基于FlexTerm的港口集装箱装卸工艺比较

刘炳城 陈宁 叶子奇

【摘 要】 为了能够更全面地比较装卸同步工艺与先装后卸工艺的装卸效率，利用仿真软件FlexTerm建立涵盖泊位、堆场、龙门吊、集卡和堆场资源的仿真模型，在不同集装箱通过量的条件下对两种不同的装卸工艺进行不仅限于单船装卸的研究。结果表明：装卸同步工艺的设备利用率高于先装后卸，能够大幅地缩短集卡平均等待时间，提高集卡利用率；随着集装箱通过量的不断加大直至超过堆场通过能力时，装卸同步工艺的设备效率优势会有所下降，需要进行资源的优化配置。

【关键词】 集装箱港口；装卸工艺；仿真；FlexTerm；集卡；龙门吊

0 引 言

随着经济全球化的发展，集装箱多式联运已经成为主要运输形式。港口是多式联运的重要节点，港口的装卸效率成为关注的焦点，近年来对港口的研究持续增多。仿真方法因更贴近实际而在港口研究中得到广泛应用。张少凯等[1]利用仿真软件对不同工艺下的港口机械配置进行研究，得到制约装卸作业时间的因素并提出对策；胡晓玉[2]利用Agent建模和仿真方法建立了集装箱堆场作业的仿真系统，并对资源的配置进行研究；王小变[3]在不同箱区长度和不同装卸机械数量的条件下对集装箱港口装卸进行仿真研究，提出龙门吊与岸桥的合理配比；郑鑫[4]以集装箱后方堆场为研究对象，对堆场布局优化进行研究，用仿真软件配合遗传算法提出了优化布局方案。

当前对港口的仿真研究大多集中在堆场和资源配置方面，对集装箱装卸工艺的研究较少。针对装卸工艺的研究多以单船单箱量为对象，仿真时间一般为一艘船的装卸时间，难免有一定的局限；因此，在不同集装箱通过量条件下仿真较长一段时间的装卸工艺，能得到更全面的数据，能更好地对装卸工艺进行分析，为港口的作业提供依据。

1 问题描述

1.1 港口作业流程

在一般情况下，港口会在集装箱船进入锚地后对其进行泊位分配，然后根据提前取得的船舶资料、进出口箱量等信息进行岸桥配置。操作阶段：码头根据船图进行配载，同时对岸桥进行调度，配置合适数量的水平搬运机械进行搬运；堆场根据装卸的集装箱量安排堆放位置，同时对场桥进行调度。

1.2 港口装卸工艺

港口集装箱的装卸作业过程是一个复杂、连贯的过程，各个环节都要紧密衔接。港口集装箱的装卸设备主要是岸桥和龙门吊等，水平搬运机械主要是集卡，合理配置装卸设备资源，再有效地结合装卸工艺，可以提高设备效率，降低作业成本和营运成本，提高港口的竞争力。

装卸同步是进口箱与出口箱同时进行装卸，较传统的先卸后装工艺，其能减少单船装卸时间，同时保证集卡的来回重载，提高集卡的利用率。两种装卸工艺流程见图1。

利用仿真方法，将集装箱年通过量与堆场通过能力相联系，运行较长时间，能够更全面地比较两种工艺。

2 仿真建模

2.1 仿真流程

FlexTerm是一款專门用于集装箱码头的仿真软件。在仿真过程中，首先设定泊位和堆场，然后设置集装箱相关参数、泊位装卸计划、堆场计划、机械参数等，最后再运行软件得到结果。具体作业流程见图2。

2.2 参数设置

在集装箱年通过量达到堆场年通过能力的30%、50%、70%、90%、100%、120%等6种情况下对两种装卸工艺进行仿真，运行时间为1周（7 d），每天都有一艘船靠泊。具体设置如下：

（1）集装箱分为进口箱和出口箱，进口箱箱量与出口箱箱量是一致的；集装箱箱型分为40英尺和20英尺两种，40英尺箱的比例为85%，20英尺箱的比例为15%。

（2）仿真以一个泊位为基础，泊位的通过能力是能满足整个堆场的，泊位配置两台岸桥，两台岸桥的任务量是一致的，允许岸桥对20英尺的集装箱使用双吊具装卸。

（3）堆场分为进口箱堆场和出口箱堆场，各自都配有轮胎式龙门吊，进口箱堆场和出口箱堆场的平面箱位是一致的，不考虑空箱的影响。集装箱的堆高为4层，箱位的利用率为75%，堆场年工作天数为364 d（52周），集装箱平均堆存期为4 d，由堆场年通过能力Y=（平面箱位锥迅還紫湮焕寐蕗锥殉∧旯ぷ魈焓？集装箱平均堆存期可得，整个堆场的年通过能力为163.8万TEU。

（4）同一种情况下的周集装箱吞吐量是一致的，不考虑船对船中转，集装箱入场系数为1。

（5）机械的参数设置见表1。

（6）集卡采用作业线方式，即12台集卡均分为2个集卡池，每一个集卡池服务1台岸桥。

2.3 评价指标

装卸作业效率是衡量港口服务水平的重要依据，提高装卸作业效率有利于提高港口自身竞争力。分析港口多种设备的指标，有助于提高设备利用率，进而提高装卸作业效率，减少等待时间，降低运营成本，提高服务质量。根据港口集装箱装卸特点，选取3个指标：

（1）岸桥利用率：

装卸时间/（装卸时间+闲置时间）；

（2）龙门吊利用率：

装卸时间/（装卸时间+等待时间）；

（3）集卡平均等待时间：

集卡进入堆场等待龙门吊装卸的时间。

3 仿真结果分析

通过仿真模型，设置6种不同的集装箱年通过量，在6种不同的通过量条件下，对先装后卸工艺和装卸同步工艺进行仿真，分别经过多次运行后得到仿真结果。结果分析如下：

（1）岸桥数据分析 通过仿真，可以得到先卸后装和装卸同步两种工艺的岸桥利用率，即两台岸桥的平均利用率（见图3）。从图3中可以看出：先卸后装的岸桥利用率比装卸同步的利用率高；在集装箱年通过量达到堆场年通过能力的50%时，两者的岸桥利用率相当；随着集装箱年通过量的增大，先卸后装的岸桥利用率越来越高。另外，在仿真时，装卸同步所用的单船装卸时间要比先装后卸所用的单船装卸时间短。

（2）堆场龙门吊数据分析 龙门吊是堆场的重要资源，其利用率关乎着整个堆场的作业效率。通过仿真，可以得到进口箱堆场和出口箱堆场的龙门吊利用率。龙门吊利用率对比见图4。从图4可以看出：装卸同步的龙门吊利用率比先卸后装高；随着集装箱年通过量的增加，装卸同步的优势更加明显；当集装箱年通过量达到堆场年通过能力时，优势最明显，装卸同步的龙门吊利用率比先卸后装的高8%～10%；当集装箱年通过量达到堆场年通过能力的120%时，装卸同步优势略有下降。

（3）集卡数据分析 集卡是最重要的水平运输设备，在岸桥能够满足装卸任务的情况下，集卡在堆场等待的时间决定着集卡利用率的高低。通过仿真，可得到集卡平均等待时间的相关数据。集卡平均等待时间对比见图5。从图5可以看出：装卸同步的集卡平均等待时间远远低于先卸后装，在集装箱年通过量达到堆场年通过能力的90%前，装卸同步的集卡平均等待时间比先卸后装降低50%以上；当集装箱年通过量达到堆场年通过能力的90%以上时，装卸同步的集卡平均等待时间出现不平衡，而且随着集装箱年通过量的增加，不平衡现象越明显，表现为进口箱堆场的集卡平均等待时间很短，出口箱堆场集卡平均等待时间很长，但整体上还是少于先卸后装的集卡平均等待时间。

通过岸桥、堆场龙门吊和集卡数据的比较分析，可以得到以下主要结论：

（1）在岸桥利用率上，装卸同步没有优势，可能是由先卸后装的岸桥工作时间较长所致；

（2）在堆场龙门吊利用率上，装卸同步远远高于先卸后装，当集装箱年通过量超过堆场年通过能力后，装卸同步优势下降，可通过调整集卡、龙门吊配置来进一步提高作业效率；

（3）在集卡平均等待时间上，装卸同步相较于先卸后装有了大大缩短，当集装箱年通过量超过堆场年通过能力的90%时，装卸同步的集卡平均等待时间在进口箱堆场和出口箱堆场表现出不平衡特征，可通过对堆场龙门吊倾斜配置来调整。

4 结 语

通過建立仿真模型，在不同集装箱通过量的条件下分别对先卸后装工艺和装卸同步工艺进行仿真，得到多种设备的指标并进行比较分析。分析发现：装卸同步工艺的设备利用率高于先装后卸工艺；装卸同步工艺能够大幅地缩短集卡平均等待时间，提高集卡利用率；随着集装箱通过量的不断加大直至超过堆场通过能力时，装卸同步工艺的设备效率优势会有所下降，需要进行资源优化配置，这有待进一步研究。

参考文献：

[1] 张少凯，韩晓龙，胡少龙.新旧工艺下集装箱港口装卸设备配置仿真研究[J].广西大学学报（自然科学版），2013（2）：368-373.

[2] 胡晓玉.基于JADE的集装箱港口堆场作业多Agent仿真系统开发[D].大连：大连理工大学，2015.

[3] 王小变.中转港口集装箱堆场合理布局的模拟研究[J].水运管理，2011（11）：23-28.

[4] 郑鑫.基于Flexsim的集装箱堆场布局优化与仿真研究[D].北京交通大学，2008.