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1、物流软件上机实训作业资料浅析集装箱码头系统调度与优化专业： 姓名： 学号：浅析集装箱码头系统调度与优化摘要本文通过对闸口和堆场一体化的合理配置，以及场桥的调度规则，岸桥的动态调度规则进行简要分析，建立数学模型，结合相关预测分析及仿真软件的应用，确定各子系统的资源调度配置情况，并对其结果进行优化，从而使得集装箱码头整体达到系统最优，提高系统的作业效率。关键词：集装箱码头 闸口 场桥调度 泊位预测随着集装箱运输在世界各地的蓬勃发展，与集装箱运输相关的运输枢纽在各地迅速突起。作为集装箱运输枢纽之一的集装箱码头是一个随机、动态的物流系统，由集装箱、集装箱船舶、港口装卸搬运设备、泊位、堆场、通信设施以及

2、人员等若干相互制约的动态要素构成，具有特定功能的有机整体。为了实现各物流要素之间的有效衔接，提高码头作业效率，需打破局部设计规划的限制，从码头的四大子系统，即集疏运子系统（闸口）、水平搬运子系统（集卡）、堆场子系统、泊位子系统的角度，进行整体调度与优化，从而提高各系统资源的利用率，缩短船舶在港时间，提高码头运营效益。一、集装箱码头的码头布局与基本组成集装箱码头的基本组成主要分为硬件设施和装卸搬运设备。集装箱码头通常应具备的主要设施有:泊位、码头前沿、集装箱堆场、货运站、控制室、检查口、维修车间等。其装卸搬运设备主要有:岸桥、场桥(场桥分为轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机)、跨运车、叉车、正面

3、吊、集装箱拖挂车等。集装箱码头设施组成如下:(l)码头前沿，通常是指岸壁到堆场前的那块面积，包括停泊船舶的岸线、集装箱装卸桥作业区域等部分。泊位前沿的水深取决于集装箱船舶的满载吃水深度。码头前沿的纵深取决于集装箱船舶装卸桥的作业范围，可分为外伸部分、轨距部分和内伸部分。一般码头前沿的纵深可取40m左右，但随着集装箱船舶大型化，与其相适应的集装箱装卸桥跨距的加大，码头前沿的纵深在不断加大。(2)堆场(Yard)，是指集装箱码头内，所有堆存集装箱的场地。港口集装箱堆场通常被分为三个部分:集装箱前方堆场(marshalling yard)、集装箱后方堆场(container yard)、空箱堆场(v

4、anpool)。集装箱前方堆场是指在靠近集装箱码头前沿处，为加速船舶装卸作业，暂时堆放集装箱船直接装卸的集装箱的场地。其作业内容是:当集装箱船到港前，有计划有次序地按积载要求将出口集装箱整齐地集中堆放，卸船时将进口集装箱暂时堆放在码头前方，以加速船舶装卸作业。集装箱后方堆场是集装箱重箱进行交接、保管和堆存的场所。集装箱后方堆场是集装箱装卸区的组成部分。是集装箱运输“场到场”交接方式的整箱货办理交接的场所。集装箱空箱堆场是专门办理空箱收集、保管、堆存或交接的场地。它是专为集装箱装卸区或转运站堆场不足时才予设立。这种堆场不办理重箱或货物交接。它可以单独经营，也可以由集装箱装卸区在区外另设。有些国家

5、对集装箱堆场并不分前方堆场或后方堆场，而统称为堆场。二、 闸口作业系统堆场闸口是集装箱码头的出入口，通过闸口交接集装箱、集装箱货物和集装箱货物的各种单据。闸口是集装箱码头物流系统的重要组成部分，特别是对闸口进出型码头而言，闸口的布局、通过能力及通过效率直接影响码头物流系统的作业能力和作业效率。只有当闸口的通过能力得到同步提高，码头的通过能力也才能得到提高。合理地对集装箱闸口系统进行布局规划(通道配置、工作人员安排等)，将闸口系统与整个集装箱物流系统有机的结合起来，进而提高了港口生产作业效率。1、闸口作业系统的特点（1）闸口作业系统是随机服务系统：其随机性主要体现在集卡到达码头闸口的时间的随机性

6、、到达闸口的集卡数量及时间分布的随机性、外集卡的作业时间的随机性。（2）闸口作业系统是排队系统：在闸口作业系统中，1条通道同时只能进出1辆集卡，当集卡到港频率大于闸口通道的作业频率时，就会发生集卡排队等待作业的情况，此时需要确定集卡作业次序。根据闸口生产作业的特点，实践中一般遵循“先到先服务”的原则。（3）闸口作业系统是离散事件系统：闸口作业系统的状态变化仅在时间的离散时刻发生，呈突变状态，属于随机的离散事件系统，其动态特性可用离散状态方程来描述，主要包括集卡到达进场闸口、集卡进入闸口进场通道排队、集卡接受进场闸口服务、集卡驶入码头堆场、集卡进入堆场作业系统、集卡到达出场闸口、集卡进入闸口出场

7、通道排队、集卡接受出场闸口服务、作业结束、集卡离开码头等事件。2、闸口作业主要性能评价指标(1)箱位比指标准换算箱数与自然箱数的比值，可以粗略反映箱型结构变化情况。比值越大说明大箱(40和40以上)的比重越大，反之则越小。箱位比=标箱换算箱数/自然箱数。(2)卡车平均每次在港时间指集装箱卡车从进港时起到离港时止，平均每辆卡车在港时间总和，包括等待服务、接受服务的时间以及在港口内运行的时间。计算单位为“小时/车次”。卡车平均每次在港时间(小时/车次)=卡车在港总时间/通过闸口卡车数量(3)通过闸口的卡车数量指统计时间内在通过集装箱堆场闸口的集装箱卡车数量的累计数。一辆集装箱卡车从进港时起到出港时

8、止不论单装、单卸或又装又卸双重作业，不论进入停车场还是走特殊通道，均只计一次卡车进入次数。(4)闸口的年作业量这里的闸口的年作业量与集装箱的吞吐量看作是相同的，认为所有的经过水路运进、运出港区范围，并经装卸的集装箱，都是经由闸口运进、运出。它是反映闸口通道作业量的指标。计算单位为TEU。(5)闸口平均作业时间指统计时间内，闸口平均服务一辆集装箱卡车所需的时间，分为入口闸口平均服务时间及出口闸口平均服务时间，且入口闸口服务空车与重车的时间也是不同的。闸口平均作业时间=闸口提供服务时间总和/通过闸口的卡车数量(6)闸口通道利用率指统计时间内，闸口通道被占用时间占通道日历时间的比重(或指统计时间实际

9、闸口作业时间占可作业时间的比重)，反映闸口综合利用程度，计算单位为“%”。 闸口通道利用率并非越高越好，通道利用率过高，容易压车，导致卡车平均每次在港时间过长。闸口利用率(%)=(闸口通道占用时间/通道日历时间)X100%(7)卡车在通道前排队最大队长指统计时间内，排队等待的集装箱卡车在通道前排队的最大队长。闸口通道开放数量的多少可以参考该指标。3、码头闸口系统的服务规则在集装箱堆场闸口的仿真系统中顾客和服务中心对应地表示为“集装箱卡车”和“闸口通道”，而服务则指的是闸口对集装箱卡车的检查分配工作。堆场物流系统的排队主要有集装箱卡车在进口闸口的排队，各堆场等待场桥的排队，集装箱卡车在出口闸口处

10、的排队。集卡在场桥下的排队服务过程是一个典型的多级的排队系统。图1 基于排队论的仿真模型顾客到达入口通道(一级服务台)，如果有通道空闲则接受服务，否则进入队列Queue1按预定排队规则进行排队等待，如图1所示，服务完毕的顾客，进入集装箱堆场(二级服务台)进行装卸服务，装卸完毕后运行至出口通道(三级服务台)，如果通道空闲则接受服务，否则进入队列Queue3按预定排队规则排队等待，服务完毕后，顾客离开码头闸口，实体退出整个服务系统，整个闸口系统服务完毕。4、闸口车流量的预测分析根据基于历史数据的经验公式，以港口自身特点和闸口历史数据以及码头闸口车道数计算码头车流量。该方法的核心思想是，闸口车道数应

11、与码头最大吞吐能力及闸口高峰车流量相匹配。计算公式为：闸口通道数高峰时段每小时闸口集卡的最大通过量，辆;平均每小时每条车道的通过量，辆 u一平均每辆卡车通过闸口所需要的时间，min。三、 集装箱堆场作业系统堆场是集装箱码头的重要组成部分，具有储存和保管、集运与分拨、理货和加工、缓冲与调节等诸多功能。按堆场所在的位置可分为前方堆场和后方对场。前方对场接近码头前沿，它大大地缩短了货物换装搬运的距离，提高港口的装卸效率，同时也可以减少泊位与库场间流动机械运动的干扰，前方堆场都是用于堆存期较短的货物，保持较高的货物周转率，以便配合快装快卸的作业要求;后方堆场有助于缓解前方库场的作业压力，1、集装箱堆场

12、的主要功能 (1)集装箱堆存功能船公司大量的正常营运的集装箱在从运输工具到交给货主前必须经过堆场作为过渡，无论是空箱还是重箱都需要在堆场堆存。特别在货运的淡季，船公司有必要在各口岸储备大量的空箱，以满足货运旺季时的用箱需求。(2)集装箱交接功能在集装箱运输中，集装箱的交接工作是一个重要环节，其中集装箱堆场与提/还箱人间的交接往往是划分集装箱经营人(包括集装箱所有人、承运人等)与用箱人(指集装箱货物的托运人、收货人、以及他们委托的货运代理人)责任的基础。(3)集装箱货运功能在集装箱堆场，货主众多，各种货物进进出出，货物保管和运输的条件各有不同。堆场要保证这些货物安全、准确、快捷和经济的运输，必须

13、要有完善的货运保障机制。2、集装箱码头堆场的主要性能评价指标 (l)设备作业时间系数设备作业时间系数是指在设备可作业的时间内的有效作业率。在均衡的使用设备的基础上尽量提高装卸机械的利用率，既能提高物流作业效率，又有利于设备的保养。该指标衡量装卸设备在执行堆场装卸任务时的效率。公式中，为设备可作业时间，而设备可作业时间则包括设备有效作业时间和设备闲置时间在完成堆场作业时，有些设备会因为等待其他设备而产生闲置，这种现象是不可避免的。而如果堆场设备配置不合理，则会产生一些设备长时间闲置，另一些备长时间作业的情况。这样就会降低有效作业时间，影响集装箱堆场的作业效率 (2)倒箱率降低该指标可以直接降低码

14、头的装卸成本，并能在稳定效率、提高计划精度基础上同步提高船舶的准班率，进而提高码头的竞争能力。通常情况下，集装箱堆场的倒箱率在7%以下(其中包括2次倒箱)，贝中集装数量越多，倒箱次数就越多。为尽量降低倒箱操作次数，堆场计划一般遵循一定的原则。(3)设备有效行程系数设备有效行程系数是指在完成作业任务时设备有效行程所占的比例系数。该指标也是衡量装卸设备在执行堆场装卸任务时的效率。提高该指标的关键是，如何在给定的作业任务条件下，尽可能地降低装卸业空走行程。提高这个指标可以提高堆场设备效率，进而提高堆场通过能力。(4)集装箱平均停留时间该指标主要反映作为集装箱的临时储存地点堆场的作业效率。这一指标反映

15、了集装箱堆场临时储存的特点，缩短集装箱平均停留时间可增加堆场内集装箱周转速度。(5)堆场平均利用率主要指在某一时间状态下存放在堆场上的集装箱的数量和码放状态。该项指标反映了集装箱堆场物流系统中，对于堆场空间的利用情况。在土地资源紧张的堆场，要拥有一定的通过能力，就必须提高堆场利用率而提高堆场利用率，就会增加倒箱率，这两个指标在码头操作中存在一定的矛盾。3、堆场计划通常遵循以下的配置原则:(l)20尺箱和40尺箱分开堆码;(2)冷藏箱、危险品箱、大件箱单独堆码;(3)空箱、重箱分开堆码;(4)同一持有人的集装箱集中堆码;(5)作出口计划时，同一卸货港的集装箱按照重量等级单独堆码;(6)作进口计划

16、时，同一提单下的集装箱集中堆码;(7)桥位就近原则，岸桥要就近放置到码放位置;(8)避免同时期操作的船舶争堆场。4、场桥的调度模型堆场内场桥的调度问题是根据集装箱堆场内不同场桥具有不同处理能力和它们在堆场内箱区之间移动需花费时间的特点，分配若干场桥去完成若干装卸任务，目标是使场桥完成所有装卸任务的用时最短，即确定一个任务分配和任务排序方案，使得在所有场桥中完成所分配装卸任务用时最长的场桥所花费的工作时间最小。由于到港船期的不同及集装箱堆存位置差异等因素，不同箱区之间相同时间要完成的工作箱量是不一样的。为了保证船舶能够最小时间内离开码头，在计划时间内完成各箱区的工作箱量是很重要的。由于轮胎式轮胎

17、吊是很贵重的设备，所以港口不可能为每个箱区都调度一定数量的轮胎式轮胎吊。为了充分利用轮胎式轮胎吊来解决各箱区工作箱量不平衡的问题，轮胎吊需要在箱区间移动来实现这个目的。轮胎吊资源调度中以4个小时为一个阶段来考虑一天的轮胎吊调度情况，这样，一天被分为6个阶段。在大多数港口作业计划中，每天轮胎吊的调度计划都是由堆场主管根据预测的各个箱区的工作箱量凭经验做出的，在做调度计划时，堆场主管要决定两件事情:一、初始时每个箱区的轮胎吊调度台数。二、每台轮胎吊的箱区间移动路径选择。但其缺乏科学依据，可通过建立数学模型，进行系统仿真，减少场桥行走时间，降低场桥运营成本。建立模型如下： (1)模型前提及符号定义根

18、据码头实际堆场作业系统的机械调度控制要求和程序，下面一些基本条件是优化模型建立的基础和前提:堆场出口箱箱区有N个任务需要在计划期内完成N=1，2，3,n，且各任务的开始时刻ci初始位置s均为己知;场桥k必须在子任务i规定的开始时刻ci够提供服务，其任务完成时间为wi，即任务j结束时间Ti=ci+wi场桥k每次只能完成一个子任务，从任务j到任务j的行走时间为di;场桥k移动到其执行的第一个子任务时，在源点s，不花费时间; 当有RTG从S点出来执行任务i时，记Ysi=1;场桥k的汇聚点是T,有RTG完成任务i回到T点时，记Yit=1(2)数学模型优化目标是，对RTG进行任务分派优化，使得RTG行走

19、时间最短。其目标函数如下：（1）约束条件为： （2） （3）（4）（5）（6）（7）（8） （9）式(2)式(4)是优化模型(1)的决策变量;式(5)每台RTG在计划期内的开始作业次数仅为一次;式(6)每台RTG在计划期内的结束作业次数仅为一次;式(7)和式(8)保证所有任务都被施行，且仅被一台RTG执行一次;式（9）表示每个任务的完成时间都不能超过30分钟（3）优化算法基于上述优化模型，采用蚁群算法来求解其优化调配方案，求解步骤如下:3.1确定算法初始参数。算法参数包括两部分:蚁群算法相应参数初始化和样本目标的初始参数。样本参数主要包括:计划期任务j，及其开始时刻ci、完成时间wi和各子任务

20、间RTG移动所需行走时间dij.3.2确定RTG数量及其行走路径。随机取RTG数目为K(一般取实际需要的最少RTG数)，按各子任务要求的作业计划时间，以随机规则，分别为每台RTG选择第一个任务。然后，通过一个共用禁忌表，构建K条RTG行走的路径。路径构建步骤如下:令k二1，对第k台RTG分配初始任务i=l;RTGk从当前任务i出发，根据随机概率规则选择下一子任务j点;集装箱码头物流操作系统优化理论及建模方法研究判断场桥k到达时间ti+dij是否满足任务j的cj时间要求。如果是，则令任务应的禁忌表元素为0，场桥k完成任务数i=i+1;否则跳转到;判断场桥k己完成的子任务数之和是否小于总任务数，即

21、iN。如果是，则跳;否则，场桥k的路径构建结束;同时，令k二k+1，选择另一台场桥，判断k是否小于RTG总数K。如果是，到;否则执行;从场桥k+1的当前任务i点出发，随机选择下一子任务j点，并令该子任务j应的禁忌表元素为O，场桥k+1完成任务数i=i+1;判断场桥k+l已完成的子任务数之和是否小于总任务数，即i2000箱时，安排6台岸桥为船舶服务。现某港的相关数据如下岸桥参数：主要包括装卸效率、移动速度、升降速度。该仿真模型中岸桥数为21台。主要参数如下：满载是运行速度为1.50m/s，空载时运行速度为3.00m/s。小车行走速度为120m/min，大车行走速度为2540m/min。满载起升速

22、度为2535m/min，空载起升速度为5070m/min。相应的生产率为20箱每小时。依据以上策略，可确定船舶i的缪ax，相应缪in为1台岸桥，则分配岸桥的思路:分配的岸桥数尽量保证船舶能够在预期离港时间离港;否则按最大可得岸桥数进行岸桥分配，使船舶尽快离港。当船舶岸桥数确定，根据岸桥的作业效率和船舶装卸箱量以及船舶到达规律，预测出平均到港船舶数。以上过程都可通过excel软件对其泊位服务系统进行模拟，进行线性回归预测分析。excel模拟步骤如下：船舶到港后，排队进入码头进行装卸，然后离开码头。服务台是泊位，这是一个单服务台排队问题。其不可控变量有两个，一个是船舶到达时间间隔，另一个是装卸时间

23、。首先用随机数产生不可控变量的抽样值后对该系统进行模拟，最后得到关于该排队系统的性能指标的统计量。（1）输入已知数据首先在excel的工作表上输入已知数据。（2）模拟运算对泊位排队系统进行模拟。泊位排队系统的主要过程是：a.船舶到达；b.当泊位空闲时船舶立即开始装卸，当泊位不空闲时船舶排队等待，直到泊位有空闲时开始装卸；c.完成装卸，船舶离港。（3）统计分析对泊位进行了1 000次模拟，得到了1 000艘船舶的模拟运算结果。下面是对运行结果进行的统计分析。由于在模拟开始时泊位是空闲的，所以，前若干艘船舶的模拟结果往往不能确切反映泊位达到稳定工作状态时的行为，为此，在进行结果分析时，不计前100

24、艘船舶的运行结果，而仅对后900艘船舶的运行结果进行统计分析。五、系统构架及仿真结果本文对集装箱码头各系统进行的调度优化研究都是在建立数学模型的基础上借助于仿真软件进行优化即正确性检验。系统仿真是针对真实系统建立模型，然后在模型上进行试验，用模型代替真实系统，从而研究系统性能的方法川。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系这三个活动的是系统仿真的三个要素，即系统、模型和计算机。根据研究的系统不同，可分为连续系统仿真和离散事件系统仿真，其中连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。对于港口集装箱物流系统而言属离

25、散事件动态系统(DEDS)，目前研究人员对离散动态系统的建模多采用形式化建模技术、非形式化建模技术和复合建模技术。系统仿真的流程图如下：1、闸口作业系统利用SPSS软件进行预测分析，SPSS统计分析软件是应用最多也最广泛的数据分析专业工具，专业性也较强，可充分表达数据之间的精确关系以及预测值之间的关系。部分操作截图如下：在SPSS中输入已知数据，选择分析预测应用模型，利用。闸口作业系统中各变量的相关关系进行拟合预测，输出结果预测闸口车流量为120台每天2、堆场调度系统堆场调度系统中的主要任务是集装箱码头轮胎式龙门吊优化调度研究。在集装箱船舶装载作业过程中，堆场内轮胎式龙门吊作业是起始作业环节。

26、因此，轮胎式龙门吊作业直接影响着集装箱装载物流链上后续的搬运设备作业。由于轮胎式龙门吊体积大，作业速度慢，龙门吊作业已经成为码头物流作业的“瓶颈”之一。受轮胎式龙门吊在各段位内作业量的不平衡性影响，该设备在作业过程中需要在段位之间移动。本文利用matlab软件对场桥的调度模型进行仿真，其仿真模型的平面布局图如下部分操作截图如下：系统参数设置表3、泊位系统利用EXCEL，根据港口调研资料和相关文献，将相关数据输入EXCEL表格中，截图如下：根据线性回归方程数据，可预测船舶箱位数约为7592TEU六、结论本文研究了给定作业条件下合理的闸口和堆场一体化的合理配置，以及场桥的调度规则，岸桥的动态调度规则等。通过分别对闸口、堆场、泊位各个子系统的研究分析，从码头目前管理的现状和实际需求出发，以码头物流系统优化体系框架为基础，将各种建模方法和最新智能优化算法应用于解决码头各子系统的