件杂货码头装卸生产与物流仿真

件杂货码头装卸生产与物流仿真郑丽【摘要】针对件杂货码头不确定性因素多、装卸过程优化控制和规划设计评估困难等问题，分析件杂货码头生产物流的复杂性特征，归纳装卸过程的随机参量，提出件杂货码头概念模型和仿真模型的建立方法.通过案例研究分析，验证仿真分析方法的正确性，为件杂货码头运营管理和规划设计提供参考.％Thegeneralcargoterminalisoneofthemostcomplexterminalsinportloading/unloadinglogistics,whichhavemanyuncertainfactors.Thedescription,analysisandcontroloftheloading/unloadingprocesshavealwaysbeenanengineeringtechnicalproblem.Thispaperanalyzesthecomplexcharacteristicsoftheproductionlogisticsinthegeneralcargoterminal,summarizestherandomparametersoftheloading/unloadingprocess,andproposesthemodelingmethodsoftheconceptualmodelandsimulationmodelofthegeneralcargoterminals.Finally,thecorrectnessofthesimulationanalysismethodisverifiedbyacasestudy.【期刊名称】《水运工程》【年(勤期】2017(000)007【总页数】5页(P165-169)【关键词】件杂货;码头;复杂性;仿真【作者】郑丽【作者单位】秦皇岛港股份有限公司技术中心，河北秦皇岛066002【正文语种】中文【中图分类】U656.1+39件杂货码头是港口装卸生产物流中最复杂的一类码头，不确定性因素非常多，杂货装卸物流过程的系统性描述、分析和控制一直是工程技术难题。而件杂货码头又是物流运输的一个重要节点，在世界贸易体系中发挥着重要作用。我国水路运输行业发展统计显示，近年来杂货泊位数量逐年增多，到2015年末已建成371个万吨级以上的件杂货泊位。杂货码头的物流能力与许多复杂因素有关，如装卸工艺、设备能力、库场大小、货物周转率、靠泊船型、货物种类、疏运能力等。杂货码头的实际能力往往与规范的设计值相差较大。如何正确评估杂货码头的吞吐能力是码头设计者与运营管理者关心的问题。国内外关于件杂货码头的研究主要集中在设备配置、节能、工艺优化、堆场分配优化等局部问题上［1-2］，对件杂货码头生产物流的整体特性研究并不多。贾智勇等构建了杂货码头物流系统的仿真模型［3-4］，做了一些仿真研究，但在不确定性因素描述方面未深入系统地描述；张鹏以天津港件杂货码头为对象［5］，研究了装卸作业效率改善问题，但研究缺乏系统性，前提条件简化较多。因此，基于现代复杂系统的思想理论和离散事件系统的仿真方法，本文对件杂货码头的复杂性特征和统计变量进行归纳分析，建立了概念模型和仿真模型，结合实际案例完成仿真试验，对关心的物流问题进行深入研究。港口装卸生产的复杂性体现在宏观、中观和微观3个层面。宏观层反映经济腹地的发展水平、贸易规模等因素带来的复杂性；中观层反映货物类型、集疏运工具、装卸设备的类型与技术水平、运营管理体制等因素带来的复杂性；微观层反映码头装卸生产过程中的不确定性因素带来的复杂性。作为港口典型代表的件杂货码头，因其装卸生产系统组成及工艺流程的特殊性，相比集装箱码头和干散货码头，其内部生产的复杂程度最突出，归纳起来有如下主要特征。1）件杂货物种类与体积形状的复杂性。尽管集装箱运输份额越来越大，但仍然有大量的非适箱货物贸易需要水上运输。件杂货码头的货物种类比较多，突出的是钢材、建材、木材和大型设备等。仅钢材就有很多种类，如钢坯、钢卷、钢板、钢条、型钢和螺纹钢等，其捆扎的尺寸形状也不规范，超长、超宽、超重的件货比较多。这些都给件杂货码头的装卸和堆放带来了复杂性。2）靠泊船型的复杂性。件杂货船舶的船型很多，其长度、宽度和船舱形状多种多样，靠泊作业所需要的泊位岸线长度也随船型变化；另外，有些杂货船自带克令吊，可以自行起吊装卸货物。这些因素带来杂货码头装卸工作的复杂性。3）装卸运输设备的复杂性。杂货码头岸边主要是门座起重机，也有桥式起重机；水平运输工具有拖车、平板车、皮带机、叉车等，堆场设备有叉车、轮胎起重机、轨道龙门起重机；仓库有叉车、皮带机等；陆域集疏运有汽车、火车等。设备的多样性带来装卸调度工作的复杂性。4）货物装卸捆扎工属具的复杂性。货物装卸都要进行捆扎或安装工属具，我国码头装卸工属具种类繁多，不同的工属具对应不同的货物；一种货物对应一种或多种工属具；或者一种工属具对应多种货物。这些工属具提高了装卸的安全性和效率，也带来了装卸过程的复杂性。5）装卸操作过程的复杂性。由于杂货种类多，装卸工属具多，装卸过程中要用钢丝绳或者其他工属具捆扎固定货物，加上工人熟练程度的影响，安全性的要求，使得每一件货物起吊的时间离散性大，整个码头的装卸效率波动大、复杂性增加。6）货物库场堆放的复杂性。由于件杂货的体积、质量、夕卜包装形状多样，不少货物还有特殊的重叠堆放要求，给库场的安排利用带来复杂性。7）生产调度计划制定与实施的复杂性。装卸过程的不确定性因素，库场堆放的有序度不确定性，给件杂货码头装卸生产计划的制定与实施带来不确定性和复杂性，生产过程难以精确控制。依据复杂系统科学的理论基础，对于系统的复杂性特征，工程上多用统计方法进行描述。根据前文的分析，结合杂货码头装卸工艺流程，可以得出如下的重要统计变量来描述件杂货码头的装卸生产复杂性。1）面向货物种类的门座起重机工作循环时间与装卸量的分布。针对杂货码头的主要货物种类，统计岸边门座起重机每次吊装的工作循环时间与装卸量，并拟合其变量分布，归纳分布特征。由于杂货码头货物种类多，因此，如何划分货物种类就非常重要。可以将该货类的通过量、捆扎包装的形状、种类、使用的工属具与工艺特点等因素作为统计划分的依据。2）面向货物种类的堆场装卸设备工作循环时间与装卸量分布。堆场装卸设备常用的有叉车、轮胎起重机、轨道起重机等，要分别统计这些设备每次卸装的工作循环时间，并拟合其时间分布和装卸量分布，归纳分布特征。3）面向货物种类的堆场垛位的占用面积分布。不同材料性质、不同捆扎形状的货物放在堆场，占用的面积不一样。有些货物质量小但体积大，有些货物质量大但体积小，有些货物长度太大。要依据不同的货物，统计其占用面积。4）面向船舶的拖车转运次数与吨位的统计分布。船舶在码头的装卸货物，需要拖车从堆场转运，或者把船上的货物转运到堆场，不同的船舶装卸量和货物种类，其拖车转运次数不同。其他需要统计分析的参数还有：货物的堆存期、不同船舶载运货物种类与吨位在堆场的占用区位数和垛位数、装卸设备到位后的装卸准备时间、船舶靠泊后作业准备时间、设备设施的利用率等。件杂货码头输入输出的船舶、火车、汽车，它们到港的随机性以及载运量也需要统计分析。从物流功能角度，件杂货码头生产物流系统可分为6个子系统：作业控制系统、集运系统、装船系统、卸船系统、疏运系统和堆场系统（图1）。基于离散事件动态系统理论的佩特里网（PetriNet）方法，可以建立描述件杂货码头生产物流系统动态过程的逻辑关系。库所表示物流系统的每一个资源及其活动的状态，变迁是网络中的事件控制点，事件发生可以驱动工作任务通过网络流动，其动态行为是由“条件”和〃动作”来描述的。图2为件杂货码头工艺系统的动态模型，表1为件杂货码头工艺系统动态模型的库所与变迁的含义。件杂货码头道路交通模型包括路段模型、车辆模型、道路交叉口模型和交通规则模件杂货码头堆场堆放的货物是分垛位的，垛位的划分与管理可以用网格化管理的思想来描述。网格管理的思想是将堆场按照一定的标准划分成若干网格单元，利用现代信息技术、优化技术，快速地整合堆场网格垛位的货物资源和空间资源，进行有效的空间分配和生产调度，最终达到整合码头资源、提高管理效率目的的现代化管理思想。堆场网格大小划分须依据码头货物的种类及工艺设备特点决定。基于杂货码头装卸系统概念模型和相关随机变量统计参数，结合秦港杂货码头平面布置和装卸工艺等相关技术资料，在专业仿真软件的平台上，以船舶计划的执行为主线，建立具体的仿真模型（图3）。件杂货码头生产物流仿真模型包括如下主要模块：1）计划生成与管理模块：负责船舶计划的生成和码头作业计划的分解；2）系统状态信息管理模块：记录杂货码头各实体的实时状态，为流程判断和执行提供支撑信息；3）集疏运作业模块：完成陆域货物的产生、汽车和火车的发送，执行集输运作业计划等；4）堆场作业模块：依照堆场网格化管理原则，分配垛位，完成装卸作业；5）装卸船流程模块：判断船舶靠泊条件并控制船舶靠泊，生成卸船流程信息，执行装卸船计划；6）装卸设备管理与分配模块：根据作业计划，安排装卸设备，形成作业路；7）道路模块：反映码头道路分段、交叉口行驶规则；8）仿真试验数据统计模块：主要统计仿真进程中，码头设施设备的利用率、货物吞吐量、船舶在港时间、夕卜部车辆在港时间等参数，并通过饼图或直方图等方式显示出来。基于件杂货码头仿真模型，可以分析在未来靠船数量增长条件下的码头设备配置、设施优化利用等多种问题，全面整体评价可能达到的最大通过能力和码头资源改造的可行性，为进一步提高件杂货码头的吞吐能力做技术参考。下面结合实际进行案例应用分析。秦港某件杂货码头有4个3.5万~5万吨级泊位，岸线长度1116m,配备11台门机，单机起重质量16-25t;堆场总面积45万m2;集疏港铁路线全长14.009km，直抵码头前沿，一次可装卸500节车皮。配备轮胎式起重机10台，最大起重质量33t,装载机12台，牵引车11台，叉车8台。港内自有内燃机车可根据集输港需要由铁路运输公司调度使用。考虑腹地未来经济发展的需求以及航道、码头水工等条件，初步测算，船舶到港时间间隔为360min时是该杂货码头极端繁忙的作业工况，故对此输入条件下的码头生产物流系统进行深入分析。表2是仿真试验数据。从数据看，船舶等待时间已经比较长了，船舶靠泊有效利用率也比较高，堆场日平均占用率达到很高的水平，码头货物处于高周转率状态，在不改善其他资源的条件下，码头通过能力已达到极限。为了提高装卸钢杂货物的效率，该码头拟在与铁路线紧临的后方修建轨道桥钢杂堆场。下面对钢杂堆场建成后码头通过能力进行分析。模型边界条件为目前正常贸易状况的船舶输入条件，既船舶到港时间间隔为1100min，堆存期