摘要：為了提高港口自動(dòng)化堆場(chǎng)仿真準確性和可信度，采用離散事件系統仿真方法對港口集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)流程進(jìn)行仿真優(yōu)化。根據港口實(shí)際作業(yè)數據，分別搭建基于A(yíng)nyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真模型，模擬港口堆場(chǎng)作業(yè)流程，分析堆場(chǎng)仿真系統的有效性和仿真模型的功能性。通過(guò)堆場(chǎng)仿真結果與實(shí)際堆場(chǎng)作業(yè)數據的對比發(fā)現，2款仿真模型均能滿(mǎn)足港口堆場(chǎng)作業(yè)系統的仿真需求，且通過(guò)調整仿真系統輸入條件還能有效提升仿真效果。通過(guò)AnyLogic軟件與FlexTerm軟件的功能對比發(fā)現，FlexTerm軟件的專(zhuān)業(yè)性更強，AnyLogic軟件的可操作性更好，在對港口堆場(chǎng)作業(yè)系統進(jìn)行仿真分析時(shí)，應根據實(shí)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(cháng)和堆場(chǎng)作業(yè)自動(dòng)化程度的提高加劇了集裝箱堆場(chǎng)管理的復雜性。針對港口集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)系統這一大型離散事件系統，傳統解析法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足港口堆場(chǎng)作業(yè)系統的仿真需求。但系統仿真方法在集裝箱堆場(chǎng)領(lǐng)域的應用越來(lái)越受到重視。在自動(dòng)化港口系統仿真領(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，通常利用仿真軟件搭建涵蓋港口整體作業(yè)系統的集成仿真平臺，借助仿真平臺實(shí)現港口規劃設計和管理策略的優(yōu)化。針對港口堆場(chǎng)作業(yè)系統，通常采用堆場(chǎng)優(yōu)化設計方法與系統仿真方法相結合的方式，模擬分析集裝箱堆場(chǎng)布局最優(yōu)方案，協(xié)助進(jìn)行堆場(chǎng)布局規劃。此外，基于A(yíng)nyLogic、FlexTerm等仿真軟件搭建堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真模型，對場(chǎng)橋調度方案、堆場(chǎng)作業(yè)狀態(tài)等進(jìn)行仿真分析，并根據分析結果給出最優(yōu)的堆場(chǎng)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仿真方法，依托港口集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)流程，分別搭建基于A(yíng)nyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真模型，通過(guò)仿真分析，實(shí)現港口集裝箱堆場(chǎng)堆放策略、堆場(chǎng)布局、運輸規劃等的驗證優(yōu)化，為港口管理決策提供參考依據。
問(wèn)題描述；為減少集裝箱船在港停留時(shí)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(chǎng)作業(yè)自動(dòng)化建設。在自動(dòng)化建設過(guò)程中，為提高港口堆場(chǎng)作業(yè)管理水平，決定搭建集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真模型，旨在通過(guò)仿真模型實(shí)現對港口堆場(chǎng)作業(yè)流程的優(yōu)化。在仿真過(guò)程中，為了保證模型能準確表達堆場(chǎng)實(shí)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結構、管理策略、控制方法、設備參數等相關(guān)輸入信息與實(shí)際作業(yè)情況相一致。此外，為了保證仿真分析結果準確可靠，仿真時(shí)要對2種仿真模型的運行結果進(jìn)行詳細記錄，并結合實(shí)際自動(dòng)化堆場(chǎng)的數據，對比2個(gè)仿真模型的各項運行數據，分析在相同輸入條件下堆場(chǎng)系統仿真輸出結果與實(shí)際堆場(chǎng)系統作業(yè)結果的異同。通過(guò)對港口堆場(chǎng)作業(yè)流程的仿真研究，分別驗證仿真模型的準確性、仿真結果的有效性和仿真軟件的功能性，為港口堆場(chǎng)作業(yè)的管理決策提供參考依據。
堆場(chǎng)仿真參數：2.1 堆場(chǎng)布局參數港口裝卸作業(yè)區布置2個(gè)10萬(wàn)噸級泊位，每個(gè)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(chǎng)作業(yè)區規劃有4個(gè)箱區，編號分別為E01、E02、E03、E04。在堆場(chǎng)布置方面，E01箱區為近海側箱區，E04箱區為近陸側箱區，E01、E02箱區為出口箱區，E03、E04箱區為進(jìn)口箱區。在港口堆場(chǎng)作業(yè)區規劃中，將E01箱區設置為9列5層箱區，E02、E03、E04箱區設置為12排5層箱區，每個(gè)箱區配備有2臺場(chǎng)橋協(xié)同作業(yè)，總計8臺場(chǎng)橋，編號分別為A01、A02、A03、A04、A05、A06、A07、A08。2.2 堆場(chǎng)設備參數港口堆場(chǎng)作業(yè)設備主要包括場(chǎng)橋、岸橋、集卡等，上述設備的運行參數即為堆場(chǎng)仿真系統的輸入參數。根據實(shí)際集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)數據，對作業(yè)設備進(jìn)行參數設置。岸橋運行參數見(jiàn)表1，集卡運行參數見(jiàn)表2，場(chǎng)橋運行參數見(jiàn)表3。
2.3 船舶泊位參數根據港口提供的實(shí)際船舶和泊位規格參數，建立船舶精確模型和簡(jiǎn)化模型，具體模型按照現場(chǎng)作業(yè)需求和仿真系統實(shí)際運行情況進(jìn)行選擇。為了對港口堆場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行有效的仿真分析，在設置泊位參數時(shí)，優(yōu)先考慮實(shí)際作業(yè)過(guò)程中最大泊位通過(guò)能力。按照單周作業(yè)計劃進(jìn)行工況設定，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(jiàn)圖1。
2.4 箱區編碼信息集裝箱堆場(chǎng)采用9位編碼規則，其中：前3位表示箱區位置編碼；中間3位表示箱區貝位編碼；第7位和第8位表示貝位中的排數編碼；第9位表示所在層數。箱區位置編碼：自海側往陸側方向依次為E01、E02、E03、E04。箱區貝位編碼：采用自左向右（面海時(shí)）方式進(jìn)行編排，奇數編碼001、003、……，用于堆放20英尺集裝箱，偶數編碼002、004、……，用于堆放40英尺集裝箱。箱區貝位排數編碼：集卡裝卸區的貝位自海側往陸側方向共1排，編碼L1。集卡交換區層高編碼：“層”是集裝箱在集卡上的高度，用1位數字表示。集卡裝卸區編碼：由集卡交換區號、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箱區的第001貝第1排第1層，依此類(lèi)推。
3仿真模型搭建3.1 堆場(chǎng)仿真系統架構根據港口堆場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)和堆場(chǎng)系統功能，設計搭建港口堆場(chǎng)仿真系統架構。該架構主要包括UI界面、數據庫、系統實(shí)時(shí)仿真演示、ECS控制器、設備仿真、地圖信息、集裝箱等部分，主要用于實(shí)現數據交互、模型設計、任務(wù)調度管理、仿真測試、結果演示等功能。堆場(chǎng)仿真系統架構見(jiàn)圖2。
3.2 堆場(chǎng)仿真系統模型根據堆場(chǎng)仿真系統架構，以某港口自動(dòng)化堆場(chǎng)作業(yè)的實(shí)際運行環(huán)境為基礎，分別搭建基于A(yíng)nyLogic軟件和FlexTerm軟件的港口自動(dòng)化堆場(chǎng)系統仿真模型?；贏(yíng)nyLogic軟件搭建的港口堆場(chǎng)系統仿真模型見(jiàn)圖3，基于FlexTerm軟件搭建的港口堆場(chǎng)系統仿真模型見(jiàn)圖4。
在利用仿真軟件進(jìn)行港口堆場(chǎng)作業(yè)仿真分析時(shí)，應先根據港口提供的基本作業(yè)參數、環(huán)境參數搭建港區堆場(chǎng)系統仿真模型，然后通過(guò)UI界面輸入場(chǎng)橋、岸橋和集卡等主要設備的運行控制參數，系統根據運行參數仿真模擬港口自動(dòng)化堆場(chǎng)作業(yè)流程。在仿真流程中，仿真系統需要先建立數據連接，然后再驅動(dòng)仿真系統運行。對于A(yíng)nyLogic仿真模型，需要先通過(guò)碼頭操作系統（TOS）和設備控制系統（ECS）的交互過(guò)程創(chuàng )建本地數據庫，為數據庫操作模塊提供長(cháng)期穩定的數據連接，由此來(lái)實(shí)現與本地數據庫或第三方系統數據庫的連接，驅動(dòng)整個(gè)仿真系統的實(shí)時(shí)運行。對于FlexTerm仿真模型，只允許數據以Excel表格的形式接入仿真系統中，由外部數據來(lái)驅動(dòng)仿真系統的運行。在仿真系統模型運行后，集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)流程的仿真結果會(huì )通過(guò)2D或3D演示畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示，并且能夠實(shí)時(shí)展示自動(dòng)化裝卸過(guò)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(chǎng)的規劃布局、設備管理、控制策略等進(jìn)行優(yōu)化。
4仿真結果分析利用港口自動(dòng)化堆場(chǎng)相關(guān)數據，分別對基于A(yíng)nyLogic軟件和FlexTerm軟件的堆場(chǎng)系統仿真模型的仿真結果進(jìn)行對比分析。4.1 場(chǎng)橋利用率對比在集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)中，場(chǎng)橋是提高堆場(chǎng)作業(yè)效率的關(guān)鍵因素。合理分析場(chǎng)橋利用率對提高堆場(chǎng)作業(yè)效率、減少船舶在港停泊時(shí)間尤為重要。根據港口提供的堆場(chǎng)作業(yè)參數和實(shí)際堆場(chǎng)作業(yè)的場(chǎng)橋利用情況，對堆場(chǎng)內場(chǎng)橋使用情況進(jìn)行仿真對比分析。AnyLogic仿真模型的場(chǎng)橋利用率見(jiàn)表4，FlexTerm仿真模型的場(chǎng)橋利用率見(jiàn)表5，2種仿真模型的場(chǎng)橋利用率對比見(jiàn)表6。
經(jīng)綜合分析發(fā)現，無(wú)論是單一場(chǎng)橋利用率還是平均場(chǎng)橋利用率，AnyLogic仿真模型的數據結果都普遍高于FlexTerm仿真模型的數據結果。通過(guò)分析堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真流程發(fā)現，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致的。在相同的作業(yè)時(shí)段內，AnyLogic仿真模型的作業(yè)指令生成的作業(yè)數量要高于FlexTerm仿真模型的作業(yè)指令生成的作業(yè)數量，從而導致AnyLogic仿真模型的場(chǎng)橋利用率高于FlexTerm仿真模型的場(chǎng)橋利用率。根據港口提供的數據，全年該港口自動(dòng)化堆場(chǎng)的場(chǎng)橋利用率在40%~60%?；贏(yíng)nyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型仿真得到的平均場(chǎng)橋利用率分別為42.4%、35.7%。顯然，與FlexTerm仿真模型的仿真結果相比，AnyLogic仿真模型的仿真結果同實(shí)際作業(yè)數據的統計結果更接近。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致的。對堆場(chǎng)作業(yè)系統仿真流程分析發(fā)現：在A(yíng)nyLogic仿真模型中，集裝箱裝卸作業(yè)指令是根據港口歷史數據，借助算法計算生成的，比較接近港口的實(shí)際作業(yè)數據；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(guò)配置船期、堆場(chǎng)計劃等參數自動(dòng)生成的，與港口實(shí)際作業(yè)數據之間存在一定的差距。4.2 堆場(chǎng)使用情況對比為了合理規劃堆場(chǎng)空間資源，根據港口提供的船期、堆場(chǎng)計劃等參數，對港口堆場(chǎng)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(chǎng)通過(guò)能力對比見(jiàn)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(chǎng)利用情況和堆場(chǎng)通過(guò)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(shí)際船期數據，AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型的堆場(chǎng)通過(guò)箱量分別為632 300 TEU和632 863 TEU，均小于港口全年實(shí)際堆場(chǎng)通過(guò)箱量724 272 TEU。
通過(guò)仿真分析結果與實(shí)際作業(yè)數據的對比發(fā)現，仿真分析結果與港口實(shí)際運行數據差距較小，表明AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型都能準確可靠地模擬港口實(shí)際堆場(chǎng)作業(yè)情況，能夠滿(mǎn)足港口堆場(chǎng)仿真需求，并有助于提高港口堆場(chǎng)仿真的準確度和可信度。此外，通過(guò)分析堆場(chǎng)仿真作業(yè)流程還發(fā)現，通過(guò)調整堆場(chǎng)仿真系統的輸入條件能提升AnyLogic仿真模型和FlexTerm仿真模型的仿真效果，其中：通過(guò)調整輸入條件對應的關(guān)鍵參數來(lái)提升AnyLogic仿真模型的仿真效果；通過(guò)修改輸入條件中作業(yè)計劃模塊的船期、堆場(chǎng)計劃等相關(guān)配置來(lái)提升FlexTerm仿真模型的仿真效果。4.3 軟件功能對比回顧整個(gè)堆場(chǎng)仿真作業(yè)流程發(fā)現，2款軟件在功能應用方面存在一定差異。根據仿真作業(yè)流程和仿真分析結果，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(jiàn)表8。
在港口自動(dòng)化堆場(chǎng)仿真領(lǐng)域，FlexTerm軟件的專(zhuān)業(yè)性更強。FlexTerm軟件作為港口碼頭仿真專(zhuān)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(gè)應用領(lǐng)域的模型庫，但涉及港口碼頭的模型庫較為簡(jiǎn)陋。FlexTerm軟件具備完善的集裝箱裝卸策略和港口碼頭專(zhuān)業(yè)數據統計分析功能；AnyLogic軟件只具備通用的數據統計分析功能，專(zhuān)業(yè)性相對較差。在港口自動(dòng)化堆場(chǎng)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軟件支持多種數據驅動(dòng)方式，且能與外部系統軟件進(jìn)行交互，而FlexTerm軟件僅支持數據以Excel表格的形式導入，且無(wú)法對接外部軟件系統。最后，AnyLogic軟件的可開(kāi)發(fā)性強，借助Java模塊可以設計開(kāi)發(fā)特殊模型或編輯自定義模型庫文件，而FlexTerm軟件僅支持擴展開(kāi)發(fā)港口裝卸和調度運輸等仿真模塊，無(wú)法進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)設計，可操作性相對較差。
來(lái)源?| 港口科技公眾號
