万州港江南集装箱码头设备配置仿真建模研究

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(武汉理工大学 物流工程学院，武汉 430063)

随着现代物流的不断发展，港口内部物流效率的高低不仅影响到了港口本身的竞争力，还影响到以港口为基本结点的整个运输链的效率。提高集装箱码头物流运作效率的途径之一就是购置或更新各种装卸设备。但是，由于集装箱码头的装卸设备都比较昂贵，所以一般不能通过无限制购进设备来满足箱量需求和提高码头服务水平。因而许多集装箱码头为提高管理水平和物流效率，采取的重要措施就是对现有资源(泊位、桥吊、龙门吊、集卡等)合理配置来提高码头的装卸效率[1]。

万州港地处长江中上游结合部，三峡库区腹心地带，素有“川东门户”之称，三峡库区形成后，万州港作为库区最大的枢纽港口，在长江干线上起着承东启西的作用。据预测江南集装箱码头吞吐量2010、2015、2020年分别为21万、32万、43万TEU，而现有的集装箱码头设备配置已经不能满足装卸作业量逐年增加的要求。考虑在不增加设备配置的基础上，通过构建一个包括泊位、桥吊、龙门吊和集卡的闭排队网络模型较为全面地描述集装箱码头装卸系统，运用Matlab仿真技术模拟计算码头装卸系统的运行指标，以达到码头设备配置效率最优的目的，最大限度地满足装卸作业量的增加。

1 闭排队网络模型

在集装箱码头设备配置的闭排队网络模型中，桥吊、龙门吊和集卡的行走时间不能采用一般的分布进行很好的拟合，而闭排队网络乘积形式的求解，一般都要求各节点的服务时间服从负指数分布。因此，采用估算均值法计算闭排队网络的性能指标，并通过性能指标优化集装箱码头设备配置。

1.1 模型的特点

1) 顾客是集卡。为了描述集卡的水平运输时间，虚设一个路径节点，并假设路径节点的服务台数为无穷，其服务时间均值是集卡的水平运输时间均值[2]；

2) 网络共三个节点，桥吊节点、路径节点和龙门吊节点；

3) 集卡在闭排队网络中的路径链为:桥吊节点服务结束后，集卡以转移概率1进入路径节点；龙门吊节点服务结束后，集卡以转移概率1进入路径节点；路径节点服务结束后，转移到桥吊节点的集卡是载有出口集装箱的集卡，其转移概率为r21,转移到龙门吊节点的集卡是载有进口箱的集卡，其转移概率为r23；

4) 闭排队网络中既没有进场外卡到达，也没有内卡离开系统。

1.2 假设条件

1) 网络可达到稳态；

2) 各节点服务时间相互独立，但服务时间分布不限；

3) 顾客转移概率独立。

1.3 模型符号说明

在介绍模型输入参数之前，首先说明模型所用符号含义:

Si网络中节点的平均服务时间，i= 1,2,3，分别代表桥吊、路径、龙门吊。

σi各节点服务时间标准差；

Ci各节点的服务台数；

ri集装箱从节点i转移到节点j的概率，有：

(1)

Ai节点i的总到达率

(2)

1.4 集装箱码头设备配置优化

不同桥吊、龙门吊和集卡的配比得到的桥吊、龙门吊的利用率和集卡等待时间各不相同。由于桥吊是集装箱码头设备中最昂贵的装卸机械，因此，码头的管理者更为关心的是桥吊的利用率指标。所以，在集装箱码头设备配置优化时，首先要满足桥吊合理的利用率。采用估算均值法分别计算不同桥吊、集卡、龙门吊配比下的系统性能指标，满足桥吊利用率的最小龙门吊和集卡配比即为集装箱码头的最优设备配比[3]。最优设备配比的计算流程如下:

1) 赋初值C1=1，C3=1；

2) 根据式(2)计算闭排队网络各节点相对达率；

3) 令H为集卡台数，采用估算均值分析法计算h从1～H的闭排队网络系统性能指标；

4) 在C1和C3的变化范围内，依次改变。C1和C3的值，计算不同桥吊、集卡和龙门吊比例下系统性能指标；

5) 根据桥吊节点、龙门吊节点利用率，按照集装箱码头设备配置优化目标，求解最优的桥吊、集卡和龙门吊配比。

2 应用

万州港江南集装箱码头主要技术参数见表1。

表1 万州港江南集装箱码头主要技术参数

根据江南集装箱码头主要技术参数可以得到闭排队网络中桥吊、集卡和龙门吊节点的平均服务率为:

(μ1μ2μ3)=(0.244 5 0.693 9 0.343 3)

各节点服务时间的标准差为

(σ1σ2σ3)=(101.430 0 25.882 0 93.004 0)

顾客转移概率为：r21=0.54,r23=0.46

桥吊台数为1；集卡的变化范围为1～6；龙门吊的变化范围为1～4。

将上述已知条件输入到以MTALab软件编程建立的闭排队网络集装箱码头设备优化仿真模型中，结果见表2。

表2 桥吊、龙门吊计算仿真结果

续表2

从表2可以看出，桥吊利用率大于0.900 0的最小桥吊、集卡和龙门吊配置是(1,3,1)，在桥吊为1台，集卡为3台，龙门吊为1台的情况下，桥吊和龙门吊节点的利用率分别为0.941 7和0.572 1。由此可以得出在此闭排队网络系统中，1个桥吊配置3台集卡，1台龙门吊可以使系统中某一个桥吊的利用率达到设计要求，并且使得设备配置最优，以节约装卸设备配置费用。

3 结论

装卸设备的优化配置是集装箱码头作业的核心内容之一，是影响码头作业效率的关键因素[4]。通过对万州港江南集装箱码头的设备配置进行分析，经过合理的简化建立了闭排队网络模型，从系统的角度研究了集装箱码头装卸设备的优化配置问题，并运用MATLab仿真技术，计算得出了桥吊、龙门吊、集卡的合理配比结果，达到了最大限度的利用现有资源的目的。本文研究成果在万州港江南集装箱码头取得良好的实际效果，具有一定的推广价值。

[1] 张新艳,张 煜,王少梅,等.基于虚拟现实的港口集装箱码头装卸系统仿真建模技术[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2001,25(4)：470-473.

[2] 彭传圣.集装箱码头前沿设备配置数量研究[J].集装箱化，2005(7)：23-27.

[3] 李建忠.码头堆场龙门起重机动态配置优化模型[J].交通运输工程学报.2005,5(1)：70-74.

[4] 沙 梅.集装箱码头物流系统建模与仿真综述[J].上海海事大学学报，2005,26(1)：6-12.