（机械设计及理论专业论文）基于emplant的天津港集装箱码头物流系统建模与仿真.pdf

摘要 集装箱码头物流系统，是指在一定的集装箱码头空间里，由集装箱、船 舶、装卸搬运机械、泊位、堆场、道路、人员以及通信联系等若干相互制约 的动态要素构成的有机整体。集装箱码头，作为集装箱运输系统的枢纽，对 加强国内、国际间的贸易往来与提高集装箱运输系统的运输效率具有极其重 要的作用。本文结合先进的计算机仿真研究技术，针对天津港2 0 0 1 年的港口 运营资料开发出计算机仿真模型，对集装箱码头物流系统进行了深入的研究， 揭示了集装箱码头物流系统内部元素之间的关系，为天津港码头设备配置的 决策提供定量依据。 本文首先回顾了国内外集装箱码头物流系统的研究动态，介绍了国内外 计算机仿真技术在集装箱码头物流系统仿真中的应用情况，然后介绍了集装 箱码头作业系统的组成和特点，以及其装卸工艺、作业流程、操作原则( 包 括大门检查箱作业原则、船舶调度管理原则、码头前沿操作原则、堆场存取 箱作业管理原则、堆场管理系统) ，接着介绍集装箱码头系统的性能评价指标 和码头通过能力经验公式及出入口车道数计算，并结合天津港集装箱码头物 流系统的特点，系统地介绍了天津港集装箱码头的基本组成、布局、装卸工 艺、作业流程后，评估了集装箱码头物流系统的相关性能指标，并结合实际 码头的历史数据，介绍一些相关的经验公式。 根据天津港集装箱码头物流系统的层次模型和动态模型的思路，以天津 港码头的数据为原型，根据天津港集装箱码头生产作业的特点与仿真目标的 要求，介绍了离散事件系统的特点和对离散系统仿真的步骤，在e m p l a n t 的主要特点说明中，详细介绍了e m p l a n t 的建模单元和其编程功能，针对 本模型的特点，说明了模型的结构和仿真目标，在保持模型主要特点和功 能的前提下对模型进行了必要的抽象和简化，然后借助现代离散事件动态 系统仿真语言e m p l a n t ，建立了集装箱码头物流系统的计算机仿真模型，并 利用码头的实际营运数据验证了仿真模型的可靠性。最后对实际码头当前的 生产能力和未来扩建后的生产能力做了仿真实验分析，指出码头潜在的作业 “瓶颈”。为生产实际提供了决策基础。 关键词：天津港，集装箱码头，物流系统，仿真模型，e m - p l a n t a b s t r a c t c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e mi sf i no r g a n i cs y s t e m ，w h i c hi sc o n s i s t e do f i n t e r a c t i v ea n dd y n a m i cc o m p o n e n t s ，s u c ha sc o n t a i n e r s ，s h i p s ，b e r t h s ，y a r d s ，p a c k s ，q u a y c r a n e sa n dy a r dc r a n e s ，t r u c k s ，l a b o r sa n dc o m m u n i c a t i o n si nal i m i t e dt e r m i n a ls p a c e s i n c ec o n t a i n e rt e r m i n a l sp l a yaf u n d a m e n t a lr o l ei nt h ec o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nt o e n s u r eas m o o t ht r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e so ft r a n s p o r t ，i ti sv e r yi m p o r t a n ti n i n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a lt r a d e b yu s i n gm o d e r nc o m p u t e rs i m u l a t i n gt e c h n o l o g y , t h i s p a p e rd e v e l o pc o m p u t e rs i m u l a t i n gm o d e la n dd oad e e pr e s e a r c ho nc o n t a i n e rt e r m i n a l l o g i s t i c ss y s t e mt op r o v i d eq u a n t i t a t i v es u p p o r tf o r t h ed e c i s i o n o f t h et i a nj i n c o n t a i n e rt e r m i n a lf a c i l i t yc o n f i g u r a t i o n ，r e v e a l i n gt h ei n t e r a c t i v er e l a t i o na m o n gt h e c o m p o n e n t so f t h ec o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e m a tt h eb e g i n n i n go f t h ep a p e r , al i t e r a t u r er e v i e wo nt h ed o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c h e s o fc o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e mi sp r o v i d e d ，i n t r o d u c i n gs o m ec o m p u t e rs i m u l a t i n g m o d e lt e c h n o l o g ya p p l yc a s eo nc o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e mo nt h ed o m e s t i ca n d a b r o a d ；s e c o n d l yt h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h ee l e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a i n e rt e r m i n a i o p e r a t i o ns y s t e m ，s p e c i a l l yo p e r a t i o nf l o w 、c o n t r o l l i n gp r i n c i p l e ( i n c l u d i n gg a t et e s t i n g p r i n c i p l e 、s h i pc o n t r o l l i n gp r i n c i p l e 、q u a yo p e r a t i n gp r i n c i p l e 、y a r di oo p e r a t i n g p r i n c i p l e 、y a r dr u n n i n gs y s t e m ) ，f o l l o w e db yq u a l i t ye v a l u a t i n gi n d e xa n de m p i r i s t i c f o r m u l a so fc o n t a i n e rt e r m i n a l a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o n e n t s ，l a y o u t ， l o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s sf l o wo ft i a nj i nc o n t a i n e rt e r m i n a l s ，e v a l u a t e st h er e l a t e d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n da tl a s ti n t r o d u c e ss o m er e l a t e de m p i r i s t i cf o r m u l a sb a s e do nt h e h i s t o r i c a ld a t ao f a na c t u a lt e r r a i n a l ： a c c o r d i n gt ot h ei d e ao ft h ef i n i s h e de m p l a n th i b e r a r c h ya n dd y n a m i cm o d e la n dt h e p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds i m u l a t i o na i m so fc o n t a i n e rt e r m i n a l s ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h e c h a r a c t e r i s t i c sa n d m o d e l l i n gp r o c e s s o fd i s c r e t ee v e n t ；a tt h e s p e c i f i c a t i o n o f e m p l a n t ，t h ep a p e rs h o wt h em o d e l l i n gu n i ta n dp r o g r a m m i n gf u n c t i o no fe m p l a n t d e t a i l e d l y n e x t ，ac o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lo f c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e mi sm a d e b a s e do nt h es o f t w a r eo fe m - p l a n ta n di sv a l i d a t e db yt h ed a t ao fa na c t u a lt e r m i n a l a tl a s t t h em o d e li su s e dt oa n a l y z et h ep r e s e n tp r o d u c t i v i t yo fa na c t u a lc o n t a i n e rt e r m i n a la n dt h e b o t t l e n e c ko fi t sl o g i s t i c ss y s t e ma f t e rt h et e r m i n a li se x p a n d e d ，a n dp r o v i d e st h ed e c i s i o n s u p p o r tf o r t h et e r m i n a l k e y w o r d s ：t i a nj i n ，c o n t a i n e rt e r m i n a l ，l o g i s t i c ss y s t e m ，s i m u l a t i o nm o d e l ，e m p l a n t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题受天津港委托采用先进的计算机仿真研究技术，针对可行性方案 开发计算机仿真模型，研究在设定的码头运作管理条件下，码头设备配置与 码头运作效果的关系，为码头设备配置的决策提供定量依据。 9 0 年代后期以来，经济的全球化、信息技术的发展、贸易壁垒的逐步减 少、政府对某些行业管制的解除、供应链观念的采用，促使许多大公司向跨 国公司转变，实行全球采购、全球销售的策略，以便能以最低的成本取得最 大的利润。在整个供应链完成周期中，国际运输因其运输距离长、作业复杂， 占据大部分时间。随着“零库存”观念被广泛接受，如何减少国际运输的时 间，提高运输的可靠性，变得非常重要。而集装箱运输正顺应这种发展的需 求。可以说现代物流是在运输实现集装箱化的革命性变革和集装箱联运有了 长足发展的基础上出现的。反过来，为了满足物流发展的需要，集装箱运输 也在不停地改进，使得运输变得更为顺畅、高效。 随着我国经济体制改革和开放政策的深化，以及加入w t o 的机遇，我 国与世界各国贸易迅速发展，港口集装箱吞吐量保持了高速度的增长。2 0 年 来，我国集装箱运输事业有了突破性的发展，港口集装箱吞吐量( 不包括台 湾、香港、澳门) 1 9 8 8 年仅9 4 7 万标箱( t e u ) ，2 0 0 3 年，我国港i s i 集装箱 吞吐量呈高速增长趋势，全年完成港口集装箱吞吐量4 8 0 0 万标箱，比2 0 0 2 年3 7 0 0 万t e u 增长1 1 0 0 万标箱，首次超过美国，跃居世界第一位。上海港 和深圳港集装箱吞吐量双双突破1 0 0 0 万标箱，分列世界集装箱大港的第三、 四位。全年主要港口货物吞吐量完成2 6 亿吨，其中外贸货物吞吐量完成9 亿吨，同比分别增长1 6 9 和2 1 6 。上海港货物吞吐量突破3 亿吨，位居 世界第二大港，我国亿吨大港增至8 个( 上海、宁波、广州、天津、青岛、 秦皇岛、大连、深圳) 。2 0 0 3 年中国前十大集装箱港口吞吐量为：上海1 1 3 7 2 万箱，增长3 2 1 ；深圳1 0 6 5 万箱，增长4 0 ；青岛4 2 4 万箱，增长2 4 1 ； 天津3 0 2 万箱，增长2 5 2 ；宁波2 7 5 万箱，增长4 8 ；广州2 5 0 万箱，增 武汉理工大学硕士学位论文 长18 3 ；厦门2 3 2 万箱，增长3 2 ，5 ；大连1 6 3 万箱，增长2 1 ；中山7 5 万箱，增长1 7 | 2 ：福州5 8 万箱，增长2 0 6 ”“。 集装箱运输以其高效、便捷、安全的特点成为交通运输现代化的重要形 式。加快发展集装箱运输对促进经济贸易发展、改善经济结构和运输结构、 扩大对外开放具有十分重要的意义。近年来，我国集装箱运输基础设施显著 改善，市场化进程明显加快，对外开放逐步扩大，企业规模不断壮大，服务 质量日益提高。“九五”期间，我国港口集装箱吞吐量年均增长幅度达3 0 ， 集装箱化率和“门到门”运输比重明显提高。 集装箱港口，作为集装箱运输的枢纽，衔接着水运和陆运，在集装箱运 输中发挥着极其重要的作用。现代化集装箱港口一方面提高了集装箱运输的 效率，另一方面，它又可作为国际商品储存、集散的分拨中心和贸易、加工 业发展的聚集地。国内外许多枢纽港都在着手把港口建成多功能的物流中心。 如，广州港与新加坡港务集团合资组建物流公司已进入运作阶段，将逐步在 广州港港区形成由运输、储存、包装、装卸、流通、加工、配送和信息服务 诸环节共同构成的物流中心”。 为了适应国际集装箱运输的需要，集装箱船舶正向大型化方向发展。目 前，容量为6 0 0 0 7 5 0 0 t e u 的船舶正在投入运营，未来还将出现8 0 0 0 1 0 0 0 0 t e u 的大型集装箱船。船舶的大型化给码头的泊位建设、机械配置、装 卸调度、堆场管理等带来了新的问题，需要深入研究。 二十世纪后期，生物、信息计算机网络、传感测试等高新技术取得了巨 大进步，有力地推动了社会的发展。e d i 、g p s 等技术大量应用到港口，促进 了港口的发展，同时也给港口带来新的规划及管理问题。 随着人口的增多，土地资源越来越昂贵，不可能无限制的扩大港口占：地 面积。在现有的港口规模下，如何挖掘潜力，改进管理水平，提高港口吞吐 能力，是港口管理者面临的共同问题。我国的港口管理水平与发达国家的现 代化港口有较大差距，相同规模的港口，其吞吐量能力远逊于国外，这值得 港口管理者和学者们深思。 尽管我国在集装箱港口建设方面取得了一定的成绩，但是我们应该看到， 我国的集装箱港口发展与国际先进水平相比还有相当的差距。如，大部分集 装箱港口是基于简易改造投入营运，装卸机械和装卸工艺尚不完善，导致生 产效率不高。尚未形成以集装箱枢纽港为中心、大、中、小港相结合的运输 系统。许多港口盲目新建、扩建码头，各集装箱港口之间为争集装箱货源而 竞相压价，使泊位利用率低下造成资源配置的浪费。另外，我国港口的信息 武汉理工大学硕士学位论文 化程度也有待提高。 总之，为了促进我国港口的发展，提高管理水平，对集装箱码头的物流 系统进行深入的研究非常有必要。 1 2 离散事件动态系统建模及分析方法 港口物流系统是典型的离散事件动态系统。 离散事件动态系统，是在当今世界一大批高新技术发展的推动下形成和 发展起来的，本质上属于人造系统的范畴，简称为d e d s ( d i s c r e t ee v e n t d y n a m i cs y s t e m s ) 。在这类系统中，对系统行为进程起决定作用的是一批离散 事件，而不是连续变量，所遵循的是一些人为规则，而不是物理学定律。离 散事件是指d e d s 中发生在离散时刻的事件或行为，发生时刻取决于这一时 刻前系统行为的深化过程。港口的“船舶到达”和“船舶离开”就是一些典 型的离散事件。在d e d s 中，一个离散事件的发生驱动系统状态发生变化， 同时还会按照系统的运行规则在系统中激发新的离散事件，从而形成系统状 态的演化过程。比如，“船舶到达”事件会改变泊位的状态及触发各种装卸运 输机械工作，而装卸运输机械工作又会改变堆场、闸口的状态。事件持续传 递和变换，演绎着港口物流系统的动态行为。由此可见，港口物流系统是典 型的离散动态系统。 正如连续系统一样，研究d e d s 需要建立模型，模型反映了系统主要行 为特征的变量与系统结构参数之间的一种关系。模型可采用数学方程、曲线、 图表、计算机程序等多种形式表征。基于系统的模型，可分析系统的行为性 能及其与系统结构和参数的关系，研究系统的控制和优化，如图1 一l 。不过， 目前要对一个复杂的离散事件动态系统建立比较完善的模型还是比较困难的 。“。一般认为，d e d s 的模型定位于运筹学、系统与控制理论、人工智能与 自然语言理解等多学科之间的结合。 武汉理工大学硕士学位论文 图l 一1 物流系统建模原理图 1 2 1d e d s 模型和分析的统计性能方法 d e d s 模型和分析的统计性能方法，着眼于在性能层次上来研究随机情 况下d e d s 的各种平均性能及其优化，采用的主要数学工具包括排队论、摄 动分析方法等。下面介绍这两种常用的性能层次建模与分析的方法。 1 ) 排队网络方法。排队网络方法是由若干个服务中心按一定的网络结构 所组成的一个系统。服务中心由顾客和服务台所构成，通常一个服务中心拥 有一个或多个服务台。1 9 7 7 年s o l b e r g 首次将排队网络理论用于d e d s 的建 模，其模型假定服务台服务时间为指数分布，被服务对象都是同一类型。与 d e d s 的其他类型的模型相比，排队网络的优点是能够考虑系统中的各种随 机因素，并能较为细致地描述系统内部的各种复杂关系，基于排队网络模型， 易于从概率和统计的角度分析和优化d e d s 的过程性能。通过排队网络模型， 可以分析港口物流系统的生产率、平均作业时间、港口泊位利用率等。排队 网络方法的主要局限性是所研究的排队系统引入的假设条件过强，且只能描 述系统的稳态性能和平均性能【4 9 j 。 2 ) 摄动分析方法。由哈佛大学何毓琦( y c h o ) 教授及合作者提出和发展 的摄动分析( p e r t u r b a t i o na n a l y s i s ，简称p a ) 方法，研究系统参数的变化对系 统性能指标的影响，以此对系统进行优化。其实质是排队网络分析方法和计 算机仿真方法的一个有机的结合。它继承了排队网络分析方法可以分析系统 统计性能的优点，但可避免排队网络分析方法中通常要求缓冲器容量为无限 和随机服务时间为指数分布等的苛刻限制条件。摄动分析方法简单、实用， 易于为工程界接收。但实际排队常难以满足确定性、相似性条件，且系统性 能的估计不一定是无偏差的或一致的。这阻碍了摄动分析方法的推广运用 1 4 7 1 5 0 1 。 1 3 集装箱码头物流系统研究动态 集装箱码头物流系统主要由泊位、岸边集装箱起重机( 简称岸桥) 、集 装箱龙门起重机( 简称场桥) 、水平运输机械( 如集装箱拖挂车，等) 、堆场、 道路、闸口等若干单元组成。船舶出入港口，及集装箱在港内的装卸、运输、 堆放等活动构成了系统的状态，单元的工作和空闲构成了整个系统的离散事 武汉理工大学硕士学位论文 件。各单元的运作由码头中心控制室调度管理，整个系统在大量的高新技术 支持下高速运转。近半个世纪以来，人们对港口系统性能的研究一直不停。 随着大量的高新技术在港口的应用及船舶大型化的趋势，港口系统的研究呈 现出新的特征。下面仅对收集到的上个世纪9 0 年代以来的国内外集装箱码头 的研究文献作一简要评述。 1 3 1 集装箱码头物流系统性能研究 一个集装箱码头的作业效率与泊位、岸线长度、岸桥、堆场面积、场桥 等昂贵资源的有效使用、合理分配与计划有关。这些资源中每一项在集装箱 码头互锁的生产作业中都起着不可缺少的作用。 泊位是一个码头的必需资源。因而，当船舶较多时，合理的分配泊位可 减少船舶的耽搁。在国内，鲁子爱( 1 9 9 9 ) 在他的一篇文章中，把港口生产视 为随机服务系统，建立了模拟港口营运状况的计算机仿真系统。仿真的输出 为港口吞吐量、船舶的平均等待时间、平均服务时间和平均排队长度等港口 营运参数。仿真模型中，船舶占用泊位时间根据船舶装卸量、码头泊位装卸 效率、气候影响等条件计算确定“。在国外，泊位分配曾用非线性整数规划 模型( i m a ie ta l1 9 9 7 ) “、修正的时空网络( c h e n 和h s i e h1 9 9 9 ) “”、仿真( l a i 和s h i h l 9 9 2 ) “”等方法来研究，以减少船舶待泊时间，并提高泊位使用率。 岸桥是码头装卸船舶的专用机械，岸桥的分配和计划直接影响着泊位的 使用率。真虹( 1 9 9 9 ) 通过仿真证明，岸桥集中作业时，平均单船作业时间最 短，但泊位利用率低。因此，当船舶到港密度较小或码头服务能力较强时， 岸桥集中作业时和均匀分配方式相比，更有助于减少船舶在港逗留时间。仿 真结果显示，采用自动调配作业方式( 即在仿真作业过程中，空闲泊位上的设 备自动调配到作业泊位参与装卸) 时，设备利用率最高，船舶等待时间和等待 队长最短”。国外，d a g a n z o ( 1 9 8 9 ) 采用整数规划模型和一个简单的分配策略， 分析岸桥的作业效率，计算在高峰期泊位的最大吞吐量，解决静态岸桥调配 问题，达到了减少船舶待泊费用的目的”。p e t e r k o f s k y 和d a g a n z o ( 1 9 9 0 ) 认 为这是个并行工作的岸桥的“开放的程序站”调配问题。建立整数规划模型 来减少船舶待泊费用，并采用分支和跳跃方法来获得优化结果。“。基于上面 的结论，d a g a n z o ( 1 9 9 0 ) 假定船舶的工作量分布与船舶数量分布相同，进一 步研究了岸桥的调配策略对码头的吞吐量和船舶等待的长远影响”“。 t a b e r n a c l e ( 1 9 9 5 ) 将学习理论应用到岸桥分析中以提高岸桥对时间的效率”3 1 。 堆场是码头最复杂的部分，因为进出集装箱在那同时进行装卸。堆场的 武汉理工大学硕士学位论文 资源调配在很大程度上决定了码头的效率。对于堆场的运作有两个主要的研 究方向：集装箱区域的划分( 堆放策略1 和堆场设备调度。堆放策略是非常关 键的，它决定了在每个堆放区的工作量。张新艳( 2 0 0 2 ) 在她的博士论文中， 忽略场桥的影响，用基于生物进化策略对堆场上集装箱运送顺序进行优化， 实现了基于生物进化策略的港口集装箱物流子系统的优化1 。 t a l e b i b r a h i m i ( 1 9 9 3 ) 。”和d ec a s t i l h o 和d a g a n z o ( 1 9 9 3 1 ”“分别比较了进口箱 和出口箱在不同堆放策略下所需的堆场面积并得出了工作量。k i m ( 1 9 9 4 ) “， k i m 和p a r k ( 1 9 9 8 ) “”，k i m ( 1 9 9 8 ) 。8 】研究了多种数学算法和费用模型以寻找 在不同标准的堆放策略。 对于场桥分配和计划的研究，国内外的相关文献不多。l a i 和l a m ( 1 9 9 4 ) 使用仿真来比较堆场设备在不同调度策略下的吞吐量、设备使用率、等待时 间”。k i m ( 1 9 9 9 ) 通过将整个过程作为一个复杂的整数规划来建模减小了集装 箱堆场起重机的起动和运行时间”。张楚谦( 音译) ( 2 0 0 0 ) 用整数规划模型来研 究轮胎式起重机的配置问题，以减少堆场工作的延迟，并通过拉格朗放松启 发式理论来获得接近最佳解决方案n “。 也有些文献同时考虑到几项对集装箱码头通过能力影响较大的因素。 k o z a n 和p r e s t o n ( 1 9 9 9 ) 使用整数规划决定优化的堆放策略和相应的堆场起重 机分配，以减少用于一艘船的所有起重机的最大工作时间”“。b a l l i s 和 a b a c o u m k i n ( 1 9 9 6 ) 建立了一个包括由于设备不匹配而引起的交通堵塞和延迟 的仿真模型。他们使用这个模型来评价一个码头的堆场设计、设备数量、集 卡到达、运行规则”“。k o z a n ( 1 9 9 7 ) 研究过利用火车疏运集装箱的码头的吞吐 量。他用启发式理论将火车分配给轨道、将起重机、叉车和跨运车分配给集 装箱，通过仿真分析不同运作模式对码头集装箱作业的影响。“。在k o z a n 的另一篇论文中他用一批到达、多服务台排队模型对这些运作模式进行建模， 讨论影响集装箱码头运输效率的各种主要因素”。 1 3 2 计算机仿真技术在集装箱码头物流系统仿真中的应用 码头系统是物流链上的服务系统，由各种码头作业和管理子系统构成， 各子系统相互影响，整个系统的运作效率和水平依赖于各子系统的相互协调； 船舶和集疏港运输工具的到港时间具有随机性；用户的服务要求不断变化： 船舶操作和码头作业受随机变化天气状况的影响。这些特点决定了，计算机 仿真是比较适用可行的辅助码头系统决策的手段。目前，在发达国家，这一 技术被普遍接受，用于辅助码头的规划设计和营运管理决策。 6 武汉理工大学硕士学位论文 目前具有代表性的专用仿真语言主要有e m p l a n t 、w i t n e s s 、 a u t o m o d 、g p s s 、s i m c p t 、s i m a n 、s l a m 、a u d i t i o n 等。这些软件 系统不仅包括建模、仿真运行和结果输出，还包括模型分析、系统规划设计 和统计分析等功能。用户界面也更直观和灵活。系统模型可以二维或三维方 式动画显示，以便对系统仿真过程进行实时的跟踪和分析1 4 0 。这些仿真语言 不需要仿真者有很多的计算机知识和编程技巧，也不需要了解很多的仿真理 论和算法。仿真的主要精力可以放在系统建模和系统分析上。即有利于提高 仿真的效率，更有利于提高仿真的质量。 在港口物流仿真方面，国外已有采用二维动态仿真技术来研究港口生产 系统的运作方式，以及在港口设计中确定港口资源的合理配置的问题，并已 研制出专用软件 3 7 】。系统的建模工作都交由软件完成，用户只需根据软件的 提示输入一定的参数，软件就自动生成该系统的仿真模型，这些软件一般都 采用面向对象的建模方法。澳大利亚的r e a l t i m er u s i n e s ss o l u t i o np t y 公司推 出的港口运作仿真软件x w i n d o w ，以集装箱码头等多种码头为仿真对象， 以二维图形方式对包括设备配置、堆场规划等在内的一些问题进行仿真，为 港口决策者提供了很好的规划依据，从而提高了港口的生产效率“。目前， 美国公司j w dg r o u p 是应用计算机仿真技术作为集装箱码头规划设计的决 策支持手段最著名的公司，该公司开发的集装箱码头系统模拟软件包，在微 机上运行，用于在码头规划设计阶段预测码头的性能。模拟生成码头性能、 服务延时、设施和设备利用率、营运成本等方面的数值结果。近年来，该公 司借助于计算机仿真手段，完成的集装箱码头规划项目有。： 加拿大温哥华港的d e l t a p o r tc o n t a i n e rt e r m i n a l 荷兰阿姆斯特丹港的c e r e sp a r a g o nt e r m i n a l ； ： 美国洛杉矶港的p i e r3 0 0m a r i n et e r m i n a l ； 美国洛杉矶港的p i e r4 0 0m a r i n et e r m i n a l ； 美国弗吉尼亚国际码头公司的p o r t m o u t h m a r i n e t e r m i n a l ； 韩国釜山新港码头公司p u s a n n e w p o r t t e r m i n a k l ； 牙买加牙买加港的k i n g s t o nc o n t a i n e rt e r m i n a l ； 美国奥克兰港5 5 5 6 号泊位的规划。 1 4 本学位论文的主要研究内容 建立完整的集装箱码头仿真模型受到许多条件制约。通常建立的集装箱 武汉理工大学硕士学位论文 码头仿真模型均避免涉及堆场管理、水平运输机械调度，从而降低建模的复 杂性并减少模型开发工作量。这样的模型能解决的问题有限，结果可靠性也 较差。通过收集的文献可知，过去还没有人对集装箱港口建一个整体系统模 型来研究。由于集装箱港口的泊位、起重机、集卡、堆场、道路等各种资源 在整个物流中是相互联系、相互制约的，把集装箱港口整个系统作为一个整 体来研究才更能符合港口的真实情况。 针对集装箱码头的特点，本文对集装箱码头动态系统的规划与仿真建模的 理论方法进行了以下研究。 1 ) 集装箱码头系统分析。在介绍集装箱码头物流系统的组成和布局、特 点和装卸工艺的选择的原则后，着重介绍集装箱码头的调度流程及其统计指标， 并以天津港集装箱码头有限公司的历史数据为例，介绍集装箱码头的通过能 力、堆场通过能力、出入车道数经验公式。 2 ) 集装箱码头系统建模。根据天津港集装箱码头提供的资料和统计数据， 利用强大的离散系统建模软件e m p l a n t 开发出天津港集装箱码头仿真模型。 3 ) 集装箱码头系统仿真。以所建码头物流系统的复合模型为基础，以天 津港营运数据为原型，根据集装箱码头生产作业的特点与仿真目标的要求，在 对码头物流系统进行合理的简化之后，采用专业仿真软件e m p l a n t 对其进行数 字仿真，并实现了二维的计算机动画模拟。 4 ) 模型的检验与结果数据分析。利用天津港码头2 0 0 0 年的实际船舶停 泊艘次数、船舶平均在港时间与集装箱吞吐量等数据验证了仿真模型的可靠 性，并对仿真模型运行数据结果进行分析，找到天津港集装箱码头作业系统 的“瓶颈”。 5 ) 集装箱码头通过能力预测。利用e m p l a n t 仿真软件对天津港的扩建计 划进行预测，分析扩建后码头作业系统的薄弱环节和要达到扩建后的通过能力 所需要重新调整设施设备的数量。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章集装箱码头作业系统与性能指标 2 1 集装箱码头的基本组成 21 1 码头设施 泊位( b e r t h ) ，是指在港内为了进行装卸，给船舶停泊靠岸，并有一定长 度岸壁( q u a y ) 的地方。船舶靠离泊时，所需的岸壁线的有效长度一般为船舶 长度的1 2 倍。在本模型中，天津港一共有四个泊位，泊位1 长2 1 7 m ，泊位 2 长2 7 0 m ，泊位3 长2 7 0 m ，泊位4 长2 9 4 m ，在本仿真模型中，这四个泊位 共有1 2 台起重机c r a n e l 、c r a n e 2 、c r a n e 3 、c r a n e 4 、c r a n e 5 、c r a n e 6 、c r a n e 7 、 c r a n e 8 、c r a n e 9 、c r a n e l 0 、c r a n e l l 、c r a n e l 2 。 码头前沿( w h a r fs u r f a c e ) ，是指沿码头岸壁线，从码头岸壁到堆场这一 部分的码头面积。天津港集装箱码头前沿宽度为6 2 m 。 堆场( y a r d l ，是指集装箱码头内，所有堆存集装箱的场地。堆场分为前 方堆场( m a r s h a l i n gy a r d ) 和后方堆场( b a c k u py a r d ) 。天津港集装箱码头堆场 采用前三后二式堆放集装箱，即前三排堆放出口箱，后两排堆放进口箱。根 据船舶靠泊卸箱就近堆箱及泊位长度限制条件，以及天津港提供的资料，在 本模型中，作者设计了五家公司，分别是m a e r s k 、c o s c o 、w a n d a 、e v e r g r e e n 、 u n i g l o r ，由于这五家公司具有极大的代表性，从超巴拿马型船、巴拿马型、 h a n d y 型一一具全，为了给仿真输入数据，取这五家公司作为代表，将m a e r s k 作为超巴拿马型、无限航区船的代表，c o s c o 作为巴拿马型、无限航区船的 代表，w a n d a 作为前巴拿马型、近洋船的代表，e v e r g r e e n 作为h a n d y 型、近 洋船的代表，u n i g l o r 作为h a n d y 型、沿海船的代表，其具体参数如表2 1 所 刁。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 表2 - 1各型船的参数 占总装卸舶的 船型航区 装箱量( t e u l 百分比 m a e r s kp o s t p a n a m a x 远洋 4 5 0 01 3 c o s c op a n a m a x 远洋 2 5 0 02 1 w a n d a 前p a n a m a x近洋 2 0 0 01 6 e v e r g r e e n h a n d y近洋1 0 0 02 5 u n i g l o r h a n d v沿海 4 0 02 5 集装箱货运站( c o n t a i n e rf r e i g h ts t a t i o n - - c f s ) ，主要用于装拆箱作业， 一般建于码头后方、靠近码头外公路或铁路的区域。 控制室( c o n t r o lt o w e r ) ，一般设置在办公楼的最高层，以便于看到整个 码头上各作业现场的地方。 检查口( g a t e h o u s e ) ，俗称道口( 检查桥、闸口、大门等) ，是集装箱码头 的出入口，天津港的闸口进港门设有8 车道，出港门设有6 车道。 集装箱维修车间( m m n t e n a n e es h o p ) ，一般设置在不影响集装箱码头作业 的后方或在保养区附近”“。 2 1 2 码头设备配置 岸桥( q u a yc r a n e - - q c ) ，又称桥吊、装卸桥，是集装箱码头用的最大型 的、价值最昂贵的装卸机械。它是码头装卸设备的龙头，负责装卸集装箱船 舶。天津港共有1 2 台轨道式龙门起重机。 ： 轨道式龙门起重机( r a i lm o u n t e dg a n t r y - - r m g ) ，承担堆场的装卸和堆 码作业。轨道式龙门起重机不如龙门吊灵活，但跨度大，堆箱高度高，能更 有效地利用堆场的面积。 跨运车( s t r a d d l ec a r r i e r ) 可以承担码头前沿与堆场之间的集装箱水平运 输，以及堆场的堆码和进出场集集装箱拖车的装卸作业。但其堆高有限，跑 得也不快。 叉车( f o l kl i f t ) ，又称铲车，主要负责拆装箱作业和空箱堆码作业。、 f 面吊( r e a c hs t r a c k e r ) 和叉车不同的是，它采用扒杆式的集装箱专用吊 具代替叉车门架式的吊具。 集装箱拖挂车( t r a c t o r t r u c k t r a i l e d ) ，俗称集卡，承担从码头前沿至堆场、 武汉理工大学硕士学位论文 堆场内箱区间的水平运输。集卡由拖头和拖架( 又称拖车) 两部分组成，拖头 专职拖拉，拖架专职承载集装箱。在堆场上出现的集卡，有的是从码头外部 进来集箱和提箱的。为了区分，前者叫内部集卡( 简称内卡) ，后者叫外部集 卡( 简称外卡) ，天津港的内卡布置为6 0 辆。各系统的主要性能指标之间的 比较如表2 2 所示。 表2 - 2 集装箱装卸工艺系统比较”6 集装跨运轮胎式龙轨道式龙叉车f 面吊 箱拖车系门起重机门起重机岸桥系统运机系 挂车统系统系统统 储存能力差好优优差好优 投资费用差好好好优好优 工艺简单性优好差差 中 优 中 装卸效率优好好好优中优 机动性优好差差优优中 减轻箱损坏优差好好好好好 降低维修费好差好优好好中 可扩张性优好 差差差 好 好 自动化适应性差差好优 差差 好 与铁路接运 差差 好 优差好好 2 2 集装箱码头的特点 2 2 1 集装箱码头设施设备的特点 对于大型的集装箱码头而言，为适应集装箱运输船舶大型化发展的趋 势，集装箱码头应建设成为高效、大型化的现代化码头。这样的码头应具有 如下几个特点”： 1 ) 应有足够的航道水深及泊位水深条件。集装箱船舶的大型化发展趋 势，以及为了充分发挥集装箱运输快捷的特点，要求港口要有足够的航道水 深和泊位水深，以保证船舶进出港口不受水深的影响。目前绝大部分集装箱 码头的航道水深和洎位水深在1 1 1 4 米之间，而超巴拿马型( 6 0 0 0 t e u 以上) 集装箱船满载时吃水深度1 4 米左右，要求航道和泊位水深1 4 5 米左右1 。 2 ) 码头后方有宽广的陆域和堆场。由于集装箱运输是一种高效、快捷 武汉理工大学硕士学位论文 的运输方式，因此，港口需要在短时间内能够接纳大量集装箱的进出。如果 没有足够面积的堆场，以容纳大量在港滞留的集装箱，则会造成港口的堵塞 和混乱。 3 ) 后方具有方便的集疏运条件。为了适应集装箱在港口的快速集结和 疏散，方便快捷的铁路、公路、内河以及航空等集疏运能力对于集装箱码头 来说是非常重要的，这也是组织集装箱多式联运的必要条件【1 “。 4 ) 配备大型、高效的集装箱专用设备。为适应船舶大型化，要求集装 箱码头配备起重和搬运能力大、装卸效率高的现代化设备，以便能迅速完成 货物的装卸、搬运和堆码，加快车船的周转。 5 ) 提供现代化的通信和指挥设施。集装箱运输的高效化是以信息传递 的便利和高速化为前提的，信息的滞后将影响集装箱运输和装卸的速度。因 此，要在集装箱码头建立信息中心( 如e d i 系统1 ，以方便与集装箱运输有关 的各部门之间实现快速的信息传递。同时，在港内建立起计算机控制的生产 指挥系统，以利于对港内各种资源的更有效调配【1 。 2 2 2 集装箱码头生产作业的特点 由于集装箱码头在物流运输系统中的特殊地位，决定了码头装卸企业生 产的一些特点”。 1 ) 生产的连续性。码头装卸生产通常是昼夜2 4 小时连续作业的。通过 码头的集装箱，其目的不是要逗留在码头内，而是要尽快地转运出去，交给 货主。作为服务性行业的集装箱码头，其生产本身就要求迅速、准确、及时， 以满足船公司和货主的需要。因此，为缩短货物在码头的逗留时间，其生产 必须保持连续性。 2 ) 组织的协作眭。集装箱码头是集装箱水陆运输的枢纽，是各种运输 方式的汇聚点，其本身又是一个复杂的组合体，从外部来说，其生产组织要 同一关三检、边防、船公司、租箱公司、代理、外贸公司、引航、港监、船 舶供应、保险、铁路、公路汽运等部门协作，因此应巧作时间与空间的安排； 从内部来说，码头生产要协调作业人员、机械、堆场、理货等部门各工种的 作业，使其形成一个有机的整体，一环脱节，就会严重影响整个码头的作业 效率。所以，集装箱码头生产组织是多部门、多环节、多工种、内外协作的 过程，具有鲜明的协作性【4 。 3 ) 生产任务的不平衡性。这是运输企业遇到的一个共同问题，而在集 装箱码头企业尤为突出。主要表现在：集装箱进出口箱量在时间上的不平衡 武汉理丁大学硕士学位论文 性；进出口集装箱在种类箱型上的不平衡性；船舶抵港时间和抵港船舶航线 的不平衡性；到港船型的不平衡性。 造成集装箱码头生产不平衡的原因还有锚地检疫、熏蒸、商检、边检、 海关检查、接运工具的配合等。总之，集装箱生产的不平衡性是绝对存在的。 因此，码头操作部门要不断克服这种不平衡性，努力实现泊位、码头机械、 堆场、以及人力的均衡使用。 2 3 集装箱码头装卸工艺 所谓装卸工艺，是指港口装卸和搬运货物的方法和程序，按一定的操作 过程，根据港口的条件，针对不同的货物、运输工具和装卸设备，以合理和 经济的原则来完成装卸和搬运任务。集装箱码头相对一般件杂货码头，其最 突出的优点是作业的高效性，而装卸工艺是码头作业高效的保证。合理地选 择码头的工艺类型，是顺利开展码头生产的前提。 集装箱码头的装卸工艺有如下几种典型的系统【0 8 】： 1 ) 底盘车系统。底盘车系统的主要特点是集装箱在码头堆场的整个停 留期间均放置在底盘车( 俗称拖盘、拖车) 上。这种系统主要适用于：集装箱 码头的起步阶段( 这个时候，码头集装箱的通过量较小，场地大) ，特别是整 箱货比例较大的码头；船公司