面向堆場(chǎng)網(wǎng)格化的件雜貨碼頭生產(chǎn)物流仿真模型研究

鄭麗+楊巖

摘 要：件雜貨碼頭生產(chǎn)物流中不確定性因素非常多，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。碼頭通過(guò)能力的準(zhǔn)確分析一直是一個(gè)工程技術(shù)難題。本文深入分析了件雜貨碼頭生產(chǎn)物流的復(fù)雜性特征，提出網(wǎng)格化堆場(chǎng)的管理策略，運(yùn)用系統(tǒng)仿真技術(shù)建立了件雜貨碼頭仿真模型，并結(jié)合碼頭實(shí)際案例進(jìn)行了仿真研究，得出了有工程價(jià)值的結(jié)論，為件雜貨碼頭的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理提供了合適的分析方法。

關(guān)鍵詞：堆場(chǎng)；件雜貨碼頭；網(wǎng)格化；建模與仿真

中圖分類號(hào)：U693 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）03-0060-03

作為運(yùn)輸系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)之一的件雜貨碼頭，近幾年件雜貨吞吐量一直持續(xù)增長(zhǎng)。為滿足件雜貨運(yùn)輸需求，我國(guó)持續(xù)投資建設(shè)件雜貨碼頭。然而件雜貨碼頭因其生產(chǎn)物流復(fù)雜等特征，一直面臨堆場(chǎng)利用率不高、裝卸作業(yè)效率低、管理信息化水平不高的問(wèn)題。如何做好科學(xué)的件雜貨碼頭的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)件雜貨碼頭的高效運(yùn)營(yíng)就成為亟待解決的難題。本文通過(guò)建模分析與仿真工具，旨在為件雜貨碼頭的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)決策提出技術(shù)支持、可操作的策略建議。

1 件雜貨碼頭生產(chǎn)物流的復(fù)雜性特征

1.1 集疏運(yùn)作業(yè)難以確定化

因件雜貨碼頭中，不同貨類、船舶、汽車進(jìn)出港時(shí)刻及在港時(shí)間不確定，這使得集疏運(yùn)作業(yè)狀態(tài)變化隨機(jī)，難以確定。集疏運(yùn)作業(yè)的隨機(jī)性驅(qū)動(dòng)著碼頭系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此集疏運(yùn)作業(yè)中的時(shí)間參數(shù)、作業(yè)屬性等變量，表現(xiàn)為多樣化和不確定性。具體表現(xiàn)如下：

（1）貨物種類多樣化：貨物涉及到各種日常和工業(yè)用品，規(guī)格不一、種類繁多，堆垛要求不同。根據(jù)各個(gè)貨場(chǎng)的位置、面積及承重要求，及貨類比例、堆場(chǎng)容量等因素制定固定貨類及貨量的固定堆存和隨機(jī)堆存方案，以盡可能保證貨場(chǎng)堆存的規(guī)范性。

（2）貨物性質(zhì)差異化：貨物物理和化學(xué)等性質(zhì)及包裝形式如裸裝或包裝差異大。件雜貨如其外形、比重及銹蝕性、易熔、易腐、吸濕等性質(zhì)不同。因其性質(zhì)差異大，使得堆存作業(yè)難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2 堆場(chǎng)作業(yè)隨機(jī)粗放化

堆場(chǎng)是對(duì)件雜貨進(jìn)行裝卸和堆存的主要區(qū)域，影響碼頭生產(chǎn)作業(yè)能力的關(guān)鍵因素很多。其中包括堆場(chǎng)的疏運(yùn)能力和儲(chǔ)運(yùn)能力。在貨場(chǎng)貨物通常有兩種儲(chǔ)存策略：隨機(jī)堆存和固定堆存。堆放或存放不同貨類，需考慮不同貨主要求、貨類自身特點(diǎn)、還有貨物堆存期等諸多因素。上述兩種策略雖然也有其各自優(yōu)勢(shì)，但兩者不足之處也顯而易見(jiàn)，就是垛位劃分粗放，做不到精細(xì)化管理，使得堆場(chǎng)利用率一直不高，加上多個(gè)貨場(chǎng)內(nèi)分散堆放著件雜貨碼頭的貨物，不集中、不連續(xù)、隨機(jī)粗放的堆放，還會(huì)引起轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)，使得裝卸作業(yè)出現(xiàn)中斷停頓。

1.3 裝卸作業(yè)離散動(dòng)態(tài)化

件雜貨碼頭裝卸作業(yè)涉及多種集疏運(yùn)方式，而運(yùn)輸工具到港時(shí)間具有隨機(jī)性和離散性，考慮裝卸機(jī)械設(shè)施和用工屬具的不同，裝卸作業(yè)要適應(yīng)多樣化貨物的動(dòng)態(tài)需求，會(huì)出現(xiàn)作業(yè)不連續(xù)，導(dǎo)致該作業(yè)效率不高。

2 件雜貨碼頭堆場(chǎng)垛位網(wǎng)格化描述

2.1 網(wǎng)格化管理

網(wǎng)格化管理是一種代化管理思想，借用計(jì)算機(jī)網(wǎng)格管理，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將管理對(duì)象基于特定的標(biāo)準(zhǔn)分成網(wǎng)格單元，建立協(xié)調(diào)機(jī)制，通過(guò)各單元網(wǎng)格的信息互動(dòng)，共享組織資源，旨在實(shí)現(xiàn)資源整合，提高管理效率。本文依照網(wǎng)格化管理思想，將件雜貨碼頭每個(gè)垛位或成組貨物抽象為管理單元。

2.2 網(wǎng)格化過(guò)程

本文中的堆場(chǎng)網(wǎng)格化就是將件雜貨碼頭各堆場(chǎng)各貨場(chǎng)，依照貨物種類，客戶不同、及裝卸設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分為連續(xù)的、一定容量的小矩形網(wǎng)格 （圖1）。網(wǎng)格的大小與堆場(chǎng)面積、貨量、貨物規(guī)格及堆場(chǎng)設(shè)備大小有關(guān)。顯然，網(wǎng)格越小對(duì)堆場(chǎng)描述越精細(xì)。在件雜貨碼頭的堆場(chǎng)里，貨物的存放通常根據(jù)貨物品種和客戶不同分開(kāi)堆放。堆場(chǎng)垛位網(wǎng)格化示意圖如下圖1：

示意圖1解釋：堆場(chǎng)劃分通常遵照?qǐng)龅夭季旨柏浳锓N類進(jìn)行劃分為場(chǎng)地A、場(chǎng)地B等，A、B、C等大寫字母代表件雜貨種類如鐵礦石、鋼材、水泥、化肥等，字母后面的數(shù)字代表大類中的小類如鋼材中的鋼板或鋼卷。按貨物固定客戶、隨機(jī)客戶和預(yù)留客戶進(jìn)行排號(hào)編碼，按目的地進(jìn)行行號(hào)編碼，將各場(chǎng)地如A2劃分成如3-1、3-2這樣的存儲(chǔ)單元。

2.3 網(wǎng)格化建模參數(shù)定義

（1）場(chǎng)地進(jìn)行統(tǒng)一編碼，建立件雜貨種類編碼代號(hào)及場(chǎng)地面積S統(tǒng)計(jì)表。

（2）行號(hào)為i（i=1，2……），排號(hào)為j（j=1，2……），輪胎起重機(jī)工作通道寬度為m。

（3）單元網(wǎng)格面積s=S/（i-1）*m*j 。

（4）網(wǎng)格忙閑狀態(tài)分別用1和0表示，表示垛位是否占用用變量xij表示。

（5）單元網(wǎng)格數(shù)目n=i*j，行號(hào)和排號(hào)越大，單元網(wǎng)格數(shù)目越多，意為堆場(chǎng)資源調(diào)度越精細(xì)化。

3 面向堆場(chǎng)網(wǎng)格化的件雜貨碼頭生產(chǎn)物流仿真模型

3.1 仿真總層次模型

根據(jù)件雜貨碼頭物流系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)架來(lái)確定層次結(jié)構(gòu)并定義子系統(tǒng)以及作業(yè)之間的所屬關(guān)系。構(gòu)建的件雜貨碼頭的物流系統(tǒng)層次模型如圖2所示。此模型是件雜貨生產(chǎn)物流系統(tǒng)的通用模型，適用性廣，可推廣拓展應(yīng)用到所有件雜貨碼頭生產(chǎn)物流系統(tǒng)的建模與仿真分析。為了便于建模，系統(tǒng)按功能不同細(xì)化為四個(gè)子系統(tǒng)：集疏運(yùn)作業(yè)系統(tǒng)、堆場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)、裝卸作業(yè)系統(tǒng)、信息統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。

3.2 集疏運(yùn)作業(yè)模塊

基于件雜貨碼頭的信息管理系統(tǒng)中的各貨類到港間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出不同貨類的船舶或火車等到港的間隔時(shí)間規(guī)律，具體包括計(jì)劃管理、船舶管理、汽車管理、進(jìn)出港時(shí)間等。

3.3 堆場(chǎng)作業(yè)模塊

依照堆場(chǎng)網(wǎng)格化原理，根據(jù)集疏運(yùn)作業(yè)模塊中呈現(xiàn)出的規(guī)律，為不同貨類分配堆存空間，同時(shí)判斷垛位貨格的忙閑狀態(tài)、貨物進(jìn)出場(chǎng)的條件，并實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)輸出到信息統(tǒng)計(jì)模塊。

3.4 裝卸作業(yè)模塊

裝卸作業(yè)包括碼頭前沿裝卸船作業(yè)、碼頭前沿與貨場(chǎng)間水平運(yùn)輸作業(yè)、堆場(chǎng)的裝卸作業(yè)。其中，門座式起重機(jī)主要完成碼頭的前沿裝卸船作業(yè)，有時(shí)候船機(jī)和叉車也會(huì)參與其輔助作業(yè)；拖車主要完成碼頭前沿與堆場(chǎng)間的水平運(yùn)輸作業(yè)；而堆場(chǎng)的裝卸作業(yè)主要由輪胎吊完成。有時(shí)叉車也可參與碼頭前沿與堆場(chǎng)間的運(yùn)輸作業(yè)及堆場(chǎng)的裝卸作業(yè)。衡量港口碼頭服務(wù)質(zhì)量的核心標(biāo)志是裝卸效率的高低。因此裝卸機(jī)械的性能參數(shù)、數(shù)目配置及其資源調(diào)度至關(guān)重要。

3.5 信息統(tǒng)計(jì)模塊

該模塊主要統(tǒng)計(jì)各裝卸機(jī)械的作業(yè)時(shí)間、船舶等待時(shí)間、堆場(chǎng)占用率、船舶在港時(shí)間、港口貨物吞吐量等，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖表方式顯示出來(lái)。

4 仿真模型應(yīng)用

4.1 總仿真模型

秦皇島港雜貨碼頭仿真模型的主要有集疏運(yùn)作業(yè)系統(tǒng)中的出入口、十字路口模塊，火車、汽車運(yùn)輸、船舶到港離港模塊，堆場(chǎng)作業(yè)模塊；裝卸作業(yè)系統(tǒng)有泊位、船舶、流動(dòng)機(jī)械、門座起重機(jī)等子模塊；及信息統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)模塊。其中堆場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)通過(guò)特種函數(shù)執(zhí)行優(yōu)化算法來(lái)安排各類貨物的堆放場(chǎng)地。具體仿真模型截圖如下圖3所示：

4.2 網(wǎng)格化堆場(chǎng)模型

基于上文堆場(chǎng)網(wǎng)格化描述，建立其網(wǎng)格化模型。結(jié)合堆場(chǎng)按照貨物大類的編碼規(guī)則，垛位網(wǎng)格單元的劃分，通過(guò)智能搜索函數(shù)，依次對(duì)件雜貨碼頭堆場(chǎng)的網(wǎng)格進(jìn)行掃描，記錄網(wǎng)格單元的堆存量、網(wǎng)格空閑、忙碌狀態(tài)等信息。同時(shí)計(jì)算出空閑的堆場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)目及空閑區(qū)域總?cè)萘?，根?jù)船舶、汽車入港的卸貨工作計(jì)劃即將進(jìn)堆場(chǎng)的貨物量，來(lái)確定預(yù)堆存區(qū)，選定最合適的堆存區(qū)，并將這些網(wǎng)格單元狀態(tài)參數(shù)賦值為 1（即為占用狀態(tài)）。等網(wǎng)格內(nèi)貨物運(yùn)出實(shí)現(xiàn)清貨時(shí)，其狀態(tài)就發(fā)生改變，標(biāo)記為0，可為下一次即將到來(lái)的貨物所調(diào)用。仿真模型如圖4所示。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

基于所建模型，按照不同的作業(yè)情況組合，進(jìn)行變量輸入，參數(shù)賦值。經(jīng)過(guò)多次仿真試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)例秦皇島港口數(shù)據(jù)調(diào)研及仿真輸出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)工況有船舶到港平均時(shí)間間隔為7.5、6、5小時(shí)三種情況，特殊情況的極限作業(yè)如船舶到港間隔時(shí)間為4小時(shí)。本文選取船舶到港時(shí)間間隔為5小時(shí)為例，堆存期分別為8到16天試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，各工況進(jìn)行比較，當(dāng)船舶到港平均間隔時(shí)間為5小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致船舶等待時(shí)間明顯增加，而年吞吐量也實(shí)現(xiàn)預(yù)期增長(zhǎng)，達(dá)到1700萬(wàn)噸，泊位平均利用率提高到55-62%。而對(duì)裝載機(jī)的需求平均在8-11臺(tái)，高峰達(dá)到23-25臺(tái)；對(duì)裝卸搬運(yùn)車輛（叉車、輪胎吊等）的需求平均在16臺(tái)以上，高峰接近55臺(tái)左右。網(wǎng)格化堆場(chǎng)模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用精細(xì)網(wǎng)格化堆場(chǎng)管理策略后，和原始的固定堆存或隨機(jī)粗放策略相比，堆場(chǎng)利用率顯著提高。

5 研究結(jié)論

長(zhǎng)久以來(lái)，件雜貨碼頭一直面對(duì)貨源種類復(fù)雜，包裝形式多樣化，規(guī)格不統(tǒng)一；裝卸作業(yè)效率低，難以標(biāo)準(zhǔn)化；堆場(chǎng)利用率難以突破等難題。本文基于網(wǎng)格化理論，通過(guò)運(yùn)用其隨機(jī)作業(yè)過(guò)程中的不確定規(guī)劃、資源調(diào)度、建模仿真等方法，對(duì)件雜貨碼頭這一離散的、動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行研究。以秦皇島港件雜貨碼頭為實(shí)例進(jìn)行不同工況的仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：面向網(wǎng)格化堆場(chǎng)的件雜貨碼頭，有助于其堆場(chǎng)利用率的提升；科學(xué)調(diào)度裝卸設(shè)施資源，有利于其裝卸效率的提高。

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