集装箱牵引车资源整合仿真系统及其仿真方法

摘要

本发明公开了一种集装箱牵引车资源整合仿真系统及其仿真方法，该系统其包括系统输入模块等，系统控制模块、统计输出模块都与系统输入模块连接，系统控制模块、统计输出模块还都与系统评价模块连接，系统输入模块主要包括港口主要的集装箱码头配备的集装箱牵引车数、各码头的船舶到达分布信息；系统中的各码头船舶到达、岸桥调度与作业、集装箱牵引车调度与作业、堆场调度与作业均由系统控制模块完成；系统评价模块主要用于对各码头的集装箱牵引车整合前后，不同集装箱牵引车配置情况下的生产情况等进行综合评价；统计输出模块主要用于对各种指标、参数和评价结果进行收集与分析。本发明实现港内集装箱牵引车资源的最优化配置，挖掘设备资产潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真技术，特别涉及一种集装箱牵引车资源整合仿真系 统及其仿真方法。

背景技术

随着港口集装箱吞吐量的逐年大幅攀升，港口内现有的集装箱牵引车已 难以满足各码头公司实际的装卸生产需求。如果按照各码头现有岸桥数量进 行1：4的等比例配置，一方面，集装箱牵引车的前期投资额、人工费、维 修费、保险费等均将显著增加；另一方面，由于各码头生产的不均衡性，集 装箱牵引车的整体利用率也将大幅降低，造成资产的闲置浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种集装箱牵引车资源整合仿真系 统及其仿真方法，其实现港内集装箱牵引车资源的最优化配置，充分挖掘设 备资产潜力。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种集装箱牵引车资源整合仿真系 统，其特征在于，其包括系统输入模块、系统控制模块、系统评价模块、统 计输出模块，系统控制模块、统计输出模块都与系统输入模块连接，系统控 制模块、统计输出模块还都与系统评价模块连接，系统输入模块主要包括港 口主要的集装箱码头配备的集装箱牵引车数、各码头的船舶到达分布信息； 系统控制模块是该系统的核心，系统中的各码头船舶到达、岸桥调度与作业、 集装箱牵引车调度与作业、堆场调度与作业均由系统控制模块完成；系统评 价模块主要用于对各码头的集装箱牵引车整合前后，不同集装箱牵引车配置 情况下的生产情况、集装箱牵引车整合成本、新增集装箱牵引车购置成本进 行综合评价，以确定合理的集装箱牵引车整合方案；统计输出模块主要用于 对各种指标、参数和评价结果进行收集与分析，并将其以图表的方式输出。

优选地，所述集装箱牵引车资源整合仿真系统具有以下功能：

模型假设功能，由于该仿真模型的主要目标是确定集装箱牵引车整合前 后，各码头所需要的集装箱牵引车总数，而这些集装箱牵引车主要用作于航 运作业，因此模型中重点考虑了码头前沿的作业流程，以及各码头之间的航 运车辆调度；

输入模型功能，输入模型功能由系统输入模块完成，港口集装箱牵引车 资源整合仿真系统中所需输入的数据包括各码头现有的集装箱牵引车数量、 集装箱牵引车运行参数、岸壁线长度、岸桥数量、岸桥运行参数、场桥运行 参数、船舶到港规律、各码头之间的集装箱牵引车运行距离；

逻辑模型功能，逻辑模型功能由系统控制模块完成，由于该仿真模型的 主要目标是确定集装箱牵引车整合前后，各码头所需要的集装箱牵引车总 数，而这些集装箱牵引车主要用作于航运作业，因此模型中的逻辑控制主要 涉及到泊位分配、岸桥分配和集装箱牵引车调度，而堆场分配和场桥调度则 进行了简化；

评价模型功能，评价模型功能由系统评价模块完成，港口集装箱牵引车 资源整合仿真的目标是得到一个可以满足三码头作业需求且硬件成本最少 的集装箱牵引车购置和整合方案，包括各码头需要配备的牵引车数量，以及 各码头需要安装车载终端的牵引车数量；

输出模型功能，输出模型功能由统计输出模块完成，统计输出模型主要 是指对仿真评价中所涉及的各项指标进行统计，包括码头吞吐量、船舶准点 离港率、集装箱牵引车整合前后所需的集装箱牵引车数量、集装箱牵引车整 合前后的硬件成本进行统计，并通过仿真评价计算，将评价结果以图表的方 式输出。

优选地，所述逻辑模型功能包括泊位与岸桥分配模型和集装箱牵引车调 度模型。

本发明还提供一种集装箱牵引车资源整合仿真方法，其特征在于，其包 括以下步骤：

步骤一：设各码头的集卡总数为T_i；调用时间控制程序；

步骤二：如果时间为14点，产生下一昼夜船舶预报信息，计算船舶的 靠泊码头，计算船舶的靠泊泊位、岸桥分配数量和动态；同时判断船舶靠泊 时间是否到达，是否到达离港动态；

步骤三：如果船舶靠泊时间到达，则船舶进入计划的泊位，为船舶分配 岸桥，卸船作业准备，同时计算所需的集卡数量n_i；如果到达离港动态，则 离泊队列中的船舶离泊，再判断是否满足终止条件，如果满足终止条件，则 仿真结束，如果不满足终止条件，则返回步骤一；

步骤四：如果所需的集卡数量n_i大于各码头的集卡总数T_i，则计算邻近 码头在该船计划动态内需要的集卡数n_j，如果所需的集卡数量n_i小于各码头 的集卡总数T_i，则进入步骤五；如果邻近码头在该船计划动态内需要的集卡 数n_j大于邻近码头的集卡总数T_j，则从邻近码头调度Min（n_i－T_i，T_j－n_j） 辆集卡到该码头，集卡从邻近码头到当前该码头；

步骤五：设船舶的总倍数B，集卡到达岸桥下，岸桥卸船，集卡进入堆 场，场桥卸箱至堆场；

步骤六：判断船舶的当前倍数B_i是否卸船完成，如果卸船完成，则船舶 的当前倍数B_i开始装船并进入步骤七，如果卸船未完成，则返回步骤五；

步骤七：集卡进入堆场，场桥装箱至集卡，集卡到达岸桥下，岸桥装船；

步骤八：判断船舶的当前倍数B_i是否装船完成，如果是装船完成，则进 入步骤九，如果装船未完成，则返回步骤七；

步骤九：判断当前时间是否在出港状态，如果在出港状态，则船舶离泊， 如果不在港状态，则船舶在泊等待离泊。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明降低运营成本：目前这种以码 头为单位、与岸边设备固定比例的集装箱牵引车配备方案先期投入大，运行 成本高。如果通过本发明集装箱牵引车整合，每年节约成本支出，整合带来 的运营成本下降的连锁效应和放大效应显著。二、本发明提高设备利用率： 集装箱牵引车整合所追求的是使用尽可能少的设备资源高效地满足集装箱 生产需求。在减少设备投入的前提下完成更多的作业量，势必增加单车的使 用频率，提高设备整体的利用率。集装箱牵引车的平均利用率大约为30%， 与装载机为代表超过60%的利用率还存在差距，集装箱牵引车利用率提升空 间广阔。集装箱牵引车整合利于有效盘活港内资产存量，与低投入高产出的 效益型设备管理思想相吻合。三、本发明增强集装箱物流服务的机动能力： 通过整合所实现的各码头航运集装箱牵引车间的拆借统筹以及航运与陆运 集装箱牵引车间的互相支援可以有效地应对单个码头、堆场突现的需求尖 峰。本发明实现集装箱牵引车通用后的航、陆就近调配，更可以减少响应调 度指令的时间，提高集装箱物流的机动能力。

附图说明

图1为本发明集装箱牵引车资源整合仿真系统的原理框图。

图2为本发明集装箱牵引车资源整合仿真方法的流程图。

图3为本发明中集装箱牵引车调度流程图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图1所示，本发明集装箱牵引车资源整合仿真系统包括系统输入模块、 系统控制模块、系统评价模块、统计输出模块这四个模块，系统控制模块、 统计输出模块都与系统输入模块连接，系统控制模块、统计输出模块还都与 系统评价模块连接，系统输入模块主要包括港口主要的集装箱码头配备的集 装箱牵引车数、各码头的船舶到达分布等信息；系统控制模块是该系统的核 心，系统中的各码头船舶到达、岸桥调度与作业、集装箱牵引车调度与作业、 堆场调度与作业均由系统控制模块完成；系统评价模块主要用于对各码头的 集装箱牵引车整合前后，不同集装箱牵引车配置情况下的生产情况、集装箱 牵引车整合成本、新增集装箱牵引车购置成本进行综合评价，以确定合理的 集装箱牵引车整合方案；统计输出模块主要用于对各种指标、参数和评价结 果进行收集与分析，并将其以图表的方式输出。

如图2所示，本发明集装箱牵引车资源整合仿真方法如下：

步骤一：设各码头的集卡总数为T_i；调用时间控制程序；

步骤二：如果时间为14点，产生下一昼夜船舶预报信息，计算船舶的 靠泊码头，计算船舶的靠泊泊位、岸桥分配数量和动态；同时判断船舶靠泊 时间是否到达，是否到达离港动态；

步骤三：如果船舶靠泊时间到达，则船舶进入计划的泊位，为船舶分配 岸桥，卸船作业准备，同时计算所需的集卡数量n_i；如果到达离港动态，则 离泊队列中的船舶离泊，再判断是否满足终止条件，如果满足终止条件，则 仿真结束，如果不满足终止条件，则返回步骤一；

步骤四：如果所需的集卡数量n_i大于各码头的集卡总数T_i，则计算邻近 码头在该船计划动态内需要的集卡数n_j，如果所需的集卡数量n_i小于各码头 的集卡总数T_i，则进入步骤五；如果邻近码头在该船计划动态内需要的集卡 数n_j大于邻近码头的集卡总数T_j，则从邻近码头调度Min（n_i－T_i，T_j－n_j） （即取“n_i－T_i”和“T_j-n_j”之间的一个较小数）辆集卡到该码头，集卡从 邻近码头到当前该码头；

步骤五：设船舶的总倍数B，集卡到达岸桥下，岸桥卸船，集卡进入堆 场，场桥卸箱至堆场；

步骤六：判断船舶的当前倍数B_i是否卸船完成，如果卸船完成，则船舶 的当前倍数B_i开始装船并进入步骤七，如果卸船未完成，则返回步骤五；

步骤七：集卡进入堆场，场桥装箱至集卡，集卡到达岸桥下，岸桥装船；

步骤八：判断船舶的当前倍数B_i是否装船完成，如果是装船完成，则进 入步骤九，如果装船未完成，则返回步骤七；

步骤九：判断当前时间是否在出港状态，如果在出港状态，则船舶离泊， 如果不在港状态，则船舶在泊等待离泊。

本发明集装箱牵引车资源整合仿真系统进行方法仿真建模的功能如下：

1.1模型假设功能

由于该仿真模型的主要目标是确定集装箱牵引车整合前后，各码头所需 要的集装箱牵引车总数，而这些集装箱牵引车主要用作于航运作业，因此模 型中重点考虑了码头前沿的作业流程，以及各码头之间的航运车辆调度。对 于码头堆场作业进行了简化，假设如下：

（1）整个堆场都是一个堆存容器（store），集装箱牵引车从前沿到堆场 的运行时间则根据该码头前沿到堆场的运行时间的统计分布随机产生。

（2）集装箱牵引车到达堆场时，场桥足够，无需排队。

（3）集装箱牵引车只参与船舶装卸作业，不参与堆场内的其他作业形 式。

（4）堆场内的集卡可以被合理地调度，其他码头需要集卡支援时，总 是可以将配备了车载终端的集卡调出。

1.2输入模型功能

输入模型功能由系统输入模块完成，仿真输入数据对仿真结果准确性有 着重要的影响，只有输入数据的正确性，才能保证仿真输出结果的误差较小， 否则仿真将会失去本身的意义。港口集装箱牵引车资源整合仿真系统中所需 输入的数据包括各码头现有的集装箱牵引车数量、集装箱牵引车运行参数、 岸壁线长度、岸桥数量、岸桥运行参数、场桥运行参数、船舶到港规律、各 码头之间的集装箱牵引车运行距离。

（1）码头集装箱牵引车数量

各集装箱码头的集装箱牵引车数量见表1。

表1各码头集装箱牵引车数量

  码头1   码头2   码头3   44   52   23

（2）集装箱牵引车运行参数

集装箱牵引车运行参数主要是指集装箱牵引车从堆场驶出到达岸桥底 部与从岸桥底部驶入堆场直到场桥作业完毕分别花费的时间，其平均值表2 所示。

表2集装箱牵引车运行参数

  堆场到岸桥平均运行时间   3min   岸桥到堆场平均运行时间   3min

（3）岸壁线长度

各集装箱码头的岸壁线长度如表3所示。

表3各码头岸壁线长度

  码头   岸壁线长度（m）   码头1   1100   码头2   1202   码头3   1100

（4）岸桥数量

各集装箱码头的岸桥数量如表4所示。

表4各码头岸桥数量

  码头   岸桥数量（台）   码头1   11   码头2   12   码头3   11

（5）岸桥运行参数

岸桥运行参数主要是指岸桥的运行效率，及每个move所需的时间。各 集装箱码头的岸桥运行参数如表5所示。

表5各码头岸桥运行参数

  码头   效率（minutes/move）   码头1   2   码头2   2   码头3   2

（6）场桥运行参数

场桥运行参数主要是指场桥的运行效率，及每个move所需的时间。各 集装箱码头的场桥运行参数如表6所示。

表6各码头场桥运行参数

  码头   效率（minutes/move）   码头1   2   码头2   2   码头3   2

（7）船舶到港规律

船舶到港规律包括船舶到港时间间隔分布、码头船舶到达比例、船舶类 型比例与各类型船舶的作业量分布。这些数据均可以从码头的作业记录中统 计得到船舶到港时间间隔分布以及各码头到船比例，可以算出船舶到港时间 间隔均值为311min，假设其服从负指数分布。各码头船舶到达的数量比例如 下表7所示。

表7各码头船舶到达比例

  码头   船舶到达数量   船舶到达比例   码头1   16   43.2%   码头2   14   37.9%   码头3   7   18.9%

①船舶类型和作业量分布

根据码头作业记录，可以按照最大作业路数对船舶进行分类，并且确定 各类船舶的比例，以及估算各类船舶的作业量上下限，如下表8所示。

表8船型与作业量分布

  编号   船长   作业量下限   作业量上限   最大作业路数   到达概率   1   120   30   200   1   5.4%   2   150   80   340   2   16.2%   3   200   300   600   3   13.5%   4   260   100   1200   4   35.1%   5   300   630   1630   5   16.2%   6   380   550   2550   6   10.8%   7   420   800   2800   7   2.7%

1.3逻辑模型功能

逻辑模型功能由系统控制模块完成，由于该仿真模型的主要目标是确定 集装箱牵引车整合前后，各码头所需要的集装箱牵引车总数，而这些集装箱 牵引车主要用作于航运作业，因此模型中的逻辑控制主要涉及到泊位分配、 岸桥分配和集装箱牵引车调度，而堆场分配和场桥调度则进行了简化。

（1）泊位与岸桥分配模型

S1：更新当前决策周期DP，设t=1；

S2：如果时段t≤DP，进入步骤S3；否则，结束计算；

S3：获取时段t内的所有船舶，并将其按到港顺序排序；N_t是这些船 舶的数量，i表示每一条船，设i=1；

S4：如果i≤N_t，进入步骤（5）；否则令t=t+1，再进入步骤S2；

S5：如果存在空闲的泊位，且长度大于等于lit（lit包括了船舶本身的 长度和与相邻船舶的安全距离），进入步骤S6；否则，进入步骤S7；

S6：求解公式Min|x_it-x_it^*|为时段t内的船舶i分配到其最佳考泊位置的 泊位，进而进入步骤S8；

S7：为时段t内的船舶i随机分配靠泊位置x_it，再进入步骤S8；

S8：为时段t内的船舶i随机计划靠泊时间，靠泊时间必须大于AT_it（AT_it是时段t内的船舶i的预计到港时间），且当该船的考泊位置与别的船 舶的考泊位置交叉时，其靠泊时间不能交叉；

S9：计算公式计算时段t内的船舶i所需的 岸桥数q_it；

S10：计算每台岸桥的剩余装卸量qs_k^it，其中qs_k^it是y_it时刻岸桥k的剩 余装卸量；为时段t内的船舶i分配q_it台岸桥，这些岸桥不能与别的船舶的 岸桥交叉，且这些岸桥的剩余工作量要小于那些不交叉又未被安排给船舶i 的岸桥的剩余工作量；如果岸桥k被选中，A_k^it=1；否则A_k^it=0；

S11：计算公式为时段t内的船舶i的岸桥k分配装卸量；

S12：令i=i+1，再进入步骤S4。

（2）集装箱牵引车调度模型

集装箱牵引车调度流程图如图3所示，岸桥分配的装卸量，集卡调度， 判断是装船还是卸船；卸船的过程如下：集卡到达岸桥下排队，岸桥卸箱至 集卡，集卡进入堆场，场桥卸箱至堆场，当前作业线卸船是否完成，如果卸 船未完成则按照如上过程继续卸船，如果卸船完成则进入装船过程；装船的 过程如下：集卡进入堆场，场桥装箱至集卡，集卡到达岸桥下排队，岸桥装 箱至船舶，判断当前作业线装船是否完成，如果装船未完成则按照如上过程 继续装船，如果装船完成则当前岸桥任务完成。

1.4评价模型功能

评价模型功能由系统评价模块完成，港口集装箱牵引车资源整合仿真的 目标是得到一个可以满足三码头作业需求且硬件成本最少的集装箱牵引车 购置和整合方案，包括各码头需要配备的牵引车数量，以及各码头需要安装 车载终端的牵引车数量。鉴于船舶靠泊之前，必然制定了具体的泊位计划和 岸桥计划，因此，集装箱牵引车购置和整合方案的合理性可以由以下两个条 件体现：

（1）该方案可以使得所有船舶都按照计划出港动态准时离港。

（2）该方案可以使得各动态所有作业线的集卡数量都达到作业要求。

按照合理的泊位和岸桥计划，如果保证各动态有作业安排的作业线都有 充足数量的集卡作业，则各船都应能够准时离港；然而，即使某些动态某些 作业线的集卡数量不充足，也可能发生各船都准时离港的情况。因此以上两 点中，第一个条件是必要条件，可以用于确定方案的下限；第二个条件是充 分条件，可以用于确定方案的上限。

按照以上思路，该仿真模型的评价指标包括船舶误点离港数、缺少集装 箱牵引车的动态台数（动态缺车台数）、以及方案的硬件成本。为了说明这 三个指标，以下引入以下一些符号：

DT仿真总动态数；

t某动态的动态数，t=1,2,...,DT；

D码头总数，模型中D=3；

i码头编号，i＝1,2,...,D；

G_i码头i现有集卡数量；

W_t动态t内无法按计划在本动态出港的船舶数量；

N_it动态t内码头i为使各作业线集卡数量饱和，仍然需要的集卡数 量；

(以下两个符号与方案有关)

K_i码头i购买集卡数量；

Fi码头i安装车载终端数量；

当各码头的以上两个参数确定后，集卡配置与整合方案可以表示如下式 （1）：

P={B_i,F_i|i=1,2,...,D}……………………………………………式（1）

各指标的计算公式和含义如下：

（1）船舶误点离港数W

船舶误点离港数是指整个仿真时间段内，由于装卸任务没有完成而无法 按照预定出港动态出港的船舶数量。其计算式如下式（2）：

……………………………………………………………式（2）

当这一指标大于零时，当前方案不能满足条件一，因此不是合理的方案。

（2）动态缺车台数N

在一定的集卡配置与整合方案下，在仿真过程中的某些动态，无论如何 在码头间分配装有终端的集卡，也无法充分满足各码头作业线的需求。此时， 将各码头缺少的集卡台数记录下来，并将各码头、各动态的这一数值相加， 以此作为衡量作业线满足程度的指标。本指标的计算式如下式（3）：

………………………………………………………式（3）

当这一指标大于零时，当前方案不能满足条件二，但仍可能是合理的方 案。

（3）硬件成本C

方案的硬件成本由集卡的购置费用和车载终端的安装费用两部分构成。 参考表1.1，方案的硬件成本可以按照下式（4）计算：

……………………………………………式（4）

上式的单位为万元。

1.5输出模型功能

输出模型功能由统计输出模块完成，统计输出模型主要是指对仿真评价 中所涉及的各项指标进行统计，包括码头吞吐量、船舶准点离港率、集装箱 牵引车整合前后所需的集装箱牵引车数量、集装箱牵引车整合前后的硬件成 本进行统计，并通过仿真评价计算，将评价结果以图表的方式输出。

本发明对仿真系统实现：港口集装箱牵引车资源整合仿真系统以 eM-PlantTM9.0为平台进行开发，该系统包括系统输入模块、系统控制模块、 系统评价模块、统计输出模块。该系统中的输入部分用Tablefile对象实现， 系统控制和评价部分由Method对象实现，系统输出部分由Tablefile和Chart 对象实现，岸桥和集装箱牵引车由Transporter对象实现，船舶部分由Store 对象实现，集装箱由Container对象实现，场桥由Singleproc对象实现。系统 输入模块主要采用表格的形式，输入仿真所需的各种参数。系统控制模块共 创建约30余个编程对象，主要分为系统初始化、船舶产生、靠泊计划、岸 桥分配、前沿作业、集装箱牵引车调度、堆场作业等7个模块。逻辑控制主 要采用Method的方式来实现。系统评价模块主要是用于对不同的集装箱牵 引车整合方案进行综合评价，该模块需要采用仿真过程中收集到的各种特征 参数对所有的仿真评价指标进行计算，并将其以图表的方式输出，其评价模 型主要以Method的方式实现。统计输出模块将仿真系统的结果以多种形式 输出，便于用户使用，包括文本、报表、excel文件、图、HTML、XML等 形式，还能通过ODBC、ORACLE、SQL接口输出到数据库中。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理 解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这 些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求 书限定。