摘要：為了提高港口自動化堆場仿真準(zhǔn)確性和可信度，采用離散事件系統(tǒng)仿真方法對港口集裝箱堆場作業(yè)流程進(jìn)行仿真優(yōu)化。根據(jù)港口實際作業(yè)數(shù)據(jù)，分別搭建基于AnyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，模擬港口堆場作業(yè)流程，分析堆場仿真系統(tǒng)的有效性和仿真模型的功能性。通過堆場仿真結(jié)果與實際堆場作業(yè)數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，2款仿真模型均能滿足港口堆場作業(yè)系統(tǒng)的仿真需求，且通過調(diào)整仿真系統(tǒng)輸入條件還能有效提升仿真效果。通過AnyLogic軟件與FlexTerm軟件的功能對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lexTerm軟件的專業(yè)性更強(qiáng)，AnyLogic軟件的可操作性更好，在對港口堆場作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時，應(yīng)根據(jù)實際需求做出最優(yōu)選擇。
引言：港口集裝箱吞吐量的急速增長和堆場作業(yè)自動化程度的提高加劇了集裝箱堆場管理的復(fù)雜性。針對港口集裝箱堆場作業(yè)系統(tǒng)這一大型離散事件系統(tǒng)，傳統(tǒng)解析法已經(jīng)無法滿足港口堆場作業(yè)系統(tǒng)的仿真需求。但系統(tǒng)仿真方法在集裝箱堆場領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。在自動化港口系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，通常使用AnyLogic、FlexTerm等仿真軟件，搭建港口作業(yè)系統(tǒng)的仿真模型，對港口作業(yè)流程進(jìn)行可視化仿真分析。針對港口整體作業(yè)系統(tǒng)，通常利用仿真軟件搭建涵蓋港口整體作業(yè)系統(tǒng)的集成仿真平臺，借助仿真平臺實現(xiàn)港口規(guī)劃設(shè)計和管理策略的優(yōu)化。針對港口堆場作業(yè)系統(tǒng)，通常采用堆場優(yōu)化設(shè)計方法與系統(tǒng)仿真方法相結(jié)合的方式，模擬分析集裝箱堆場布局最優(yōu)方案，協(xié)助進(jìn)行堆場布局規(guī)劃。此外，基于AnyLogic、FlexTerm等仿真軟件搭建堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，對場橋調(diào)度方案、堆場作業(yè)狀態(tài)等進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出最優(yōu)的堆場作業(yè)決策方案，從而提高港口作業(yè)效率。本文采用離散事件系統(tǒng)仿真方法，依托港口集裝箱堆場作業(yè)流程，分別搭建基于AnyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，通過仿真分析，實現(xiàn)港口集裝箱堆場堆放策略、堆場布局、運(yùn)輸規(guī)劃等的驗證優(yōu)化，為港口管理決策提供參考依據(jù)。
問題描述；為減少集裝箱船在港停留時間，提高集裝箱船作業(yè)效率，某港口積極推進(jìn)集裝箱堆場作業(yè)自動化建設(shè)。在自動化建設(shè)過程中，為提高港口堆場作業(yè)管理水平，決定搭建集裝箱堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，旨在通過仿真模型實現(xiàn)對港口堆場作業(yè)流程的優(yōu)化。在仿真過程中，為了保證模型能準(zhǔn)確表達(dá)堆場實際作業(yè)狀態(tài)，仿真前要先對模型進(jìn)行核驗，檢查仿真模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管理策略、控制方法、設(shè)備參數(shù)等相關(guān)輸入信息與實際作業(yè)情況相一致。此外，為了保證仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，仿真時要對2種仿真模型的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)記錄，并結(jié)合實際自動化堆場的數(shù)據(jù)，對比2個仿真模型的各項運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析在相同輸入條件下堆場系統(tǒng)仿真輸出結(jié)果與實際堆場系統(tǒng)作業(yè)結(jié)果的異同。通過對港口堆場作業(yè)流程的仿真研究，分別驗證仿真模型的準(zhǔn)確性、仿真結(jié)果的有效性和仿真軟件的功能性，為港口堆場作業(yè)的管理決策提供參考依據(jù)。
堆場仿真參數(shù)：2.1 堆場布局參數(shù)港口裝卸作業(yè)區(qū)布置2個10萬噸級泊位，每個泊位配備3臺岸橋，總計6臺岸橋，編號分別為Crane 1、Crane 2、Crane 3、Crane 4、Crane 5、Crane 6。港口堆場作業(yè)區(qū)規(guī)劃有4個箱區(qū)，編號分別為E01、E02、E03、E04。在堆場布置方面，E01箱區(qū)為近海側(cè)箱區(qū)，E04箱區(qū)為近陸側(cè)箱區(qū)，E01、E02箱區(qū)為出口箱區(qū)，E03、E04箱區(qū)為進(jìn)口箱區(qū)。在港口堆場作業(yè)區(qū)規(guī)劃中，將E01箱區(qū)設(shè)置為9列5層箱區(qū)，E02、E03、E04箱區(qū)設(shè)置為12排5層箱區(qū)，每個箱區(qū)配備有2臺場橋協(xié)同作業(yè)，總計8臺場橋，編號分別為A01、A02、A03、A04、A05、A06、A07、A08。2.2 堆場設(shè)備參數(shù)港口堆場作業(yè)設(shè)備主要包括場橋、岸橋、集卡等，上述設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)即為堆場仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。根據(jù)實際集裝箱堆場作業(yè)數(shù)據(jù)，對作業(yè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。岸橋運(yùn)行參數(shù)見表1，集卡運(yùn)行參數(shù)見表2，場橋運(yùn)行參數(shù)見表3。
2.3 船舶泊位參數(shù)根據(jù)港口提供的實際船舶和泊位規(guī)格參數(shù)，建立船舶精確模型和簡化模型，具體模型按照現(xiàn)場作業(yè)需求和仿真系統(tǒng)實際運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。為了對港口堆場作業(yè)進(jìn)行有效的仿真分析，在設(shè)置泊位參數(shù)時，優(yōu)先考慮實際作業(yè)過程中最大泊位通過能力。按照單周作業(yè)計劃進(jìn)行工況設(shè)定，單周計劃作業(yè)船舶12艘，單艘船舶裝箱量為420~ 530 TEU，卸箱量為420~530 TEU。單周船舶計劃見圖1。
2.4 箱區(qū)編碼信息集裝箱堆場采用9位編碼規(guī)則，其中：前3位表示箱區(qū)位置編碼；中間3位表示箱區(qū)貝位編碼；第7位和第8位表示貝位中的排數(shù)編碼；第9位表示所在層數(shù)。箱區(qū)位置編碼：自海側(cè)往陸側(cè)方向依次為E01、E02、E03、E04。箱區(qū)貝位編碼：采用自左向右（面海時）方式進(jìn)行編排，奇數(shù)編碼001、003、……，用于堆放20英尺集裝箱，偶數(shù)編碼002、004、……，用于堆放40英尺集裝箱。箱區(qū)貝位排數(shù)編碼：集卡裝卸區(qū)的貝位自海側(cè)往陸側(cè)方向共1排，編碼L1。集卡交換區(qū)層高編碼：“層”是集裝箱在集卡上的高度，用1位數(shù)字表示。集卡裝卸區(qū)編碼：由集卡交換區(qū)號、位、排和層高9位編碼（XXX-XXX-XX-X）組成。例如：E01-001-01-1表示第E01箱區(qū)的第001貝第1排第1層，依此類推。
3仿真模型搭建3.1 堆場仿真系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)港口堆場作業(yè)特點和堆場系統(tǒng)功能，設(shè)計搭建港口堆場仿真系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)主要包括UI界面、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)實時仿真演示、ECS控制器、設(shè)備仿真、地圖信息、集裝箱等部分，主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、模型設(shè)計、任務(wù)調(diào)度管理、仿真測試、結(jié)果演示等功能。堆場仿真系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。
3.2 堆場仿真系統(tǒng)模型根據(jù)堆場仿真系統(tǒng)架構(gòu)，以某港口自動化堆場作業(yè)的實際運(yùn)行環(huán)境為基礎(chǔ)，分別搭建基于AnyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口自動化堆場系統(tǒng)仿真模型。基于AnyLogic軟件搭建的港口堆場系統(tǒng)仿真模型見圖3，基于FlexTerm軟件搭建的港口堆場系統(tǒng)仿真模型見圖4。
在利用仿真軟件進(jìn)行港口堆場作業(yè)仿真分析時，應(yīng)先根據(jù)港口提供的基本作業(yè)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)搭建港區(qū)堆場系統(tǒng)仿真模型，然后通過UI界面輸入場橋、岸橋和集卡等主要設(shè)備的運(yùn)行控制參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行參數(shù)仿真模擬港口自動化堆場作業(yè)流程。在仿真流程中，仿真系統(tǒng)需要先建立數(shù)據(jù)連接，然后再驅(qū)動仿真系統(tǒng)運(yùn)行。對于AnyLogic仿真模型，需要先通過碼頭操作系統(tǒng)（TOS）和設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）的交互過程創(chuàng)建本地數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)庫操作模塊提供長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接，由此來實現(xiàn)與本地數(shù)據(jù)庫或第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的連接，驅(qū)動整個仿真系統(tǒng)的實時運(yùn)行。對于FlexTerm仿真模型，只允許數(shù)據(jù)以Excel表格的形式接入仿真系統(tǒng)中，由外部數(shù)據(jù)來驅(qū)動仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。在仿真系統(tǒng)模型運(yùn)行后，集裝箱堆場作業(yè)流程的仿真結(jié)果會通過2D或3D演示畫面實時顯示，并且能夠?qū)崟r展示自動化裝卸過程的關(guān)鍵KPI，以可視化的形式協(xié)助港口企業(yè)對集裝箱堆場的規(guī)劃布局、設(shè)備管理、控制策略等進(jìn)行優(yōu)化。
4仿真結(jié)果分析利用港口自動化堆場相關(guān)數(shù)據(jù)，分別對基于AnyLogic軟件和FlexTerm軟件的堆場系統(tǒng)仿真模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。4.1 場橋利用率對比在集裝箱堆場作業(yè)中，場橋是提高堆場作業(yè)效率的關(guān)鍵因素。合理分析場橋利用率對提高堆場作業(yè)效率、減少船舶在港停泊時間尤為重要。根據(jù)港口提供的堆場作業(yè)參數(shù)和實際堆場作業(yè)的場橋利用情況，對堆場內(nèi)場橋使用情況進(jìn)行仿真對比分析。AnyLogic仿真模型的場橋利用率見表4，F(xiàn)lexTerm仿真模型的場橋利用率見表5，2種仿真模型的場橋利用率對比見表6。
經(jīng)綜合分析發(fā)現(xiàn)，無論是單一場橋利用率還是平均場橋利用率，AnyLogic仿真模型的數(shù)據(jù)結(jié)果都普遍高于FlexTerm仿真模型的數(shù)據(jù)結(jié)果。通過分析堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真流程發(fā)現(xiàn)，上述差異是由2種仿真模型的作業(yè)指令生成模式不同導(dǎo)致的。在相同的作業(yè)時段內(nèi)，AnyLogic仿真模型的作業(yè)指令生成的作業(yè)數(shù)量要高于FlexTerm仿真模型的作業(yè)指令生成的作業(yè)數(shù)量，從而導(dǎo)致AnyLogic仿真模型的場橋利用率高于FlexTerm仿真模型的場橋利用率。根據(jù)港口提供的數(shù)據(jù)，全年該港口自動化堆場的場橋利用率在40%~60%。基于AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型仿真得到的平均場橋利用率分別為42.4%、35.7%。顯然，與FlexTerm仿真模型的仿真結(jié)果相比，AnyLogic仿真模型的仿真結(jié)果同實際作業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果更接近。究其原因，這是由2款仿真模型的集裝箱裝卸作業(yè)指令的生成模式不同導(dǎo)致的。對堆場作業(yè)系統(tǒng)仿真流程分析發(fā)現(xiàn)：在AnyLogic仿真模型中，集裝箱裝卸作業(yè)指令是根據(jù)港口歷史數(shù)據(jù)，借助算法計算生成的，比較接近港口的實際作業(yè)數(shù)據(jù)；在FlexTerm仿真模型中，集裝箱裝卸作業(yè)指令是利用軟件自帶作業(yè)計劃模塊，通過配置船期、堆場計劃等參數(shù)自動生成的，與港口實際作業(yè)數(shù)據(jù)之間存在一定的差距。4.2 堆場使用情況對比為了合理規(guī)劃堆場空間資源，根據(jù)港口提供的船期、堆場計劃等參數(shù)，對港口堆場的使用情況進(jìn)行仿真對比分析。AnyLogic仿真模型與FlexTerm仿真模型堆場通過能力對比見表7。由表7可知，在相同輸入條件下，AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型仿真模擬得到的堆場利用情況和堆場通過能力基本一致。但由于泊位船舶計劃較為寬松，船期密度小于實際船期數(shù)據(jù)，AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型的堆場通過箱量分別為632 300 TEU和632 863 TEU，均小于港口全年實際堆場通過箱量724 272 TEU。
通過仿真分析結(jié)果與實際作業(yè)數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，仿真分析結(jié)果與港口實際運(yùn)行數(shù)據(jù)差距較小，表明AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型都能準(zhǔn)確可靠地模擬港口實際堆場作業(yè)情況，能夠滿足港口堆場仿真需求，并有助于提高港口堆場仿真的準(zhǔn)確度和可信度。此外，通過分析堆場仿真作業(yè)流程還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整堆場仿真系統(tǒng)的輸入條件能提升AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型的仿真效果，其中：通過調(diào)整輸入條件對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)來提升AnyLogic仿真模型的仿真效果；通過修改輸入條件中作業(yè)計劃模塊的船期、堆場計劃等相關(guān)配置來提升FlexTerm仿真模型的仿真效果。4.3 軟件功能對比回顧整個堆場仿真作業(yè)流程發(fā)現(xiàn)，2款軟件在功能應(yīng)用方面存在一定差異。根據(jù)仿真作業(yè)流程和仿真分析結(jié)果，對2款軟件的功能進(jìn)行對比分析，AnyLogic軟件與FlexTerm軟件的功能對比見表8。
在港口自動化堆場仿真領(lǐng)域，F(xiàn)lexTerm軟件的專業(yè)性更強(qiáng)。FlexTerm軟件作為港口碼頭仿真專用軟件，具備完整的港口碼頭仿真模型庫；AnyLogic軟件作為通用型仿真軟件，具備涵蓋多個應(yīng)用領(lǐng)域的模型庫，但涉及港口碼頭的模型庫較為簡陋。FlexTerm軟件具備完善的集裝箱裝卸策略和港口碼頭專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能；AnyLogic軟件只具備通用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，專業(yè)性相對較差。在港口自動化堆場仿真領(lǐng)域，AnyLogic軟件的可操作性更好。首先，AnyLogic軟件支持多方法建模，而FlexTerm軟件目前僅支持離散建模方法。其次，AnyLogic軟件支持多種數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，且能與外部系統(tǒng)軟件進(jìn)行交互，而FlexTerm軟件僅支持?jǐn)?shù)據(jù)以Excel表格的形式導(dǎo)入，且無法對接外部軟件系統(tǒng)。最后，AnyLogic軟件的可開發(fā)性強(qiáng)，借助Java模塊可以設(shè)計開發(fā)特殊模型或編輯自定義模型庫文件，而FlexTerm軟件僅支持?jǐn)U展開發(fā)港口裝卸和調(diào)度運(yùn)輸?shù)确抡婺K，無法進(jìn)行模型開發(fā)設(shè)計，可操作性相對較差。
來源?| 港口科技公眾號
