陳振宇 馬淑梅

【摘 要】 為提升港口企業(yè)集裝箱堆場精益化管理水平，分析普通型港口出口集裝箱堆場的作業(yè)流程及缺點，制訂提高出口集裝箱堆場堆存作業(yè)效率和外來集裝箱卡車進港均衡性的優(yōu)化原則，提出改進型出口集裝箱堆場堆存方案。通過Plant Simulation仿真軟件建立堆場堆存方案模型，對不同堆存方案、預約箱比例的仿真結果表明，改進型堆存方案在提高出口集裝箱堆場整體作業(yè)效率、作業(yè)均衡性等方面具有一定優(yōu)勢。

【關鍵詞】 集裝箱堆場;堆存方案;Plant Simulation;集卡預約;建模仿真

0 引 言

擁有高效的大型集裝箱船裝卸作業(yè)能力對集裝箱港口來說非常重要。國內(nèi)許多集裝箱港口的生產(chǎn)作業(yè)效率仍無法完全滿足貨物裝卸實際需求。造成這個現(xiàn)象的主要原因，除了碼頭設計容量、機械設備等硬件因素外，集裝箱堆場堆存方案較為粗放也是制約碼頭作業(yè)效率的重要因素。

與進口集裝箱相比較，出口集裝箱的堆場放箱和提箱經(jīng)歷時間跨度大、進箱隨機性強，所以其合理安排箱位的難度也更高。本文以出口集裝箱堆場堆存方案為研究對象，結合我國集裝箱堆場管理現(xiàn)狀，通過建模仿真對不同堆場堆存方案進行比較研究，構建港口堆場堆存與集卡預約協(xié)同優(yōu)化模型[1]，為港口集裝箱堆場管理模式升級提供新方法、新思路。

1 普通型出口集裝箱堆場堆存方案

1.1 普通型出口集裝箱堆存基本作業(yè)流程

出口集裝箱在堆場堆存主要分為集港作業(yè)和裝船作業(yè)兩個部分。

（1）出口集裝箱集港作業(yè)。在集裝箱船靠泊前，港口外集裝箱卡車（以下簡稱“外集卡”）陸續(xù)進港將出口集裝箱運輸至集裝箱堆場的指定貝位，場橋進行堆垛。在放箱目標位的選擇時，港口管理方按照出口集裝箱的目的港遠近不同，將目的港較遠的放在目的港較近的上方（即“遠壓近”）的原則分配堆存箱位;按照出口集裝箱的質(zhì)量等級不同，將按照質(zhì)量等級較重的放在質(zhì)量等級較輕的上方（即“重壓輕”）的原則分配堆存箱位。

（2）出口集裝箱裝船作業(yè)。船舶靠泊后，場橋將出口集裝箱從箱區(qū)堆垛箱位裝卸至港口內(nèi)集裝箱卡車（以下簡稱“內(nèi)集卡”），再由內(nèi)集卡轉運至岸橋處進行裝船。在裝船目標箱的選擇時，港口管理方按照預配船圖順序，組織內(nèi)集卡進行轉運裝船。若目標箱需翻箱，則放至同貝位其他箱位;若同貝位其他箱位皆堆滿，則堆放至下個相鄰貝位最近箱位。

1.2 普通型出口集裝箱堆存方案問題分析

（1）由于集港作業(yè)遵循“遠壓近，重壓輕”的原則，出口集裝箱區(qū)各箱位的頂層集裝箱往往是目的港較遠、較重的箱子，這壓縮了后續(xù)進港出口集裝箱的可選箱位空間，易造成分配貝位尚未堆滿，進箱已經(jīng)無合適箱位可以堆放的困境。此時，若使用新的空箱位進行堆存，將占用堆場更多堆存空間，降低了箱區(qū)利用率;若隨意在分配貝位中進行堆放，則必然導致后續(xù)裝船作業(yè)時需要翻箱。

（2）在箱區(qū)將不同目的港和質(zhì)量等級的出口集裝箱混放，不僅會增加港口方的管理難度和調(diào)度成本，還會降低堆場堆存與船舶配載情況匹配度，導致堆場翻箱率較高，或會使得出口集裝箱裝船順序、堆存位置與預配船圖不一致。

（3）未采用出口集裝箱預約模式，集港外集卡時間隨機性很大。進港高峰時段易造成港口進場道口、出場道口、緩沖箱區(qū)和外部道路車流擁堵。

2 改進型出口集裝箱堆場堆存方案設計

2.1 集港作業(yè)堆存方案設計

定義以下堆場堆存方案設計相關參數(shù)：

Q為船舶計劃出口集裝箱數(shù)量; P為分類集裝箱數(shù)量; R為所占用出口集裝箱堆場箱位數(shù)量; k為出口集裝箱箱區(qū)利用率;L為集裝箱尺寸，l為集裝箱尺寸分類數(shù)量;M為集裝箱目的港，m為集裝箱目的港分類數(shù)量;N為集裝箱質(zhì)量等級，n為集裝箱質(zhì)量等級分類數(shù)量;b為集裝箱貝位;r為集裝箱排數(shù);h為集裝箱層高。集港作業(yè)時，外集卡預約出口集裝箱進箱時間段，預約平臺合理設置時間間隔，有效減少進港作業(yè)的不均衡性。按照計劃裝船集裝箱的3項屬性信息（尺寸、目的港、質(zhì)量等級）分類，得出集裝箱數(shù)量表達式，見式（1）。

式中：P（L，M，N）為按尺寸、目的港、質(zhì)量等級分類箱量，L∈（1，l），M∈

本文以箱位為分配單元，3項屬性信息相同的集裝箱在同箱位進行堆放，屬性信息不同的集裝箱可以同貝位、不同箱位進行堆放。集裝箱堆場的堆存方式采用堆5過6，箱位最高層高為5。已知各類集裝箱數(shù)量和層高，可得各類集裝箱堆存的所需箱位數(shù)，將其依次相加，即為出口集裝箱堆場占用箱位所需的總分配區(qū)域面積，見式（2）。

出口集裝箱箱區(qū)堆場的利用率計算公式為

通過分析式（1）～式（3）可知，Q越大，則S越大。在當前集裝箱船大型化的背景下，改進型堆存方案作業(yè)可有效地發(fā)揮其優(yōu)勢。改進型出口集裝箱集港作業(yè)程序流程見圖1。

當外集卡攜箱進場后，將貝位b、排數(shù)r都賦值為1。判斷進港集裝箱與頂層集裝箱的3個屬性值是否一致：若一致，則將此箱區(qū)設置為目標箱位，場橋進行放箱作業(yè);若不一致，則繼續(xù)搜尋下一排位置。判斷搜尋箱位的排數(shù)r、層高h數(shù)值，當r≠10且h≠5，則將此箱區(qū)設置為目標箱位，場橋進行放箱作業(yè);當r=10或h=5，則繼續(xù)搜尋下一排位置，直至確定目標箱位。當h=0，場橋進行放箱作業(yè)。

2.2 裝船作業(yè)堆存方案設計

定義以下堆場堆存方案設計相關參數(shù)：J為裝船作業(yè)優(yōu)先級;Z為當前箱位的集裝箱裝船作業(yè)優(yōu)先級。本文將集裝箱的尺寸、目的港、質(zhì)量等級3項屬性各分為3類，在裝船作業(yè)時，尺寸短、目的港距離遠、質(zhì)量等級高的集裝箱優(yōu)先裝船，放置于尺寸長、目的港距離近、質(zhì)量等級低的集裝箱下層，以便后續(xù)靠泊港的裝卸作業(yè)，增加船舶整體穩(wěn)定性。出口集裝箱裝船作業(yè)堆存方案見表1。

集裝箱尺寸L、目的港M、質(zhì)量等級N三者的乘積為作業(yè)優(yōu)先級J值。

集裝箱的尺寸、目的港、質(zhì)量等級的值越大，其作業(yè)優(yōu)先級越高。按照表1，出口集裝箱的裝船作業(yè)順序由作業(yè)優(yōu)先級決定，作業(yè)優(yōu)先級高的先裝船作業(yè)。改進型出口集裝箱裝船作業(yè)程序流程見圖2。

當內(nèi)集卡進場裝船作業(yè)時，作業(yè)優(yōu)先級J（L，M，N）由高到低依次裝船，將貝位b、排數(shù)r都賦值為1。當b<20且r<10，比較當前箱位優(yōu)先級J（L，M，N）與Z大小。若Z

3 基于Plant Simulation的出口 集裝箱堆場堆存方案建模

運用Plant Simulation軟件構建堆場堆存仿真模型。為了真實反映實際生產(chǎn)特點，將仿真系統(tǒng)根據(jù)功能劃分成4大模塊，各模塊功能和Method對象作用見表2。

3.1 初始定義模塊

初始定義模塊實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的初始化設置，在仿真模型開始運行時被激活調(diào)用。該模塊包含4個Method對象，主要有以下6個功能：

（1）出口集裝箱堆場的平面布局;

（2）出口集裝箱屬性信息的設置;

（3）箱位層高標識;

（4）作業(yè)機械運行參數(shù)的設置;

（5）外集卡進箱時間概率分布;

（6）系統(tǒng)重置。

3.2 作業(yè)控制模塊

作業(yè)控制模塊實現(xiàn)了普通型和改進型堆存方案的流程控制。該模塊包含4個Method對象，主要有以下5個功能：

（1）出口集裝箱集港的作業(yè)控制;

（2）出口集裝箱裝船的作業(yè)控制;

（3）場橋的運行控制;

（4）內(nèi)集卡、外集卡目標貝位的對位;

（5）預約出口集裝箱的比例設置。

預約箱比例設置：通過Method對象對模型的出口預約箱數(shù)量實現(xiàn)任意比例的設置。當預約箱比例變化時，集港外集卡時間規(guī)律也將自動更新，集裝箱不同箱型生成仍保留隨機性，保證了與現(xiàn)實港口作業(yè)過程的一致性。紅線傳感器設置：按照出口集裝箱區(qū)布局結構，在內(nèi)集卡、外集卡和場橋運行的車道上等間距地設置紅線傳感器。當內(nèi)集卡、外集卡和場橋經(jīng)過任意箱區(qū)貝位，都會觸發(fā)紅線傳感器，實現(xiàn)了對運輸機械和集裝箱位置的精確控制。場橋和小車運行控制：根據(jù)作業(yè)指令，完成場橋箱區(qū)行駛和目標箱吊起、堆放的控制。

3.3 設備驅動模塊

設備驅動模塊根據(jù)堆存模型設備運行的參數(shù)和設定條件，觸發(fā)仿真過程的輸出事件。在集港進箱作業(yè)數(shù)量達到設定閾值上限值后，切換至裝船作業(yè)。該模塊包含2個Method對象，主要有以下3個功能：

（1）進箱外集卡到達箱區(qū);

（2）裝船內(nèi)集卡到達箱區(qū);

（3）作業(yè)階段的切換。

3.4 記錄和統(tǒng)計模塊

記錄和統(tǒng)計模塊通過輸入表文件和預設全局變量的方式，對模型運行作業(yè)數(shù)據(jù)進行跟蹤、記錄和統(tǒng)計。在堆場模型運行時，可調(diào)用作業(yè)任務表和集裝箱位置信息等數(shù)據(jù)。

4 仿真分析

4.1 模型作業(yè)條件假設

天氣環(huán)境、外集卡進港時間、船舶開靠周期、船舶裝卸集裝箱箱量等外部條件因素會對作業(yè)造成影響;港口的不同裝卸工藝、堆場結構布局等內(nèi)部條件因素會對裝卸流程產(chǎn)生影響。本文依據(jù)集裝箱堆場的普遍運行工況和規(guī)律，作出以下假設。

（1）集裝箱堆場裝卸工藝系統(tǒng)選用岸吊――集卡――輪胎式龍門吊工藝系統(tǒng)[2]，集裝箱進場裝卸遵守“先到先服務”原則（FIFO）。

（2）在船舶到港前，已知到港時間及將要裝載的集裝箱尺寸、目的港、質(zhì)量等級等屬性信息。

（3）預約集裝箱集卡按照規(guī)定時間進港，無駕駛或道路原因造成的晚點情況，進港放箱和提箱的時間間隔具有均勻性。非預約集裝箱集卡的時間間隔具有不確定性，進港順序無法事先確定。

（4）集裝箱港口采用進場閘口與出場閘口分別位于堆場兩側的布局方式。外集卡知曉場內(nèi)道路布局，在作業(yè)完成后迅速離港。

4.2 非預約出口集裝箱集港時間分布曲線擬合

非預約出口集裝箱的集港時間隨機性較大。本文以上海港某碼頭靠泊的集裝箱班輪為例，收集和分析了3個航次的出口集裝箱外集卡數(shù)量。將各時間段的出口集裝箱數(shù)量分別取均值，擬合集港時間的分布曲線。各時段外集卡出口集裝箱進港放箱數(shù)量匯總見表3。

出口集裝箱集港與時間序號/段關系見圖4。

運用MATLAB軟件對外集卡集港時間分布曲線進行擬合，求得非預約情況的出口集裝箱集港與時間序列的多項式方程。

4.3 改進型堆存方案對出口集裝箱作業(yè)效率的影響

運用Plant Simulation軟件分別對普通型和改進型出口集裝箱堆存方案下的堆場作業(yè)流程進行仿真。

集港集卡分布離散程度通過樣本方差來描述。樣本方差是總體各單位變量值與其算術平均數(shù)的離差平方的平均數(shù)，具體表達式為

式中：2為指樣本方差，2值越大，表示該模型下外集卡集港時均衡性越低; xi為時間變量，在集港作業(yè)仿真時，記錄每輛外集卡進港時間，并計算出各相鄰外集卡進港的時間間隔;? 為時間樣本均值，指外集卡進港時間間隔的均值;?n為總體例數(shù)。

分別對普通型堆存方案模型和改進型堆存方案模型進行仿真。通過樣本方差2分析預約箱比例與集港外集卡進港均衡性間的關系，通過箱區(qū)利用率分析不同堆存方案下的箱區(qū)空間占用情況。集港外集卡不同堆存方案、預約箱比例的數(shù)據(jù)比較見表4。

從表4可得，普通型堆存方案樣本方差2 數(shù)值高，其作業(yè)均衡性較差，箱區(qū)利用率較低;而改進型堆存方案樣本方差2數(shù)值與預約比例正相關，其作業(yè)均衡性較強，箱區(qū)利用率較高。在集港作業(yè)中，普通型堆存方案采用“遠壓近，重壓輕”原則，所以較多5層高的箱位未能堆滿;采用改進型堆存方案可有效提高集裝箱堆場的作業(yè)均衡性，實現(xiàn)精細化分類堆放，有效提高出口集裝箱區(qū)利用率。

5 結 語

改進型出口集裝箱堆場堆存方案是以集港作業(yè)、裝船作業(yè)為核心，結合集裝箱分類、集卡預約等物流信息，運用Plant Simulation仿真軟件建模，實現(xiàn)出口集裝箱堆存方案的優(yōu)化。改進型出口集裝箱堆場堆存模型的運用有利于港口提升堆場的作業(yè)效率和箱區(qū)利用率，增加外集卡進港作業(yè)均衡性，降低集裝箱翻箱率。

參考文獻：

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