí)設(shè)定集裝箱堆場(chǎng)年通過(guò)量減少3.33%，整個(gè)堆場(chǎng)系統(tǒng)的集疏運(yùn)速度加快，年吞吐量只減少1.28%，這是由于港口系統(tǒng)的連續(xù)性造成的。但是，集裝箱在堆場(chǎng)處的總體停留時(shí)間減少，數(shù)值為8.79%，其流轉(zhuǎn)速度增加，減少了貨主用箱的壓力；場(chǎng)內(nèi)龍門(mén)吊裝卸機(jī)械利用率有所降低，進(jìn)出口機(jī)械利用率的降幅分別為1.26%、1.31%，雖然因此增加了空閑時(shí)間，但也延長(zhǎng)了機(jī)械利用時(shí)間，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是利大于弊的。另外，集裝箱堆場(chǎng)的排隊(duì)現(xiàn)象明顯減少，其數(shù)值達(dá)到了99.82%，排隊(duì)等待的減少預(yù)示著可以為客戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，進(jìn)而提高集裝箱碼頭的運(yùn)作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

將提高集裝箱碼頭堆場(chǎng)利用效率作為目標(biāo)，研究港口堆場(chǎng)堆存期策略，并以整個(gè)集裝箱堆場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程為研究對(duì)象，運(yùn)用Arena仿真模型研究了堆存政策調(diào)整前后的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程及主要考察指標(biāo)的最終變化，分析變化前后對(duì)于集裝箱碼頭運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。雖然在構(gòu)建堆場(chǎng)仿真模型時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單化處理，即假設(shè)各種約束條件、運(yùn)作指數(shù)以及在理想環(huán)境下簡(jiǎn)化堆場(chǎng)運(yùn)作過(guò)程，但是整個(gè)仿真過(guò)程對(duì)于堆場(chǎng)系統(tǒng)中的重要運(yùn)轉(zhuǎn)部分還是進(jìn)行了突出并盡力設(shè)計(jì)，以接近現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，研究結(jié)果證明該模型可以被運(yùn)用到港口運(yùn)轉(zhuǎn)研究探討中，尤其是在集裝箱碼頭運(yùn)作效率與資源利用方面。

［1］王孟昌.集裝箱碼頭堆場(chǎng)箱位動(dòng)態(tài)分配優(yōu)化策略研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué),2007.

［2］楊枚.青島前灣集裝箱碼頭堆場(chǎng)管理策略研究［D］.大連：大連海事大學(xué),2006.

［3］鐘慧玲,歐仙群,張冠湘,等.隨機(jī)集港的出口箱堆存策略設(shè)計(jì)與仿真［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33（1）：26-31.

［4］辜勇,董明望,劉潔濤,等.集裝箱堆場(chǎng)仿真建模及其在堆場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）, 2007,31（4）：633-636.

［5］劉艷,周鵬飛,康海貴.集裝箱堆場(chǎng)箱位分配模糊優(yōu)化研究［J］.水運(yùn)工程,2009,（11）：1-5.

［6］李鋒.集裝箱自動(dòng)化堆場(chǎng)物流系統(tǒng)仿真與分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué),2005.

［7］鄭紅星,杜亮,董鍵.混堆模式下集裝箱堆場(chǎng)箱位指派優(yōu)化模型［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2012,12（1）：153-159.

［8］W David Kelto.仿真使用Arena軟件［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

Dynamic Adjustment of Container Yard Free Storage Period Based on Arena

Zhao Shanshan1,Chu Hang2,Huang Yongshen1
（1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063；2. Tianjin Port Pacific International Container Terminal Co., Ltd., Tianjin 300463, China）

The operational efficiency of the container terminal and yard has direct bearing on the overall working efficiency andinternational competitivity of a port. In this paper, using the simulation program Arena, we modeled and simulated the container yard of aterminal, and analyzed statistically the output of the utilization efficiency of the yard based on free storage period dynamic adjustment to verifythe validity of the model. Next, we simulated the yard before and after its storage policy had been changed and compared the resultstatistically.

container terminal； yard； Arena simulation； free storage period

U169；F224

A

1005-152X（2016）09-0082-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.018

2016-07-21

趙珊珊（1993-），女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。