基于Witness的集装箱码头物流系统仿真研究.doc

本科生毕业论文（设计）题 目:基于Witness的集装箱码头物流系统仿真研 究和优化以厦门海天码头为例 姓 名: 陈瑜 学 院: 工学院 专 业: 物流工程 班 级: 物流73班 学 号: 3137321 指导教师: 赵月霞 职称: 讲师 2011 年 5 月9日南京农业大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11 引言11.1 课题研究背景11.2 文献回顾21.3本文研究的主要内容32 集装箱码头物流系统概述32.1 集装箱码头32.2 集装箱码头主要专业术语介绍32.3 集装箱码头物流系统的作业特点42.4 本章小结43集装箱码头物流系统仿真技术及Witness仿真软件43.1系统仿真的基本概念43.2集装箱码头系统仿真53.3 离散事件系统仿真的一般步骤53.4 Witness仿真软件及特点63.4.1 Witness的特点63.4.2 Witness在集装箱码头的应用情况73.5 本章小节84 基于Witness的集装箱码头物流系统仿真及分析84.1 实例系统描述84.1.1 厦门海天码头集装箱物流系统描述84.1.2 问题的定义94.1.3 确定仿真模型的仿真目标94.1.4 仿真统计性能参数定义94.2 仿真模型的建立94.2.1 模型的简化和假设94.2.2 模型的实现114.2.3 模型的验证和确认134.2.4 仿真模拟结果及分析145 总结和展望145.1 全文总结145.2 研究展望15致谢15参考文献15附录16 基于Witness的集装箱码头物流系统仿真研究和优化以厦门海天码头为例物流工程专业学生 陈瑜指导教师 赵月霞摘要：集装箱码头物流系统，是指在一定的码头空间里，通过集装箱、船舶、装卸搬运机械、泊位、堆场、道路、人员以及信息等若干相互制约的动态要素连接构成的一个整体。集装箱码头作为集装箱运输系统的枢纽，在日趋白热化的国际间的集装箱运输有着至关重要的地位。应用仿真软件Witness对集装箱码头物流系统进行仿真建模，优化码头的作业流程，其可视化效果可以反映系统的动态性，并且有实际的应用价值。本文以厦门海天码头为例，将复杂的集装箱码头作业系统简化，在模拟分析中，将码头的一般作业流程简化成通过桥吊、集卡、龙门吊三个节点联系的作业线，通过研究作业线设备的数量配置，对码头的进一步优化提出建议。关键词：集装箱码头；物流系统；建模；仿真Modeling And Simulation Of The Container Terminal Logistics System Based On WitnessTake XHCT For ExampleStudent majoring in logistics engineering CHEN Yu Tutor ZHAO Yue-xiaAbstract:Container terminal logistics system, it is to point to in certain dock space, through the container, shipping,loading/unloading machine, garages, yard, roads, labors and information as a whole system. Container terminal,as the hub of container transportation system,has important position in the increasingly intensified international container transportation.Use the simulation software Witness to build a simulation model of container terminal logistics system,looking for the bottleneck of container terminal logistics system,and optimized it.Whats more,the visualization result can reflect the dynamic system, and have a very practical value.This article based on Xiamen Haitian wharf, for example,will complex container wharf production system in simulation analysis of simplified, and the general operation process will dock through nodes simplified the line contact through research have enough units,the distribution of wharf,further optimization are proposed.This paper take XHCT for example,make the complex container wharf system simplified,and the general operation process of dock will be simplified as a line,through research the equipment configuration,make suggestion for the further optimization.Key words:container terminal;logistics system;modeling;simulation1 引言1.1 课题研究背景随着全球一体化的进程加快，国际贸易频繁发生，其中约有90%的货物要通过海运，并且80%的海上运输货物要用集装箱作为运输工具。集装箱码头物流系统是由集装箱、船舶、泊位、堆场、码头装卸搬运设备、通信设施以及人员等若干相关的动态要素构成的复杂的系统1。作为集装箱运输实现的主要载体的集装箱码头是一个整体系统,从泊位卸船(或码头大门进入)开始到流出码头大门(或装船离开)这一流程中，各种操作均在集装箱码头完成。集装箱码头的建设以及运营管理等技术的优劣将直接影响港口的服务水平和经济效益。为了成为主干线上的集装箱枢纽港，我国大型集装箱码头必须有预见性地在码头的发展规模、航道和码头的水域水深、作业设备尺度和性能、集疏运条件等方面采取措施，以适应未来即将出现的大型船舶，而且，越早具备作业大型船舶的能力越利于挽留或吸引大型船舶的挂靠；另一方面，把码头系统内各成分有机地联系起来，从系统化、集成化的角度出发去分析、研究和改进集装箱码头系统，对现有集装箱码头系统进行更加合理有效的规划与设计，从而有效地和高效地满足集装箱运输的要求2。因此，开展这方面的研究势在必行。由于集装箱码头的建设投资大、周期长，其规划和设计牵涉技术、经济、社会环境等多方面的因素；船舶装卸作业具有离散、随机及动态性等特点；集装箱船和装卸设备不断向高速重载方发展，这对集装箱码头的规划和运营既要能满足集装箱船的进出港装卸提出了更高的要求，并且还要求能够降低投资和运营成本。所以，集装箱码头规划和运营是具有一定难度的，作为面向国际化的先进的集装箱码头物流系统从其规划到生产都离不开科学的指导和先进技术的应用3。由于码头物流系统具有离散、动态、随机特性，采用数学模型进行定量分析非常困难，所以系统仿真方法常被用来辅助码头的分析决策。加之仿真优化方法可以省时省力地提供指导性的方案，随着码头决策需求和仿真优化技术的发展，越来越多的仿真优化技术被应用到码头的规划。如何合理利用现有资源、寻找生产中存在的瓶颈、优化配置、发挥其最大效能是集装箱码头研究目标及意义所在4。1.2 文献回顾对于集装箱码头物流系统的研究，建模与仿真技术伴随着模拟技术本身的发展和码头机械化、自动化水平的提高而深入的。近几年，越来越多的建模与仿真成功地被应用于为集装箱码头物流系统的规划设计和营运管理提供决策信息。国内外的相关研究内容可以概括为两大类：运营环节研究和装卸工艺系统研究。集装箱码头物流系统的主要运营环节发生在码头前沿、水平搬运、堆场和道路，因此运营环节研究可归纳为资源配置问题、日常运营管理问题、各种运营环节的局部研究，以及由于各环节运营效率不同而产生的瓶颈问题。典型的集装箱码头工艺系统可以分为轮胎吊系统、轨道吊系统轮胎吊和轨道吊混合系统、自动化系统、跨运车系统5种。其中前3种系统属于成熟系统，研究和应用的时间已相当长，近几年主要集中在后两种系统，目前国内还很少使用这两种系统。现代关于集装箱码头物流系统运营环节的规划的仿真和优化研究内容十分丰富。如乐美龙5对码头通过能力进行预测，在对现有各种预测方法简要回顾的基础上，对遗传规划方法进行了研究，提出了应用于集装箱吞吐量预测的计算模型和有关参数的确定方法。另外关于人力资源配置的问题上，Zaffalon M.等6为解决设备和人力配置的决策问题，建立了一个网络模型，以确定一个接近优化的泊船装卸的作业规划。又如，在堆场管理决策方面，王智勇,秦天保7通过山东某集装箱码头港口规划的一个实际仿真项目，分析了应用离散事件仿真方法辅助集装箱堆场大门系统规划的过程和方法。利用简单公式方法给出更加丰富的大门规划支持信息，为做出更加规范合理的大门规划决策提供了参考依据。还有，在泊位分配研究方面，蔡芸，张艳伟8针对集装箱码头的泊位分配及岸边集装箱起重机(桥吊)调度问题，建立了最小化船舶在港时间的仿真优化模型.通过仿真模型获得满足靠泊约束和桥吊调度策略的可行解，最终求得了包括船舶的靠泊时间、靠泊位置和为其服务的桥吊数目等要素的优化解，为码头泊位分配的研究提出了一种新的思考方式。在对于集装箱码头的装卸工艺研究方面也取得了一定的进展。如李全军9等用物流仿真软件Arena对散粮码头装卸工艺系统进行随机系统作业过程仿真分析，建立随机系统数学模型定合适的中转仓容量,给出船舶在港等待时间、泊位利用率,为我国小型港口设备拥有着评价管理模式提供依据。彭传圣10提出，随着跨运车技术的发展,跨运车工艺方式有利于提高码头作业效率的优势得到重视,采用跨运车替代常规的拖挂车和集装箱门式起重机工艺方式中的拖挂车,不但能够提高码头作业效率而且能使车辆配置的成本降低。王伟11等在回顾集装箱码头的传统装卸工艺的基础上,介绍了现有集装箱自动化码头的装卸工艺，并总结出，要想提高集装箱码头的作业效率,需要码头各个环节的作业效率均得到有效的提高。总而言之，随着集装箱码头运输的发展,国内外对集装箱码头仿真和优化研究逐渐升温。如何广泛深入地开展我国的研究,努力提高国内的研究水平,是我们需要认真思考的问题。1.3本文研究的主要内容(1)介绍集装箱码头物流系统研究中应用的系统仿真技术的方法；(2)分析系统仿真软件Witness在集装箱码头物流系统研究中的应用现状；(3)利用Witness对厦门海天码头物流系统进行仿真分析，通过对码头的设备配置进行研究，提出优化方案。2 集装箱码头物流系统概述2.1 集装箱码头集装箱码头是指包括港池、锚地、进港航道、泊位等水域以及货运站、堆场、码头前沿、办公生活区域等陆域范围的能够容纳完整的集装箱装卸操作过程的具有明确界限的场所。集装箱码头是水陆联运的枢纽站，是集装箱货物在转换运输方式时的缓冲地，也是货物的交接点，因此，集装箱码头在整个集装箱运输过程中占有重要地位12。集装箱码头由各种设施所组成。它是一个多环节而且又是相互平行的空间作业系统，要求机械与机械之间相互配套，也要求集装箱码头要有一个合理的平面布局，有机地把它们组织起来，使各项作业相互协调，形成一个完整高效的作业系统。集装箱码头平面布局根据作业功能的不同，一般可分为码头前沿、前方堆场和堆场后部地带三个部分。具体的集装箱码头平面布局主要取决于当地的条件和采用的集装箱装卸工艺类型。集装箱运输是一种高效率、大规模的运输方式，已成为当今世界最先进的运输组织形式，其与信息化网络己经成为国际物流体系的两大基础。集装箱码头物流系统(Container Terminal Logistics System, CTLS)是以集装箱为对象，由装卸运输系统、生产调度系统和管理信息系统组成的高度复杂的物流系统，且由于船舶、集卡的到港时间以及船舶装卸箱量的随机性，其具有离散、动态和不确定性。在当前集装箱运输船舶大型化、快速化和港口竞争日益白热化的背景下，CTLS生产调度和管理决策水平的高低对于港口提高自身竞争力，具有至关重要的作用。近年来，随着我国经济发展与对外贸易的不断扩大以及集装箱在运输中的广泛应用，我国沿海各港口集装箱吞吐量大幅增长，如何对港口集装箱物流系统进行更加合理有效的规划，最大限度地发挥其作业能力，是目前急待解决的问题，引起了众多学者的关注。2.2 集装箱码头主要专业术语介绍(1)泊位：泊位是供集装箱船舶停靠和作业的场所。通常有三种形式：顺岸式、突堤式和栈桥式。集装箱码头通常采用顺岸式。泊位除足够的水深和岸线长度外，还设系缆桩和碰垫。(2)码头前沿：码头前沿是指泊位岸线至堆场的这部分区域，主要用于布置集装箱装卸桥和集装箱牵引车通道。(3)堆场：堆场是集装箱码头堆放集装箱的场地，为提高码头作业效率，堆场又可分为前方堆场和后方堆场两个部分。 1、前方堆场 前方堆场位于码头前沿与后方堆场之间，主要用于出口集装箱或进口集装箱的临时堆放。 2、后方堆场 后方堆场紧靠前方堆场，是码头堆放集装箱的主要部分，用于堆放和保管各种重箱和空箱13。(4)进口：国外港口装载的集装箱由船舶带入本港，在码头卸至堆场，由客户提取离开码头的过程。(5)出口：集装箱送至码头堆场，经码头装船出场至国外港口的过程。(6)进场：集装箱通过检查口，进入港区堆场的过程。 (7)出场：集装箱通过检查口，离开港区堆场的过程。(8)直提：集装箱卸船后，不进入港区堆场，被客户提取，通过检查口直接离开码头的过程。(9)直装：集装箱不进入港区堆场落箱，通过检查口直接到船边装船的过程。2.3 集装箱码头物流系统的作业特点由于集装箱码头在物流运输系统中的特殊地位，决定了码头的装卸作业具有自己独一无二的特性。 (1)生产作业的连续性。码头装卸作业通常是不分白天黑夜24小时工作的。到达码头的集装箱，并不是停留在码头，而是要尽快地转运出去，交给货主。处于服务性行业的集装箱码头，其生产特点就要求迅速、准确、及时，以满足船公司和货主的需要。所以，为缩短货物在码头的逗留时间，其生产过程必须保持连续性。(2)组织协作的重要性。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、港监、船舶供应、代理、外贸公司、引航、保险、铁路、公路汽运等部门协作，因此时间与空间的安排合理化尤其重要；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。(3)生产任务分配的不平衡性。运输业的企业通常会遇到这样的问题，而在集装箱码头企业显得尤为突出。其主要表现在：集装箱进出口箱量的不平衡性和箱型种类上的不平衡性；船舶到港时间和到港船舶航线的不平衡性；到港船舶型号的不平衡性。造成集装箱码头生产的不平衡的原因还有商检、边检、锚地检疫、熏蒸、海关检查、接运工具的配合等等。总之，集装箱生产的不平衡性是客观存在的。2.4 本章小结本章首先由集装箱码头的概念入手，介绍了集装箱码头的主要业务术语，概括了集装箱码头物流系统的组成，总结了集装箱码头物流系统的生产作业特点。3集装箱码头物流系统仿真技术及Witness仿真软件3.1系统仿真的基本概念所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息14。它是一种对系统问题求数值解的计算技术,尤其当系统无法通过建立数学模型求解时,仿真技术能有效地来处理。系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。从广义而言，系统仿真的方法适用于任何的领域，无论是工程系统（机械、化工、电力、电子等）或是非工程系统（交通、管理、经济、政治等）15。3.2集装箱码头系统仿真集装箱码头系统是典型的离散事件系统，对集装箱码头系统进行仿真，建立可信的系统模型是最重要的前提，也是仿真中比较困难的部分。系统仿真由于具有以下的优点，己成为目前研究集装箱码头系统的重要工具。(1)符合人们的思维习惯，有助于系统分析。系统仿真所依据的是系统的实际观测所获得的数据建立起来的动态模型。这种模型既反映了系统的物理特征，又反映了其逻辑特征，更贴近实际，更便于对系统进行分析。(2)对复杂的系统具有很好的适应性，有利于解决随机因素的影响。系统仿真所建立的模型是一个随机模型，系统的参数受随机因素影响所发生的变化在模型中得到充分体现。(3)可以帮助系统优化。系统仿真是一种间接的优化方法，对于多目标、多因素、多层次的系统(集装箱码头系统就是这样的系统)来说，并不存在绝对意义上的最优解。系统仿真可以让人们依据对系统模型动态运行的效果，多次修改参数，反复仿真，寻求改善系统行为的途径和方法。在没有实际系统的情况下，把规划的集装箱码头系统转换成仿真模型，通过在计算机上运行仿真模型，评价规划方案的优劣并修改方案。这样可以在系统建成之前，对不合理的设计和投资进行修正，避免了资金、人力和时间的浪费；也可对现有系统进行仿真运行，对系统进行改造，或为管理决策提供依据。因此开展集装箱码头系统仿真的研究具有很强的实际意义。3.3 离散事件系统仿真的一般步骤对于每一个成功的仿真研究项目，虽然研究的类型和目的千变万化，但模型开发和仿真设计过程都需要遵循特定的10个步骤16:(1)问题的定义：一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太昂贵。另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的模型，因为它将过于复杂和难于理解。因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，然后构建一个能够完全解决问题的模型；(2)制定目标和定义系统效能测度：目标是仿真工程所有步骤的导向。目标决定了该作出怎样的假设；应该收集那些信息和数据。目标需要清楚、明确和切实可行；(3)描述系统和列出假设：根据模型系统的结构和目标，分析系统及其各个组成部分的状态变量和参数之间的数学逻辑关系，在此基础上建立所研究的系统的数学逻辑模型或流程控制模型。采用合适的工具对现实系统进行理论建模，可以降低仿真模型构建的工作量；(4)列举可能的替代方案：在仿真研究初期阶段考虑替代方案，模型将可能被设计成为可以非常容易转换到替代系统的结构；(5)收集数据和信息：数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在验证模型阶段，还可以提供实际数据与模型的性能测度数据进行比较；(6)构造计算机模型：根据系统描述和数据，构造现实系统的计算机仿真模型；(7)验证和确认模型：验证是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。确认模型是否能够正确反映现实？评估模型仿真结果的可信度有多大？通过反复的仿真实验和模型修正，直到满足要求为止；(8)运行可替代实验：当规划的系统具有多种可能方案时，为了辅助决策，需要对各种方案进行多系实验运行，获得绩效指标的实验数据；(9)输出分析：统计技术用来分析不同方案下的仿真结果，对仿真数据进行定量分析。报表、图形、表格和置信区间点图将被用于结果输出； (10)文档资料和报表结果归档。图3-1 离散事件仿真的一般步骤3.4 Witness仿真软件及特点 WITNESS是Lanner Group公司开发的功能强大的仿真软件系统，主要用于离散事件系统的仿真。它采用面向对象建模的编程方法，打破以往仿真软件面向过程的方式，因而建模灵活，使用方便。WITNESS的仿真钟推进方法采用的是事件调度法，即事件控制部件从事件表中始终选择具有最早发生时间的事件记录，然后将仿真钟推进到该事件发生时刻。当前，WITNESS是最新一代仿真软件的代表之一。WITNESS经常被用于解决诸如投资规划、物料输送策略、识别生产瓶颈、人力需求规划、生产计划与调度、成本估算等问题17。3.4.1 Witness的特点(1)交互式面向对象的建模环境将对象的图形与逻辑关系集成在一起，建模过程面向对象。在模型建立的任何时刻允许对某些单元进行逻辑关系的重新定义和修改，有些逻辑关系可以以图形方式定义，如输入输出规则。(2)灵活的执行策略允许通过交互界面定义各种系统策略如排队优先级等，优先级层次不限。软件提供了14种基本的输入和输出规则且允许规则间相互组合。(3)工程友好性强Witness所提供的物理单元充分考虑了可能遇到的工程需要，例如对机器单元提供加工周期、维修时间、设置时间、刀具更换时间、暂停时间等。机器类型有单件加工、批量加工、分离加工等。(4)实时的彩色动画显示系统逻辑单元建立的同时可以建立相应的图形模型，并彩色显示在屏幕上。模型运行过程实时地动画显示出系统的运行过程，从而辅助建模和系统分析。(5)直观灵活的报告输出仿真结果可以以表格、曲线、饼状图和直方图四种方式输出，输出可实时地与系统动画运行显示同步地出现在屏幕上，便于仿真分析。(6)建模、仿真运行过程可交叉进行在模型运行的任一时刻可以中途停止，对模型进行修改。模型运行的统计数据和图形显示随时被记录下来。修改完毕模型将继续运行不需要重新返回到仿真的初始时刻。这就提供了很大的方便，复杂系统建模过程和仿真运行可以逐步进行或分段进行。(7)一体化的统计分析和灵活的输入界面仿真输出结果可直接进入统计分析模块进行处理，得到仿真结果的置信区间和置信度，此外除菜单引导的输入方式外还可以以文件形式输入有关的参数。(8)丰富的模型单元Witness提供了丰富的模型单元(11种物理单元，11种逻辑单元，每种单元定义的数量不限)可以组成各种复杂的系统模型，从而可适应多种系统的仿真需要。3.4.2 Witness在集装箱码头的应用情况 利用仿真软件，可以解决集装箱码头以下几方面的问题： 码头通过能力需求预测。码头作为交通运输的枢纽是一个庞大而复杂的随机服务系统，其设施规模的大小直接影响港口的经济效益和服务水平。所以在集装箱码头规划时，需要对货物、船、路线、经济等趋势进行预测，然后进行港口规划的优化。装卸工艺系统设计和码头布局规划。典型的集装箱码头工艺系统可以分为轮胎吊系统、轨道吊系统、轮胎吊和轨道吊混合系统、自动化系统、跨运车系统五种。在确定了装卸工艺系统后，不同的码头布局下，系统运行的结果也会不同，所以有必要优化码头的布局。码头布局规划是在已知装卸工艺系统和装卸作业参数等情况下，为达到港口系统的设计要求或某种目的，而进行的码头前沿、堆场、道路和道口等设施的布局规划设计18。资源配置。码头如果多设泊位和设备等，就会浪费资源，而少设又会增加船等待时间，降低服务质量。所以港口新建和扩建时，都需要对码头的资源进行合理规划。研究资源配置的主要手段是开发一个集装箱码头物流仿真系统，通过分析不同配置产生的仿真结果，优化泊位、桥吊、堆场装卸设备等资源的数量和资源配比19。 生产能力分析验证。随着集装箱船的大型化和航运技术的发展，对码头生产力的要求会不断提高。所以还需要考虑吞吐量、生产作业方式等因素对码头生产能力造成的影响。 费用和操作效率评价。集装箱码头物流系统涉及的费用主要包括投资费用、船舶费用、管理和劳动力费用等，码头规划不仅要比较不同装卸工艺需要的费用，从而优化装卸工艺以提高效率20，还要考虑因码头布局、生产调度策略等造成的费用。集装箱码头的整体协调作业。为了减少集装箱船在港时间和装卸费用，加速集装箱的周转，寻找系统中的生产瓶颈和产生的原因，码头整体协调作业也很重要。3.5 本章小节本章介绍了集装箱码头系统仿真的概念，介绍了离散事件系统仿真的一般步骤，最后介绍了通用系统仿真软件Witness的主要功能特点以及在集装箱码头物流系统领域的典型应用。4 基于Witness的集装箱码头物流系统仿真及分析4.1 实例系统描述4.1.1 厦门海天码头集装箱物流系统描述 海天码头位于厦门岛内东渡港区，现拥有5号至11号共七个专用泊位，岸线总长1510米，前沿水深为-12.2-13.8米，进出航道水深(the depth of channel)-12米，能够同时接纳两艘8500箱位的大型集装箱船靠泊作业。码头堆场总面积65万平方米，交接库面积9345平方米，冷藏箱插座1052个，进出闸口通道14条，配置岸边集装箱桥吊14台、龙门吊30台。码头背临经整合象屿保税区、保税物流园区(bonded logistic park)、航空物流园区(airport logistic park)和东渡港区(Dongdu Port zone)联动运作而形成的现代物流园区，备有技术先进的清华同方“威视MB1215HS”口岸集装箱检查系统（H986），口岸通关条件优越。近百部的集装箱卡车为码头场内平面运输和集疏运提供强有力的保障。图4-1 海天港区平面图在集装箱码头物流系统中，集装箱的装卸和搬运机器主要是是场桥、桥吊、集卡。码头的主要作业流程可以分为进口和出口，出口与进口流程所需的作业步骤基本一致，不同的是物流的流向不同，因此可以认为出口作业流程是进口流程的反向作业，因此本篇文章重点研究海天码头进口集装箱的装卸作业。其集装箱进口流程可简要表示为：船舶到港桥吊卸船集卡运输场桥卸箱堆场。具体如图4-2所示。图4-2 集装箱码头进口流程的基本作业4.1.2 问题的定义 厦门海天码头集装箱物流系统主要存在以下问题：(1)码头虽然拥有相当数量的装卸搬运设备，但有些设配经常处于空闲状态，浪费了资源。(2)通过实地考察，发现在堆场及码头前沿有时会发生集卡拥堵等待作业的现象，造成码头工作效率降低。4.1.3 确定仿真模型的仿真目标仿真模型的构造应该紧紧围绕仿真目标展开，不同的仿真目标对仿真的内容要求不一样。只要能达到目标，应尽可能地简化模型。一方面是可以减少工作量，另一方面是减少因不必要的干扰引起的误差。本文利用Witness仿真软件,通过对集装箱码头的仿真研究来评价码头设备配置的各项指标和作业操作流程，发现现有集装箱码头存在的问题，分析集装箱码头物流系统的随机性和动态性，优化码头的生产运营效率，以一个泊位的装卸情况进行研究，确定一条作业线的最佳机械数量配置，以点及面，推广到其他泊位设施配置，提高作业效率，使集装箱码头能够更好地为航运服务，提高集装箱码头的竞争力。4.1.4仿真统计性能参数定义为了验证模型的可靠性，通过模型的运行对不同方案进行评价，需要一个统一的标准。根据模型仿真目标，定义统计性能参数如下，便于进行仿真分析:(1)等候装卸的集卡队列状况等候龙门吊卸货的集卡的队列长度，本模型有两个这样的队列。(2)机器（桥吊、龙门吊、集卡）的利用率工作时间与可用时间之比，对一个操作来说，机器的利用率是指在仿真期内，机器的忙期与整个仿真时间的比值。4.2 仿真模型的建立4.2.1 模型的简化和假设 为了简化程序设计，对集装箱码头的装卸设备进行了简化，主要考虑了岸边集装箱桥吊、水平运输集卡以及堆场的龙门吊的作业模拟。岸边的卸船作业由桥吊承担，堆场的作业在系统模拟中不考虑直取与直装，同时认定装卸集装箱的运输主要是通过集卡而忽略其它集疏运方式。船舶定义为(Vehicle)元素，集装箱定义为（Part）元素,本模型假定船舶以平均载箱量到达设置港外待泊锚地，集装箱堆场（Buffer）元素桥吊、龙门吊、集卡定义机器(Machine)元素假定集装箱到达后,调度集卡从桥吊取箱运送到堆场前沿,然后由龙门吊卸箱.桥吊的作业时间，集卡的运输时间和龙门吊的装卸作业时间服从各自的平均作业时间将集装箱统一定义为一种规格,不考虑特种箱的影响堆场作业中忽略移箱、翻箱等作业设置饼状图（Pie Chart），能方便的看出各设备的利用率假设条件：(1) 本篇文章认为各个泊位间的作业互不影响，各自独立作业。只考虑进口集装箱的装卸作业,不考虑出口集装箱的装卸作业。图4-3作业线方式的集装箱码头进口作业流程示意图(2) 由图4-3可以看出，本模型共有三个节点，桥吊，集卡和龙门吊。其中，桥吊的服务时间为桥吊的吊箱作业时间，且各桥吊的工作时间分布相互独立。桥吊要和集卡配合才能进行装卸作业，因此并不是集装箱船一到就开始作业，而是在集卡到达时才开始。桥吊吊箱的规则为先到先服务，且节点容量假设为无限；桥吊服务中心负责进口集装箱的卸船作业。由于集装箱船舶靠泊后，堆场人员己经根据船舶技术要求、进口箱配备情况、出口箱预配情况及装卸机械数量确定好了拟开作业线的数量，并根据经验分配了各条作业线的装卸箱量，因此对于某条船上的集装箱而言，为它服务的桥吊一般是预先确定好的。(3) 集卡节点的服务时间是集卡从岸边到堆场的运输时间。各集卡的服务时间相互独立；集装箱到达集卡的时刻是桥吊为集卡装、卸箱完成时刻，即集装箱在桥吊节点服务完成时刻，集卡节点的服务规则为先到先服务，且不考虑码头道路的堵塞问题。集卡节点的功能是完成集装箱在堆场和岸边的水平运输，集卡在岸边和堆场之间的水平移动也是集装箱在集卡节点接受服务的过程。集卡到达桥吊时，并不是见到哪个桥吊空闲就到哪接受服务，而是要根据船舶资料和载箱量情况为船舶配备的桥吊服务，某一集卡接到装载任务后，只能运输这条作业线上的集装箱，不能装卸其它作业线的集装箱。(4) 集卡在堆场等候时，也要根据作业计划的安排到指定箱区接受该箱区的龙门吊服务。虽然龙门吊是按照进出口集装箱的数量和场箱位配置的，但是一般情况下某一个桥吊的进出口集装箱在堆场上的装卸基本由某些龙门吊完成，因而可近似认为某些龙门吊也固定地为某一桥吊服务，尤其在船舶进口作业时，这种假设更加吻合实际情况。如果相应龙门吊空闲，则开始为此集卡装卸集装箱；若其正在为另一集卡服务，则进入等待队列。(5) 龙门吊节点的服务时间为龙门吊的吊箱时间。各龙门吊的服务时间相互独立。龙门吊节点按先到先服务规则为集卡吊箱。4.2.2 模型的实现 图4-4集装箱码头机械配置仿真模型该模型主要分为两个部分，一部分为船舶装载集装箱到达港口，另一部分为集装箱由码头前沿到达堆场的装卸作业流程。具体划分如下所示： 图4-5船舶装载集装箱到达模块图4-6集装箱装卸作业模块根据所建立的模型，在Witness的元素列表中可以看到所建立的所有实体元素。其中，集卡的数量和龙门吊的数量是可变的。表4-1中列出了模型中的主要实体元素。表4-1 模型中主要实体元素元素名称类型数量说明集装箱Part1集装箱集卡车队Machine4-5集装箱运输卡车集卡车队2Machine4-5集装箱运输卡车Machine0016Machine1岸边集装箱装卸工具桥吊Machine1岸边集装箱装卸工具龙门吊Machine3-5堆场集装箱装卸工具龙门吊2Machine3-5堆场集装箱装卸工具Buffers006Buffer1集装箱缓存区Buffers001Buffer1岸边待装卸区等候队列一Buffer1作业线一堆场前排队区等候队列二Buffer1作业线二堆场前排队区堆场一Buffer1作业线一堆场堆场二Buffer1作业线二堆场集装箱船Vehicle1运载集装箱的船舶Tracks001Tracks1船舶在外港停泊区Tracks002Tracks1船舶装载集装箱Tracks003Tracks1船舶卸载集装箱桥吊利用率Pie chart1描述桥吊的忙闲程度集卡利用率Pie chart1描述集卡的忙闲程度龙门吊利用率Pie chart1描述龙门吊的忙闲程度 在模拟中，集装箱以主动的方式进入系统，然后分配给船舶。船舶的到达具有随机性，国内外大量统计资料表明，大多数船舶以泊松分布到达港口，相继两艘船到港时间间隔服从负指数NEGEXP分布21。由于本模型主要研究的是作业线上各设配的数量配置，所以在模型建立与随机事件选择上做了些简化，而这对分析结果不会产生很大的影响，是可靠可行的。根据在码头的实地考察及数据收集，可以确定每小时每台桥吊的吊箱量基本在20-30个集装箱之间，即桥吊的装卸一个集装箱的时间为2-3min,因此模型中设置桥吊的工作时间服从最小值为2，最大值为3的均匀分布，即UNIFORM(2,3,1)。集卡在码头中的行驶路线一般是固定的，集卡的行驶速度近似为一固定值，因此集卡的工作时间可以认为是一个均值，在海天码头中，集卡从码头前沿到达堆场的运输时间一般为1.9min。堆场的龙门吊的工作时间的确定与桥吊的相似，每小时可以作业的集装箱数为17-30个，因此龙门吊的工作时间可以近似认为服从最小值为2，最大值为3.5的均匀分布，即UNIFORM(2,3.5,1)。根据集装箱码头的实际情况，为每个泊位配置的桥吊数为2台，桥吊、集卡和龙门吊的服务时间相互独立。 配置集卡时不仅应满足内部运输的要求而且应当适当高于内部运输量的要求，以确保桥吊能力的发挥。一般一台桥吊配备4-5台集卡不等。龙门吊数量则根据集装箱在堆场上的分布情况安排。一般一个区配1.5台龙门吊，同一条船的集装箱根据其箱量不同，一般放在13个区内，所以一条作业线上配1.5-4.5台龙门吊22。根据对厦门海天码头实际情况的考察，为同一艘船舶的集装箱进行装卸服务的卡车一般为4-5台，共同作业的龙门吊为3-5台。本文就从桥吊：集卡：龙门吊的配置=（1：4：3）；（1：4：4）；（1：4：5）；（1：5：3）；（1：5：4）；（1：5：5）六种情况出发分析各个节点的性能指标，分别从设备利用率和等待的队列长度出发分析那种配置最为合理。4.2.3 模型的验证和确认仿真模型建立之后，要经过反复的程序和模型调试，来确认和验证模型的可靠性和准确性。仿真模型的正确与否直接决定了仿真结果。被确认和验证正确的仿真模型的仿真结果，才可以被用作实际系统的决策参考23。仿真模型验证：确认模型的功能是否与设想的系统功能相符合；是否与我们想构建的模型相吻合。仿真模型确认：确认模型是否能够正确反映现实及评估模型仿真结果的可信度有多大。模型验证实际系统仿真模型概念模型 模型确认图4-7 模型确认和验证（1）仿真模型验证(Verified) 验证参数设置是否正确，本模型主要是通过堆场所堆存的集装箱数量来检验； 在仿真低速运行时，观看动画和仿真种是否同步进行，用以发现物料流程及其处理时间的总的差异； 在模型运行过程中，通过交互命令窗口，显示动态图表来询问资源和流动项目的属性和状态。（2）仿真模型确认(Validated)在模型确认方面，主要是从码头实际一定时间内处理的进口集装箱的数量与仿真模型执行所输出的结果相比较，如果结果相符就可证明仿真模型可以代表实际码头集装箱物流系统。 以厦门海天码头的统计参数作为仿真的初始化参数，设置仿真钟的时间为72个小时即4320min。在桥吊：集卡：龙门吊的配置=（1：4：3）；（1：4：4）；（1：4：5）；（1：5：3）；（1：5：4）；（1：5：5）的几种情况下，堆场一、堆场二的集装箱总堆存量如表4-2所示。厦门海天码头实际的情况是，每个泊位即每条作业线每小时可作业的集装箱数为50-60箱，72个小时可操作的集装箱量约为3600-4320箱。其中，总堆存量=堆场一堆存量+堆场二堆存量。表4-2 各方案下的两个堆场总堆存量1：4：31：4：41：4：51：5：31：5：41：5：5总堆存量373741534196372141994204观察仿真模型输出的数据，可以看到，各种配置方案下的两个堆场的总堆存量即处理的进口集装箱的数量与实际的处理数量在可接受的误差内近似相符。因此可以认为该仿真模型较真实的模拟了厦门海天码头进口集装箱的作业，该模型正确。由于本模型忽略了集卡在道路上的堵塞以及集装箱在堆场的翻箱、移箱等作业的影响，所以完成的集装箱数量偏高。4.2.4 仿真模拟结果及分析模型仿真钟取系统默认的1的时间单位为1min运行，由于码头的作业具有连续性，因此需要仿真一段较长的时间，本文设置仿真的时间为3天，即24*60*3=4320min。表4-3为输出的仿真结果。表4-3码头机械数量配比结果桥吊：集卡：龙门吊桥吊利用率（%）集卡利用率（%）龙门吊利用率（%）队列一队列二堆场一堆场二1:4:392.4139.1194.0382196196917681:4:492.5738.8370.362110209320601:4:592.2439.8358.04101218820081:5:393.3132.4693.81261246178719341:5:493.0632.1973.463217221119881:5:593.0132.1758.292421862108 本文从设备利用率和排队长度方面对码头装卸设备配置进行了分析。选出设备利用率高，排队长度短的最佳配置，在保证桥吊、集卡、龙门吊的利用率都应该有较大的利用率的情况下，又不能过高，否则装卸设备得不到很好的维修和保养。这就要求在码头吞吐量一定的情况下合理的配备设备的数量。因此在这些假设条件之下，桥吊：集卡：龙门吊的配置=（1：5：5）时，总排队队列的长度最短，另外桥吊的工作繁忙程度基本相差不大，在此数量配置下集卡和龙门吊的工作繁忙程度在合理的范围内，因此在这些条件下，桥吊：集卡：龙门吊的配置=（1：5：5）符合最优化配比。5 总结和展望5.1 全文总结 本文主要探讨了根据集装箱码头的物流系统的作业特点与基于Witness的建模的理论和方法，以及两者的结合应用。在理论分析的基础上，通过利用专业仿真软件WITNESS对集装箱码头系统进行仿真，揭示了集装箱码头物流系统的内部元素之间的关系。在研究过程中，主要做了以下的一些工作：(1)回顾国内外集装箱码头物流系统的研究动态。(2)在简单介绍专业仿真软件WITNESS的特点后，根据集装箱码头的系统模型和仿真目标，建立了基于码头装卸设备的集装箱码头仿真模型。重点研究了仿真模型中的各类事件和事件的处理流程。(3)以实际码头的营运数据为原型，根据集装箱码头生产作业的特点和系统的仿真目标，在对集装箱码头的系统进行合理的简化之后，完成了WITNESS建模与仿真，获得了初步结论。该结论对集装箱装箱码头装卸设备的调度和优化有一定的参考价值。5.2 研究展望 尽管本文对集装箱码头物流系统仿真研究取得了一些阶段性成果，但限于时间与精力，本文的研究还有许多不足之处，尚待改进。具体包括：(1)对岸边集装箱起重机的配备与调度的仿真，都是在理想的条件下进行的，简化了很多条件。进一步的研究须考虑建模时尽量减少对模型的简化，将影响码头作业效率的诸多因素考虑进去，以达到仿真结果与现实更接近的目的。(2)对桥吊、集卡、龙门吊的数量配比优化的仿真应采用面向“作业面”装卸