超大型集装箱码头作业运营仿真系统研发

孙金余

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

科学规划和设计物流作业系统，有效地提高资源配置效率和作业能力，是目前自动化集装箱码头急需要解决的问题。利用仿真技术模拟自动化集装箱码头物流系统运行，为自动化集装箱码头物流作业系统优化提供决策依据是一个重要课题。结合某自动化码头装卸设备特点，研发了TOS(Terminal Operation System,码头管理系统)指令调度架构平台，通过设备调度模块与协同过程控制系统，高效率地组织码头现场生产[1]。

2 功能目标与关键技术

2.1 自动化集装箱码头作业运营仿真功能目标

(1)实现TOS与仿真系统构成的数字化双胞胎系统之间的快速、无缝对接。

(2)验证调度策略的有效性。对泊位计划、作业路计划、堆场作业计划、堆场选位策略、岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)调度规则、堆场门式起重机(以下简称场桥)调度规则、AGV(Automated Guided Vechicle，自动化引导小车)调度规则等智能算法进行验证与优化，实现作业调度实时优化。

(3)预测在未来一段时间内码头作业运营设备状态、船舶状态、堆场状态、泊位状态等的变化，同时验证码头整体作业运营方案的合理性及效果。

2.2 自动化集装箱码头运营仿真系统关键技术

(1)仿真系统与TOS的高效无缝连接。TOS中数据需要经过统计、归并、拟合等一系列加工才能导入仿真系统中使用。因此，实现仿真系统与TOS的高效无缝连接是保证实际作业过程快速、高效、准确的基本条件。

(2)仿真系统模拟作业运营系统的准确度。要构建包含更多作业细节的仿真模型，并反复测试、多次迭代仿真模型，同时，也要构建指标体系评价仿真系统，确保仿真系统真实地模拟作业运营系统。

(3)仿真系统适应码头外部环境变化的柔性。集装箱码头外部环境复杂多变，受天气、季节、政策、经济等多种因素影响，要求仿真必须具备不同情景下快速仿真评估的能力。

(4)仿真系统与优化算法集成开发。仿真本质上是一种评估模式，作业运营需要持续地对计划、调度、流程、工艺进行优化。因此，仿真系统需要具备在仿真过程中进行优化的能力。

3 仿真系统开发

3.1 整体研发框架设计

基于现有硬件设施和作业运营状况，将TOS中各种运营数据、设备信息导入仿真系统，形成作业运营数字孪生系统，进行码头智能计划与调度仿真，业务流程及信息系统的验证、测试与预测。依据判断结果调整仿真系统的输入参数、调度策略等信息，经过多次迭代，实现码头作业运营调度策略优化。仿真系统整体架构见图1。

图1 超大型自动化集装箱码头作业运营仿真系统架构

3.2 码头作业运营复杂仿真系统建模

自动化集装箱码头设备多样、流程复杂，码头作业运营具有连续性、协作性和生产任务不平衡的特点。因此，需要综合考虑码头内泊位分配计划、岸桥调度计划、AGV调度计划、场桥调度计划，以及船舶配载、箱位分配等多种流程的集成调度，构建仿真优化模型平衡各个流程的调度作业，实现整个码头的调度作业优化。

自动化集装箱码头作业运营仿真建模涵盖码头物流系统运营环节的各个方面，包括码头泊位子系统、码头闸口子系统、码头交通集疏运子系统、码头堆场子系统等[2]。

码头泊位系统分别采用分层建模方法、对象建模方法及Petri网建模方法建立模型，然后基于Witness仿真平台进行模拟。闸口运营系统基于Flexsim建立模型，对闸口资源进行优化配置，实现均衡合理利用闸口通道资源和堆场内装卸资源的目标。依据自动化集装箱码头随机性特征，利用EM-Plant建立港口集疏运模型，结合码头装卸工艺和运营流程，在仿真环境下分析区域道路网交通流量与港口集疏运之间的关系影响。

3.3 仿真系统开发

码头作业运营仿真系统开发包括集装箱码头计划、调度验证与优化、设备投入与作业预测等，全方位涵盖作业运营环节。

在码头作业运营仿真逻辑模型的设计方面，还需要建立具有层次的对象模型，如前方码头作业系统、水平输送系统、堆场系统、计算机管理系统；根据系统的层次模型，建立各层次子系统的对象模型；根据系统的复杂程度，将系统和子系统内的事件列表，建立事件之间的关系表；根据已建立的各层次子系统的对象模型及其系统内部事件之间的关系表，建立该对象的动态模型，写出每个事件发生的前提条件和后继条件。

为了解决码头作业运营仿真系统的接口开发与数据采集，需要连接TOS和相关的VMS(Vechicle Management System，车队调度系统)等系统，获取集装箱码头生产数据与计划调度信息，并对这些获得的码头作业动态数据进行数理统计，得到反映码头作业运营的随机动态变化的统计规律，为系统仿真提供可信的基础数据[3]。

对于码头作业运营评价体系的构建，基于集装箱码头业务特点与仿真目标，构建针对不同业务的分类仿真评价体系。

4 结语

该仿真系统解决了仿真系统与TOS的高效无缝连接、模拟作业运营系统的准确度、仿真系统适应码头外部环境变化的柔性以及优化算法集成开发等难点。生产实践表明，该系统对自动化集装箱码头整体作业运营优化具有实用性与有效性，可为自动化集装箱码头作业运营仿真提供参考。