集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)通道配置仿真優(yōu)化

曾露玲　吳宏

閘口作為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的“咽喉”，是集卡出入集裝箱碼頭的必經(jīng)通道，承擔(dān)著驗(yàn)箱、過磅、數(shù)據(jù)交換以及集裝箱交接等作業(yè)任務(wù)，其通過能力對整個集裝箱碼頭的作業(yè)效率產(chǎn)生直接影響。[1]閘口作業(yè)系統(tǒng)是復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，其各環(huán)節(jié)涉及的相關(guān)因素較多，具有離散、動態(tài)、隨機(jī)的特點(diǎn)，適合采用離散事件系統(tǒng)仿真方法進(jìn)行研究。[2]本文以廈門港H集裝箱碼頭的閘口作業(yè)系統(tǒng)為研究對象，借助ProModel軟件建立仿真模型，并將模型用于評估和優(yōu)化閘口作業(yè)系統(tǒng)的通道配置方案，從而為提升閘口作業(yè)系統(tǒng)效率提供量化依據(jù)。

1 閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

1.1 閘口作業(yè)系統(tǒng)的邏輯模型

H集裝箱碼頭是廈門港的主要集裝箱碼頭，年吞吐量超過300萬TEU；但因其地處開發(fā)較早的港區(qū)，空間受限，泊位、堆場和閘口等作業(yè)區(qū)域難以拓展。根據(jù)作業(yè)需要，H集裝箱碼頭設(shè)置內(nèi)外2道閘口，即碼頭進(jìn)出場閘口和位于港區(qū)東、南、北通道的3處海關(guān)閘口。

H集裝箱碼頭閘口作業(yè)分為進(jìn)場作業(yè)和出場作業(yè)。按照業(yè)務(wù)內(nèi)容來劃分，進(jìn)場集裝箱主要包括出口集裝箱、轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱、轉(zhuǎn)棧集裝箱、場裝集裝箱、回場空箱等，出場集裝箱主要包括清關(guān)集裝箱、內(nèi)貿(mào)集裝箱、轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱、出場空箱等。如果不考慮具體業(yè)務(wù)方面的區(qū)別，H集裝箱碼頭閘口作業(yè)可以概括為外集卡進(jìn)場卸箱、內(nèi)集卡進(jìn)場卸箱、外集卡提箱出場、內(nèi)集卡提箱出場等4種情況。H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)流程如圖1所示。

H集裝箱碼頭閘口實(shí)際作業(yè)中存在的集裝箱異常進(jìn)場、散雜貨集裝箱和超限貨物集裝箱進(jìn)出場、移箱等非常規(guī)作業(yè)在閘口作業(yè)系統(tǒng)中所占比例極小，可以忽略不計(jì)。此外，在不改變仿真效果的基礎(chǔ)上，本文假設(shè)閘口不因惡劣天氣、設(shè)備故障等因素停止作業(yè)。

1.2 仿真輸入數(shù)據(jù)的收集和處理

為構(gòu)建仿真模型，需要收集H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)的已知條件，包括：各類集卡到達(dá)閘口的時間間隔；外集卡從海關(guān)進(jìn)場閘口至碼頭進(jìn)場閘口的行駛時間；集卡在閘口通道接受服務(wù)的時間；各類集卡在碼頭堆場的作業(yè)時間。本文以H集裝箱碼頭閘口作業(yè)極為繁忙的2012年3月24日的閘口作業(yè)數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)分析對象，相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)來源于各閘口計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)和實(shí)地監(jiān)測，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和分析后作為仿真建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樣本數(shù)據(jù)采集完成后，利用ProModel軟件附帶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和概率分布識別工具Stat：：Fit對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布擬合分析和校驗(yàn)。

1.2.1 各類集卡到達(dá)閘口的時間間隔

在閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真建模中，集卡到達(dá)規(guī)律是必需的輸入?yún)?shù)。外集卡運(yùn)營的獨(dú)立性以及港區(qū)內(nèi)集裝箱轉(zhuǎn)棧需求的隨機(jī)性決定了集卡到達(dá)閘口的時間也是隨機(jī)的，只有在對大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，才能得出其概率分布情況。利用Stat：：Fit軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動擬合，選擇與實(shí)際情況

擬合度最高的對數(shù)正態(tài)分布，得到各類集卡到達(dá)閘口的時間間隔的輸入函數(shù)為：外集卡重車，L（1.99，0.91）；外集卡空車，L（1.78，1.85）；內(nèi)集卡重車，L（1.43，1.13）；內(nèi)集卡空車，L（2.25，1.72）。

1.2.2 外集卡從海關(guān)進(jìn)場閘口至碼頭進(jìn)場閘口的行駛時間

由于港區(qū)內(nèi)實(shí)行機(jī)動車限速，而且海關(guān)進(jìn)場閘口與碼頭進(jìn)場閘口的距離較遠(yuǎn)，加之集卡啟動加速和停車減速的時間很短，對行駛時間測算的影響很小，可以將集卡在港區(qū)內(nèi)的行駛視作勻速行駛，采用簡單統(tǒng)計(jì)并取平均值的方法計(jì)算集卡車速。數(shù)據(jù)采集選用非接觸式測速儀，在港區(qū)主干道對重車和空車各進(jìn)行30次測速。對以上數(shù)據(jù)求平均值，得到重車在港區(qū)內(nèi)的行駛速度為/h，空車在港區(qū)內(nèi)的行駛速度為/h。海關(guān)進(jìn)場閘口與碼頭進(jìn)場閘口的距離約，將距離除以車速即可得到建模所需的集卡行駛時間的輸入數(shù)據(jù)為：重車，空車。

1.2.3 集卡在閘口通道接受服務(wù)的時間

對各類集卡在各類閘口通道接受服務(wù)的時間分別進(jìn)行100次監(jiān)測，經(jīng)Stat：：Fit軟件自動擬合分析，得到建模所需的各類集卡在各類閘口通道接受服務(wù)時間的輸入函數(shù)為：外集卡重車進(jìn)海關(guān)閘口，L（1.19，0.34）；外集卡重車進(jìn)碼頭閘口，L（0.20，0.08）；外集卡空車進(jìn)碼頭閘口，L（0.79，0.37）；內(nèi)集卡重車進(jìn)碼頭閘口，L（1.34，0.41）；重車出碼頭閘口，L（0.85，0.36）。外集卡空車進(jìn)海關(guān)閘口、內(nèi)集卡空車進(jìn)碼頭閘口、空車出碼頭閘口等業(yè)務(wù)無須審核，故數(shù)值為0。

1.2.4 各類集卡在碼頭堆場的作業(yè)時間

堆場作業(yè)時間包含集卡通過碼頭進(jìn)場閘口后行駛至堆場、等待作業(yè)、實(shí)施作業(yè)以及完成作業(yè)后行駛至碼頭出場閘口的全部時間。對重車卸箱作業(yè)和空車提箱作業(yè)分別進(jìn)行100次監(jiān)測，得到建模所需的各類集卡在碼頭堆場作業(yè)時間的輸入函數(shù)為：重車卸箱作業(yè)，T（10.57，14.81，86.08）；空車提箱作業(yè)，T（10.25，18.33，82.38）。

1.3 閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建和檢驗(yàn)

1.3.1 模型構(gòu)建

在ProModel軟件中定義Entities，Locations，Arrivals和Processing等元素，其中：Entities用來描述通過閘口的各類集卡，包括外集卡重車、外集卡空車、內(nèi)集卡重車和內(nèi)集卡空車；Locations用來描述各類場所，包括海關(guān)進(jìn)場閘口、碼頭進(jìn)場閘口、碼頭堆場和碼頭出場閘口；Arrivals用來定義集卡如何進(jìn)入閘口作業(yè)系統(tǒng)；Processing是模型的命令和控制中心，用來描述在各類場所對集卡進(jìn)行的操作。根據(jù)H集裝箱碼頭閘口作業(yè)流程，按集卡每項(xiàng)作業(yè)的先后順序關(guān)系建立閘口作業(yè)系統(tǒng)的仿真布局，依據(jù)每項(xiàng)作業(yè)的性質(zhì)將作業(yè)規(guī)劃設(shè)置在程序中，并在考慮前后流程之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，將已經(jīng)設(shè)置的各個行程位置用正確的流程連接起來，從而建立閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型。

1.3.2 模型驗(yàn)證

仿真模型建立后，要經(jīng)過反復(fù)的程序調(diào)試和模型調(diào)試以驗(yàn)證其可靠性和準(zhǔn)確性。本文以2012年3月24日H集裝箱碼頭閘口作業(yè)的實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對999次仿真實(shí)驗(yàn)的輸出結(jié)果取平均值，得到模擬數(shù)據(jù)，并將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1。

表1 H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證結(jié)果

由于實(shí)際作業(yè)存在特殊情況以及仿真模型存在假設(shè)前提等原因，仿真結(jié)果與實(shí)際情況必然有一定差別。由表1可見，到港集卡數(shù)量和閘口通道利用率的模擬數(shù)據(jù)均略小于實(shí)際數(shù)據(jù)，主要原因是：在仿真模型中，為便于計(jì)算機(jī)表達(dá)和研究，系統(tǒng)忽略了集裝箱異常進(jìn)場、散雜貨集裝箱和超限貨物集裝箱進(jìn)出場、移箱等極少數(shù)非常規(guī)作業(yè)，造成仿真結(jié)果中到港集卡數(shù)量的模擬數(shù)據(jù)小于實(shí)際數(shù)據(jù)；此外，模型假設(shè)閘口連續(xù)作業(yè)且集卡均正常行駛，而實(shí)際作業(yè)中存在閘口工作人員交接班、集卡進(jìn)錯通道等情況，使得閘口通道被占用的時間延長，導(dǎo)致實(shí)際的閘口通道利用率高于仿真結(jié)果。盡管該仿真模型的模擬數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此，該仿真模型能夠反映H集裝箱碼頭閘口作業(yè)系統(tǒng)的真實(shí)情況。

2 閘口作業(yè)系統(tǒng)通道配置仿真優(yōu)化

2.1 閘口作業(yè)數(shù)據(jù)分析

本文假設(shè)碼頭全天候開放，通過仿真模型計(jì)算各時段閘口通道的最合理配置，以體現(xiàn)對閘口通道資源的合理利用。2012年3月24日H集裝箱碼頭閘口各時段各類集卡進(jìn)場量見圖2。按照集卡進(jìn)場量高低將1d劃分為當(dāng)日09：00至當(dāng)日23：00的高峰時段及當(dāng)日23：00至次日09：00的低谷時段，并分別對高峰時段和低谷時段的閘口通道配置進(jìn)行仿真優(yōu)化。

各時段各類集卡進(jìn)場量

由于內(nèi)集卡空車進(jìn)場及空車出場均不在通道停留接受服務(wù)，而是直接通行，故進(jìn)場閘口的內(nèi)集卡空車通道和出場閘口的空車通道數(shù)量對閘口通過能力并無影響，可維持原有配置。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，高峰時段通過進(jìn)場閘口重車通道的集卡數(shù)量約是通過外集卡空車通道集卡數(shù)量的2.6倍，因此，高峰時段閘口通道配置方案（見表2）優(yōu)先考慮增加重車進(jìn)場通道數(shù)量，并在海關(guān)進(jìn)場閘口多開放1條重車進(jìn)場通道；低谷時段通過進(jìn)場閘口外集卡空車通道的集卡數(shù)量約是通過重車通道集卡數(shù)量的1.6倍，因此，低谷時段閘口通道配置方案（見表3）優(yōu)先考慮增加外集卡空車進(jìn)場通道數(shù)量。

通常情況下，方案設(shè)計(jì)要留有一定余量，因此，對于作業(yè)高峰時段和低谷時段，分別選取集卡進(jìn)場量最高的12：00至13：00和8：00至9：00時段的集卡到港數(shù)據(jù)作為仿真建模輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體輸入?yún)?shù)設(shè)置見表4。

2.2 仿真結(jié)果分析

為確定高峰時段和低谷時段閘口通道配置優(yōu)化方案，基于集卡進(jìn)場隊(duì)列排隊(duì)隊(duì)長、閘口通道利

用率、集卡平均在港時間等指標(biāo)對各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行評價。高峰時段和低谷時段閘口作業(yè)系統(tǒng)仿真輸出數(shù)據(jù)分別見表5和表6。

從高峰時段閘口作業(yè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果來看：方案1和方案2均配置4條進(jìn)場通道，其中外集卡空車通道利用率很高，導(dǎo)致閘口前壓車現(xiàn)象嚴(yán)重；方案3和方案4增加外集卡空車通道數(shù)量，使通道負(fù)荷有效降低，壓車現(xiàn)象得到明顯緩解；方案5和方案6在重車進(jìn)場通道配置已經(jīng)滿足集卡最大進(jìn)場量負(fù)荷需求的情況下，仍然增加重車進(jìn)場通道數(shù)量，導(dǎo)致通道利用率下降，造成資源浪費(fèi)。以閘口實(shí)際通道利用率50%為參照，并以集卡進(jìn)場隊(duì)列最大排隊(duì)隊(duì)長不超過20輛為約束條件，建議在高峰時段選擇方案4作為閘口通道配置優(yōu)化方案。雖然該方案的仿真結(jié)果顯示集卡進(jìn)場隊(duì)列最大排隊(duì)隊(duì)長為20.71輛，但仿真輸入數(shù)據(jù)以時段內(nèi)的集卡最大進(jìn)場量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而在絕大部分時段，實(shí)際閘口作業(yè)系統(tǒng)的評價指標(biāo)低于仿真結(jié)果，因此，5進(jìn)4出的閘口通道配置方案是比較合理的。在低谷時段，按照同樣的約束條件來選擇，方案2（3進(jìn)3出）的閘口通道配置方案最為合理。

根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，閘口通道在保持4進(jìn)3出的常態(tài)配置的基礎(chǔ)上，在高峰時段增加1條外集卡空車進(jìn)場通道和1條重車出場通道，在低谷時段減少1條重車進(jìn)場通道，從而在使各通道資源得到均衡、合理利用的同時，緩解閘口作業(yè)系統(tǒng)的壓力。閘口通道配置優(yōu)化方案見表7。

3 結(jié)束語

本文將計(jì)算機(jī)仿真方法與實(shí)際復(fù)雜離散事件動態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，為集裝箱碼頭閘口通道資源的合理利用提供了一種有效的研究方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)為集裝箱碼頭的生產(chǎn)決策提供參考數(shù)據(jù)。此外，該方法還可用于評估集裝箱碼頭閘口現(xiàn)有通道配置的合理性及最大承載能力，對碼頭生產(chǎn)同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉斌. 基于WITNESS的集裝箱碼頭堆場閘口系統(tǒng)仿真研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2007.

[2] 劉加友. 基于WITNESS的集裝箱碼頭閘口仿真分析[J].中國水運(yùn)，2007，7（10）：51-53.

（編輯：張敏 收稿日期：2016-03-01）