【港口论文】平行布置集装箱堆场双机调度策略仿真分析

平行布置集装箱堆场双机调度策略仿真分析

杨双华，蔡黄河，林意斐

（青岛海西重机有限责任公司技术中心，山东青岛，266520）

摘要：为了评估码头管理系统内置的堆场调度策略，为码头生产操作提供决策依据，采用FlexTerm仿真方法对集装箱堆场系统进行优化。针对单块堆场，以大车平均行走距离最短、设备平均作业效率最高、内集卡堆场侧年平均等待时间最短和单船平均服务时间最短为目标，建立单堆场双场桥堆存系统调度优化模型，并利用C++结合FlexScript对堆场装卸设备的不同调度策略进行编码。利用FlexTerm软件对静态调度、堆场整体动态调度和中间区域动态调度等3种调度策略进行仿真对比，结果表明堆场整体动态调度策略在缩短单船作业时间、提高设备作业效率等方面具有一定优势。

关键词：港口；集装箱堆场；堆场策略；双机调度；FlexTerm仿真

0　引　言

随着全球集装箱化运输的发展，集装箱码头之间的竞争也日益激烈。为了提高码头的竞争力，基于现有基础提升码头整体生产效率是所有码头管理者面临的直接挑战。集装箱堆场是集装箱码头作业的3大功能区（岸边作业区、水平运输区、堆场作业区）之一。堆场作为暂存集装箱的重要场地，在整个码头中起到缓冲作用，极大地影响着港口装卸效率、吞吐能力和船舶在港时间。[1]提高堆场作业效率和堆场通过能力是提升码头整体生产效率的有效途径之一。堆场作业既包含堆场设备作业和内集卡（或AGV）、外集卡的集箱、发箱作业，也包含堆场设备之间的中转、翻箱作业。堆场设备与内外集卡（或AGV）、作业目标（进口箱、出口箱、中转箱）之间和堆场设备与设备之间存在多种多重耦合关系，这些耦合关系影响堆场作业效率的提升。优化堆场设备调度策略可以实现高效解耦，缩短设备平均有效行走距离，提高堆场利用率、设备利用率和堆场作业效率，提高堆场的整体通过能力，进而提升码头整体生产效率。

堆场调度功能允许基于所有已知的资源和时间约束来优化单个堆场内起重机资源的使用，从而提高设备生产率，并减少设备大车行走距离，达到降低能耗和提高堆场作业效率的目的。以自动化轨道吊（ARMG）为装卸设备的自动化堆场能够实现堆场内的自动堆放箱、自动翻箱，做到每天24 h不间断平稳高效运营。与轮胎吊（RTG）堆场相比，自动化轨道吊堆场的运营效率更易受到堆场调度策略的影响。按照与泊位的相对位置关系，自动化堆场分为垂直布置和平行布置2种形式。在通常情况下，这2种形式的单个自动化堆场均配备2台同轨道的ARMG。有效地解决自动化堆场的双机调度问题对于提高设备利用率、降低运营成本和减少其他相关设备等待时间等至关重要。

针对自动化堆场的双机调度问题，目前主要的研究方向是针对全自动化码头堆场垂直布置方案的双机调度策略研究。裴磊磊等[2]针对堆场双自动轨道式集装箱龙门起重机调度问题，以作业总时间最短和ARMG间行驶距离之差最小为目标，建立双ARMG协调调度的混合整数规划模型，采用遗传算法与仿真相结合的方法求解模型，从而提高ARMG之间作业的协调性。魏晨等[3]针对堆场同一箱区的两端作业（堆存或取出），考虑双起重机时空同步条件，以最小化总完工时间为目标，建立双起重机调度混合整数规划模型，并设计遗传算法对大规模问题进行求解。乐美龙等[4]考虑双场桥间不可跨越和安全距离等特有约束，建立双场桥作业调度混合整数规划模型，并运用两阶段算法进行求解，通过模型数据验证算法的有效性。针对传统码头和半自动化码头堆场平行布置的单堆场双机调度策略的研究则较少。

本文的目标是基于模拟仿真的方法，比较单个水平布置堆场双机作业系统在不同的控制策略下整体堆场性能的差别，分析不同策略对不同作业工况的适应性。

1　问题描述

某港口原集装箱堆场全部采用常规轮胎式龙门起重机，进行自动化改造的二期新增堆场（400 m × 500 m的区域）采用平行布置的同轨双悬臂自动化轨道吊双机作业模式。单堆场双机装卸工艺示意图见图1。该自动化堆场改造项目目前已投入试生产。为了最大化地发挥自动化设备潜力，提高堆场整体通过能力，目前项目组正在针对多种不同调度策略进行测试。

在码头装卸生产中，一般采用传统的静态调度算法，即将堆场分隔成若干作业区域，以避免场桥生产作业互相干扰。对于单堆场双机调度来说，即将整个堆场进行均分，每台机械各负责一半的堆场区域。但是，在实际生产作业中，任务并不是均匀地分布在整个堆场中，会出现两者工作负荷不平衡的情况，影响堆场整体的运转效率。针对上述自动化堆场改造项目，基于静态调度方法，本文提出2种动态的场桥调度解决方法，应用FlexTerm软件对堆场系统建模，分别对3种调度策略进行仿真测试，并给出分析结果。

2　建模与仿真

集装箱码头作为一种典型的离散事件系统，其状态是实时变化的，而引发状态变化的离散时间也是随机的，常规的数学方法很难准确预测码头实际的运行效果和状态。因此，离散事件系统仿真已经成为研究集装箱码头业务流程的重要研究手段和开发工具。目前，针对集装箱码头模拟仿真常用的软件工具有FlexTerm、Anylogic、Witness等。利用仿真软件搭建码头和配备设施模型、设置相应参数；模拟集装箱到港靠泊、装卸船和堆场装卸作业等方面的动态过程；依据仿真结果对港区道路交通流量、通过能力和年吞吐量等重要参数进行综合分析评定，从而优化决策。[5]本文主要关注堆场部分，对岸边装卸和闸口部分进行简化处理。

2.1　流程说明

针对单个双机联动作业的集装箱堆场，其主要工作流程可通过流程仿真软件进行简化。基于流程库的单堆场双机作业流程见图2。

2.2　假设条件

为了便于仿真建模，做出以下假设：单堆场出口箱和进口箱可以混堆；集装箱类型只考虑出口箱、进口箱和中转箱，集装箱尺寸只考虑20英尺和40英尺2种；在仿真过程中不考虑特殊箱对装卸作业的影响；对堆存在堆场的集装箱不进行拆箱作业；集装箱船采用先卸箱后装箱的作业模式；在仿真模型运行期间，不考虑设备故障对装卸效率产生的影响；内外集卡在港区内的运行时间均按照统一的行驶速度和加减速时间设定；场桥设备的工作速度和加减速时间固定；翻倒箱率设定为12%。

2.3　约束输入条件

2.3.1　堆场参数

堆场模型参数设置：堆场平面箱位为540  TEU；堆场设计容量为2 100 TEU；集装箱之间间隔为400 mm；根据相关设计手册中堆场设计吞吐量的计算公式，当堆场平面箱位取540TEU、最大层高取5层、操作因数取0.65、集装箱平均堆存时间取5 d时，堆场设计吞吐量为128 115 TEU。

考虑到天气、船期等因素的影响，为模拟不同工况下的码头系统作业状态，在应用FlexTerm软件对单堆场双机调度系统进行仿真验证时，分别测试负荷率（实际吞吐量/设计吞吐量×100%）为75%、100%和125%时的3种情况。

2.3.2　堆放箱策略

针对单堆场双机系统，在仿真模型中采用以下调度策略：

• 获取集装箱的相关信息，主要包括类型、尺寸、离开时间等。

• 按照贝位由低到高搜索是否有与该集装箱信息匹配的贝位：如有，则放入该贝位；如没有，则搜索是否存在空贝位。

• 按照贝位由低到高搜索是否存在空贝位：如有，则放入该空贝位；如没有，则搜索仅与该集装箱类型、尺寸匹配的贝位。

• 按照贝位由低到高搜索是否存在匹配贝位：如有，则放入该贝位；如没有，仅考虑集装箱尺寸进行混堆。

2.3.3　单机设备作业时间

单机设备为自动化轨道吊，自动化轨道吊机械性能参数见表1。根据现场实际作业情况统计，在固定贝位作业情况下，单个工作循环的平均作业时间约为112 s。因此，在仿真模型中，设定单箱作业时间的概率分布服从低限为102、众数为110、上限为132的连续概率三角分布。三角函数分布细节说明图见图3。

2.4　调度策略

2.4.1　静态调度策略

2台设备将堆场区域均分，分别负责各自的区域。静态调度双机区域划分示意图见图4。

2.4.2　中间区域动态调度策略

在初始状态时，2台单机的工作区域分别为区域1和区域3，将两者之间的区域设定为区域2。当区域2有任务时，根据两机的工作状态和距离进行动态选择，一旦选择# 1机进入此区域，则# 2机无法进入此区域。当# 1机完成区域2内的任务后退出该区域时，区域2即进入“等待下一个任务召唤轨道吊资源进入”的状态。中间区域动态调度策略流程见图5。

2.4.3　整体动态调度策略

基于当前堆场的整体工作量，分别对每台机的工作区域进行动态分割。该动态调度算法的实现过程为：

1. 初始化，设定每台机的工作范围为当前所在贝位。

2. 集卡进入堆场触发任务，任务分配器根据此任务位置分配设备，并配置设备的工作范围为任务所在贝位。

3. 如果任务左右两侧的轨道吊皆可用，则选择距离最近的轨道吊。

4. 如果任务仅左侧轨道吊可用，且检测无碰撞，则选择该轨道吊；否则返回任务序列，等待轨道吊可用事件触发。

5. 如果任务仅右侧轨道吊可用，且检测无碰撞，则选择该轨道吊；否则返回任务序列，等待轨道吊可用事件触发。

6. 如果任务两侧轨道吊皆不可用，则进入任务序列，等待轨道吊可用事件触发。

7. 如果由左侧轨道吊可用事件触发任务序列并指派任务，则设定该轨道吊的最大允许工作贝位为右侧轨道吊所在贝位减去安全距离贝位，并对任务序列中的任务进行遍历，筛选出契合该轨道吊工作范围的任务并将优先级最高的任务指派给该吊车。

8. 如果由右侧轨道吊可用事件触发任务序列，并指派任务，则设定该轨道吊的最小允许工作贝位为左侧轨道吊所在贝位加上安全距离贝位，并对任务序列中的任务进行遍历，筛选出契合该轨道吊工作范围的任务并将优先级最高的任务指派给该吊车。

9. 如果没有符合条件的任务，则继续等待其他事件触发任务分配。

2.5 FlexTerm建模

本文借助仿真工具FlexTerm进行相关建模，首先根据上述约束条件设定泊位和堆场，然后设置集装箱相关参数、泊位装卸计划、堆场计划、机械性能参数等，最后运行软件得到结果。单堆场仿真模型截图见图6。

3　仿真结果对比

基于上述外部条件和调度策略，分别搭建堆场仿真模型，设定模型的运行时间为1 a，预热运行1个月，反复运行10次。

3.1　大车平均行走距离

当负荷率分别为75%、100%、125%时，在不同调度策略下的大车平均行走距离见表2。由表2可知，在不同负荷率情况下，3种调度策略下的大车平均行走距离对比关系均为静态调度策略＜整体动态调度策略＜中间区域动态调度策略。

3.2　设备平均使用率和双机使用率差值绝对值

当负荷率分别为75%、100%、125%时，在不同调度策略下的设备平均使用率和双机使用率差值绝对值见表3。由表3可知：在3种调度策略下，不同负荷率下的设备平均使用率对比关系均为静态调度策略＜整体动态调度策略＜中间区域动态调度策略；在3种调度策略下，双机使用率差值绝对值的对比关系均为动态调度策略＜静态调度策略整体＜中间区域动态调度策略。

3.3　内集卡堆场侧年平均等待时间

当负荷率分别为75%、100%、125%时，在不同调度策略下的内集卡堆场侧年平均等待时间见表4。由表4可知，在不同负荷率情况下，3种调度策略的内集卡堆场侧年平均等待时间对比关系为中间区域动态调度策略＜整体动态调度策略≈静态调度策略。

3.4　单船平均服务时间

当负荷率分别为75%、100%、125%时，在不同调度策略下的单船平均服务时间见表5。由表5可知，在不同负荷率情况下，3种调度策略的单船平均服务时间对比情况为：当负荷率为75%和125%时，单船平均服务时间对比关系为整体动态调度策略＜中间区域动态调度策略＜静态调度策略；当负荷率为100%时，单船平均服务时间对比关系为中间区域动态调度策略≈整体动态调度策略＜静态调度策略。

4　结　论

根据上述仿真结果分析，可以得出以下主要结论：

• 当采用动态调度策略时，双机都需要在整个堆场内根据作业任务进行移动，设备需要行走更多的距离，设备单机能耗有所增加，但能够减少集卡的等待时间，降低对集卡数量的需求并能提高单次装卸船的效率。

• 从汇总整年的仿真结果来看，上述3种不同的调度策略对设备年平均使用率影响不大。

• 中间区域动态调度策略并不具备优势，建议码头在日常生产中采用静态调度策略，在对装卸船效率要求较高或在有紧急生产任务时采用整体动态调度策略。

参考文献

1. 陈欢.集装箱场桥调度及其仿真研究[D].武汉:武汉理工大学,2011:1-2.

2. 裴磊磊,苌道方.基于仿真优化的自动化集装箱码头双ARMG调度研究[J].广西大学学报(自然科学版),2017,42(2):500-510.

3. 魏晨,胡志华,高超锋,等.自动化集装箱码头堆场内双起重机调度模型与算法[J].大连海事大学学报,2015,41(4):75-80.

4. 乐美龙,林艳艳,范志强.基于两阶段启发式算法的多场桥作业调度研究[J].武汉理工大学学报,2012,34(1):60-65.

5. 袁宗喜,计三有.集装箱港口规划中的计算机仿真技术[J].中国水运(理论版),2006(5):44-45.

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