基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程研究

◎ 邵薪潤 鄭禹 周妍 周梅杰 梁振聰 劉新亮 廣東海洋大學船舶與海運學院

隨著我國經濟的快速發展，進出口量的不斷增加，我國港口建設規模逐年增加，傳統港口升級改造也迫在眉睫，智能化、大型化的裝卸機械設備在新建港口中得到大規模應用。在大型散貨機械設備研制方面，我國技術提升，逐步成為國內港口設備的主流，并通過本身優異的性能使得它為世界各國所認可，且使用范圍廣，這一現狀，無疑極大增強了國產大型設備在國際上的地位，并產生了大量的經濟效益。散貨型設備的特點逐步多樣化，在滿足各種港口環境需要的條件下，要與客戶所要設計規范配套。雖然當前海港大宗貨運機械高速發展，不過，今后仍有很大成長空間，必須繼續推動工藝的革新和提高。推動我國海港大宗貨運機械研發的發展，對海港裝備的繼續開發，海港裝備工藝流程效率改善等領域也有著重要的作用。

在國內外對進口原材料需求日益增加的大環境下，對新的海港吞吐能力提出了越來越現實的要求，在當前對我國進行的巨大投資中，為保障海港可持續性發展，必須通過政府投資去促使原料的需求量不斷提高。特別是在改革開放后，雖然我國海港開發速度逐漸提高，但基建與發達國家比較，仍停留在一種相對低的發展階段。但伴隨著國內外大宗運輸機械制造的逐漸成長，在新時代，港口在大型干散貨及機械市場上得到了更為廣泛的發展空間，機械的設計、生產、裝配等流程以及售后服務環節質量明顯改善，也推動了知識產權自主和逐漸走向體系化[1]。盡管當前中國港口散貨機械工業盡管已經達到相對高的水平，但是，其發展歷程不長，機械工業在技術、功能等方面都有必要進行革新，未來主要向大型化發展、并以節能環保為目標，這樣必須考慮自動化與信息化的關系。通過運用不同裝卸機械搭配使用和運用新型的港口裝卸機械，提高港口裝卸工藝流程的裝卸效率，在提高新時期港口的吞吐能力方面，具有十分重要的實際意義。

1.基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程確定仿真模型實體

上述場景的Flexsim模型主要包括二個部分，第一部分為化肥船進港搬運操作過程，另外一部分為散貨船駐泊搬運化肥過程。Flexsim中的主要實體與作業現場要素關系如表1所示。為了減少實際操作流的復雜性，此次裝卸模擬實驗只觀察一艘船在一個特殊港口泊位的裝卸。在Flexsim中，發生器表示在倉庫中等待處理的貨物，臨時實體分別表示不同形式的化肥，任務執行器表示水平搬運機械，暫存區表示化肥儲存，吸收器則表示臨時實體的散貨船。

表1 裝卸設計的對象與Flexsim實體的對應關系

2.基于Flexsim的湛江港化肥裝卸工藝流程建立各實體間的邏輯關系

仿真系統的驅動機制是任務序列規則。在港口水平和垂直運輸的操作流程中，尤其針對該散貨港口來說，單艘船只的裝卸通常要求三臺門機一起操作。當化肥被運出倉庫時，系統就會指定水平運輸車將其運送，而此時的任務分配器中將有部分自卸式卡車和平板車從碼頭前沿、原料堆場和倉庫的中間運送。執行任務時除倉庫以及碼頭的前沿作業區中的暫存區，與任務分配器的連線都是沒有方向的以外，剩下的邏輯線路是有走向的，這個走向也就是化肥流向。反映于Flexsim的邏輯關系見表2。

表2 Flexsim模型工作邏輯表

3.設置機械設備的工作參數

3.1 設置機械設備的工作參數船舶裝卸及化肥散貨情況說明船舶到達時間是指根據港口模型制定出的港口船舶的裝卸和作業的規劃時間表，在港口模型中,所謂“數量”就是指港口船舶到達時所需要的裝載的化肥數量[2]。一個臨時的實體可以指代250t的化肥散貨；通過建立化肥臨時的實體流與貨物流這條流動渠道，把每袋化肥都分配在一個相應的流動的方向點上，并分別在沿該流動的方向點作為一個出口端來對這些肥料臨時進行運送。在臨時實體流中向下一個口發送的模式被設定為隨機接口，也就是貨物由任一可使用的自卸車或者平板車轉運操作，由任一可用門機執行裝船操作，通過建立數學模型和算法實現對該問題求解。按照“創建觸發”中各種比例設定暫時實體類型，“離開觸發”按暫時實體類型的差異，設定了對應的顏色，加以區別。使得可以通過建立堆場與散貨船之間的關系，利用堆場內的相關信息對散貨運輸過程中可能出現的情況進行分析和預測。各個種類的裝船化肥表示：60%是散裝化肥，以紅色表示；40%是袋裝化肥，以綠色來表示。

圖1 化肥裝卸工藝流程圖

3.2 門機相關參數

裝船的時間在門機裝載二千二百五十噸的時候，時間設定為60s（可以根據設備具體實際情況進行合理的設置或者設置為服從于某一特定的函數分布）。

3.3 水平搬運參數

1）分配器參數調整。在實際中的港口裝卸作業中，門機的作業中通常要求一個一定數量的自卸車和平板車來進行水平裝卸，所以從堆場至港口前沿的水平裝卸需要分配器指派作業所需要數量的自卸車和平板車。

2）建立水平運輸機械。設定一臺水平可移動的機械設備的設計最高車速一般為大于2 m/s，加速度最大為大于1m/s，減速最大為大于1m/s，加載工作時間和卸載工作時間均可選擇按照該設備的實際的工作狀況進行合理的選擇，也都可以任意選擇并遵循其中某種函數的分布;自卸車和平板車的平均裝載時間和平均卸載時間分別服從一個正態隨機分布函數Normal(8,2,0)，其中，第1個參數為正態隨機分布平均值，參數2是正態分布標準差，第三個參數是隨機數（通常取值為0）。

3.4 交通運輸節點，堆場和倉庫參數設定

1）不同種類化肥分區域堆放于堆場，在Flexsim環境下，通過建立臨時實體流，依據返回值的item.Type，選擇輸出端口，從而完成分類存放。

2）堆場的最大容量設為100，裝卸2250t化肥的作業時間設置為60s。倉庫的最大容量設為200，裝卸250t化肥的作業時間設置為6s到10s。

3）在暫存區之間設置適當的交通運輸節點，模擬實際情況中自卸的運輸過程，同時將部分節點之間設置為單向程。

以上參數設置以外的參數使用系統默認值進行設置。仿真模型在運行前和運行后的運行狀態見圖2。

圖2 Flexsim自帶實體建模圖

4.確認仿真優化結果

仿真結果的導出主要分為二種方法，一類既是即時在線的結果輸出，可以作為階段性的模擬結果。另一個方法是當模擬完成后，再統一輸出每個輸出變量的數值。通過多次模擬操作后，便能夠對整個化肥裝卸工藝流程中所涉及的各要素的模擬結果，加以統一輸出與評估。

4.1 不同化肥裝船量條件下的設備利用率

通過改變發生器內臨時實體數量設定化肥裝船量的差異，并在其他各種機械設備參數相同的條件下，將化肥裝船量設置為10萬噸、15萬噸、25萬噸、30萬噸，觀察自卸車與平板車作業情況，其最后作業結果見表3。

表3 不同裝載量下水平運輸工具的工作效率

圖3 基于港口布局的Flexsim建模運行過程

由表3可知，肥料處理時間隨著到港口化肥數量增長而逐步減少。當化肥裝船量為15000t到25000t時，港口各裝卸搬運設備利用率較高；當化肥裝船量為15000t以下或25000t以上時，因化肥裝船時間太短或數量過多導致了港口作業瓶頸，從而導致各機械的產能利用率增幅顯著下降，或發生了小幅下降的狀況。所以，當該港口的每日化肥裝船貨物總量在1500t以上至25000t以下時可使各機械效率指標最優。

4.2 不同自卸車和平板車數量條件下設備利用率

Flexsim的Dashboard模塊可以在仿真運行過程中實時地顯示每個實體在每一時間內的變化，其中包括空閑時間，工作時間和空返時間。從而可計算某一化肥裝載量時載具的平均工作效率，以便對整個系統進行考核。從運行圖中同樣可發現貨物堆積的現象存在于系統暫存區中，這表明這里的系統已經遭遇瓶頸，應進行優化。控制化肥裝載量為242500t時，選擇合理的設備配置數量情況見表4。

表4 不同數量水平運輸工具的工作情況

門機之利用率隨車輛配置次數的增加有上升之趨勢，但是車輛總數增加至6臺后利用率并沒有顯著改變。對門機而言，隨著配置車輛數量增加，其利用率呈先升后降趨勢，門機1利用率在配6臺水平運輸車時達到最高。門機2、門機3利用率在配置8臺水平運輸車時達到最高。由于在配置八臺自卸車時，門機2和門機3利用率和最高利用率相近，但這時其他機械能達到很高利用率，所以配置6臺自卸車是比較合理的。

通過Flexsim的導出數據設置門機，自卸車和平板車工作路徑后，減少了作業中路徑不合理的情況，提升了裝卸效率，有利于提高碼頭整體的工作能力，同時也減少了維護成本。

5.結論

本論文將我國港口的件雜貨裝卸工藝作為研究對象，構建了港口件雜貨裝卸作業工作模型。借助專業物流仿真軟件，進一步構建化肥裝卸全過程的系統仿真模型，經過多次系統仿真操作并輸出結果，完成可視化模擬與測試。從而發現港口件雜貨裝卸作業中存在的可改進環節，并對其進行優化。本文采用的建模理論與仿真優化方法，可以很好地對港口裝卸工藝流程進行描述與評估，并為現實決策提供理論支持，還可為交通運輸或者其他方面某些作業過程的優化提供參考。縱觀整個研究過程，主要完成如下工作：

（1）了解了國內外學者在和系統仿真方面研究成果，經過分析發現目前的研究大多針對集裝箱裝卸工藝，對件雜貨裝卸的研究很少。由此確定了本文的研究對象，明確了研究的重點和目標；

（2）回顧了港口裝卸工藝和系統仿真基本原理和方法，對件雜貨裝卸工藝從多個方面進行了綜合分析，確定了系統評價指標；

（3）分別建立了碼頭裝卸工作流過程模型和港內水平運輸作業模型，作為系統仿真模型建立的基礎；

（4）分析了港口裝卸作業系統的總體結構，運用物流仿真軟件Flexsim對泊位裝卸作業和港內水平運輸的主要操作過程進行了仿真建模；

（5）結合湛江港霞山港區通用碼頭的實際情況，采用上述建模與仿真優化相結合的研究方法完成實證研究。在分析湛江港霞山港區通用碼頭作業的基礎上，構建化肥裝卸總體作業流程與工作流模型，結合港區建設及設備配備等因素確定模擬基本參數清單，同時搭建了系統仿真模型并在完成了多次操作之后輸出了仿真結果，發現了工作中可以改進之處，并對其進行了優化。

港口裝卸工藝的優化研究是一個復雜繁瑣的過程，涉及到的內容與創新點也十分廣泛，因此對于件雜貨裝卸工藝的研究也是任重而道遠。本文基于仿真軟件的運行結果提出的件雜貨裝卸方案尚處于理論階段，存在不足之處，并未充分考慮港口作業過程中其他部分影響因素，想要追求達到更加合理的效果還需要繼續研究。比如湛江港集團有限公司想要提升競爭力，就必須以更高效的港口工作效率、更優的服務質量為目標，同時要注重人才的引進與培養、職工能力的培訓。最后，完善港區信息智能化平臺，増設現代化的設施不僅可以提高港口的運行效率，更是減小了港口管理的難度，一定程度上將優化湛江港的工作和服務水平。