基于Anylogic的地下物流系統終端貨運仿真分析

尚鵬程，陳一村，羅光亮，郭東軍

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

進入二十一世紀以來，我國新型城鎮化建設快速發展，城市化進程逐步加快。隨著城市人口逐步增加，城市交通擁堵不斷加劇，嚴重阻礙了城市經濟的發展和人民生活水平的提高。高德地圖《2018年第三季度中國主要城市交通分析報告》指出，北京市因交通擁堵造成的時間成本占市民月平均工資的12.4%[1]。2019年荷蘭導航經營商TomTom發布的全球城市擁堵現狀指出，重慶市2018年道路交通擁堵總里程達到7.9億公里，成為全球第三大擁堵的城市。交通擁堵問題日益嚴重，亟待解決。

為了解決上述問題，我國各大城市提出的限行政策在部分緩解交通壓力的同時也給市民出行帶來諸多困擾。如何既滿足市民出行需求，又解決城市交通擁堵問題成為擺在城市規劃者面前的一道難題。因此，各大城市在積極探索解決城市交通問題的新方法。近年來，學者們提出構建第五類交通運輸系統——地下物流系統，引發了城市規劃者的極大關注。地下物流系統通過將城市貨運功能轉移到地下，擴展了城市交通的空間層次，豐富了城市貨運體系，同時也極大地提升了城市貨運能力，對解決城市交通擁堵，緩解城市環境污染有較大幫助[2]。

目前，國內外對地下物流系統相關的研究主要集中在發展城市地下物流的可行性[3-4]、網絡布局規劃[5-7]、運營管理[8-9]和技術開發方案[10-11]等方面。德國波鴻-魯爾大學設計的CargoCap地下運輸系統采用艙體貨車裝載歐洲托盤，進行了實體模型的實驗[12]。京東集團與美國的Magplane Technology公司達成合作協議，將會推進磁懸浮管道技術在城市地下物流系統的應用，并提出了地上無人倉—地下智能樞紐中心—地面接收實體(超市、便利店等)一體化地下配送流程這一全新概念。我國雄安新區和北京通州副中心的地下物流項目也處在設計規劃階段。雖然陸軍工程大學陳一村做了關于地下物流系統線路和機車速度等因素的影響分析[6]，但是，截至目前，針對城市地下物流系統地上地下垂直運輸過程的優化研究鮮見。

城市地下物流是一個集地下空間規劃、城市物流、工程管理和自動化控制等多學科交叉的復雜系統，其貨運能力受多因素共同影響。其中，區別于傳統城市物流，貨物通過城市地下物流運輸，需要經過地上與地下間垂直運輸的轉運，而這是影響地下物流系統貨運能力的重要環節。因此，合理設置垂直方向上轉運工具的性能參數，對提升城市地下物流系統的作業效率、增強系統穩定性具有重要意義。

由于城市貨物需求的動態隨機性和地下物流系統參數性能的不確定性，城市地下物流系統垂直運輸貨運流程難以用解析表達式精確描述過程。而相比于傳統的解析方法，采用仿真模擬的方法開展研究，其結果更具動態性，可直接針對貨運流程進行優化分析。因此，本文利用Anylogic仿真建模軟件，針對貨物在地下物流系統中地上與地下之間垂直運輸過程進行仿真模擬和優化，以分析地下物流系統中貨物收發效率、分揀時間和運輸速率等因素變化對站點垂直運輸的影響，為地下物流系統的規劃設計提供數據支持。

1 城市地下物流系統終端概述

城市地下物流系統是指城市內部及城市間通過地下管道或隧道等封閉空間來自動化運輸貨物的一種全新運輸和供應系統。馬祖軍提出城市地下物流系統可以分為終端子系統和運輸子系統兩部分[13]，即包括負責銜接地上地下和貨物處理終端系統以及負責銜接終端系統和貨物運輸的網絡通道。地下物流系統終端是地下物流網絡的中樞，是物流網絡的起訖點和集結點，對整個地下物流系統的運行管理起著操控作用。

依照服務的節點不同，城市地下物流系統終端的類型有很多，有的銜接機場，如達拉斯-沃斯堡(DFW)國際機場的地下物流系統[14]，荷蘭Schiphol機場的地下物流系統[15]；有的銜接港口，如比利時安特衛普港地下物流系統[16]，上海洋山港地下物流系統[6]；有的銜接物流園區等城市物流節點，如美國德克薩斯州地下物流系統[9]，雄安新區地下物流系統。

按照地下物流網絡結構層級不同，地下物流系統終端可分為兩類，一類是地下物流系統由完全相同的終端組成，如安特衛普港地下物流系統和東京23區地下物流系統。該模式適用于復雜程度相對較低的地下物流網絡，是地下物流網絡初期建設的主要形式。另一類是將地下物流系統終端分為地下物流中心和地下物流配送中心兩個層級，例如美國得克薩斯州地下物流系統將終端分為樞紐(Hub)和配送中心(DC)兩個層次。類似于相關學者對地下物流網絡規劃研究過程中提到的一二級節點的概念，這是地下物流建設后期網絡更加復雜的終端形式。

城市地下物流系統終端是城市地下物流系統的主要功能載體，主要負責地下貨運和地面之間的銜接，不同的地下物流系統終端具有不同的物流功能和特征，本文的主要研究對象為地下物流中心。城市地下物流中心是地下物流管理系統的操控中心，一般設置在貨運樞紐(火車站、機場、港口等)或者物流園區內部。其功能有物流功能、展示功能、交易功能、信息功能、服務功能、地下物流集散功能、輔助功能。建筑形式分為地上部分和地下部分。按照貨物的運輸方向，可將物流劃分為進入流和發出流[2]。

2 Anylogic軟件分析

Anylogic仿真軟件是由美國和歐洲團隊共同運營的功能強大的系統仿真工具，是目前唯一支持多種方法建模的仿真軟件，被廣泛應用在物流、建筑業、自動化、供應鏈、醫療、行人交通等復雜系統領域。國內外物流運輸領域的典型應用案例如表1所示。

表1 Anylogic物流運輸領域經典案例分析

Anylogic內部集成了離散事件建模、系統動力學、基于Agent建模等多種建模方法。其中基于Agent建模可以與離散事件和系統動力學模型無縫地組合，可以將地下物流系統終端模型內的設備操作流程封裝成一個獨立的智能體，精細化模擬終端內貨物的拆裝、轉移和裝卸等流程。Anylogic擁有豐富的建模庫件，其中軌道庫、物料庫、標準庫作為本次實驗的基礎，既可以真實地反映實驗相關的環境狀況，又可以方便快捷地將運載車輛調度和相關的運輸、裝卸、資源分配等離散事件基于Agent的模型結合起來。

3 地下物流系統終端Anylogic仿真

3.1 仿真對象界定

為了更好地與地面物流相銜接，本文在傳統物流中心布局設計的基礎上，提出地下物流系統終端地上地下分離式布局形式，地上地下由垂直運輸工具相聯系，具體布局形式如圖1所示。

圖1 地下物流系統終端功能區仿真布局

地下物流系統終端貨運系統包括地上貨物處理系統、垂直運輸系統、地下貨物處理系統以及地下集運系統。相應地可以將地下物流系統終端分為地上貨物處理區、垂直運輸服務區和地下貨物處理區。

(1)地上貨物處理區：地上貨物處理區包括貨車裝卸區、貨物處理區、叉車等候區、貨物暫存區。從貨物到達地面處理中心開始計時，統計貨物在地下物流系統終端整個流程中的總處理時間。貨物在處理區要經過掃描、拆包裝等操作，隨后按照先進先出的原則運送至暫存區。所有貨物的移動都依靠叉車完成。

(2)垂直運輸服務區：垂直運輸服務區主要包括等待區和垂直運輸工具兩部分。根據垂直運輸工具的運輸能力限制，相應數量的貨物由地面暫存區進入垂直運輸等待區，隨后系統調用垂直運輸工具資源將貨物轉運到地下。

(3)地下貨物處理區：地下處理區主要包括貨物處理區、叉車等候區、暫存區、站臺區。貨物到達地下后，根據貨物的目的地將貨物重新打包，將掃描后的貨物運送至地下暫存區，如果站臺貨物量未達到限值，則由暫存區運送到站臺區，等待列車到達，裝車離開。

3.2 假定條件

仿真模型的建立需要在一定的真實系統進行抽象化和模擬化，本文以地下物流系統終端作業流程[17]為基礎，以某地下物流系統地上地下轉運樞紐為背景設計仿真實驗，為方便參數化設計，設定以下假定條件：

(1)貨物到達終端的時間間隔服從正態分布，且每次到達的貨物數量服從均勻分布；

(2)每件貨物處理過程(拆包裝、貼標簽、掃碼等)需要的時間相同；

(3)每臺垂直運輸工具每次轉運的貨物量固定，運輸的時間固定；

(4)地下物流貨運列車的發車間隔時間固定，每列車運載最大貨物量固定。

3.3 仿真流程

地下物流系統終端物流作業仿真流程如圖2所示。當仿真開始時，系統參數初始化，貨物按照時間表到達，將貨物進行分類拆、包裝處理后運送至垂直運輸等待區，判斷運輸工具占用情況以及等待區貨物量是否達到限值。貨物運輸到地下后，按照目的地進行打包掃碼，判斷站臺上貨物容量是否達到限值，將包裝好的貨物運送到指定的站臺等候裝車。

根據地下物流配送中心的作業流程分析以及上述的假設條件，本文采用實體流程圖法將圖2作業流程抽象化，建立地下物流地上地下運輸系統的仿真模型，描述地下物流配送地上地下轉運過程中物流實體產生、流動、加工、處理以及消失的過程和邏輯關系，如圖3所示。

圖2 地下物流系統終端貨物地上地下轉運仿真流程

圖3 貨物地上地下運輸邏輯流程圖

3.4 仿真過程說明

3.4.1 確定智能體類型

為了滿足建立仿真系統的需要，對地下物流配送過程中地上地下轉運過程的作業內容進行分析提煉，將作業任務歸結為與仿真系統相對應的工況，同時根據系統運行的工況，進一步抽象出仿真事件列表，如表2所示。

根據表2所示的仿真事件，本文共創建6個智能體類，包括包裹Agent、叉車Agent、托盤Agent、貨運電梯Agent、車廂Agent、列車Agent。其相互關系如圖4所示。

表2 仿真事件列表

圖4 仿真智能體設置

3.4.2 仿真參數設置

仿真參數設置如表3所示。

表3 仿真過程的初始化參數

4 仿真結果分析

4.1 貨物量分析

在初始參數設定下，1 h的仿真時間內地面暫存貨物量時間折線圖如圖5所示，地下暫存貨物量時間折線圖如圖6所示。橫坐標是仿真時間推進，縱坐標是暫存貨物量的變化情況。由于所得結果波動比較大，故使用六階多項式進行數據擬合，可以看出地面暫存貨物量穩定在200個左右，極值為250個;地下暫存貨物量基本穩定在230個左右，極值為352個。暫存貨物量的多少決定了需求場地的大小，尤其對于地下空間的開發來說，空間越大意味著開發成本越高。因此需要通過優化合理控制地上地下暫存貨物量。

圖5 地面暫存貨物量仿真結果

圖6 地下暫存貨物量仿真結果

4.2 完成貨物量分析

在初始參數設定下，1 h的仿真時間內完成貨物量不斷增加，如圖7所示，結果顯示該站點1 h的貨物處理能力為3 000個包裹。

圖7 完成貨物量仿真結果

4.3 貨物在站時間仿真結果分析

評價仿真結果的時間指標指的是貨物從地面卸載直到貨物在地下裝載結束的總時間，在初始參數設定下，1 h的仿真時間內已完成的貨物處理時間的概率密度仿真結果如圖8所示，橫軸表示貨物處理總時間的范圍，縱軸表示頻率。數據顯示貨物在站最長處理時間約為700 s，最短約為400 s，平均在站處理時間為532.66 s。說明場地內的貨物線路規劃得比較合理，滯留時間相對較短。

圖8 貨物在站處理時間仿真結果

5 關鍵參數敏感性分析

5.1 轉運叉車數對貨物處理能力的敏感性分析

地面叉車數量分別取15，20，25，30時，對站點貨物處理能力的敏感性分析如圖9所示。從仿真結果來看，地面叉車數量在20和25時，1 h內的貨物處理能力是相同的；數量為25時，在大部分時間內效率略高于數量為20的情況。而叉車數量取15和30時，總的貨物量處理能力均較低，說明地面叉車數量較高或者較低都會影響到站點貨物的處理效率。

圖9 地面叉車數量對站點貨物處理能力的敏感性分析

地下叉車數量分別取8，10，12，14時，對站點貨物處理能力的敏感性分析如圖10所示。從仿真結果來看，地面叉車數量在10和12時，1 h內的總貨物處理能力是相同的，但是大部分時間內數量為10時貨物處理效率更高一些。而叉車數量取8和14時，總的貨物量處理能力均較低，說明地面叉車數量較高或者較低都會影響到站點貨物的處理效率。

圖10 地下叉車數量對站點貨物處理能力的敏感性分析

5.2 垂直運輸時間對貨物處理能力的敏感性分析

垂直運輸是地下物流系統終端貨物運輸的關鍵環節，往往是制約貨物處理能力的瓶頸。垂直運輸時間分別取1 min，1.5 min，2 min，2.5 min，3 min，3.5 min，4 min時，對站點貨物處理敏感性分析如圖11所示。從仿真結果來看，垂直運輸時間在1.5～3 min之間時，1 h內曲線基本重合，說明貨物處理能力基本相同。當垂直運輸時間大于3 min時，貨物處理效率有明顯的下降。垂直運輸時間為1 min時，貨物處理效率略有提升。考慮到設備運行保養，兼顧效率與安全，垂直運輸時間控制在2～3 min比較合理。

圖11 垂直運輸時間對站點貨物處理能力的敏感性分析

6 結論

為了使地下物流更快更好地推向實際應用，本文以某地下物流系統終端物流服務功能為背景，利用Anylogic軟件對地上地下分離式地下物流系統終端的作業流程進行了仿真分析。在初始參數設定的前提下，貨物平均處理時間為532.66 s；1 h內能處理包裹3 000件；地面暫存貨物量峰值為250件；地下暫存貨物量峰值為352件；地面作業叉車數量在20～25之間，地下作業叉車數量在10～12之間時達到終端處理能力最大化水平；垂直運輸時間控制在2～3 min貨物處理效率較高。仿真結果表明，應用Anylogic仿真軟件進行地下物流系統終端貨物處理優化具有可行性，且地下物流系統終端的設施設備對作業效率有著重要影響，動態仿真有利于系統優化方案的選取。