基于Arena的集装箱堆场免堆存期动态调整

赵珊珊，楚 行,黄永燊

（1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.天津港太平洋国际集装箱码头有限公司，天津 300463）

基于Arena的集装箱堆场免堆存期动态调整

赵珊珊1，楚 行2,黄永燊1

（1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.天津港太平洋国际集装箱码头有限公司，天津 300463）

随着港口吞吐量的快速增长，对码头有限资源设施有效利用是港口避免压船压港现象发生的关键。对于集装箱码头，堆场运作效率的高低直接影响港口的整体运作效率和国际竞争能力。通过借助仿真软件Arena对集装箱码头堆场进行仿真建模，运行仿真软件对基于免堆存期动态调整堆场利用效率的输出结果进行统计分析，确认仿真模型的有效性。并对集装箱堆存策略变化前后进行仿真，将结果进行统计比较，以期为堆场决策管理提供指导意见。

集装箱码头；堆场；Arena仿真；免堆存期

1 引言

集装箱码头是港口资源的重要集散地，集装箱堆场作为集装箱码头物流系统中的重要部分，合理有效地组织堆场运输，逐渐成为提高整个集装箱码头系统效率的主要环节。王孟昌［1］利用模拟退火算法与仿真结合，对堆存策略进行优化；杨枚［2］采取启发式优化算法建立堆场优化模型，制定堆场管理策略；钟慧玲［3］利用仿真软件Flexsim建立集装箱堆场仿真模型，研究以平面箱位为分配单元的改进型堆存策略。辜勇［4］分析了集装箱堆场仿真建模的排队理论，采用em-plant平台建立了集装箱堆场的仿真模型等。

当前研究大多从箱位分配的角度研究集装箱堆场堆存策略，并未考虑集装箱堆场的免堆存期，集装箱码头免堆存期是指集装箱到达目的港后可以免费在码头堆存的天数，免堆存期长短将影响集装箱码头的装卸效率和堆场利用率。再加上集装箱船进场的随机性，堆存计划的不确定性，实际箱位分配方案往往会偏离相应的堆存计划，致使堆场作业效率降低，影响装船效率。因此，在将运输条件设定为理想化下，通过探讨港口集装箱堆场免堆存期动态调整的优化研究，以期提高集装箱

堆场的运作效率。

2 问题描述及条件假定

基于集装箱码头系统的复杂性，将其余相关系统进行简化或理想化处理。将集装箱堆场内所能涉及到免堆存情况的箱体进行分类汇总，结果显示：堆场中的堆载箱大部分是由船上卸下，等待货主提箱疏港的集装箱。因此本模型中忽略其余转船箱，并将整个集装箱堆场内的箱体分为两类，一类是堆场内可涉及到堆存期问题的箱体，称为Container，另一类是与第一类抢占堆场空间资源及装卸机械的箱体，称为Container1，其同第一类箱体会产生堆场空间资源与机械资源占用，但由于其快速集输港的特性，又不同于Container箱类会长久占用堆场空间资源。并且假定堆场内进出码头的箱体全部为20TEU标箱，同时集装箱在疏港时除占用装卸机械外，不占用其他任何资源，而且整个过程中不存在线路上的拥挤与排队。

3 集装箱码头堆场堆存仿真建模

3.1 变量设定与算法设计

基于上一节的描述，现将该Arena模型所涉及到的变量及其所代表的含义陈述如下，见表1。

表1 Arena模型元素设定表

同时将模型的基本运行过程以图表形式表达如下，如图1所示。

图1 Arena堆场模型逻辑流程图

在图1中，假设系统在设定条件下运转。作为堆场各项资源的主要占用实体，集装箱以两种特殊状态作为竞争对手分别进入堆场，即堆存期相关箱Container和干扰箱Container1，两者随机产生且互不相干，当其到达堆场外围后，系统会自动检测集装箱卸箱机械，即轮胎吊（模型中设定为2个）及堆场内空间资源是否有空闲状态存在，如若存在便会根据先到先得的原则进行进场卸箱堆存。

当两类集装箱进入堆场后，根据先前的设定条件，在其堆存时间到达后进行疏港。在这一步流程中，作为模型干扰箱的Container1箱体堆存时间相对较短，即其相对于同时进场的堆存期相关箱Container先行疏港，提前释放堆场空间资源，且优先占用装箱机械（模型中设定为2个）。但由于港口系统运作的连续性，模型中的两种箱体并不是一一对应出入的。因此，干扰箱在出场时也需要对装箱机械是否空闲进行预判，当出场装卸机械处于空闲状态时，才可进行后续出场操作，否则需要进行排队等待。堆存期相关箱Container的出场原理与流程同上［5-7］。

3.2 Arena建模过程

假设模型中箱体Container与集装箱堆场免堆存期相关，其到达规律即到达间隔时间服从指数EXPO（3）分布；而抢占资源的干扰箱Container1的箱体到达间隔时间服从指数EXPO（2）分布，两者基础单位均为分钟（minute），并且箱体到达时间设定为仿真时钟当前值，同时每个箱体不分种类，到达堆场后装卸箱操作过程都服从均匀UNIFORM（3,5）分布。此外，模型单独设计卸箱机械龙门吊machine两台，服务于进场卸箱流程，操作过程服从延迟为TRIANGULAR（1,2,3）情况下的三角分布，基础时间为小时（hour）。本模型最终箱体离港部分不考虑路线及时间问题，模型流程［8］如图2所示。

图2 集装箱堆场Arena仿真模型

3.3 模型检验与验证

仿真模型的“热身”时间为0。为了符合实际情况，本模型将仿真长度定为350d，即仿真周期为一年，每天的工作时间设置为24h。模型的最终运行结果见表2（具体仿真模型输出指标值因篇幅有限略）。

表2 Arena仿真模型运行结果指标

如上所示，此模型可运行到底，且得到最终结果，模型不存在语法和逻辑错误，模型验证完毕。

4 集装箱码头堆场堆存优化分析

4.1 对比方案设计

当港方决定调整堆存期收费策略后（假设为缩短堆存期及调高各类箱体的堆存价格），首先会加快港区堆场内的箱体流动速度，同时对于竞争比较激烈的港口，港方可能会产生货源流失的现象。在Arena仿真模型中将通过调整堆存期相关箱Container模块中的参数来表现箱体货源的流失。如实验组将Container产生模块中的Delay时间由EXPO（3）修改为EXPO（3.1），延长箱体到达的间隔时间，以实现进场箱量的减少。

那么根据同样的原理，堆存期政策的改变可以通过调整集装箱堆存时间模块Container Yard Capacity的参数予以实现。对于加快疏港速度情况下，也可以通过修改其操作Delay Time实现。在出港操作模块里，基于整个模型的假设及参数设定，将Container箱型的出场操作间隔时间由TRIANGULAR（1,3,5）更改为TRIANGULAR（0.8,2.5,4.5）。

4.2 Arena模型运行结果分析

将对比组与实验组的基础假设条件与数据分别输入Arena软件，依次运行并收集最终的统计报告结果，并将集装箱码头堆场最关注的几个方面变化进行统计比较，见表3。

表3 仿真模型实验结果统计与对比

通过分析表3对照组与实验组的仿真结果可得，将Container Yard Capacity Delay Time（港口堆场免堆存期）缩小13.33%后，同时设定集装箱堆场年通过量减少3.33%，整个堆场系统的集疏运速度加快，年吞吐量只减少1.28%，这是由于港口系统的连续性造成的。但是，集装箱在堆场处的总体停留时间减少，数值为8.79%，其流转速度增加，减少了货主用箱的压力；场内龙门吊装卸机械利用率有所降低，进出口机械利用率的降幅分别为1.26%、1.31%，虽然因此增加了空闲时间，但也延长了机械利用时间，对于整个系统来说是利大于弊的。另外，集装箱堆场的排队现象明显减少，其数值达到了99.82%，排队等待的减少预示着可以为客户提供更优质的服务，进而提高集装箱码头的运作效率。

5 结束语

将提高集装箱码头堆场利用效率作为目标，研究港口堆场堆存期策略，并以整个集装箱堆场的运转过程为研究对象，运用Arena仿真模型研究了堆存政策调整前后的整个运转过程及主要考察指标的最终变化，分析变化前后对于集装箱码头运转的影响。虽然在构建堆场仿真模型时进行了简单化处理，即假设各种约束条件、运作指数以及在理想环境下简化堆场运作过程，但是整个仿真过程对于堆场系统中的重要运转部分还是进行了突出并尽力设计，以接近现实状态，研究结果证明该模型可以被运用到港口运转研究探讨中，尤其是在集装箱码头运作效率与资源利用方面。

［1］王孟昌.集装箱码头堆场箱位动态分配优化策略研究［D］.武汉：武汉理工大学,2007.

［2］杨枚.青岛前湾集装箱码头堆场管理策略研究［D］.大连：大连海事大学,2006.

［3］钟慧玲,欧仙群,张冠湘,等.随机集港的出口箱堆存策略设计与仿真［J］.上海海事大学学报,2012,33（1）：26-31.

［4］辜勇,董明望,刘洁涛,等.集装箱堆场仿真建模及其在堆场规划设计中的应用［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版）, 2007,31（4）：633-636.

［5］刘艳,周鹏飞,康海贵.集装箱堆场箱位分配模糊优化研究［J］.水运工程,2009,（11）：1-5.

［6］李锋.集装箱自动化堆场物流系统仿真与分析［D］.武汉：武汉理工大学,2005.

［7］郑红星,杜亮,董键.混堆模式下集装箱堆场箱位指派优化模型［J］.交通运输系统工程与信息,2012,12（1）：153-159.

［8］W David Kelto.仿真使用Arena软件［M］.北京：机械工业出版社,2007.

Dynamic Adjustment of Container Yard Free Storage Period Based on Arena

Zhao Shanshan1,Chu Hang2,Huang Yongshen1
（1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063；2. Tianjin Port Pacific International Container Terminal Co., Ltd., Tianjin 300463, China）

The operational efficiency of the container terminal and yard has direct bearing on the overall working efficiency andinternational competitivity of a port. In this paper, using the simulation program Arena, we modeled and simulated the container yard of aterminal, and analyzed statistically the output of the utilization efficiency of the yard based on free storage period dynamic adjustment to verifythe validity of the model. Next, we simulated the yard before and after its storage policy had been changed and compared the resultstatistically.

container terminal； yard； Arena simulation； free storage period

U169；F224

A

1005-152X（2016）09-0082-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.018

2016-07-21

赵珊珊（1993-），女，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：交通运输规划与管理。