基于Flexsim的集装箱码头物流作业系统建模与仿真

侯东亮

摘 要：为提高某港口集装箱码头物流作业系统中关键设备的运作效率，建立了基于Flexsim的物流作业系统仿真模型。通过模型仿真给出了一定条件下岸桥、场桥和集卡之间的关系。结果表明，该仿真方法可用于集装箱码头物流系统中存在的瓶颈设备进行分析和优化，具有较高的应用价值。

关键词：集装箱码头；物流系统；Flexsim；系统仿真

中图分类号：U169.6 文献标识码：A

Abstract： In this paper， a simulation model of the logistics system based on Flexsim was built in order to improve the operational efficiency of the logistics system of the container ports， though which we identified the relationship among quay cranes， yard cranes and container trucks. The result shows that this simulation method can be used to identify bottlenecks in the container terminal logistics system. It will be has a higher application value.

Key words： container terminal； logistics system； Flexsim； system simulation

0 引 言

集装箱码头作业系统是一个复杂的离散事件系统，因其作业过程中受内外不确定因素的影响，整个物流系统具有一定的随机性和离散性。为了提高整个系统的作业效率，资源优化与配置显得尤为重要。资源优化配置的方法很多，主要体现为运筹学方法、启发式方法和仿真模拟方法[1-2]。由于系统的离散型和随机性，资源的优化与配置往往很难用精确的数学模型来表达，比较适用于仿真方法来进行描述和优化[3-4]。在众多的仿真建模方法中，Flexsim作为新一代离散事件系统仿真的有效工具，不仅建模过程快捷，而且还提供了丰富的对象（如运输机、堆垛机等）和3D模型导入功能。3D模型可形象、逼真地表现出整个物流系统，为系统的规划设计或资源配置优化提供了有效的可视化手段。

本文针对某港口集装箱码头物流系统运作现状，在此基础上，利用Flexsim仿真软件建立集装箱码头物流系统仿真模型，通过仿真找出系统中存在的瓶颈环节，试图为企业相关人员在资源优化配置方面提供决策支持。

1 某港口集装箱码头物流系统作业流程

本文所建立的仿真模型只考虑堆场作业、水平运输以及船舶装卸三个子系统，如图1所示。由于将集装箱进出港的作业并入水平运输系统，故暂不考虑大门检疫系统中的作业流程。图1中，①代表船舶装卸系统，②代表水平运输系统，③代表堆场作业系统。具体作业流程如下：

（1）对于进口集装箱，船舶到港后进入泊位停靠，集卡到达岸桥后，岸桥提取集装箱放于集卡，集卡按照一定的路径驶入堆场，场桥将集装箱卸下并堆垛于指定的垛位上。

（2）对于出口集装箱，则物流流程恰好与进口集装箱相反。

2 基于Flexsim的某港口集装箱码头物流系统建模

2.1 模型假设

为便于系统建模与分析，做如下假设：

（1）集装箱船舶到港，集卡的到达、装卸、离开，可以看作是一个单队列多服务台的排队系统[5]，采用先到先服务的排队规则。

（2）集装箱船舶在泊位作业时间服从二阶爱尔朗分布、岸桥装卸、场桥装卸以及集卡等待所用时间符合离散均匀分布[6-7]。

（3）集装箱统一定义为20ft标准箱，不考虑特种箱的装卸。

（4）集卡在场内行走的路径固定。

2.2 建立仿真模型

根据以上分析，本文所建立的某港口集装箱码头物流系统仿真模型及运行图，如图2所示。

该模型包括堆场装卸模块、水平运输模块（集卡的运输）和船舶装卸模块三部分。其中堆场装卸模块的装卸设备为场桥，其数量为2台，主要负责3个箱区的进出口集装箱的装卸；水平运输模块的运输设备为集卡，其数量为8辆，其中4辆集卡负责运输进口集装箱到堆场相应箱区的贝位内，另外4辆集卡负责运输出口集装箱到船舶所在的泊位處；船舶装卸模块的装卸设备为岸桥，其数量为2台，主要将进口集装箱从船舶上相应的箱位上卸下并装载到集卡上、将出口集装箱从集卡上提取并卸载到船舶上相应的箱位上。

3 仿真实验过程及结果分析

3.1 仿真实验

针对某港集装箱码头的实际作业环境，本次实验共设置泊位数2个、岸桥2台、场桥2台、集卡8辆，仿真时间设置为

4 800min。

仿真中用到的随机事件的分布函数见表1所示。

3.2 仿真结果输出与分析

本次实验仿真运行80小时（仿真时间），得到了如下两点结论：

（1）表2所示为多次仿真后，集装箱码头物流系统各装卸、运输设备停留时间、吞吐量及作业效率统计情况。从表2中数据可以看出，场桥2的吞吐量和利用率很低，是整个集装箱码头物流系统的瓶颈环节，需要对其进行优化配置。各集卡的平均等待时间约为4分钟，最大等待时间约为17分钟（集卡7的停留时间：1 042.82s），最小等待时间约为2分钟，这主要是由装卸设备（岸桥、场桥）的利用率比较低造成的，与该码头当前实际生产数据基本吻合。

（2）多次仿真的船舶出口集装箱数量平均为489TEU，进口集装箱数量平均为201TEU，船舶在港平均停留时间为5.7小时，最大停留时间为10.2小时。仿真结果与该码头船舶实际作业时间大致相符，说明仿真方法具有一定的可参考性。

4 结束语

本文根据某港口集装箱码头物流系统的实际作业现状，通过合理的简化建立了基于Flexsim仿真模型，根据实际情况选择仿真中随机事件的概率分布函数并设置了相关的参数。实验结果表明，场桥的作业效率较低，是整个物流系统的瓶颈环节，这与该码头实际作业情况基本相符，证实了基于Flexsim仿真建模方法在集装箱码头物流系统中应用的可行性。进一步研究将针对物流系统中的瓶颈，运用优化方法进行场桥的合理配置，使岸桥、场桥和集卡三者有机地协调，最大限度地提高集装箱码头物流系统的整体效率。

参考文献：

[1] 蔡芸，霍永忠. 集装箱港口物流系统仿真和优化研究综述[J]. 系统仿真学报，2009，21（8）：2119-2124.

[2] 毛钧，李娜，靳志宏. 基于混堆模式的集装箱码头堆场空间资源配置优化[J]. 大连海事大学学报，2014，40（1）：117-122.

[3] 付强，仲丛友. 基于HTCPN的集装箱码头物流系统建模与仿真[J]. 物流技术，2014（5）：419-421.

[4] 金淳，邓玲丽，高鹏. 集装箱港口作业资源配置的分布式仿真优化方法[J]. 系统管理学报，2011，20（3）：363-369.

[5] 林娜青，翟晓燕. 基于Flexsim的多服务台集装箱码头系统仿真与优化[J]. 物流技术，2013，32（9）：413-415.

[6] 王建华，吕靖，周丽丽，等. 集装箱码头物流系统仿真[J]. 大连海事大学学报（自然科学版），2009，35（4）：47-51.

[7] 吕靖，宫晓婞，周丽丽. 基于Witness集装箱码头物流系统仿真分析[J]. 水运工程，2010（5）：83-88.