基于Flexterm的自動化碼頭裝卸作業(yè)分析

王帥

摘 要：自動化集裝箱碼頭作為銜接水運及其它運輸方式的重要物流節(jié)點，迎合了我國交通強國的需要，是未來碼頭發(fā)展的必然趨勢。本文基于合理的假設(shè)條件和參數(shù)設(shè)置，利用Flexterm仿真軟件對不同的自動化碼頭布局進行裝卸作業(yè)分析。實驗結(jié)果表明，垂直式的碼頭布局形式能有效減少整體的作業(yè)時間和相關(guān)設(shè)施的空閑等待時間。

關(guān)鍵詞：Flexterm;仿真模擬;自動化碼頭;裝卸作業(yè)

中圖分類號：U693? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0072-03

1 引言

隨著國際貿(mào)易和全球化的快速發(fā)展，各國間的聯(lián)系越來越緊密，港口在物流運輸業(yè)中也占據(jù)著越來越重要的地位。隨著碼頭貨物吞吐量的增加，船舶不斷朝著大型化、重型化發(fā)展，提高集裝箱碼頭的核心競爭力尤為重要，對自動化集裝箱碼頭的需求也就應(yīng)時而生。

隨著信息化水平的提高，仿真模擬技術(shù)開始越來越廣泛的應(yīng)用。楊斌等[1]在Flexsim中建立了以碼頭鐵路裝卸作業(yè)系統(tǒng)為對象的仿真模型，通過對比分析包括設(shè)備的利用率、作業(yè)效率等仿真結(jié)果，對碼頭的不同的系統(tǒng)配置方案進行分析和優(yōu)化。陳天沛等[2]使用仿真軟件Flexterm建立了以國內(nèi)某個碼頭為背景的仿真模型，實現(xiàn)了碼頭各環(huán)節(jié)的銜接合作，并通過對仿真結(jié)果的分析驗證了碼頭設(shè)計的合理性。孫洪運等[3]利用Flexsim CT仿真軟件建立了仿真模型，對集卡在作業(yè)線和作業(yè)面兩種作業(yè)模式下的優(yōu)缺點進行了對比，并對其進行了定性和定量兩種方法的分析和研究，證明了作業(yè)面模式是更優(yōu)的選擇。張程[4]結(jié)合仿真軟件對數(shù)據(jù)分析得出的優(yōu)化的資源配置結(jié)果能夠有效地提高碼頭的裝卸設(shè)備作業(yè)效率，為碼頭的經(jīng)營者進行決策時提供支持，降低碼頭的經(jīng)營成本。侯東亮[5]在Flexsim中建立了以某碼頭為參考的碼頭作業(yè)系統(tǒng)仿真模擬，通過仿真給出了裝卸設(shè)備之間的關(guān)系，具有一定的應(yīng)用價值。

本文以國內(nèi)的自動化碼頭為參考，基于Flexterm仿真軟件設(shè)置相關(guān)的參數(shù)建立模型，對兩種布局形式的碼頭進行基于作業(yè)面的仿真模擬，對相關(guān)指標進行分析，證明布局對碼頭作業(yè)效率的影響。

2 碼頭裝卸作業(yè)分析

2.1 碼頭布局形式

自動化集裝箱碼頭有兩種布局形式——水平布局以及垂直布局。目前國內(nèi)外大部分的自動化碼頭采用的都是堆場垂直于碼頭岸線的方式，例如青島港和洋山港四期碼頭，位于廈門的遠海自動化碼頭采用的則是水平式布局。

如圖1所示，（a）為采用堆場箱區(qū)平行于岸線的碼頭布局形式，水平運輸設(shè)備運輸集裝箱任務(wù)時必須按照指定的路徑才能完成集裝箱的運輸。每次運輸都會經(jīng)過A區(qū)域，極易造成該區(qū)域的擁堵，且若要運行至最后面的堆場箱區(qū)需要經(jīng)過的路程最長，水平運輸設(shè)備的能耗將會增加，完成任務(wù)的時間也會加長，造成裝卸效率的低下。（b）為采取堆場垂直于岸線的布局形式，堆場箱區(qū)位于岸橋與后方交換區(qū)之間，海岸線與每個堆場箱區(qū)的垂直距離都是相同的，水平運輸設(shè)備進行集裝箱任務(wù)運輸時的行走路徑較短，相對來說路徑重疊的部分較少，不容易造成大范圍的擁堵，也有利于減少能耗，提高碼頭的作業(yè)效率。

自動化碼頭的具體布局形式首先應(yīng)當滿足碼頭的吞吐量并對不同分區(qū)進行細致的分解規(guī)劃;其次，應(yīng)當根據(jù)碼頭所在的地形等，并結(jié)合船舶作業(yè)的類型、當?shù)刂饕M口貨物特點以及集疏運的特點等情況進行綜合考慮。最終的設(shè)計布局需要留下余地，以便在未來進行改進。

2.2 AGV作業(yè)模式

自動化碼頭AGV的調(diào)度作業(yè)就是為岸橋從作業(yè)船舶上卸下的集裝箱任務(wù)運送至場橋處以及將場橋從出口箱區(qū)吊起的集裝箱任務(wù)運送至岸橋作業(yè)處這兩種作業(yè)的運輸提供最合理的任務(wù)分配調(diào)度。AGV的作業(yè)調(diào)度模式根據(jù)多臺岸橋同時作業(yè)時是否同時共享所有的水平運輸設(shè)備可分為獨立調(diào)度以及資源池共享調(diào)度，即“作業(yè)線”和“作業(yè)面”者兩種調(diào)度模式。

集裝箱碼頭在進行裝卸任務(wù)作業(yè)時，通常采用的是“作業(yè)線”的調(diào)度模式，即每臺岸橋都配有幾輛固定服務(wù)于它的AGV，通常配置的比例為1：4到1：6之間。對于這些AGV來說，它們是固定的服務(wù)于這臺岸橋的，在這臺岸橋的任務(wù)沒有全部完成之前，它們是無法重新分配給其他岸橋的，即無法接受其他岸橋分配的任務(wù)。這種調(diào)度模式下，雖然能有效地減少岸橋等待時間，但極易導致AGV的空載等待時間過長，造成水平運輸設(shè)備資源的浪費。

現(xiàn)在很多港口也開始采用“作業(yè)面”的調(diào)度模式，在該模式下，AGV不再固定的服務(wù)于某一臺岸橋，而是將AGV們作為一個資源池中的資源，由一些岸橋共享。AGV的作業(yè)區(qū)域不再將某一個岸橋作為固定的起點，而是一定位置范圍內(nèi)所有的作業(yè)線構(gòu)成了整個作業(yè)面，每一輛AGV可以響應(yīng)作業(yè)面內(nèi)任意一臺岸橋的任務(wù)需求，在完成某臺岸橋分配的任務(wù)之后可以被指派接受作業(yè)面內(nèi)任意一臺岸橋的任務(wù)分配。“作業(yè)面”模式在一定程度上優(yōu)化了碼頭的資源配置，減少了AGV的空載等待時間，提高了自動化碼頭的作業(yè)效率。

在自動化碼頭中，AGV的任務(wù)調(diào)度過程直接影響著整個碼頭的作業(yè)效率，是碼頭裝卸作業(yè)系統(tǒng)中最重要的組成部分，其作業(yè)過程受到岸橋與場橋調(diào)度作業(yè)的約束，主要是岸橋裝卸作業(yè)船舶的作業(yè)約束。采用作業(yè)面模式進行運輸作業(yè)，對AGV的調(diào)度進行合理規(guī)劃，能夠使其更加有序、高效地作業(yè)。

3 仿真建模

3.1 軟件介紹

Flexterm是一款可以用于港口或集裝箱碼頭仿真的模擬仿真軟件工具，通過拖放各類實體設(shè)施并設(shè)置各類參數(shù)，例如裝卸集裝箱的數(shù)量、裝卸的堆場和場橋參數(shù)、集裝箱的規(guī)格參數(shù)等來建成3D集裝箱碼頭仿真環(huán)境，每次進行仿真都可以通過3D動畫運行、統(tǒng)計報表及圖表來進行相關(guān)的分析，利用Flexterm可以在實際應(yīng)用之前先進行仿真模擬，能夠更有效地預測和控制碼頭的實際操作過程。

3.2 建模過程

本文的自動化碼頭仿真模型主要是以從靠泊船舶到堆場之間的裝卸作業(yè)開展的，在Flexterm中主要需要對船舶泊位計劃、堆場計劃以及運輸車輛進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，其作業(yè)過程可簡單的描述為：船舶到港后，對其進行裝卸作業(yè)，將進口集裝箱從船舶上運至進口堆場，將出口集裝箱從出口堆場運送至靠港船舶上。垂直式布局和水平式布局分別參考青島港以及廈門港，垂直式布局示例圖如圖4所示：

自動化碼頭的三維模型實體擺放完成后，還需要對泊位計劃、堆場計劃以及AGV等其他參與仿真的實體進行參數(shù)設(shè)置來保障模型能夠順利運行，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示：

4 結(jié)果分析

以垂直式布局的仿真模型為例，進口集裝箱服從（200，310）隨機分布，出口集裝箱服從（160，260）隨機分布。在運行過程中，選擇岸橋以及AGV這兩類實體進行分析，分析的結(jié)果如圖5所示：

從圖中可以看出岸橋1等待AGV的時間占總時長的25.9%;岸橋2等待AGV的時間占總時長的30.8%。由此可以看出岸橋的空閑以及等待時間過長，造成了岸橋資源的浪費。從AGV的分析情況來看，幾乎所有AGV等待作業(yè)集裝箱的時間都在40%以上，造成了AGV等待及空載時間過長，利用率嚴重不足。在模型運行過程中可以看出，岸橋空閑等待時間過長的主要原因是AGV在另一岸橋或在場橋處等待作業(yè)的時間過長，導致某一岸橋在提取集裝箱后等待AGV作業(yè)的時間延長。

兩種布局形式的仿真模擬結(jié)果數(shù)據(jù)如下表所示：

由表2數(shù)據(jù)可知，垂直式的布局形式完工時間小于水平式布局的完工時間，垂直式布局的AGV的整體利用率即AGV的重載率大于水平式布局，垂直式布局的岸橋等待率小于水平式布局的岸橋等待率。由這三個指標來看，垂直式布局的碼頭優(yōu)于水平式布局的碼頭。

5 結(jié)論

本文以Flexterm仿真模擬軟件為平臺，建立了從靠泊船舶到堆場區(qū)域的仿真模型，以青島港和廈門遠海的自動化碼頭布局為參考，通過對兩種不同布局形式的碼頭的多次仿真以及對相關(guān)實體的分析對比，證明了垂直式布局的自動化碼頭優(yōu)于水平式布局的自動化碼頭。

參考文獻：

[1]楊斌，胡繼龍，林意斐.基于FlexSim的集裝箱碼頭鐵路裝卸線建模與仿真分析[J].港口裝卸，2020（01）：6-9.

[2]陳天沛，劉慶輝，彭駿駿.基于FlexTerm軟件的集裝箱碼頭仿真試驗[J].水運工程，2019（09）：176-180+226.

[3]孫洪運，郭姝娟，鄭彭軍.基于Flexsim CT的集裝箱碼頭集卡作業(yè)模式比較仿真研究[J].寧波大學學報（理工版），2019，32（01）：104-108.

[4]張程，樂婉.基于Flexsim的集裝箱碼頭裝卸仿真[J].水運管理，2018，40（08）：15-18+25.

[5]侯東亮.基于Flexsim的集裝箱碼頭物流作業(yè)系統(tǒng)建模與仿真[J].物流科技，2016，39（12）：70-72.