超大型集裝箱碼頭作業運營仿真系統研發

孫金余

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

科學規劃和設計物流作業系統，有效地提高資源配置效率和作業能力，是目前自動化集裝箱碼頭急需要解決的問題。利用仿真技術模擬自動化集裝箱碼頭物流系統運行，為自動化集裝箱碼頭物流作業系統優化提供決策依據是一個重要課題。結合某自動化碼頭裝卸設備特點，研發了TOS(Terminal Operation System,碼頭管理系統)指令調度架構平臺，通過設備調度模塊與協同過程控制系統，高效率地組織碼頭現場生產[1]。

2 功能目標與關鍵技術

2.1 自動化集裝箱碼頭作業運營仿真功能目標

(1)實現TOS與仿真系統構成的數字化雙胞胎系統之間的快速、無縫對接。

(2)驗證調度策略的有效性。對泊位計劃、作業路計劃、堆場作業計劃、堆場選位策略、岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)調度規則、堆場門式起重機(以下簡稱場橋)調度規則、AGV(Automated Guided Vechicle，自動化引導小車)調度規則等智能算法進行驗證與優化，實現作業調度實時優化。

(3)預測在未來一段時間內碼頭作業運營設備狀態、船舶狀態、堆場狀態、泊位狀態等的變化，同時驗證碼頭整體作業運營方案的合理性及效果。

2.2 自動化集裝箱碼頭運營仿真系統關鍵技術

(1)仿真系統與TOS的高效無縫連接。TOS中數據需要經過統計、歸并、擬合等一系列加工才能導入仿真系統中使用。因此，實現仿真系統與TOS的高效無縫連接是保證實際作業過程快速、高效、準確的基本條件。

(2)仿真系統模擬作業運營系統的準確度。要構建包含更多作業細節的仿真模型，并反復測試、多次迭代仿真模型，同時，也要構建指標體系評價仿真系統，確保仿真系統真實地模擬作業運營系統。

(3)仿真系統適應碼頭外部環境變化的柔性。集裝箱碼頭外部環境復雜多變，受天氣、季節、政策、經濟等多種因素影響，要求仿真必須具備不同情景下快速仿真評估的能力。

(4)仿真系統與優化算法集成開發。仿真本質上是一種評估模式，作業運營需要持續地對計劃、調度、流程、工藝進行優化。因此，仿真系統需要具備在仿真過程中進行優化的能力。

3 仿真系統開發

3.1 整體研發框架設計

基于現有硬件設施和作業運營狀況，將TOS中各種運營數據、設備信息導入仿真系統，形成作業運營數字孿生系統，進行碼頭智能計劃與調度仿真，業務流程及信息系統的驗證、測試與預測。依據判斷結果調整仿真系統的輸入參數、調度策略等信息，經過多次迭代，實現碼頭作業運營調度策略優化。仿真系統整體架構見圖1。

圖1 超大型自動化集裝箱碼頭作業運營仿真系統架構

3.2 碼頭作業運營復雜仿真系統建模

自動化集裝箱碼頭設備多樣、流程復雜，碼頭作業運營具有連續性、協作性和生產任務不平衡的特點。因此，需要綜合考慮碼頭內泊位分配計劃、岸橋調度計劃、AGV調度計劃、場橋調度計劃，以及船舶配載、箱位分配等多種流程的集成調度，構建仿真優化模型平衡各個流程的調度作業，實現整個碼頭的調度作業優化。

自動化集裝箱碼頭作業運營仿真建模涵蓋碼頭物流系統運營環節的各個方面，包括碼頭泊位子系統、碼頭閘口子系統、碼頭交通集疏運子系統、碼頭堆場子系統等[2]。

碼頭泊位系統分別采用分層建模方法、對象建模方法及Petri網建模方法建立模型，然后基于Witness仿真平臺進行模擬。閘口運營系統基于Flexsim建立模型，對閘口資源進行優化配置，實現均衡合理利用閘口通道資源和堆場內裝卸資源的目標。依據自動化集裝箱碼頭隨機性特征，利用EM-Plant建立港口集疏運模型，結合碼頭裝卸工藝和運營流程，在仿真環境下分析區域道路網交通流量與港口集疏運之間的關系影響。

3.3 仿真系統開發

碼頭作業運營仿真系統開發包括集裝箱碼頭計劃、調度驗證與優化、設備投入與作業預測等，全方位涵蓋作業運營環節。

在碼頭作業運營仿真邏輯模型的設計方面，還需要建立具有層次的對象模型，如前方碼頭作業系統、水平輸送系統、堆場系統、計算機管理系統；根據系統的層次模型，建立各層次子系統的對象模型；根據系統的復雜程度，將系統和子系統內的事件列表，建立事件之間的關系表；根據已建立的各層次子系統的對象模型及其系統內部事件之間的關系表，建立該對象的動態模型，寫出每個事件發生的前提條件和后繼條件。

為了解決碼頭作業運營仿真系統的接口開發與數據采集，需要連接TOS和相關的VMS(Vechicle Management System，車隊調度系統)等系統，獲取集裝箱碼頭生產數據與計劃調度信息，并對這些獲得的碼頭作業動態數據進行數理統計，得到反映碼頭作業運營的隨機動態變化的統計規律，為系統仿真提供可信的基礎數據[3]。

對于碼頭作業運營評價體系的構建，基于集裝箱碼頭業務特點與仿真目標，構建針對不同業務的分類仿真評價體系。

4 結語

該仿真系統解決了仿真系統與TOS的高效無縫連接、模擬作業運營系統的準確度、仿真系統適應碼頭外部環境變化的柔性以及優化算法集成開發等難點。生產實踐表明，該系統對自動化集裝箱碼頭整體作業運營優化具有實用性與有效性，可為自動化集裝箱碼頭作業運營仿真提供參考。