基于EM-PLANT软件的铁路集装箱中心站装卸线仿真研究

代华凤 程文明 杨武成

西南交通大学，机械工程学院, 成都 610031

0 引 言

为提升铁路运输在综合交通中的竞争力，促进铁路集装箱运输向现代化、专业化和大型化发展，我国正大力促进铁路集装箱中心站的建设。铁路集装箱中心站系统作为一个典型的离散事件动态系统，在运营过程中由于许多随机因素的影响而表现出随机、离散的特点。文献[1]～[3]应用仿真技术结合算法以及排队网络模型，得到港口集装箱码头有关泊位分配和码头起重机调度问题的近似最优解，这些方法理念在对铁路集装箱中心站进行研究时值得借鉴。文献[4]～[6]运用计算机模拟仿真技术对铁路集装箱货场布局及物流现状进行讨论求解。文献[7]利用GPSS-F语言对铁路中心站的装卸线进行仿真研究，实现离散系统的动态模拟。文献[8]通过仿真建模对外部因素如何影响铁路集装箱中心站系统性能进行了研究。而对铁路集装箱中心站的核心—— 集装箱装卸线的研究却并不多。本文以某铁路集装箱中心站为原型，运用eM-plant软件对其现有的装卸线布局进行仿真建模，通过模型的运行、数据的分析，从中找出其运营规律，为铁路集装箱中心站整体性能的提高提供理论依据。

1 系统分析

1.1 概述

铁路集装箱中心站的装卸线作业依靠门式起重机对集装箱班列、各箱区和集装箱卡车中的集装箱进行装卸、搬运以及堆码。某铁路集装箱中心站采用8台 30m跨距的门式起重机实现全部的集装箱装卸活动。跨内区域划分为4个：①集卡作业区；②到达箱区；③发送箱区；④空箱区（见图 1）。结合现场实际，得出4个箱区在门式起重机下从左至右的6种布局方案：Ⅰ为①②③④，Ⅱ为①②④③，Ⅲ为①③②④，Ⅳ为①③④②，Ⅴ为①④②③和Ⅵ为①④③②。

图1 门式起重机下平面布局Fig.1 The layout under the gantry crane

1.2 模块化仿真

铁路集装箱中心站系统是由列车组、集装箱卡车、箱场和装卸机械等子系统共同组成的，对铁路集装箱中心站的研究，即研究各个子系统的相互关系、相互作用。分析各子系统的运行规律，结合eM-plant仿真软件，对各子系统建模。

（1）列车组生成子模块

由统计资料知，列车每天送进站场的集装箱数量可近似认为服从以μ、δ为参数的正态分布，发送列车有相似规律。其概率密度函数为：

式中，μ——每天列车平均送箱数量；

δ——均方差，与货物运输量的不平衡系数相关。

在eM-plant软件中，列车由Source对象产生，Transporter对象模拟（见图2），其分流由Singleproc中的退出策略实现（见图 3）。列车所装载的集装箱也由一个Source对象产生，由entity对象进行模拟。

（2）外卡生成子模块

汽车进出铁路中心站拉送集装箱是一类随机不定事件，即车流大小随着时间的不同而大不相同。许多铁路集装箱中心站的统计资料表明，汽车进入中心站的过程是一个泊松过程，因此接连进入集装箱中心站的两辆汽车之间的间隔时间t服从负指数分布，它的概率密度函数为：

式中：λ——汽车平均进站速率；

T——汽车平均进站间隔时间。

每天进出中心站的汽车总数也可近似认为服从正态分布。

在仿真模型中，外卡由Source对象按照给定初始参数在仿真周期内连续产生，Transporter对象模拟。汽车拉、送箱的分配由Singleproc中的退出策略实现。若为拉箱外卡，直接运送到主装卸区拉箱；若为送箱外卡，则装满货物后再运行到主装卸区进行卸箱。

（3）装卸子模块

在主装卸区，一切装卸作业包括列车与外卡，都是由门式起重机进行的。门式起重机的一个工作循环是指起重机将一个集装箱从一个位置ix搬运到另一个位置xj的过程当中各机构所需完成的全部动作。一般由空载水平到位t1、空载下降t2、对位紧锁t3、重载起升t4、重载水平到位t5、重载下降t6、对位松锁t7和空载起升t8共8个作业环节组成。即工作循环时间T为

查阅资料知，对位紧锁时间t3= 1 5s，松锁时间t7= 1 0s，空载上下起落时间t2=t8= 9 s，重载上下起落时间t4=t6= 3 0s。已知集装箱布局位置（见表1），则起重机的水平位移时间为

表1 各布局方案中各箱位坐标x(m)Tab.1 Coordinate of boxes in different layouts

在本文所建立的仿真模型中，门式起重机是由Transfer Station对象进行模拟的。当到达列车进入主箱场，门式起重机将列车上的货物卸到相应的箱区；当有外卡进入主装卸区拉箱时，门式起重机将集装箱装载到外卡上进行发送。

（4）堆场子模块

主装卸区的每一个箱区，箱区内的每一排箱位均由Buffer对象表示，Buffer的容量即每个箱区的容量，并且服从先进先服务的原则（见图 4）。需要指出的是，模型中各排箱区的物理位置不能代表其在实际布局中的物理位置，在 eM-plant中，要实现不同布局需要通过Method对象中程序语言的修改来实现物理位置的变化。

图4 堆场子模块Fig.4 Module of storage yard

（5）数据统计子模块

数据的统计是通过 Tablefile对象以表格的形式进行的。通过模型的运行，可以对门式起重机的行程、工作时间、工作效率以及到站列车数、发送列车数、到达集装箱数、发送集装箱数、到达箱区集装箱数、空箱区集装箱数、发送箱区集装箱数等进行统计。

整个模型中，集装箱列车和集装箱卡车的行驶轨道均由Track对象模拟。

2 仿真模型的建立

2.1 仿真流程图

要从这6种方案中选出效率最佳、性能最优的方案，需要对铁路集装箱中心站整个作业过程进行调查了解，在此基础之上，连接 eM-plant软件中各子模块建立整体模型。图5为建立仿真模型的动态模拟流程图。利用SimTalk仿真语言进行编程，控制模型按照预定策略运行，得出仿真结果。

图5 仿真流程Fig.5 Flow chart of the simulation

2.2 仿真模型

根据铁路集装箱中心站装卸线的作业流程及作业特点，建立仿真模型。

3 仿真结果分析

本文在建立模型时，不考虑装卸机械的故障问题，同时也忽略天气对铁路中心站站场的影响。到达列车与发送列车产生的时间间隔均为12h，外卡产生的间隔时间 24min，到达与发送列车的装载量为110TEU，列车与外卡的行驶速度均设置为1m/s。在四种情况下进行仿真，运行时间均为30天，仿真结果见表2。结果表明，六种方案都具有随着到达重箱∶空箱这一比例的减小，门式起重机的日均工作行程逐渐减少、日均工作时间逐步降低以及工作效率逐渐增加这一特点。这一特点在到达箱区远离车组位置布置时表现得尤为突出。

比较仿真结果，发现门式起重机下的最佳布局方案因分流比例的不同而不同。通过数据的比较分析，发现存在以下规律：到达重箱与空箱谁占的比例越高，在最优布局中的位置就越靠近车组位置。当它们所占比重较小时，在门式起重机下的位置就应远离车组所在位置。

表2 各种情况下门式起重机跨内各布局方案的仿真结果Tab.2 Simulation results of different layouts within the gantry crane under different situations

4 结束语

本文在实际调研的基础上，运用 eM-plant软件对某铁路集装箱中心站装卸线进行建模分析，在建模过程中进行了很多的简化，最终所得结论与定性分析相符合，即进行了模型的验证。通过修改模型有关参数，可以对其他的铁路集装箱中心站装卸线下的布局设计方案进行验证，为进一步提高铁路集装箱中心站运行效率提供决策参考。

今后，还需对模型进一步的完善，使之更贴近真实情况，为该铁路集装箱中心站乃至所有的铁路集装箱中心站装卸线布局的最优决策提供更科学的依据。

[1] Lee Der-horng，Wang Hui-qiu. Integrated discrete berth allocation and quay crane scheduling in port container terminal[J].Engineering Optimization，2011：597-613.

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[5] 李宗泽，程文明，吴晓，张则强. 铁路集装箱中心站装卸机械性能与布局研究[J]. 交通运输工程与信息学报，2005：101-1056.

[6] 王艳青，程文明，张则强. 基于eM-plant的铁路集装箱货场装卸系统仿真研究[J]. 起重运输机械，2008：7-12.

[7] 程文明. 铁路集装箱场货区布局的计算机模拟[J].西南交通大学学报，1994：506-511.

[8] PengGuo，WenmingCheng，Min Zhang. Simulation on the operation influence by external factors for railway container logistic center[J]. Logistic for Sustained Economic Development，2011：2915-2922.