基于Anylogic的地下物流系統(tǒng)終端貨運(yùn)仿真分析

尚鵬程，陳一村，羅光亮，郭東軍

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展，城市化進(jìn)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(yán)重阻礙了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(bào)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(dǎo)航經(jīng)營商TomTom發(fā)布的全球城市擁堵現(xiàn)狀指出，重慶市2018年道路交通擁堵總里程達(dá)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(yán)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(guī)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(xué)者們提出構(gòu)建第五類交通運(yùn)輸系統(tǒng)——地下物流系統(tǒng)，引發(fā)了城市規(guī)劃者的極大關(guān)注。地下物流系統(tǒng)通過將城市貨運(yùn)功能轉(zhuǎn)移到地下，擴(kuò)展了城市交通的空間層次，豐富了城市貨運(yùn)體系，同時也極大地提升了城市貨運(yùn)能力，對解決城市交通擁堵，緩解城市環(huán)境污染有較大幫助[2]。

目前，國內(nèi)外對地下物流系統(tǒng)相關(guān)的研究主要集中在發(fā)展城市地下物流的可行性[3-4]、網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃[5-7]、運(yùn)營管理[8-9]和技術(shù)開發(fā)方案[10-11]等方面。德國波鴻-魯爾大學(xué)設(shè)計(jì)的CargoCap地下運(yùn)輸系統(tǒng)采用艙體貨車裝載歐洲托盤，進(jìn)行了實(shí)體模型的實(shí)驗(yàn)[12]。京東集團(tuán)與美國的Magplane Technology公司達(dá)成合作協(xié)議，將會推進(jìn)磁懸浮管道技術(shù)在城市地下物流系統(tǒng)的應(yīng)用，并提出了地上無人倉—地下智能樞紐中心—地面接收實(shí)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(qū)和北京通州副中心的地下物流項(xiàng)目也處在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段。雖然陸軍工程大學(xué)陳一村做了關(guān)于地下物流系統(tǒng)線路和機(jī)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(tǒng)地上地下垂直運(yùn)輸過程的優(yōu)化研究鮮見。

城市地下物流是一個集地下空間規(guī)劃、城市物流、工程管理和自動化控制等多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，其貨運(yùn)能力受多因素共同影響。其中，區(qū)別于傳統(tǒng)城市物流，貨物通過城市地下物流運(yùn)輸，需要經(jīng)過地上與地下間垂直運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)，而這是影響地下物流系統(tǒng)貨運(yùn)能力的重要環(huán)節(jié)。因此，合理設(shè)置垂直方向上轉(zhuǎn)運(yùn)工具的性能參數(shù)，對提升城市地下物流系統(tǒng)的作業(yè)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

由于城市貨物需求的動態(tài)隨機(jī)性和地下物流系統(tǒng)參數(shù)性能的不確定性，城市地下物流系統(tǒng)垂直運(yùn)輸貨運(yùn)流程難以用解析表達(dá)式精確描述過程。而相比于傳統(tǒng)的解析方法，采用仿真模擬的方法開展研究，其結(jié)果更具動態(tài)性，可直接針對貨運(yùn)流程進(jìn)行優(yōu)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(tǒng)中地上與地下之間垂直運(yùn)輸過程進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化，以分析地下物流系統(tǒng)中貨物收發(fā)效率、分揀時間和運(yùn)輸速率等因素變化對站點(diǎn)垂直運(yùn)輸?shù)挠绊?，為地下物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 城市地下物流系統(tǒng)終端概述

城市地下物流系統(tǒng)是指城市內(nèi)部及城市間通過地下管道或隧道等封閉空間來自動化運(yùn)輸貨物的一種全新運(yùn)輸和供應(yīng)系統(tǒng)。馬祖軍提出城市地下物流系統(tǒng)可以分為終端子系統(tǒng)和運(yùn)輸子系統(tǒng)兩部分[13]，即包括負(fù)責(zé)銜接地上地下和貨物處理終端系統(tǒng)以及負(fù)責(zé)銜接終端系統(tǒng)和貨物運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通道。地下物流系統(tǒng)終端是地下物流網(wǎng)絡(luò)的中樞，是物流網(wǎng)絡(luò)的起訖點(diǎn)和集結(jié)點(diǎn)，對整個地下物流系統(tǒng)的運(yùn)行管理起著操控作用。

依照服務(wù)的節(jié)點(diǎn)不同，城市地下物流系統(tǒng)終端的類型有很多，有的銜接機(jī)場，如達(dá)拉斯-沃斯堡(DFW)國際機(jī)場的地下物流系統(tǒng)[14]，荷蘭Schiphol機(jī)場的地下物流系統(tǒng)[15]；有的銜接港口，如比利時安特衛(wèi)普港地下物流系統(tǒng)[16]，上海洋山港地下物流系統(tǒng)[6]；有的銜接物流園區(qū)等城市物流節(jié)點(diǎn)，如美國德克薩斯州地下物流系統(tǒng)[9]，雄安新區(qū)地下物流系統(tǒng)。

按照地下物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層級不同，地下物流系統(tǒng)終端可分為兩類，一類是地下物流系統(tǒng)由完全相同的終端組成，如安特衛(wèi)普港地下物流系統(tǒng)和東京23區(qū)地下物流系統(tǒng)。該模式適用于復(fù)雜程度相對較低的地下物流網(wǎng)絡(luò)，是地下物流網(wǎng)絡(luò)初期建設(shè)的主要形式。另一類是將地下物流系統(tǒng)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(tǒng)將終端分為樞紐(Hub)和配送中心(DC)兩個層次。類似于相關(guān)學(xué)者對地下物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究過程中提到的一二級節(jié)點(diǎn)的概念，這是地下物流建設(shè)后期網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜的終端形式。

城市地下物流系統(tǒng)終端是城市地下物流系統(tǒng)的主要功能載體，主要負(fù)責(zé)地下貨運(yùn)和地面之間的銜接，不同的地下物流系統(tǒng)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(tǒng)的操控中心，一般設(shè)置在貨運(yùn)樞紐(火車站、機(jī)場、港口等)或者物流園區(qū)內(nèi)部。其功能有物流功能、展示功能、交易功能、信息功能、服務(wù)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(yùn)輸方向，可將物流劃分為進(jìn)入流和發(fā)出流[2]。

2 Anylogic軟件分析

Anylogic仿真軟件是由美國和歐洲團(tuán)隊(duì)共同運(yùn)營的功能強(qiáng)大的系統(tǒng)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(yīng)用在物流、建筑業(yè)、自動化、供應(yīng)鏈、醫(yī)療、行人交通等復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域。國內(nèi)外物流運(yùn)輸領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例如表1所示。

表1 Anylogic物流運(yùn)輸領(lǐng)域經(jīng)典案例分析

Anylogic內(nèi)部集成了離散事件建模、系統(tǒng)動力學(xué)、基于Agent建模等多種建模方法。其中基于Agent建?？梢耘c離散事件和系統(tǒng)動力學(xué)模型無縫地組合，可以將地下物流系統(tǒng)終端模型內(nèi)的設(shè)備操作流程封裝成一個獨(dú)立的智能體，精細(xì)化模擬終端內(nèi)貨物的拆裝、轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)庫作為本次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，既可以真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)相關(guān)的環(huán)境狀況，又可以方便快捷地將運(yùn)載車輛調(diào)度和相關(guān)的運(yùn)輸、裝卸、資源分配等離散事件基于Agent的模型結(jié)合起來。

3 地下物流系統(tǒng)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(tǒng)物流中心布局設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出地下物流系統(tǒng)終端地上地下分離式布局形式，地上地下由垂直運(yùn)輸工具相聯(lián)系，具體布局形式如圖1所示。

圖1 地下物流系統(tǒng)終端功能區(qū)仿真布局

地下物流系統(tǒng)終端貨運(yùn)系統(tǒng)包括地上貨物處理系統(tǒng)、垂直運(yùn)輸系統(tǒng)、地下貨物處理系統(tǒng)以及地下集運(yùn)系統(tǒng)。相應(yīng)地可以將地下物流系統(tǒng)終端分為地上貨物處理區(qū)、垂直運(yùn)輸服務(wù)區(qū)和地下貨物處理區(qū)。

(1)地上貨物處理區(qū)：地上貨物處理區(qū)包括貨車裝卸區(qū)、貨物處理區(qū)、叉車等候區(qū)、貨物暫存區(qū)。從貨物到達(dá)地面處理中心開始計(jì)時，統(tǒng)計(jì)貨物在地下物流系統(tǒng)終端整個流程中的總處理時間。貨物在處理區(qū)要經(jīng)過掃描、拆包裝等操作，隨后按照先進(jìn)先出的原則運(yùn)送至?xí)捍鎱^(qū)。所有貨物的移動都依靠叉車完成。

(2)垂直運(yùn)輸服務(wù)區(qū)：垂直運(yùn)輸服務(wù)區(qū)主要包括等待區(qū)和垂直運(yùn)輸工具兩部分。根據(jù)垂直運(yùn)輸工具的運(yùn)輸能力限制，相應(yīng)數(shù)量的貨物由地面暫存區(qū)進(jìn)入垂直運(yùn)輸?shù)却齾^(qū)，隨后系統(tǒng)調(diào)用垂直運(yùn)輸工具資源將貨物轉(zhuǎn)運(yùn)到地下。

(3)地下貨物處理區(qū)：地下處理區(qū)主要包括貨物處理區(qū)、叉車等候區(qū)、暫存區(qū)、站臺區(qū)。貨物到達(dá)地下后，根據(jù)貨物的目的地將貨物重新打包，將掃描后的貨物運(yùn)送至地下暫存區(qū)，如果站臺貨物量未達(dá)到限值，則由暫存區(qū)運(yùn)送到站臺區(qū)，等待列車到達(dá)，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(shí)系統(tǒng)進(jìn)行抽象化和模擬化，本文以地下物流系統(tǒng)終端作業(yè)流程[17]為基礎(chǔ)，以某地下物流系統(tǒng)地上地下轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐為背景設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，為方便參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)定以下假定條件：

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

(2)每件貨物處理過程(拆包裝、貼標(biāo)簽、掃碼等)需要的時間相同；

(3)每臺垂直運(yùn)輸工具每次轉(zhuǎn)運(yùn)的貨物量固定，運(yùn)輸?shù)臅r間固定；

(4)地下物流貨運(yùn)列車的發(fā)車間隔時間固定，每列車運(yùn)載最大貨物量固定。

3.3 仿真流程

地下物流系統(tǒng)終端物流作業(yè)仿真流程如圖2所示。當(dāng)仿真開始時，系統(tǒng)參數(shù)初始化，貨物按照時間表到達(dá)，將貨物進(jìn)行分類拆、包裝處理后運(yùn)送至垂直運(yùn)輸?shù)却齾^(qū)，判斷運(yùn)輸工具占用情況以及等待區(qū)貨物量是否達(dá)到限值。貨物運(yùn)輸?shù)降叵潞?，按照目的地進(jìn)行打包掃碼，判斷站臺上貨物容量是否達(dá)到限值，將包裝好的貨物運(yùn)送到指定的站臺等候裝車。

根據(jù)地下物流配送中心的作業(yè)流程分析以及上述的假設(shè)條件，本文采用實(shí)體流程圖法將圖2作業(yè)流程抽象化，建立地下物流地上地下運(yùn)輸系統(tǒng)的仿真模型，描述地下物流配送地上地下轉(zhuǎn)運(yùn)過程中物流實(shí)體產(chǎn)生、流動、加工、處理以及消失的過程和邏輯關(guān)系，如圖3所示。

圖2 地下物流系統(tǒng)終端貨物地上地下轉(zhuǎn)運(yùn)仿真流程

圖3 貨物地上地下運(yùn)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(tǒng)的需要，對地下物流配送過程中地上地下轉(zhuǎn)運(yùn)過程的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行分析提煉，將作業(yè)任務(wù)歸結(jié)為與仿真系統(tǒng)相對應(yīng)的工況，同時根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的工況，進(jìn)一步抽象出仿真事件列表，如表2所示。

根據(jù)表2所示的仿真事件，本文共創(chuàng)建6個智能體類，包括包裹Agent、叉車Agent、托盤Agent、貨運(yùn)電梯Agent、車廂Agent、列車Agent。其相互關(guān)系如圖4所示。

表2 仿真事件列表

圖4 仿真智能體設(shè)置

3.4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 仿真過程的初始化參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 貨物量分析

在初始參數(shù)設(shè)定下，1 h的仿真時間內(nèi)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(biāo)是仿真時間推進(jìn)，縱坐標(biāo)是暫存貨物量的變化情況。由于所得結(jié)果波動比較大，故使用六階多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可以看出地面暫存貨物量穩(wěn)定在200個左右，極值為250個;地下暫存貨物量基本穩(wěn)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(fā)來說，空間越大意味著開發(fā)成本越高。因此需要通過優(yōu)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(jié)果

圖6 地下暫存貨物量仿真結(jié)果

4.2 完成貨物量分析

在初始參數(shù)設(shè)定下，1 h的仿真時間內(nèi)完成貨物量不斷增加，如圖7所示，結(jié)果顯示該站點(diǎn)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(jié)果

4.3 貨物在站時間仿真結(jié)果分析

評價仿真結(jié)果的時間指標(biāo)指的是貨物從地面卸載直到貨物在地下裝載結(jié)束的總時間，在初始參數(shù)設(shè)定下，1 h的仿真時間內(nèi)已完成的貨物處理時間的概率密度仿真結(jié)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(shù)據(jù)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(nèi)的貨物線路規(guī)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(jié)果

5 關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

5.1 轉(zhuǎn)運(yùn)叉車數(shù)對貨物處理能力的敏感性分析

地面叉車數(shù)量分別取15，20，25，30時，對站點(diǎn)貨物處理能力的敏感性分析如圖9所示。從仿真結(jié)果來看，地面叉車數(shù)量在20和25時，1 h內(nèi)的貨物處理能力是相同的；數(shù)量為25時，在大部分時間內(nèi)效率略高于數(shù)量為20的情況。而叉車數(shù)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(shù)量較高或者較低都會影響到站點(diǎn)貨物的處理效率。

圖9 地面叉車數(shù)量對站點(diǎn)貨物處理能力的敏感性分析

地下叉車數(shù)量分別取8，10，12，14時，對站點(diǎn)貨物處理能力的敏感性分析如圖10所示。從仿真結(jié)果來看，地面叉車數(shù)量在10和12時，1 h內(nèi)的總貨物處理能力是相同的，但是大部分時間內(nèi)數(shù)量為10時貨物處理效率更高一些。而叉車數(shù)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(shù)量較高或者較低都會影響到站點(diǎn)貨物的處理效率。

圖10 地下叉車數(shù)量對站點(diǎn)貨物處理能力的敏感性分析

5.2 垂直運(yùn)輸時間對貨物處理能力的敏感性分析

垂直運(yùn)輸是地下物流系統(tǒng)終端貨物運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，往往是制約貨物處理能力的瓶頸。垂直運(yùn)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(diǎn)貨物處理敏感性分析如圖11所示。從仿真結(jié)果來看，垂直運(yùn)輸時間在1.5～3 min之間時，1 h內(nèi)曲線基本重合，說明貨物處理能力基本相同。當(dāng)垂直運(yùn)輸時間大于3 min時，貨物處理效率有明顯的下降。垂直運(yùn)輸時間為1 min時，貨物處理效率略有提升?？紤]到設(shè)備運(yùn)行保養(yǎng)，兼顧效率與安全，垂直運(yùn)輸時間控制在2～3 min比較合理。

圖11 垂直運(yùn)輸時間對站點(diǎn)貨物處理能力的敏感性分析

6 結(jié)論

為了使地下物流更快更好地推向?qū)嶋H應(yīng)用，本文以某地下物流系統(tǒng)終端物流服務(wù)功能為背景，利用Anylogic軟件對地上地下分離式地下物流系統(tǒng)終端的作業(yè)流程進(jìn)行了仿真分析。在初始參數(shù)設(shè)定的前提下，貨物平均處理時間為532.66 s；1 h內(nèi)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(yè)叉車數(shù)量在20～25之間，地下作業(yè)叉車數(shù)量在10～12之間時達(dá)到終端處理能力最大化水平；垂直運(yùn)輸時間控制在2～3 min貨物處理效率較高。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用Anylogic仿真軟件進(jìn)行地下物流系統(tǒng)終端貨物處理優(yōu)化具有可行性，且地下物流系統(tǒng)終端的設(shè)施設(shè)備對作業(yè)效率有著重要影響，動態(tài)仿真有利于系統(tǒng)優(yōu)化方案的選取。