《码头装卸设备配置优化的案例分析报告》15000字（论文）

第第页码头装卸设备配置优化的案例分析报告摘要集装箱码头生产工作系统，是指在集装箱码头，有集装箱，道路船舶，以及工作人员等多种因素包含在内的有机整体要素。现代化的集装箱港口，是集装箱运输系统的重要环节之一。是国内外贸易的重要港口，提高集装箱运输效率起到了深远影响。本文通过计算机仿真模拟了洋山港集装箱码头，对集装箱码头其内部的生产系统进行了深入细微的研究，并为当地的设备以及相关设施和决策提供了建议。本文对国内外关于集装箱码头的研究文献进行了了解，然后在对国内外的集装箱码头仿真技术的实际应用进行了详细介绍，在介绍了集装箱码头的工作系统和他自身的组成特点，对于日常的装卸方法，工作流程，以及相关的原则进行了简要介绍。对洋山港集装箱码头现场进行了实地观察和收集资料，以洋山港集装箱的一二期码头为模板，根据其自身的生产特点和工作流程，针对本次构建模型的特点，简要说明了模型的主要构造和仿真的目标所在，尽量在保证模型的特点和功能下，对模型进行了必要的抽象化处理，再借助了仿真软件，建立了洋山港集装箱一二期码头的装卸作业，计算机仿真模型。通过采取码头的实际运营数据对仿真模型的可靠性进行了验证。再分别设置不同级别的到达船型，和不同的装卸卡车数的各种方案来对码头整体的工作效率进行了实验性分析，综合性的来为码头日常的合理配置资源，提出了相关的建设意见，并对码头的实际生产提供了相关的决策基础。关键词：集装箱码头；装卸设备配置；flexsim；系统仿真目录TOC\o"1-3"\h\u166681绪论 153861.1研究背景 1227531.2国内外研究现状 1287801.3研究目的及意义 3232391.4研究内容与思路 3148932集装箱码头作业系统概述 5277172.1集装箱码头的基本组成 58718(1)码头设施 59649(2)码头设备 5205412.2集装箱港口装卸工艺系统 77482.3集装箱码头生产作业特点 771322.3.1集装箱码头装卸设施设备特点 716862.3.2集装箱码头生产作业特点 8196962.4集装箱码头的作业流程与调度原则 9242162.4.1作业流程 9318762.4.2调度规则 11282313洋山港码头概况 12107153.1洋山港码头现状 12108073.2洋山港业务现状 13282153.3洋山港码头设备资源配置现状 14110204基于flexsim的洋山港集装箱码头作业系统仿真研究——以一、二期码头为例 15292144.1集装箱码头装卸系统模型开发 15310154.1.1问题阐述 1542254.1.2模型建立 15167724.2仿真模型实现 1751084.2.1相同装卸设备不同船型 17195004.2.2不同装卸设备相同船型 19135904.3模型运行结果分析 309492结论 3230357参考文献 331绪论1.1研究背景随着我国市场经济的快速进步和发展，特别是对外贸易的日益扩张，使得中国各个大中小港口的集装箱数量不断增加。而伴随着该集装箱总体吞吐量的较大幅度上涨，货物积压、港口堵塞、空箱危机等问题也随之而来。在后新冠疫情时代，全球航运逐渐恢复，这些问题将会更为显著。装卸设施的规模与大小是影响集装箱港口的吞吐量和能力的一个重要因素，如何通过合理的规模配置来应对这些问题，已然也是现代集装箱港口的规划与设计研究的重点。洋山港港区作为毗邻上海国际航运中心的一个拥有集装箱停泊深度15m以上的高级大型集装箱船和浅水航运港区，也是目前中国上海港正在积极参与国际竞争的一个重要航运核心浅水港区，能够同时容纳大型高级集装箱船和轮机同时进出。2019年上海洋山港累计集装箱货运吞吐量已经超过累计全年达到1980.8万TEU，是当于上海港全年集装箱货运吞吐量的44%。随着上海洋山港四期大型集装箱和大型全自动化集装货物转运码头的一期建设和改造工程顺利投产，洋山港四期集装箱货物吞吐量将有机会大量小幅度地逐年增加，装卸设施的压力也随之增加。由于洋山港的集装箱运输设备配置不均衡，难以满足港口发展的需求，近年来，洋山港还曾多次出现集装箱运输堵塞，阻碍了港口的良好发展。1.2国内外研究现状目前，国内外学者对码头设备资源配置的研究成果较多：檀财茂、黄有方等学者（2016）通过了运筹学线性规划的方法，通过相关的混合模型搭建出来的配置，利用里面的计算求解，来为解决集装箱码头的资源紧缺提供了较好的解决方案。段朝辉、宋炳良（2016）基于Extendsim仿真软件建立了单船装卸作业模型，研究在双目标(船舶装卸效率和机械使用效率均达到最大化)约束下，机械最优配比和离散状态下的桥吊效率配置优化问题[2]。鲁渤，王辉坡，汪寿阳(2018)为了解决需求不足的条件下，集装箱码头装卸设施配置优化问题，构建了集装箱码头装卸设施配置的逆优化模型，并给出了基于互补松弛定理的求解方法，研究结果表明，将效率作为要实现的目标，将目前拥有的资源来作为需要约束的模型，根据目前的市场需求量较低，资源浪费现象较高，不同资源消减方案的成本不同，逆优化模型可以找到成本最小的资源消减方案[3]。唐国磊、张冉、彭云、周勇（2017）根据大连的某港口作为案例，利用vissim仿真软件建立整个集装箱港区的交通系统仿真模型。通过模型运行时得出的仿真结果，来对大连的某港口的装卸效率和卡车数量之间的关系进行了分析，并提供了该港口的规划配置建议。为当地的集装箱港区提供了具有建设性意义的指导和意见。钱继锋，朱晓宁，刘占东(2013)通过对集装箱码头利用双小车岸桥的装卸设备相关的配置问题，建立起了一个多级的动态排队网络，里面包括了岸桥龙门吊和集卡等等。分别考虑到了码头在实际工作中的多种因素，建立起来集装箱码头的装卸时的工作模型。运用Witness仿真系统来描述集装箱码头装卸系统，再通过仿真法来计算出当地码头装卸设备的最优配置和效率最大的配置。根据系统输出的指标，得出了当地码头的最优配置比，最优的配置能够提高码头的装卸设备使用效率。张润（2019）基于flexsim仿真平台构建多款类型场桥作业系统的模型仿真，并按照A港实际情况设计仿真投资方案，进行仿真实验，对不同的结果进行分析得出最优的场桥投资方案[6]。王官强（2013）运用flexsim，在仿真理论的基础上，针对具体的码头实例进行了建模，研究到港船型的变化对集装箱码头作业的影响和码头的自身拥有的装卸设备相关变化导致其码头生产效率和设备利用率的相关影响。彭云（2016）根据多目标优化方法以及系统的仿真理论来构建起了低碳型港口的仿真优化模型，采用NSGA-II多目标遗传算法，通过相关系统的仿真平台，对该模型进行了求解，来对低碳型港口的资源优化进行了研究和讨论。国外研究方面，MatthewE.H.Petering（2008）通过仿真实验，对4种场景不同的集装箱码头分别进行了研究，并考虑到集装箱布局的不同，产生的效果不同。最终得出了具有效率最高的场桥配置场景。XinJiaJiang，JianGangJin（2017）利用了分支定价法来针对处于不同时期的对于集装箱储存需求不同的场桥配置进行了研究，最终得出的优化方案是能够在保证场桥的工作效率是或者减少其数量的情况下，来减少场桥的移动工作方式。SangHyeokHan等（2018）在综合了多方面因素，如项目的成本，设备以及场地和环境等因素。通过三维立体平台来为起重机的配置进行了构建其决策模型，再通过系统的评价方法对方案的有效性和真实性进行了相关的验证。通过以上的文献描述，我们可以看出，对于国内外的集装箱码头装备设施的研究，都在于场桥和集卡的配置研究上，对于其配置的优化方法上。但对于码头的装卸设备配置，通常用机械使用率或生产效率来设置目标，在利用算法进行计算或通过仿真模型的建立求出装卸设备配置的最佳数量，但是，关于不同装卸设备联合配置的问题以及对于不同到达船型时的配置方案的问题则很少涉及。因此，如何结合码头不同到达船型的真实情境，考虑到码头岸桥、集卡和场桥的不同作业的方案，对于现今集装箱码头的运营规划具有较高的现实意义。1.3研究目的及意义集装箱码头的工作较为复杂，整体的作业体系较难，对其进行的优化和利用相关的解析分析方式进行调节时难度较大，通过计算机的仿真分析来对集装箱码头的操作体系进行了模拟和优化，这是目前我们能应用的最科学和最有效的方法。对集装箱码头的物流作业管理系统里面的数据进行了建模，在真实的基础上，对数据库进行了相关的优化，通过仿真得出的数据结果在分析后进行验证，最后将系统的理论和先进的优化技术应用到集装箱码头物流的实际设计和改造项目中。洋山港作为特大型港口，在港口的管理方面存在弊端和不足之处。对于集装箱码头设备的资源合理配置较为不足。本文对洋山港集装箱公司的实际设备资源为案例，运用仿真软件flexsim，在仿真理论的研究基础上，对洋山港码头进行了建模，面对构建的模型进行了实际运行，对到港船型的变化来对集装箱码头实际工作产生的影响和码头内部装卸设备的改变，对真实生产效率实际设备的工作效率产生的影响。利用仿真结果进行了数据分析，为洋山港码头的装卸设备真实配置情况提供了建设意义，促进港口资源合理配置，提高工作效率。1.4研究内容与思路第一章为绪论部分。讲解说明了，本文的背景，研究目的以及研究意义。第二章介绍了集装箱港口的组成，对码头的设备基本结构和生产流程进行了介绍。第三章首先介绍洋山港集装箱码头的概况，随后对港口装卸设施配置进行分析。第四章以洋山一二期码头为例，使用flexsim对堆场、集卡以及岸桥进行仿真建模，从“相同设施配置不同船型”和“相同船型不同设施配置”两个方面进行仿真。通过仿真运行结果的分析，最终为洋山港集装箱码头设备配置提出优化建议。图1.1论文技术路线2集装箱码头作业系统概述2.1集装箱码头的基本组成集装箱码头根据其基本结构可以划分为两大部分：一是软硬件配套设施，二是装卸、搬运设备。集装箱码头一般相对于而言，在现场所需要配置的主体设施包括：泊位、码头前沿、集装箱堆场等。其装卸搬运设备主要包括：岸桥、场桥等，(1)码头设施集装箱码头设施主要由以下几部分组成；泊位(berth)，是指在岗内具有一定程度的安全性和便于船舶进行设备的装卸，为他国船只提供停泊服务，有着固定航道长度的紧靠岸壁的船舶设施。船舶停靠时所需要的有效行距长度应是其同类船只总长度的1.2倍。码头前沿(WharfSurface)，码头的岸壁线，从码头岸壁到堆场两者之间的码头面积。堆场(yard)，是一种术语泛指的把集装箱放在码头内，可用来存放集装箱的场地，分为前方两侧堆场和后方两侧堆。集装箱物流站(containerfreightstation-cfs)，进行下一步的包装或拆箱工作，正常情况分布于码头后方，或是靠近码头的道路铁路等。控制室(controltower)，设置在办公楼最高的地方，用于观察码头上的工作场地。检查路口(gatehouse)，负责对于港口的日常检查，整个港区集装箱装卸码头的主要进出口。集装箱装卸维护箱的检修操作车间(maintenanceshop)，设置在对箱体不会造成影响，通常在集装箱装卸码头工作地点的后方，或在安全区附近。(2)码头设备码头装卸设施主要用途是一种适用于没有集装箱的装运货物码头进行安全的装卸工作和水平方向的移动，主要功能包括了：岸桥(quaycrane-qc)，也被广泛称为桥式路面岸桥或悬吊式、装卸式或路面吊桥，是我国集装箱渡轮码头运输使用的最大型、价值最昂贵的一种大型装卸船舶运输专用机械。它主要是大型货物装卸码头上吊输装卸货运设施的一个重要龙头，负责吊输运送和修理装卸各种大型集装箱式的货运船只。表2-1集装箱装卸桥主要技术参数序号适应船型（集装箱船）主要技术参数装卸效率（move/m）额定起重量（t）外伸距（m）轨距（m）提升高度（轨面）小车速度（move/m）1万吨级以下30.5~41.03210.5、162212020~2522万吨级30.5~41.03516、242512020~253巴拿马型30.5~41.035~4016、24、3028~32120~18025~304超巴拿马型41.0~65.061~6624、3032~36180~24030~355苏伊士运河型50.0~65.061~6630、3540~42240~30035~406马六甲海峡型61.0~80.065~7035、4242~45240~30035~45数据来源：中华人民共和国行业标准.海港集装箱码头设计规范（JTS165-4-2011）.北京：人民交通出版社，2011.轮胎型航港龙门吊式起重机(rubbertiredgantry-rtg)，被称为航港龙门吊，在码头轮胎对场上负责，进行轮胎的搬运起重等工作的大型起重机械。轨道式龙门起重机(RailMountedGantry-RMG)，负责集装箱的整理工作和装卸工作。轨道式龙门起重机虽然堆箱高度高，跨度大，堆场的面积能够被更加有效地利用，但是它不如龙门吊灵活。跨运车(StraddleCarrier)，负责在码头前沿与堆场之间对集装箱进行运输的工作，负责堆场的堆码和进出场的集装箱拖车工作。因为其堆高有限，跑的速度较慢。叉车(folklift)，也被广泛称为拆卸铲车被称为拆卸铲车。用来拆卸食品包装箱的拆卸工作和包装空调等拆卸箱子的工作。正面叉力吊(reachstracker)它与传统的叉车不同在于，能够自由选择八杆式或者是集装箱吊车的一种吊具形式来直接取而代替采用叉力吊车门窗框架式的专用吊具。集装箱拖挂机轮船(tractor/truck/trailed)，被称为集卡，负责码头到堆场以及货物舱内的各个地区水平搬运。货场上经常出现集卡，有的能在码头内部进行高速的搬运工作，称为内部的集卡，有的是码头外部来进行集合和供货工作，被称为外部的集卡。2.2集装箱港口装卸工艺系统所谓的各种装卸运输技术，指在各港口进行装卸搬运货物的技术方法和操作流程，根据港口实际的操作步骤和技术方法，再根据港口的真实工作情况和实际拥有条件，来对装卸的货物和运输工具进行合理的运用，提高经济效益的基本设计，优化搬运技术任务。集装箱货运码头与一般的件运和杂货运输码头企业相比，其最为突出的技术优势之处就是在于它们能够具有较高的最大作业高度效率，而码头装卸运输技术与码头制造安装工艺则一直是保证码头企业实现最大作业高度和效率的重要技术保证。合理的选择码头，需要使用的机械设备工艺，是企业能够保证码头的制造生产的重要技术前提。中国集装箱码头的装载和卸载的工作方法较为单一。装卸船的工作由吊上或者挂下的方式来完成，采取了岸边的集装箱起重机来进行装卸船的工作。进行集装箱的水平搬运，主要靠挂车和汽车，在堆场上的装卸工作，采用了电动轮胎式重型集装箱，龙门快运起重机或装卸汽车。目前中国集装箱码头工作采取较主要的工作流程是由，岸桥负责集装箱在传播与场内集卡的装卸工作，场桥负责堆场内卡和集装箱上的运输装卸工作，港口码头到港口堆场，由港口内卡来负责。(一般来说泛指在一个港口内部正常停泊运行的船舶集卡)码头负责。如下所图2-1所示：图2-1集装箱码头装卸工艺流程图2.3集装箱码头生产作业特点2.3.1集装箱码头装卸设施设备特点对于目前的现代化集装箱码头，想要适应集装箱运输船舶的发展方向，那么对于集装箱码头的建设应逐渐走向大型化，专业化，高效化。有以下几个特点：（1）水深条件足够。集装箱船舶的大型化发展，要求港口有着足够的航道水深和泊位水深，防止船舶进出港口时受到影响。目前大多数的集装箱码头，其水深在11~14米之间，大型集装箱满载时吃水深度达到了14米左右，要求其航道和泊位水深在14.5米之上。（2）码头后方的陆域和堆场较为广阔。集装箱运输是一种快捷，高速的运输方式。在集装箱船舶到港后，港口在短时间内集装箱流动数量较大，要有着较大的面积来堆放港口滞留下的集装箱，否则会导致港口的混乱和堵塞情况发生。（3）港口后方要有着便捷的运输条件。想要推动集装箱在港口的快速运输，配套的运输条件，如铁路公路以及航空等运输能力，对码头来讲也是至关重要的，这是想要实行集装箱多种方式联运的先决条件。（4）有着大型的集装箱装卸设备。面临着船舶大型化发展的需要，想要迅速完成货物的装卸、搬运和堆码等操作，加快车船的周转，要求集装箱码头配备起重量大、装卸效率高的现代化装卸设备。（5）对于通信和指挥设施，应加快其技术的革新程度。集装箱运输高效的前提下，是信息的及时传递。若信息停滞将会导致集装箱码头的设备调动出现混乱，因此在集装箱码头应当建立起信息中心，便于集装箱码头各个部门之间的信息及时传递。在岗内建立起计算机控制系统，来对港口内部的各个资源进行合理的配置和监控。2.3.2集装箱码头生产作业特点（1）产品的特殊性。港口的装卸是港口交通运输中必备环节，是码头的生产部门。集装箱码头并不是通过物资情况来提供产品，而是利用相关的方法来实现陆地上的仓库与海上的船舶之间的货物转运，让不规则的物品，正规，系统。集装箱码头对商品的适应性，能让不同种类的产品在集装箱码头聚集，堆场也是各类资源的集中场所。（2）生产过程的连续性。集装箱码头的装卸工作，经常需要连续工作，一方面是及时的装卸车船，减少车辆和船只在港口停留等待的时间，提高码头的装卸和运输工具的利用率，增加总运力。另一方面是，通过港口的货物需要尽快转移到目的地，以便生产和加工货物或投放市场。从经济角度来看，港口在装卸达到的船舶和车辆，应保持高效率和连续性，以减少车辆、船舶和货物在港停留的时间。（3）生产不平衡。不平衡表现在集装箱的进出口，数量不平衡，表现在到达时间和路线之间的不平衡，到港船型的不平衡，进出口集装箱种类和类型的不平衡。集装箱码头生产的不平衡，造成不平衡的原因因素较多，集装箱生产的不平衡是绝对。（4）作业组织的层次性与协作性因为生产工作之间存在着连续性和复杂性，集装箱的码头卸载工作顺序有着明显的阶层性。各级之间的工作是相互协作和相互推动的。不同层次上的生产调动职能有着明确的分工。工作顺序的层次性带来了，是码头各组织之间的层次性与合作性。无论是船务公司还是码头装卸公司，等等各种公司和部门。这些组织的工作能够在集装箱的堆场上得到体现。他们互相合作，互相协调，形成了有机整体，来推动集装箱码头的运作和资源的运输。2.4集装箱码头的作业流程与调度原则2.4.1作业流程对于进口箱来说，集装箱船舶抵达港口后，没有载货物的厂内集卡会从堆场开向码头前沿等待着卸船工作。岸桥将进口集装箱从靠泊的船舶上卸下并装载至集卡后，载箱的集卡便返回调度室指定堆场、指定箱区卸箱。场桥将集装箱从集卡上卸下并堆放至指定箱位，此时集卡从重载变回空载状态，在返回码头岸桥来等待着新的集装箱，就这样循环反复，完成卸船的工作。外部集卡通过提箱证明从闸口进入堆场，提香之后再驶离堆场，直到进口箱提箱完成。进口箱堆场作业流程如图2-2所示。图2-2进口箱堆场作业流程而出口箱则恰恰相反，出口箱模式，外部集卡先进行工作，货主提供的外部集卡根，据其装箱单装载集装箱，通过闸口到达堆场后，会驶到指定的箱区进行卸箱，在场桥完成卸箱后。空载的外部集卡则会离开港区。外部集卡按顺序进入堆场，来完成出口箱的集港，而内部集卡则会在船舶靠泊后根据调度驶向指定的箱区，在场桥将指定的集装箱从堆场装载至内部集卡上后，内集卡再次驶向码头前沿，岸桥将集卡上的集装箱装载至船舶上的贝位，而此时空载的内集卡再次返回堆场进行出口箱的装载，如此往复直至装船的完成。出口箱堆场作业流程如图2-3所示。图2-3出口箱堆场作业流程2.4.2调度规则集装箱码头的高效运作不仅需要合理的设备配置，要遵循严格的工作规则，保证各个部门之间的安全和空间资源的有效利用。柔性调配原则在码头的前沿，按照停泊位置来进行装卸设备。在某些停泊位空闲时，集中码头的装卸设备对正在工作的船舶进行服务，这种服务方式是具有柔性调配的方式。就是允许设备在空闲时进行调配，提高设备的利用率和日常的工作效率，挖掘港口的生产潜力，提高船舶的装卸效率，降低船舶在港时间。（2）集卡调度规则集卡是堆场内有着较高机动性的运输工具，与各部门的工作有着密切的联系。除了日常的安全检查和交接，集卡在驾驶的过程中要控制速度，听从指挥，根据控制台的调度，进行提箱和送箱的工作。在堆场内工作时，集卡要严格控制翻箱量，提高牵引车和拖车的利用率。无论在码头的何地，内部集卡都要避免路径重复，降低工作上的干扰性。集卡应在安全的范围内，选择最短路径，减少岸桥和场桥的等待时间，提高堆场的工作效率。要能够及时运输，避免道路的堵塞。（3）场桥调度规则从安全角度出发，场桥在工作时要先对自身的安全设备和钢丝绳索等装置进行安全检查，保证厂内没有异常情况，排除安全隐患。在日常进行装卸工作时，不仅要对起吊机工作前进行机械性能的各项检查，还要遵循十不吊的原则，在工作时若出现异常情况，应马上停止工作并及时上报。堆场乡区内场桥的数量，根据箱区的长度有着相对应的限制，在每个箱区都会配1~3台场桥。因为场桥之间无法相互跨越，因此在工作时要保证长桥之间的安全距离足够。因为轨道式场桥的机动能力较弱。转场作业难以实现，但轮胎式的场桥相对灵活，能根据实际需求来进行跨越箱区或转移场地。在码头的设备充足情况下，不会安排场桥进行转场工作，但因为场桥的安全移动距离和转场的真实需要，箱区之间会隔开相对应的安全机遇离来，保证场桥的正常移动和回转。从工作效率来看，场桥的调度有着以下两种原则，第1点是先到先服务，第2点是短作业优先原则。先到先服务是只场桥，会优先服务提前到达的到达箱区的集卡，通过自行移动到指定集装卡箱位置营业，减少场内集卡的等待时间。但这样的工作方式会导致场桥移动增加，部分距离较远的集卡作业还需要跨厂和转场，导致场桥的工作成本增加。短作业优先的原则是指，场桥优先服务到达桥吊所在处的集卡，对于距离较远的集卡不会前往就业，这种工作模式能够降低场桥的移动成本，但会导致集卡的等待时间延长，容易导致场内交通拥堵。但这两种调度原则都考虑到集卡或是场桥一方的工作成本，无论在哪一种的任务安排中都有着局限性。要提高堆场的工作效率，堆场的管理人员会将两种工作原则相结合，根据堆场的现实情况来制定出符合当前的调度方案，将杨桥和集卡的工作效率与成本相结合，并尽量减少翻箱和倒箱工作，降低往返重复的工作，使各个箱区的工作量达到平衡，这些也是堆场场桥调度所需要考虑到的重要因素。3洋山港码头概况3.1洋山港码头现状洋山芦潮港区是是位于中国浙江省上海市南汇区芦潮港32公里不远处的位于中国浙江省崎岖海洋列岛市上海区的一个小洋山岛上，距离连接中国上海国际远洋客运航道104公里，港区内外远洋航道航线总长67公里。是目前距离中国上海最近的一个港口具有15米以上海域自然水深的重要天然深水港口；通过毗邻东海跨海大桥和毗邻上海国际综合轨道交通运输枢纽网络相互沟通联系，可以看到充分利用目前上海国际集装箱出口经济特区腹地辽阔、箱源丰富等自然优势，将其努力建设打造成为目前当今世界上最大、规模的国际集装箱出口港区。洋山港目前现有四期集装箱码头，其中一、二号码头岸线全长3000米，共有9个集装箱深水泊位，码头前沿水深16米，三、四号码头码头岸线长2600m，共7个泊位，码头前沿水深17.5米，可全天候接纳世界最大型3E级20000TEU集装箱船靠泊作业，航线覆盖了全球多个重要的地区，是目前全球最大的现代化集装码头之一。2017年四月初，上海港发生了持续近两个月的严重港口拥堵现象，拥堵、堆场高密度积压导致拥堵瘫痪的状况从上海港蔓延至青岛港和宁波舟山港，而占上海港吞吐量几乎一半的洋山港压力更是巨大。达飞轮船、川崎汽船、日本邮船、东方海外等多家班轮公司陆续发布通知称，由于上海港洋山港区码头严重拥堵，旗下船舶将更改挂靠码头或调整开航时间。这一次拥堵除了外部客观因素（世界第三大集装箱航运联盟本周成立）以外，港口自身因素也尤为重要。据悉，上海港长期严重超负荷运营，上海港在设计时的吞吐量仅约为2000万TEU，但在2016年已经到达了3713万TEU，实际吞吐量达到设计能力的1.85倍，非常容易导致严重的堵港现象。不难看出，长期超负荷运行是困扰洋山港发展的问题之一，作为中国第一大港，想要维持近几年贸易额、吞吐量的大幅增长的趋势，必须先从自身出发，寻找解决办法，而优化装卸设施设备配置是缓解这一问题的答案之一。3.2洋山港业务现状近年来，洋山港的船舶数量不断增加。船舶的大型化多样化发展也不断加快，水上交通更加复杂多样化。在2020年，进出洋山港的1.8万标准箱和以上的大型集装箱船舶，数量达到了1394艘，增长率高达15.6%。2020年，洋山港将被选为首条以液化天然气为主要燃料的双动力船舶航线上的重要港口。2021年1月洋山港的集装箱吞吐量超过历史最高数量，创造了新的记录，增长率达到了17.8%，根据洋山港海事局1月份的统计，洋山港集装箱的国际航线，船舶进入达到了704艘，洋山港4期的自动化码头接收的国际航线集装箱船舶，数量达到了234艘，增长率高达53.9%。2021年1月23日23:30，随着最后一艘“苏珊马士基”号船装卸完毕离港，洋山港自开港以来累计集装箱吞吐量达2亿标准箱。洋山港从开放到5000万标准箱用了6年2个月左右，从5000万标准箱到1亿标准箱用了3年5个月，从1亿标准箱到1.5亿标准箱用了3年2个月，从1.5亿标准箱到2亿标准箱只用了2年6个月。港口吞吐量与新的数量级之间的间隔越来越短，这也表明洋山港的开发建设速度正在加快。如今，洋山港已吸引了马士基、地中海、CMACGM、中远等20家世界知名航运公司，开通了洋山港至欧洲、地中海、美洲的80多条主要航线，直达全球109个重要港口。据悉，今年洋山四期将继续新增5台桥式起重机、10台轨道起重机和25台AGV(自动导向车)等配套设备，产能预计将超过500万标准箱，这将继续是洋山港生产经营的最大增长点。3.3洋山港码头设备资源配置现状洋山港集装箱码头装卸设备主要用途是泛指一种能够同时实现洋山港集装箱码头货物自由装卸和进行水平运输搬运的大型岸桥、场桥、以及带有空箱吊挂堆高机、正面空箱吊挂、集装箱货物牵引装载汽车等各种设备可以自由装载流动货物进行搬运作业的装卸机器。主要设备的详情分布情况请参阅下表3-1，3-2。表3-1洋山港集装箱码头设备分布情况明细表（一、二期码头）序号设备名称规格计量单位1岸桥80T35台2场桥60T89台3正面吊5台4堆高机22台5场内集卡约135辆表3-2洋山港集装箱码头设备分布情况明细表（三、四期码头）序号设备名称规格计量单位1岸桥65T15台2岸桥80t16台3岸桥1501台4场桥40T66台5场桥60T10台6正面吊5台7堆高机19台数据来源：上港盛东、冠东国际集装箱码头有限公司官网，《中国港口年鉴2020》

4基于flexsim的洋山港集装箱码头作业系统仿真研究——以一、二期码头为例4.1集装箱码头装卸系统模型开发4.1.1问题阐述根据上海盛东国际集装箱码头有限公司提供的数据，洋山港一、二期码头现共有9个集装箱深水泊位，岸线总长3000米，配备桥吊35台，轮胎吊89台以及其他装卸设备，可全天候接纳世界最大型3E级20000TEU集装箱船靠泊作业。码头堆场面积147.92万平方米。洋山港集装箱码头的装卸流程为：船舶——岸桥——集卡——场桥（轮胎式龙门起重机）——集装箱堆场本文对洋山港一二期码头进行仿真的目的是：尽量简化操作流程和数量，将调度的规则固定下来，模拟得出装卸设施工作利用率，为优化设备配置和提高装卸效率提供决策依据。在改变到达船舶吨位（集装箱装载量）的情况下，仿真模拟利用目前拥有的设备配置情况和利用率以及装卸数据，寻找出存在的限制。通过对设备配置进行改变，模拟仿真船舶到达时，不同配置下码头装卸情况，找出其中的瓶颈，并在多种配置方案中选取最佳方案。4.1.2模型建立（1）模型假设由于个人能力与设备配置有限，仿真模型本身也无法兼顾所有现实因素，为了更加快速直观地仿真模拟装卸过程，降低模型复杂度，本文仿真模型的建立主要基于如下假设：①对码头其中一个泊位进行卸箱模拟，以每个泊位平均分配装卸设施为现状进行模拟，并与其他方案进行对比。②设备的工作状态应保证良好，降低设备的故障时间和需要的维修时间，保证设备能够投入到工作中。③设备之间要保持着安全的距离，保证设备之间不会相互影响。④场桥作业不考虑翻箱倒箱，对每个集装箱的作业时间设为一个定值。⑤堆场内仅配置场桥一种装卸设备⑥只考虑20英尺集装箱，其他箱型不考虑（2）模型结构图4-1仿真模型简要结构简单来看，集装箱卸船的过程其实就是集装箱从船上移动到堆场贝位的过程，运输过程由岸桥、集卡和场桥合作完成。由于研究简化的设置，只对一个泊位进行仿真模拟，码头装卸设施平均分配，因此，初始模型内配置了岸桥4台，集卡15辆，场桥（轮胎吊）9台。将发生器“source”看作到港船舶，初始设置容量10000，模拟10000TEU船型到港卸船过程。岸桥运作原则：岸侧队列有集卡时进行作业，没集卡时不作业。集卡运作原则：装载集装箱时随机选择前往场桥队列，空载时随机选择前往岸桥队列。场桥运作原则：队列有集卡时进行作业，没有集卡时停止作业。按照以上结构形式进行建模，得到模型如下图所示：图4-2仿真模型实物图4.2仿真模型实现4.2.1相同装卸设备不同船型针对5000TEU的船型，对目前的码头真实情况进行了模拟运行，根据船型的变化，集装箱船型由最初的5000TEU转变为10000TEU、15000TEU、20000TEU载箱量的船舶。通过改变最左侧发生器的容量来模拟不同船型的装卸情况。表4-1不同到达船型时设备运行状况表设备设备利用率5000TEU船型10000TEU船型15000TEU船型20000TEU船型岸桥47.19%47.39%49.38%45.45%集卡58.54%65.41%69.87%75.22%场桥64.16%71.47%79.43%82.94%工作时间(s)56442.72118438.08157255.3182458.29每箱处理时间（s）11.2911.8410.529.12图4-3不同到达船型时设备运行状况图4-4不同到达船型时设备总工作时间图4-5不同到达船型时每箱处理时间根据仿真模型运行结果，当到达船型载箱量不断增大时，场桥和集卡的利用率上升趋势都较为明显，而岸桥的利用率则是缓慢上升，表明场桥和集卡工作强度增加，船型的大小上升，岸桥的设备利用率也上升，但达到20000TEU船型时，利用率只有45.45%，这说明岸桥在当前设备配置下完全能够满足码头各种船型的装卸需要。而同时，当到达船型达到20000TEU级别时，场桥的利用率为82.94%，集卡的利用率为75.22%，在15000TEU时，二者利用率已逼近80%与70%，这表明，当船的型号增大时，6台场桥15辆集卡的配置方案，无法满足其船舶装卸的需求，要对场桥或集卡的数量进行增加。伴随着其船舶载箱量的增加，装卸数量的增加，导致了工作总时间的增加，但平均每箱处理时间逐渐缩短，这说明当需要卸载的集装箱数量增加时，装卸设备总的设备效率提高。以上仿真数据说明，在船型增加时，默认的集卡与场桥配置将难以满足装卸需要，接下来将分别研究在固定船型下，不同集卡、场桥配置情况下的设备利用情况与装卸效率。4.2.2不同装卸设备相同船型考虑到现实中的设备调度以及维护成本要素，在设计设备配方案置时，集卡方案的增加量选择在10辆以内，场桥方案的增加量选择在4台以内。（1）不同集卡数5000TEU船型表4-2不同集卡数量时设备运行状况表（5000TEU）设备5000TEU15161718192021222324岸桥利用率47.19%47.24%47.59%47.81%48.09%48.31%48.36%48.49%48.57%48.46%集卡利用率58.54%59.75%60.94%62.46%64.33%66.47%67.48%68.11%69.78%70.73%场桥利用率64.16%64.58%64.69%64.81%65.07%65.13%65.82%66.43%67.49%68.26%工作时间（s）56442.7256941.757182.3257258.4957477.2157610.6757668.2457690.7657749.3657799.89每箱处理时间（s）11.2911.3911.4411.4511.5011.5211.5311.5411.5511.55图4-6不同集卡数量时设备利用率（5000TEU）图4-7不同集卡数量时总工作时间（5000TEU）通过仿真结果可以看出，对于5000TEU的船型来说，随着集卡配置数量的增加，岸桥的利用率有小幅提高，但是提高幅度极小，可以认为几乎没有影响。而集卡的利用率方面，随着集卡数量增加，利用率有不小的上升幅度，但是总工作时间并没有逐渐下降，通过分析可以发现，造成这一现象的原因是集卡数量增加导致的排队。对于场桥利用率，与岸桥一样，集卡数量的增加并不能提高多少利用率。在装卸效率方面，随着集卡数量上升，每箱处理时间不减反增。因此，在5000TEU级别的船型下，默认集卡配置已经能够满足装卸需要，增加集卡数量并不能对码头装卸效率有实质性的提高，反而会造成集卡的排队现象，降低效率，因此不需要增加集卡数量。（2）不同集卡数10000TEU船型表4-3不同集卡数量时设备运行状况表（10000TEU）设备10000TEU15161718192021222324岸桥利用率47.39%47.78%48.02%48.60%48.83%49.17%49.55%49.79%49.90%50.34%集卡利用率65.41%65.67%65.92%66.42%66.74%67.37%67.56%67.87%68.32%68.73%场桥利用率71.47%71.76%71.92%72.17%72.45%72.87%73.09%73.32%73.78%74.08%工作时间（s）118438.08118433.52118430.54118533.17118685.82119286.37119690.48120160.41120586.7121058.61每箱处理时间（s）11.8411.8411.8411.8511.8711.9311.9712.0212.0612.11图4-8不同集卡数量时设备运行状况（10000TEU）图4-9不同集卡数量时总工作时间（5000TEU）通过仿真结果可以看出，对于10000TEU的船型来说，随着集卡配置数量的增加，岸桥、场桥的利用率和5000TEU船型类似，有极小幅提高，可以认为几乎没有影响。而集卡的利用率方面，虽然有所上升，但是总工作时间在小幅下降之后，再次增加。通过分析可以发现，造成这一现象的原因同样是是集卡数量增加导致的排队。总工作时间在17辆集卡的配置条件时最少，装卸效率最高，而后总工作时间上升，原因是产生了集卡的排队现象。但与初始方案的装卸效率进行对比时，发现17辆集卡对装卸效率的提升微乎其微，综合考虑现实中的维护成本，维持原方案15辆集卡更为经济。得出结论，在10000TEU级别的船型下，增加一定量的集卡数量能够对码头装卸效率有提高，但是这一提高较为有限，因此无需增加集卡数量。不同集卡数15000TEU船型与20000TEU船型表4-4不同集卡数量时设备运行状况表（15000TEU）设备15000TEU15161718192021222324岸桥利用率49.38%49.78%50.02%50.60%50.83%51.17%51.55%51.79%51.90%52.34%集卡利用率69.87%69.27%68.72%68.42%68.04%67.67%67.16%66.87%66.32%66.03%场桥利用率79.43%79.76%79.92%80.17%80.45%80.87%81.09%81.32%81.78%82.08%工作时间（s）156955.3156718.41156519.74156362.47156283.39156154.46156159.57156179.55156254.6156301.31每箱处理时间（s）10.4610.4510.4310.4210.4210.4110.4110.4110.4210.42图4-10不同集卡数量时设备运行状况（15000TEU）图4-11不同集卡数量时总工作时间（15000TEU）与前两种船型不同，在15000TEU船型时，随着集卡配置数量的不断增加，集卡的利用率逐渐下降，而同时，总工作时间也有所减少，说明集卡数量的增加切实地提高了装卸效率。当集卡数量增加至大于20辆时，装卸效率再次降低，这是由集卡的排队现象造成的。因此，在这一船型下，20辆集卡的配置为最优。同时，随着集卡数量的增加，场桥利用率一直居高不下，这可能需要对场桥的配置数量进行调整，才得以缓解问题。表4-5不同集卡数量时设备运行状况表（20000TEU）设备20000TEU15161718192021222324岸桥利用率45.45%45.78%46.02%46.60%46.83%47.17%47.55%47.79%47.90%48.14%集卡利用率75.22%72.27%69.73%67.42%65.34%63.67%62.16%60.87%59.32%58.43%场桥利用率82.94%83.26%83.42%83.77%83.98%84.2%84.49%84.72%83.06%83.48%工作时间（s）182458.29180489.14178519.99176550.84174581.69173612.54172570.985171529.43170787.875170546.32每箱处理时间（s）9.1210.4510.4310.4210.4210.4110.4110.4110.4210.42图4-12不同集卡数量时设备运行状况（20000TEU）图4-13不同集卡数量时总工作时间（20000TEU）在20000TEU船型时，则是24辆集卡的配置方案工作时间更少，装卸效率更高，集卡的设备利用率降至64.72%的合理水平，且随着集卡数量的增加，在24辆集卡时，总工作时间的下降曲线已接近平缓，说明模型即将达到集卡排队的阈值。因此在20000TEU船型的情况下，24辆集卡配置是最佳方案。关于场桥利用率，存在的问题与上述15000TEU时一致，将在下文对其进行仿真模拟。不同场桥数15000TEU（20集卡）和20000TEU（24集卡）船型根据前文进行的模拟分析，在5000TEU和10000TEU船型时，默认配置（4岸桥15集卡6场桥）基本可以应对装卸需要，设备的利用率也维持在正常水平，因此，直接对场桥利用率存在问题的15000TEU、20000TEU船型情况进行仿真模拟分析。表4-8不同场桥数量时设备运行状况表（15000TEU、20辆集卡）设备15000TEU678910岸桥利用率51.17%51.52%51.87%52.36%52.71%集卡利用率67.67%62.44%58.72%55.84%53.15%场桥利用率80.87%73.94%68.23%65.30%63.76%工作时间（s）156154.46148524.61144281.39143549.10143084.8每箱处理时间（s）10.419.909.629.579.54图4-14不同场桥数量时设备运行状况（15000TEU、20辆集卡）图4-15不同场桥数量时总工作时间（15000TEU、20辆集卡）表4-9不同场桥数量时设备运行状况表（20000TEU、24辆集卡）设备15000TEU678910岸桥利用率48.14%48.26%48.71%49.03%49.37%集卡利用率58.43%56.72%54.51%52.60%51.07%场桥利用率83.48%80.08%76.68%73.27%69.87%工作时间（s）170546.32163929.1158227.54152525.98146824.42每箱处理时间（s）11.3710.9310.5510.179.79图4-16不同场桥数量时设备运行状况（20000TEU、24辆集卡）图4-17不同场桥数量时总工作时间（20000TEU、24辆集卡）由于前文已探讨出不同船型最适合的集卡配置数量，因此，在15000TEU和20000TEU船型时，直接选择在最佳集卡配置数量下进行仿真。两种船型的仿真结果相似：在场桥数量增加时，岸桥利用率保持稳定，集卡与场桥利用率下降明显。而通过折线图我们可以直观地看出，两种船型情况的区别在于，15000TEU情况下，当场桥从6台增加至8台时，集卡与场桥利用率的下降速度大于从8台增加至10台的情况。通过分析可以得出，在配置8台场桥的情况下，集卡的排队情况已经被大量缓解，此时再增加两台场桥，收益并不大。通过工作时间的对比同样也能证明这一结论。而在20000TEU的情况下，则是8台增至10台时利用率下降更为显著，这是因为由于集卡数量、卸箱量增多，8台场桥已无法有效缓解集卡的排队情况。因此，针对15000TEU船型，4岸桥20集卡8场桥的配置方案更为合适，而对于20000TEU船型，4岸桥24集卡10场桥的配置更合理。4.3模型运行结果分析通过对洋山港集装箱码头资料的收集，利用flexsim对其进行仿真建模，并在模型的运行中得出以下结论：（1）随着船型载箱量的增大，在相同的装卸设备配置情况下，装卸设备的利用率有着明显的上升，这说明船型的增大提高了设备的利用率。而随着船型载箱量的增大，设备总工作时间也增加，但是每箱处理时间减少，这说明设备的工作效率在不断提高。但是当船型增大到大于15000TEU时，4台岸桥15辆集卡和6台场桥的配置下，岸桥的利用率保持在约50%左右，集卡和场桥的利用率过高，这说明这两种设备配置数量明显不足，需要进行调整。（2）当码头集卡和场桥数量增加时，对于不同的船型条件下，设备的利用率和装卸效率也有不同的表现。在5000和10000TEU船型情况下，增加集卡和场桥的数量时，各设施利用率变化幅度较小，维持在一个稳定的区间，这表明在该船型下，集卡和场桥数量的增加并不能有效提高装卸效率，因此认为，没有必要在这两个情况下增加设备数量。在15000TEU船型时，集卡和场桥数量的增加提高了设备的利用率，且在4台岸桥、20辆集卡、8台场桥的配置方案下，装卸性价比最高，为最优的设备配置数量。在20000TEU船型时，4台岸桥、24辆集卡和10台场桥的配置方案装卸效率最高，为最佳配置。（3）对于不同船型的装卸设备配置问题，给予以下建议：对于船舶