集装箱码头多级智能闸口系统仿真建模

王瑞璐 舒 帆 金 毅

1 上海海事大学

2 上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

闸口作为码头与外部连接的关口，其通过能力会对码头的作业效率产生直接影响，是衡量码头陆运服务质量的关键因素之一。近年来，随着港口自动化和智能化水平的不断提高，如何结合自身特点进行闸口建设和改造成为亟待解决的问题。

国内外学者对此类问题的研究大致分成3类：控制集卡的到港时间或优化排队时间，建立数学模型管理集装箱码头的集卡；改变闸口结构模式，对闸口进行改进；对闸口通道进行配置优化，有效利用闸口通道资源。

关于控制集卡的到港时间或优化排队时间的研究较多。在众多研究中，建立模型再求解是较常用的一种方法。丁一等[1]运用排队论和逐点固定流体近似方法建立了一个多目标规划模型，并通过CPLEX求解模型，其模型可有效减小外集卡在码头的平均排队长度和集卡公司所期望到达的预约时间段与被调配到的预约时间段的差异；Zhang[2]等根据非平稳排队理论开发了一种新型模型，该模型可反映堆场起重机服务过程，提高集卡在闸口的等待时间的计算精度，优化集卡预约系统，减少码头拥堵现象；于蒙等[3]基于适应度值排序的自适应遗传算法优化了集卡预约额，将集卡在闸口和堆场的平均等待时间缩短5.57 min；Mohammad等[4]通过建立混合整数非线性规划并使用Lingo软件对其求解，创建一种新型卡车预约系统(TAS)，该系统可平均分配集卡到港时间，以缓解港口和堆场拥堵情况，还可以降低运输成本。随后，其他学者在该系统基础上对其进行改进。Liu等[5]基于混合整数非线性规划的多约束调度模型，提出一种两阶段的卡车预约调度算法，改进现有的TAS，结果显示受约束的TAS不仅可以解决闸口拥堵问题，还可以有效降低运营成本；Yu等[6]提出一种新的TAS形式，使得运输公司与码头运营商进行合作，实验表明合作模型的效率更高，可以更有效地解决闸口集卡拥堵问题；Caballini等[7]制定并实现了一种整数规划模型，用于解决使用TAS的集装箱码头的集卡规划问题，该模型可提高集装箱码头运作效率与资源分配。

改变闸口结构模式也是解决此类问题的有效方法之一。杨杰敏等[8]运用当前信息技术，设计了一种智能闸口信息采集系统，为自动化集装箱码头智能闸口设计提供了一种新思路；Zhang等[9]通过工厂仿真分别建立了集装箱码头单级闸口和多级闸口仿真模型，通过对比测试，得到多级闸口车辆平均等待时间比单级闸口短70.79%；Chu等[10]设计了一种最佳的闸口布局形式，考虑集卡到达率、登记口服务率和等待时间阈值，可缓解集装箱码头的拥堵问题。此外，结合港口自身特点对其闸口进行改造更具有现实意义；吴世恩[11]以南京港龙潭集装箱码头为例，对传统闸口进行智能化改造，可提高闸口进出效率；张传捷等[12]对洋山深水港自动化码头出场闸口进行优化，提出无人化闸口的方案，可提高闸口通过率。

针对闸口通道进行配置优化问题的研究文献较少。张玉[13]应用eM-plant仿真软件对集装箱三级闸口排队系统进行仿真建模，并对2种闸口通道分配方案进行对比；Wang等[14]为解决闸口拥堵问题，利用启发式算法，设计一种智能闸口可逆通道分配与调度的方法，并验证其可行性；舒开连[15]对广州港南沙港区三期进港闸口车道数进行对比研究，提出高峰系数法适合在南沙港区集装箱码头使用。

2 多级闸口系统的作业流程

2.1 闸口系统的功能

闸口系统管理码头的对外业务，即集卡的进出场作业。按照进出口属性，可将闸口系统处理的业务类型分为2类。对进闸口而言，分为出口箱集港、进口箱提箱2大类作业。相应地，与前2类作业对应的出闸口作业分为驶出空集卡的确认和驶出带箱集卡的确认。按照箱重属性，可在上述分类的基础上进一步叠加空箱、重箱业务类型。

在进闸口，要识别集卡的车牌号，识别集装箱的箱号并确认箱子的残损情况，确认业务的预约状态并与识别信息进行比对等，从而对集卡进行分流。除集卡、箱、信息一致之外，闸口的作业还受码头内场地机械作业情况的影响，按其繁忙程度控制闸口处车辆的通行。国内外码头的闸口形式多样，上述闸口系统的功能可以用单级或多级闸口予以实现。本文以多级智能闸口为主要研究对象，分析其作业流程。

2.2 多级智能闸口作业流程

智能闸口指采用无线射频识别(RFID)、光学字符识别(OCR)等技术对进港集卡进行车、箱信息读取与识别，根据集装箱预约信息和堆场作业情况，指示集卡前往目的堆场。形式上可以在单级闸口实现所有功能，也可将功能划分在多个闸口来实现。一种典型的多级闸口的作业流程见图1。

图1 集港进场多级智能闸口作业流程

2.3 多级智能闸口系统的特点

设置多级闸口，可以对进港集卡信息进行搜集和预处理，从而对集卡进行分流处理并及时调度，有效配置资源，以减少闸口拥堵现象，提高码头作业效率。对于问题集卡，可以快速引导其进入缓冲区等待，并完善相关手续或办理离港返回手续，避免闸口因问题集卡造成闸口业务办理停滞而出现拥堵问题，提高闸口通行率。

3 集装箱码头多级闸口仿真模型的构建

应用Plant Simulation仿真软件，构建多级闸口系统的仿真模型。

3.1 仿真模型前提假设

为构建模型，做如下假设：

(1)不特别设定超限箱、危险品、冷藏箱、大件等箱型。

(2)集装箱运送均通过码头闸口，且一车一箱。

(3)不受堆场内的堆垛顺序规则的约束。

(4)忽略堆场内移箱、翻箱、转场等作业以及集卡走错或在其他区域内的移动时间。

(5)在传统闸口系统部分，模型不考虑特殊通道以及问题或紧急车辆问题。

(6)模型考虑空重箱分开堆放的情形。

(7)设施设备稳定，不考虑其发生故障等不确定因素。

3.2 仿真模型基本参数

集装箱码头多级智能闸口系统是一个复杂的动态离散事件系统，为构建模型，根据某集装箱港口的1年运营情况，分析统计各项数据指标，统计得到多级智能闸口系统所需要的各区域随机事件分布规律如下：

(1)集卡到港时间间隔服从负指数分布，均值为20.7 s。

(2)空车在入口闸口处服务时间服从负指数分布，均值为40.1 s；重车在入口闸口处的服务时间也服从负指数分布，均值为55.2 s。

(3)集卡在出口闸口处的服务时间服从负指数分布，均值为30 s。

(4)重箱堆场服务时间服从经验分布(见表1)。

表1 重箱堆场服务时间分布

表1中参数指以49%的概率，返回在300～600之间的实数，作为后方堆场服务时间，其他数据同理，不再赘述。

(5)缓冲区服务时间服从经验分布(见表2)，含义同上。

表2 缓冲区服务时间分布

(6)空箱堆场服务时间分布基本服从于三角分布triangle(1,10∶00,5∶00,15∶00)。

(7)除上述时间分布的参数外，设定空重箱比重为1∶1。进港通道进入缓冲区的原因较多，比如业务未预约、实际箱号与预约箱号不符、无机械、特殊箱等，按照数据统计，设定20%的集港集卡进入缓冲区。提箱因为不涉及箱信息的比对、判断，因此设定10%的提箱集卡进入缓冲区。设定进闸口的通道数为7，出闸口的通道数为5。

3.3 仿真模型实现及验证

按照前述的流程，构建仿真模型基本结构，仿真模型主界面见图2。输入参数，并编写控制程序后，模型即可运行。

图2 仿真模型界面

以外集卡平均在港时间、闸口平均利用率、闸口作业车辆、进入空箱堆场数量、进入缓冲区数量、进入后方堆场数量、入口出口通道服务时间为评估指标，仿真模型运行1周的参数与某集装箱码头实际数据进行对比，各指标对比结果见表3。

表3 仿真模型结果对比

(续表3)

由表3可知，各项指标的误差率均在可接受范围内，所以，该仿真模型具有可行性，可以用于分析以这些参数为前提的集装箱码头多级智能闸口系统。

4 集装箱码头多级闸口仿真模型分析

4.1 多级闸口仿真模型瓶颈分析

对模型各项参数进行调整，可知多级智能闸口的瓶颈有2个主要参数:集卡到达的时间间隔；堆场的机械数量。若集卡到达的时间间隔变小或堆场机械数量变小，会导致模型多处出现拥堵问题。此时，道口大量集卡处于排队状态，入闸口通道近乎饱和，缓冲区、各类堆场的路径和作业区等也出现不同程度拥堵(见图3)。而出口闸口通道利用率极低，集卡排队时间大幅增加，码头作业效率降低。

图3 瓶颈参数造成系统拥堵

可见，目前码头逐渐兴起的预约制度，可在一定程度上保证集卡到达的时间间隔处于稳定的状态；而码头的机械数量则在一定程度上考验码头卸船、集港场地计划的优劣，过于集中的堆放势必造成场地机械数量的减少，从而影响集卡的闸口作业效率。

4.2 多级闸口与单级闸口对比分析

单级闸口指把多级闸口的功能并入1个闸口来完成，有问题的集装箱则进入缓冲区处理进行二次入闸。

4.2.1 闸口输出参数对比分析

建立单级闸口的模型，运行仿真程序后，得到单级闸口的输出参数见图4。

图4 两类闸口系统输出参数对比

由图4可知，单级闸口系统的集卡平均在港时间的增幅明显大于多级智能闸口，同时，在入口闸口处的利用率也有一定的增加，表明多级智能闸口与传统闸口相比，可以缩短集卡排队时间，减少闸口拥堵现象的发生。

4.2.2 缓冲区因素影响分析

从传统闸口改造的角度分析，假设码头改造采用单级智能闸口的形式，讨论缓冲区大小对闸口系统效率的影响。将单级闸口系统的缓冲区容量从20增加至80，再次运行仿真模型，输出参数见图5。由图5可知，当单级闸口缓冲区加大时，其集卡平均在港时间虽然相较于缓冲区小时的单级闸口有所减少，但依旧比多级闸口系统用时长，表明多级闸口在缓冲区容量小的情况下，其运作效率也高于传统闸口系统。所以对于缓冲区无法扩大的集装箱码头，应用多级智能闸口系统比单纯增大缓冲区大小更具优势。

图5 缓冲区因素变化下的数据对比

5 结语

在分析智能闸口功能的基础上，对多级闸口的形式和业务流程进行分析。利用Plant Simulation仿真软件对多级闸口进行建模仿真，并验证了该模型的可行性。仿真结果表明，多级闸口系统效率受制于集卡到达时间间隔和码头堆场装卸设备的繁忙程度，从而印证了集卡到达预约机制的必要性，并引申出集装箱场地计划对闸口效率的影响。与单级闸口相比，多级闸口在集卡平均在港时间等参数上具有明显优势；当缓冲区大小发生变化时，多级闸口仍然具有比单纯扩大缓冲区大小更好的效率提升优势。对于缓冲区受限的码头，改善闸口的形式可以获得更优的闸口服务质量。