貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法
2023-05-01 08:52:56 1
貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法
【專利摘要】本發明屬於交通運輸場站規劃設計和管理【技術領域】，為貨櫃碼頭企業裝卸交通系統布局與交通組織管理提供全新的方法，提高整個貨櫃碼頭的裝卸交通系統布局與交通組織效率。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是，貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法，包括：建立貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架：元胞的選擇元胞自動機的運行（1）元胞的初始化（2）元胞自動機的運行1）前方堆場模塊規則；2）集卡隊列模塊規則；3）碼頭前沿道路的更新；4）集卡隊列模塊規則。本發明主要應用於交通運輸場站規劃設計。
【專利說明】貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於交通運輸場站規劃設計和管理【技術領域】，特別涉及一種貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法。
技術背景
[0002]針對提高貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織效率的問題，國內外學者做出了一些研究，大體上分為三類:一是採用數學解析模型,例如:Bal I is和Abacoumkin建立了一個由於設備不匹配而引起的交通堵塞和延遲的模型，他們使用這個模型來評價一個碼頭的堆場設計、設備數量、集卡到達、運行規則。楊磊運用枚舉的方法，提出了棧橋布局規劃模型，通過實驗對比，較為細緻地分析並優化了貨櫃碼頭平面布局。韓曉龍採用了網絡流理論、最優化理論、啟發式算法理論以及仿真理論和方法研究了新作業工藝下貨櫃碼頭裝卸中的資源配置問題，研究成果為我國貨櫃碼頭的發展提供了有益的決策依據。但是以上這些方法建模時規定的假設較多，與實際系統之間具有加大的差距，且為宏觀層面的模型，無法全面地描述研究對象的真實狀態以及每一個模型最優決策對整個貨櫃碼頭的影響。二是利用建立仿真模型的方法，對貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織進行優化設計和管理，例如:計三有、劉德鵬在其論文中介紹了貨櫃碼頭交通運輸組織建模的一般方法，應用EM-Plant仿真軟體對貨櫃碼頭作業模塊進行實現，通過仿真結果的輸出和分析以及與實際指標進行比對，為大型的貨櫃碼頭建設項目設計提供決策支持。肖鋒，尹立鵬以及鄭鑫都運用了 Flexsim仿真軟體，按照貨櫃堆場的布局原則以及進出口作業流程，貨櫃調度原則仿真了貨櫃運作過程中的關鍵技術和堆場布局的優化。但是這一類的仿真軟體都不是多主體仿真，無法描述其複雜的非線性行為，得到的結論無法貼近實際情況，也就無法保證結果的準確性。最後一類是多主體微觀仿真模型，只有宋升、周強應用的元胞自動機理論，建立以單個貨櫃卡車車位為元胞個體的貨櫃碼頭前沿交通流二維仿真模型。雖然採用了微觀的模擬仿真模型，但是由於是二維元胞自動機，與實際的三維情況還是存在一定的差距。而且，現在的研究不論採用何種方法，大部分都是針對其中的一個模塊單獨研究，並沒有對研究對象進行整體地分析，往往無法挖掘出問題的根源，解決方案沒有系統化，也就無法從根本上解決貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織效率的問題。迫切地需要一種三維的微觀仿真模型，將整個貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織所涉及的各個模塊有效地聯繫起來，綜合考慮出各個模塊應採取的最優方案。
[0003]從已知文獻閱讀分析可知，現有關於貨櫃港碼頭裝卸交通系統布局與交通組織效率的研究據有以下特點:
[0004](I)當前針對該問題的研究大都停留在理論探究階段，部分研究採用數學模型對碼頭堆場進行模擬，但由於數學模型的局限性，無法細緻刻畫堆場和碼頭前沿的實際運轉情況，且結果並不符合實際情況。
[0005](2)也有部分研究採用仿真軟體,如EM-Plant和Flexsim對貨櫃碼頭進行仿真，但由於現有仿真軟體仿真對象的針對性，即不能對碼頭和堆場整體系統進行整合描述；另一方面，仿真軟體也無法細化研究對象整體系統的所有關鍵組成部分，不能做到微觀仿真，與實際情況還有一定距離。
[0006](3)有部分研究採用元胞自動機對堆場和碼頭前沿進行微觀仿真，但其也是採用傳統二維元胞，與實際碼頭堆場貨物擺放所處的三維空間有很大差距，與真實情況不相符。
【發明內容】
[0007]為克服現有技術的不足，本發明旨在為貨櫃碼頭企業裝卸交通系統布局與交通組織管理提供全新的方法，提高整個貨櫃碼頭的裝卸交通系統布局與交通組織效率。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是，貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法，包括:
[0008]建立貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架:
[0009]元胞的選擇
[0010]將前方堆場集港的貨櫃用若干組三維元胞表示，每組三維元胞代表一個箱區，箱區都配有一個場橋以及相應的集卡數量，每組集卡同樣用一列一維元胞代表；船舶規定使用三個岸橋進行作業，因此，碼頭前沿設有三個車道與之對應，各用一列元胞代表，每個車道指定元胞位置表示岸橋作業處；
[0011]元胞自動機的運行
[0012]仿真總時長為40000秒，仿真步長為ls，每一個元胞仿真長度為Im ;前方堆場模塊為隨機生成一個60*6*3的三維元胞自動機，按照集港的先後順序對每個貨櫃進行編號，區分貨櫃所在箱區，箱型以及序號，無箱則用0表示；集卡模塊，所有箱區各自對應相同數量的一維元胞，I代表空閒狀態，0代表非空閒狀態；碼頭前沿道路模塊，由於模擬的船舶規模需要3個岸橋，所以該模塊有3條道路。每條的長度為1600m，道路上車輛的車身長為15m，最大的行駛速度為12m/s ;分別在720、800、880處表示三條道路上岸橋的作業位置；
[0013]貨櫃在相應泊位的前方堆場集港，待船舶到港後，依配載圖搜索到指定要提的貨櫃，判定該貨櫃上是否有後面的箱子覆蓋，如沒有則直接將該箱從前方堆場提出，否則進行翻箱，按配載圖將序號較大的箱子重新至於下層，提出指定貨櫃；接著判定是否有空閒狀態的集卡，若存在則該集卡元胞由空閒狀態變為非空閒狀態，駛入碼頭前沿相應的車道，否則等待空閒集卡的出現再進行後續步驟；最後的判定是岸橋是否為空閒狀態，如果空閒，則進行裝船作業，否則在相應岸橋處排隊等待岸橋作業。作業完成後，集卡駛出碼頭前沿道路，集卡元胞由非空閒狀態變為空閒狀態；再依據配載圖進行下一輪的流程；
[0014](I)元胞的初始化
[0015]前方堆場模塊——三維元胞進行初始化，三維元胞隨機生成後，用編號區分出每一個貨櫃所在箱區號，箱型以及到港順序，然後隨機生成一個一維序號組代表提箱順序；集卡模塊——每個箱區生成的集卡元胞均為空閒狀態，等待場橋作業；道路模塊——初始化時所有道路上沒有車輛；
[0016](2)元胞自動機的運行
[0017]v(i,k+l)表示第i輛車第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i輛車第k秒的速度， 表示車輛可以行駛的最大速度，d(i，k)表示第i輛車在第k秒時與前一輛車的距離，
x(i, k+1)表示第i輛車第k+1秒的位置，x(i，k)表示第i輛車第k秒的位置；[0018]1)前方堆場模塊規則:按照隨機生成的提箱順序，找到即將被提取的貨櫃後，判定是否需要翻箱，若不需要，則直接提取，該箱位清空；如需要翻箱，則判斷需要翻幾次箱，一次則將上面的一個箱子放在下面箱位的位置，相面的箱位清空；兩次則將最上面的箱位清空，被上面的兩個箱子進行裝船順序的判斷，將序號較大的放在最下面的箱位上；
[0019]2)集卡隊列模塊規則:完成一次裝車作業，集卡模塊對應的一個元胞由空閒狀態變為非空閒狀態；
[0020]3)碼頭前沿道路的更新，當運行總時間與堆場裝車完成時間一致時，該車輛駛入碼頭前沿道路，集卡在車道上的主要演化規則為
[0021](1)加速:v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, Vmax)表明集卡司機期望以最大速度在道路上行駛；
[0022](2)減速:^^，!^!)=!!^^^!^)^^!^))即集卡司機為避免和前車發生碰撞而採取減速措施；
[0023](3)以概率口隨機慢化:^^，!^)=!!^^^!^)-^)反映現實中由包括天氣因素、集卡司機心理狀態因素、以及道路的路面狀況因素的不確定因素造成的集卡減速；
[0024](4)運動:x(i,k+l)=x(i,k)+v(i,k+l)即集卡按照調整後的速度向前行駛，進入下一個仿真步；
[0025](5)集卡在岸橋處完成裝船作業；
[0026]4)集卡隊列模塊規則。完成一次裝船作業，集卡駛出道路模塊，其對應的一個元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。
[0027]建立貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架的基本框架:
[0028]裝船過程:港區外貨物被運輸到港區道路子系統中，其中部分為散雜貨物，需要運到貨櫃中心進行拼裝箱作業後才能變為標準重箱，然後運往堆場存放；其餘貨物均為裝箱後以貨櫃形式出現，再將其運送到堆場區；而有一小部分貨櫃，如危險品、船舶已靠岸的貨櫃，則不需要送往堆場，直接進入碼頭道路模塊，經過船邊的裝船模塊後，貨櫃被送往船模塊，依照航運公司系統制定的船舶配載圖送往指定位置，待所有貨櫃完成裝船後，船舶依船期表駛出港口航道子系統；
[0029]卸船過程:船舶依船期表駛入港口航道子系統，依照航運公司系統制定的船舶積載圖在船邊卸船模塊進行卸船，然後集卡載著貨櫃駛入碼頭道路模塊，有一部分貨櫃，包括危險品，直接通過碼頭卡子門子系統後，到達港區道路子系統，再運往港區外；而大部分被放置在前方堆場模塊，若貨櫃在前方堆場若干天后仍然沒有提走，則通過碼頭卡子門子系統，港區道路子系統被送往後方堆場，經過在貨櫃中心的拆箱後，運往港區外；
[0030]貨櫃碼頭堆場區的裝船流程為:重集卡載貨櫃達到堆場，由船舶配載圖，確定每個箱子所在的箱區；每個箱區內部，堆場針對貨櫃具體箱位的擺放有多種選擇方案，通過比較各個方案中所有貨櫃裝卸完成所耗時間以及成本，選出最優的方案，確定下來箱子的具體位置，集卡將貨櫃卸下，空車離開堆場；由船舶配載圖我們可以知道貨櫃的裝船順序，在尋找下一個離開堆場到船的貨櫃時，依據各貨櫃的狀態確定是否需要翻箱，翻幾次；完成翻箱後，將該貨櫃裝車，重卡離開堆場區駛入相應的碼頭道路；
[0031]船邊裝船作業流程:重集卡駛入相應的碼頭道路，行駛到相應的岸橋處時，判斷岸橋是否是空閒狀態，若非空閒狀態，則在此處進行排隊，等待裝船作業；否則，依船舶配載圖進行裝船作業，完成後空集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區；
[0032]船邊卸船作業流程圖:船舶靠岸後，空集卡駛入相應的前沿道路，依進口船圖確定卸船順序，然後岸橋執行卸船作業，將箱子放到空集卡上，此時，重集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區。
[0033]在相同規模的裝船作業量情況下，採用貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架，通過改變作業形式，對比不同的指標，篩選出一個保證整個作業效率較高，場區規劃較合理的方案。
[0034]本發明具備下列技術效果:
[0035]I)之前關於貨櫃裝卸交通系統布局與交通組織的研究都是採取的宏觀模擬，仿真平臺也大部分為仿真軟體，不能達到實際情況的微觀層面，無法對Agent決策主體的個體行為準則進行定義，不利於研究出個體行為對統一整體的效率影響。本發明利用三維的元胞自動機模型，將堆場區與碼頭區有效地連接起來，使之成為一個統一的整體，更加突出了堆場貨櫃的堆放和岸橋，場橋以及集卡的利用率對於整個系統效率的作用情況，使得模擬仿真的結果更符合實際情況。
[0036]2)本發明的研究內容的利用價值高，論文從堆場的組織布置，貨櫃的擺放工藝以及集卡的分配著手，通過對比不同的指標，為碼頭布局建設提供依據和指導，確定設計方案以實現場地的合理利用；還可以通過觀察集卡的利用率以及集卡在堆場區、碼頭區等待作業的時間與數量，提高場橋、岸橋的作業效率以及碼頭道路的通行能力。
[0037]3)本發明從整體上對貨櫃裝卸交通系統布局與交通組織進行研究，運用中微觀結合的方式，研究堆場區與碼頭區的相互影響關係，實用性較好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織總流程圖。
[0039]圖2堆場模塊裝船流程圖。
[0040]圖3船邊裝船作業流程圖。
[0041 ]圖4船邊卸船作業流程圖。
[0042]圖5貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織流程示意圖。
[0043]圖6堆場三維元胞自動機示意圖。
[0044]圖7集卡隊列模塊規則。
[0045]圖8碼頭前沿道路模塊元胞運行規則。
[0046]圖9集卡隊列模型規則。
[0047]圖10堆場分3個箱區時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0048]圖11堆場分3個箱區時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。
[0049]圖12堆場分3個箱區時第一條車道時空斑圖。
[0050]圖13堆場分4個箱區時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0051]圖14堆場分4個箱區時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。
[0052]圖15堆場分4個箱區時第一條車道時空斑圖。
[0053]圖16堆場分5個箱區時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0054]圖17堆場分5個箱區時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。[0055]圖18堆場分5個箱區時第一條車道時空斑圖。
[0056]圖19貨櫃堆場組織布置分別為3、4、5個箱區時，完成裝船作業的總時間。
[0057]圖20採取方案I時，集卡在I號箱區等待場橋作業的集卡數。
[0058]圖21採取方案2時，集卡在I號箱區等待場橋作業的集卡數。
[0059]圖22採取方案3時，集卡在I號箱區等待場橋作業的集卡數。
[0060]圖23採取方案4時，集卡在I號箱區等待場橋作業的集卡數。
[0061]圖24採取方案I時，集卡在I號車道等待岸橋作業的集卡時空斑圖。
[0062]圖25採取方案2時，集卡在I號車道等待岸橋作業的集卡時空斑圖。
[0063]圖26採取方案3時，集卡在I號車道等待岸橋作業的集卡時空斑圖。
[0064]圖27採取方案4時，集卡在I號車道等待岸橋作業的集卡時空斑圖。
[0065]圖28對比4個方案的翻箱次數。
[0066]圖29對比四個方案作業完成的總時長。
[0067]圖30每個箱區安排3輛集卡時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0068]圖31每個箱區分配3輛集卡時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。
[0069]圖32每個箱區分配3輛集卡時第一條車道時空斑圖。
[0070]圖33每個箱區安排4輛集卡時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0071]圖34每個箱區分配4輛集卡時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。
[0072]圖35每個箱區分配4輛集卡時第一條車道時空斑圖。
[0073]圖36每個箱區安排5輛集卡時第一個箱區內等待場橋作業的集卡數。
[0074]圖37每個箱區分配5輛集卡時第一條車道內等待岸橋作業的集卡數。
[0075]圖38每個箱區分配5輛集卡時第一條車道時空斑圖。
[0076]圖39每個箱區分配3、4、5輛集卡時，完成裝船作業的總時間。
【具體實施方式】
[0077]貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織繁瑣並且複雜，合理的堆場布置，貨櫃的擺放工藝以及集卡的分配，可以有效地提高碼頭作業效率以及節約運營成本。因此，進行貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織的研究是很有必要的。合理的貨櫃碼頭前方堆場組織布置不僅能夠充分利用港區的自然條件，因地制宜，還能夠為碼頭的生產設施布置創造條件，使得工藝流程更加順暢，減少運輸路線迂迴，為合理進行集卡調度打下了堅實的物質基礎。由以上的【背景技術】可知，現有的對貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織的研究並沒有進行三維的微觀模擬仿真，而是進行宏觀層面的研究，不能對每一個Agent決策主體的決策準則進行定義，找不到貼近實際情況的優良方案；而且將整個系統中涉及的各個模塊統一地聯繫起來的研究幾乎沒有，也就得不出是整體裝卸效率提高的有效辦法。
[0078]本研究為貨櫃碼頭企業裝卸交通系統布局與交通組織管理提供全新的方法，具體應用元胞自動機模型，確定最合適的集卡數量，節約作業成本，提高整個貨櫃碼頭的裝卸交通系統布局與交通組織效率。
[0079]元胞的選擇
[0080]將前方堆場集港的貨櫃用若干組三維元胞表示，每組三維元胞代表一個箱區，箱區都配有一個場橋以及相應的集卡數量，每組集卡同樣用一列一維元胞代表；船舶規定使用三個岸橋進行作業，因此，碼頭前沿設有三個車道與之對應，各用一列元胞代表，每個車道指定元胞位置表示岸橋作業處；
[0081]元胞自動機的運行
[0082]仿真總時長為40000秒，仿真步長為ls，每一個元胞仿真長度為Im ;前方堆場模塊為隨機生成一個60*6*3的三維元胞自動機，按照集港的先後順序對每個貨櫃進行編號，區分貨櫃所在箱區，箱型以及序號，無箱則用O表示；集卡模塊，所有箱區各自對應相同數量的一維元胞，I代表空閒狀態，O代表非空閒狀態；碼頭前沿道路模塊，由於模擬的船舶規模需要3個岸橋，所以該模塊有3條道路。每條的長度為1600m，道路上車輛的車身長為15m，最大的行駛速度為12m/s ;分別在720、800、880處表示三條道路上岸橋的作業位置。
[0083]貨櫃在相應泊位的前方堆場集港，待船舶到港後，依配載圖搜索到指定要提的貨櫃，判定該貨櫃上是否有後面的箱子覆蓋，如沒有則直接將該箱從前方堆場提出，否則進行翻箱，按配載圖將序號較大的箱子重新至於下層，提出指定貨櫃；接著判定是否有空閒狀態的集卡，若存在則該集卡元胞由空閒狀態變為非空閒狀態，駛入碼頭前沿相應的車道，否則等待空閒集卡的出現再進行後續步驟；最後的判定是岸橋是否為空閒狀態，如果空閒，則進行裝船作業，否則在相應岸橋處排隊等待岸橋作業。作業完成後，集卡駛出碼頭前沿道路，集卡元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。再依據配載圖進行下一輪的流程。
[0084](I)元胞的初始化
[0085]前方堆場模塊——三維元胞進行初始化，三維元胞隨機生成後，用編號區分出每一個貨櫃所在箱區號，箱型以及到港順序，然後隨機生成一個一維序號組代表提箱順序。集卡模塊——每個箱區生成的集卡元胞均為空閒狀態，等待場橋作業。道路模塊——初始化時所有道路上沒有車輛。
[0086](2)元胞自動機的運行
[0087]I)前方堆場模塊規則。按照隨機生成的提箱順序，找到即將被提取的貨櫃後，判定是否需要翻箱，若不需要，則直接提取，該箱位清空；如需要翻箱，則判斷需要翻幾次箱，一次則將上面的一個箱子放在下面箱位的位置，相面的箱位清空，見圖6所示(Ia為場橋的作業時間，斜線標記的箱子為即將被裝船的貨櫃)；兩次則將最上面的箱位清空，被上面的兩個箱子進行裝船順序的判斷，將序號較大的放在最下面的箱位上。
[0088]2)集卡隊列模塊規則。完成一次裝車作業，集卡模塊對應的一個元胞由空閒狀態(白色表示)變為非空閒狀態(黑色表示)。見圖7所示。
[0089]3)碼頭前沿道路的更新，見圖8所示。當運行總時間與堆場裝車完成時間一致時，該車輛駛入碼頭前沿道路，集卡在車道上的主要演化規則為
[0090](I)加速:v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, Vmax)表明集卡司機期望以最大速度在道路上行駛。
[0091](2)減速:v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, d(i,k))即集卡司機為避免和前車發生碰撞而
採取減速措施。
[0092](3)以概率P隨機慢化:v(i, k+l)=max(v(i, k)_l, O)反映現實中由各種不確定因素(比如天氣因素、集卡司機心理狀態因素、以及道路的路面狀況等因素)造成的集卡減速。
[0093](4)運動:x(i,k+l)=x(i,k)+v(i,k+l)即集卡按照調整後的速度向前行駛，進入下一個仿真步。
[0094](5)集卡在岸橋處完成裝船作業。
[0095]4)集卡隊列模塊規則。完成一次裝船作業，集卡駛出道路模塊，其對應的一個元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。見圖9所示。
[0096]v(i,k+l)表示第i輛車第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i輛車第k秒的速度，表示車輛可以行駛的最大速度，d(i，k)表示第i輛車在第k秒時與前一輛車的距離，
x(i, k+1)表示第i輛車第k+Ι秒的位置，x(i，k)表示第i輛車第k秒的位置。
[0097]下面結合附圖和【具體實施方式】進一步詳細說明本發明。
[0098]1.1仿真系統基本框架
[0099]貨櫃碼頭裝卸總的作業流程見圖1所示，其中裝船過程如圖中黑色箭頭所示，卸船過程如圖中紅色箭頭所示。
[0100]裝船過程:港區外貨物被運輸到港區道路子系統中，其中部分為散雜貨物，需要運到貨櫃中心進行拼裝箱作業後才能變為標準重箱，然後運往堆場存放；其餘貨物均為裝箱後以貨櫃形式出現，再將其運送到堆場區。而有一小部分貨櫃，如危險品、船舶已靠岸的貨櫃，則不需要送往堆場，直接進入碼頭道路模塊，經過船邊的裝船模塊後，貨櫃被送往船模塊，依照航運公司系統制定的船舶配載圖送往指定位置，待所有貨櫃完成裝船後，船舶依船期表駛出港口航道子系統。
[0101]卸船過程:船舶依船期表駛入港口航道子系統，依照航運公司系統制定的船舶積載圖在船邊卸船模塊進行卸船，然後集卡載著貨櫃駛入碼頭道路模塊，有一部分貨櫃，如危險品，直接通過碼頭卡子門子系統後，到達港區道路子系統，再運往港區外；而大部分被放置在前方堆場模塊，若貨櫃在前方堆場若干天后仍然沒有提走，則通過碼頭卡子門子系統，港區道路子系統被送往後方堆場，經過在貨櫃中心的拆箱後，運往港區外。
[0102]貨櫃碼頭堆場區的裝船流程見圖2所示，重集卡載貨櫃達到堆場，由船舶配載圖，可以確定每個箱子所在的箱區。每個箱區內部，堆場針對貨櫃具體箱位的擺放有多種選擇方案，通過比較各個方案中所有貨櫃裝卸完成所耗時間以及成本，選出最優的方案，確定下來箱子的具體位置，集卡將貨櫃卸下，空車離開堆場。由船舶配載圖我們可以知道貨櫃的裝船順序，在尋找下一個離開堆場到船的貨櫃時，依據各貨櫃的狀態確定是否需要翻箱，翻幾次。完成翻箱後，將該貨櫃裝車，重卡離開堆場區駛入相應的碼頭道路。
[0103]船邊裝船作業流程見圖3所示，重集卡駛入相應的碼頭道路，行駛到相應的岸橋處時，判斷岸橋是否是空閒狀態，若非空閒狀態，則在此處進行排隊，等待裝船作業；否則，依船舶配載圖進行裝船作業，完成後空集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區。
[0104]船邊卸船作業流程圖見圖4所示，船舶靠岸後，空集卡駛入相應的前沿道路，依進口船圖確定卸船順序，然後岸橋執行卸船作業，將箱子放到空集卡上，此時，重集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區。
[0105]1.2貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織仿真模型
[0106]1.2.1元胞的選擇
[0107]將前方堆場集港的貨櫃用若干組三維元胞表示，每組三維元胞代表一個箱區，箱區都配有一個場橋以及相應的集卡數量，每組集卡同樣用一列一維元胞代表；船舶規定使用三個岸橋進行作業，因此，碼頭前沿設有三個車道與之對應，各用一列元胞代表，每個車道指定元胞位置表示岸橋作業處，見圖5所示，為一輛集卡完成一次作業的流程。
[0108]1.2.2元胞自動機的運行
[0109]仿真總時長為40000秒，仿真步長為ls，每一個元胞仿真長度為Im ;前方堆場模塊為隨機生成一個60*6*3的三維元胞自動機，按照集港的先後順序對每個貨櫃進行編號，區分貨櫃所在箱區，箱型以及序號，無箱則用O表示；集卡模塊，所有箱區各自對應相同數量的一維元胞，I代表空閒狀態，O代表非空閒狀態；碼頭前沿道路模塊，由於模擬的船舶規模需要3個岸橋，所以該模塊有3條道路。每條的長度為1600m，道路上車輛的車身長為15m，最大的行駛速度為12m/s ;分別在720、800、880處表示三條道路上岸橋的作業位置。
[0110]貨櫃在相應泊位的前方堆場集港，待船舶到港後，依配載圖搜索到指定要提的貨櫃，判定該貨櫃上是否有後面的箱子覆蓋，如沒有則直接將該箱從前方堆場提出，否則進行翻箱，按配載圖將序號較大的箱子重新至於下層，提出指定貨櫃；接著判定是否有空閒狀態的集卡，若存在則該集卡元胞由空閒狀態變為非空閒狀態，駛入碼頭前沿相應的車道，否則等待空閒集卡的出現再進行後續步驟；最後的判定是岸橋是否為空閒狀態，如果空閒，則進行裝船作業，否則在相應岸橋處排隊等待岸橋作業。作業完成後，集卡駛出碼頭前沿道路，集卡元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。再依據配載圖進行下一輪的流程。
[0111](一)元胞的初始化
[0112]前方堆場模塊——三維元胞進行初始化，三維元胞隨機生成後，用編號區分出每一個貨櫃所在箱區號，箱型以及到港順序，然後隨機生成一個一維序號組代表提箱順序。集卡模塊——每個箱區生成的集卡元胞均為空閒狀態，等待場橋作業。道路模塊——初始化時所有道路上沒有車輛。
[0113](二)元胞自動機的運行
[0114]I)前方堆場模塊規則。按照隨機生成的提箱順序，找到即將被提取的貨櫃後，判定是否需要翻箱，若不需要，則直接提取，該箱位清空；如需要翻箱，則判斷需要翻幾次箱，一次則將上面的一個箱子放在下面箱位的位置，相面的箱位清空，見圖6所示(Ia為場橋的作業時間，斜線標記的箱子為即將被裝船的貨櫃)；兩次則將最上面的箱位清空，被上面的兩個箱子進行裝船順序的判斷，將序號較大的放在最下面的箱位上。
[0115]2)集卡隊列模塊規則。完成一次裝車作業，集卡模塊對應的一個元胞由空閒狀態(白色表示)變為非空閒狀態(黑色表示)。見圖7所示。
[0116]3)碼頭前沿道路的更新，見圖8所示。當運行總時間與堆場裝車完成時間一致時，該車輛駛入碼頭前沿道路，集卡在車道上的主要演化規則為
[0117](I)加速:；表明集卡司機期望以最大速度在道路上行駛。
[0118](2)減速:；即集卡司機為避免和前車發生碰撞而採取減速措施。
[0119](3)以概率P隨機慢化:；反映現實中由各種不確定因素(比如天氣因素、集卡司機心理狀態因素、以及道路的路面狀況等因素)造成的集卡減速。
[0120](4)運動:；即集卡按照調整後的速度向前行駛，進入下一個仿真步。
[0121](5)集卡在岸橋處完成裝船作業。
[0122]4)集卡隊列模塊規則。完成一次裝船作業，集卡駛出道路模塊，其對應的一個元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。見圖9所示。[0123]1.3仿真實驗及分析
[0124]貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織繁瑣並且複雜，合理的堆場布置，貨櫃的擺放工藝以及集卡的分配，可以有效地提高碼頭作業效率以及節約運營成本。本微觀模擬仿真在相同規模的裝船作業量情況下，通過改變以上三種作業形式，對比不同的指標，篩選出一個可以保證整個作業效率較高，場區規劃較合理。為碼頭公司的前方堆場組織布置，貨櫃的擺放方法以及其運營管理提供科學的最優化方案。
[0125]1.3.1前方堆場組織布置和設計實驗
[0126](I)前方堆場安排3個箱區
[0127]此實驗是在集港時，將60列的貨櫃平均分成三份，每份有20列，按之前的運行規則進行模擬仿真，得出的實驗結果見圖10——12。
[0128]通過以上實驗可以得出，當前方堆場分為3個箱區的時候，由於箱子較為集中，大部分的集卡車都在前方堆場等待場橋作業，在此處造成了擁堵，大部分的集卡車都不能運行起來，而岸橋大部分時間都是空閒狀態，即完成了一輛集卡的裝船工作，沒有後續集卡接應，又造成了操作岸橋的人力，物力資源的浪費。
[0129](2)前方堆場安排4個箱區
[0130]此實驗是在集港時，將60列的貨櫃平均分成四份，每份有15列，按之前的運行規則進行模擬仿真，得出的實驗結果見圖13——15。
[0131]通過以上實驗可以得出，當前方堆場分為4個箱區的時候，由於箱子較為分散，大部分的集卡車都在進行作業，在堆場集卡的排隊數目較少，但能保證存在等待場橋作業的集卡，岸橋處等待的集卡數量適中，也可以保證岸橋完成了 一輛集卡的裝船工作，馬上又後續集卡，不論集卡，場橋，岸橋都得到了充分的利用，此種前方堆場的組織布置較為合理。
[0132](3)前方堆場安排5個箱區
[0133]此實驗是在集港時，將60列的貨櫃平均分成五份，每份有12列，按之前的運行規則進行模擬仿真，得出的實驗結果見圖16——18。
[0134]通過以上實驗可以得出，當前方堆場分為5個箱區的時候，由於箱子較為分散，大部分的集卡車都在碼頭前沿道路相應岸橋處等待作業，在此處造成了擁堵，大部分的集卡車都不能運行起來，而場橋大部分是空閒狀態，即完成了一個貨櫃的裝車工作，但沒有後續集卡過來，又造成了操作岸橋的人力，物力資源的浪費。
[0135](4)總時間
[0136]作業總時間見圖19，可以看出時間隨著箱區數目的增加，總作業時間結束得越來越早；但是從3個箱區到4個箱區，時間減少了將近2h，而從4個箱區到5個箱區，時間只減少了 lOmin。
[0137](5)結論
[0138]通過貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織在不同箱區的裝卸交通系統布局與交通組織仿真模擬，分析實驗數據，對比實驗結果，可以得出以下結論:
[0139]1.在船舶需要三個岸橋的情況下，如堆場分為3個箱區，使用3個場橋同時作業，會造成集卡資源以及岸橋資源的浪費，同時耗時太長；堆場分為5個箱區，使用5個場橋同時作業，場橋卸下的貨櫃不能及時裝車，大量的集卡都在岸橋處擁堵。由此分析出，布局4個箱區較為合理。[0140]2.對比不同情況下作業總時間可以得出，4個箱區明顯優於3個箱區；雖然5個箱區的時間較4個的有所減小，但十分有限，而且5個箱區不論從佔地面積，啟動場橋的人力、物力上說，其成本都遠遠高於4個箱區的，進一步證實了，集港組織布置規劃時，採用4個箱區時最為合理的。
[0141]1.3.2堆場貨櫃擺放方案和設計實驗
[0142]通過前面的實驗已確定出，在船舶需要三個岸橋作業時，堆場分四個箱區較為合理。而貨櫃的堆放，對整個作業效率同樣有著不可小覷的作用，合理的堆放可以大幅地減少翻箱次數，從而節約人力、物力、財力。因此，我們做了貨櫃擺放工藝的優化仿真實驗，設定每個箱區有230個貨櫃，共有920個箱子。
[0143]下表為依據集港資料庫提取出的總送貨貨櫃到港順序表。如:貨櫃標號10012，表示該貨櫃指定放到I號箱區，在I號箱區中第12個到達。貨櫃標號上都對應著該貨櫃的到港時間。
[0144]表1貨櫃到港順序表
[0145]
【權利要求】
1.一種貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法，其特徵是，包括: 建立貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架: 元胞的選擇 將前方堆場集港的貨櫃用若干組三維元胞表示，每組三維元胞代表一個箱區，箱區都配有一個場橋以及相應的集卡數量，每組集卡同樣用一列一維元胞代表；船舶規定使用三個岸橋進行作業，因此，碼頭前沿設有三個車道與之對應，各用一列元胞代表，每個車道指定元胞位置表示岸橋作業處； 元胞自動機的運行 仿真總時長為40000秒，仿真步長為ls，每一個元胞仿真長度為Im ;前方堆場模塊為隨機生成一個60*6*3的三維元胞自動機，按照集港的先後順序對每個貨櫃進行編號，區分貨櫃所在箱區，箱型以及序號，無箱則用0表示；集卡模塊，所有箱區各自對應相同數量的一維元胞，I代表空閒狀態，0代表非空閒狀態；碼頭前沿道路模塊，由於模擬的船舶規模需要3個岸橋，所以該模塊有3條道路。每條的長度為1600m，道路上車輛的車身長為15m，最大的行駛速度為12m/s ;分別在720、800、880處表示三條道路上岸橋的作業位置； 貨櫃在相應泊位的前方堆場集港，待船舶到港後，依配載圖搜索到指定要提的貨櫃，判定該貨櫃上是否有後面的箱子覆蓋，如沒有則直接將該箱從前方堆場提出，否則進行翻箱，按配載圖將序號較大的箱子重新至於下層，提出指定貨櫃；接著判定是否有空閒狀態的集卡，若存在則該集卡元胞由空閒狀態變為非空閒狀態，駛入碼頭前沿相應的車道，否則等待空閒集卡的出現再進行後續步驟；最後的判定是岸橋是否為空閒狀態，如果空閒，則進行裝船作業，否則在相應岸橋處排隊等待岸橋作業。作業完成後，集卡駛出碼頭前沿道路，集卡元胞由非空 閒狀態變為空閒狀態；再依據配載圖進行下一輪的流程； (1)元胞的初始化 前方堆場模塊——三維元胞進行初始化，三維元胞隨機生成後，用編號區分出每一個貨櫃所在箱區號，箱型以及到港順序，然後隨機生成一個一維序號組代表提箱順序；集卡模塊——每個箱區生成的集卡元胞均為空閒狀態，等待場橋作業；道路模塊——初始化時所有道路上沒有車輛； (2)元胞自動機的運行 v(i, k+1)表示第i輛車第k+1秒的速度，v(i，k)表示第i輛車第k秒的速度，Vmax表示車輛可以行駛的最大速度，d(i，k)表示第i輛車在第k秒時與前一輛車的距離，x(i,k+l)表示第i輛車第k+1秒的位置，x(i，k)表示第i輛車第k秒的位置； 1)前方堆場模塊規則:按照隨機生成的提箱順序，找到即將被提取的貨櫃後，判定是否需要翻箱，若不需要，則直接提取，該箱位清空；如需要翻箱，則判斷需要翻幾次箱，一次則將上面的一個箱子放在下面箱位的位置，相面的箱位清空；兩次則將最上面的箱位清空，被上面的兩個箱子進行裝船順序的判斷，將序號較大的放在最下面的箱位上； 2)集卡隊列模塊規則:完成一次裝車作業，集卡模塊對應的一個元胞由空閒狀態變為非空閒狀態； 3)碼頭前沿道路的更新:當運行總時間與堆場裝車完成時間一致時，該車輛駛入碼頭前沿道路，集卡在車道上的主要演化規則為 ①加速:v(i, k+1) =min(v(i, k)+l, vmax)表明集卡司機期望以最大速度在道路上行駛；②減速:v(i,k+l)=min(v(i, k)，d(i, k))即集卡司機為避免和前車發生碰撞而採取減速措施； ③以概率P隨機慢化:V(i，k+1)=max(v(i，k)-l，0)反映現實中由包括天氣因素、集卡司機心理狀態因素、以及道路的路面狀況因素的不確定因素造成的集卡減速； ④運動:x(i, k+1) =x (i, k) +v (i, k+1)即集卡按照調整後的速度向前行駛，進入下一個仿真步； ⑤集卡在岸橋處完成裝船作業； 4)集卡隊列模塊規則:完成一次裝船作業，集卡駛出道路模塊，其對應的一個元胞由非空閒狀態變為空閒狀態。
2.如權利要求1所述的貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法，其特徵是，建立貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架的基本框架: 裝船過程:港區外貨物被運輸到港區道路子系統中，其中部分為散雜貨物，需要運到貨櫃中心進行拼裝箱作業後才能變為標準重箱，然後運往堆場存放；其餘貨物均為裝箱後以貨櫃形式出現，再將其運送到堆場區；而有一小部分貨櫃，如危險品、船舶已靠岸的貨櫃，則不需要送往堆場，直接進入碼頭道路模塊，經過船邊的裝船模塊後，貨櫃被送往船模塊，依照航運公司系統制定的船舶配載圖送往指定位置，待所有貨櫃完成裝船後，船舶依船期表駛出港口航道子系統； 卸船過程:船舶依船期表駛入港口航道子系統，依照航運公司系統制定的船舶積載圖在船邊卸船模塊進行卸船，然後集卡載著貨櫃駛入碼頭道路模塊，有一部分貨櫃，包括危險品，直接通過碼頭卡子門子系統後，到達港區道路子系統，再運往港區外；而大部分被放置在前方堆場模塊，若貨櫃在前方堆場若干天后仍然沒有提走，則通過碼頭卡子門子系統，港區道路子系統 被送往後方堆場，經過在貨櫃中心的拆箱後，運往港區外； 貨櫃碼頭堆場區的裝船流程為:重集卡載貨櫃達到堆場，由船舶配載圖，確定每個箱子所在的箱區；每個箱區內部，堆場針對貨櫃具體箱位的擺放有多種選擇方案，通過比較各個方案中所有貨櫃裝卸完成所耗時間以及成本，選出最優的方案，確定下來箱子的具體位置，集卡將貨櫃卸下，空車離開堆場；由船舶配載圖我們可以知道貨櫃的裝船順序，在尋找下一個離開堆場到船的貨櫃時，依據各貨櫃的狀態確定是否需要翻箱，翻幾次；完成翻箱後，將該貨櫃裝車，重卡離開堆場區駛入相應的碼頭道路； 船邊裝船作業流程:重集卡駛入相應的碼頭道路，行駛到相應的岸橋處時，判斷岸橋是否是空閒狀態，若非空閒狀態，則在此處進行排隊，等待裝船作業；否則，依船舶配載圖進行裝船作業，完成後空集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區； 船邊卸船作業流程圖:船舶靠岸後，空集卡駛入相應的前沿道路，依進口船圖確定卸船順序，然後岸橋執行卸船作業，將箱子放到空集卡上，此時，重集卡駛出碼頭前沿道路，駛入堆場區。
3.如權利要求1所述的貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真方法，其特徵是，在相同規模的裝船作業量情況下，採用貨櫃碼頭裝卸交通系統布局與交通組織微觀仿真框架，通過改變作業形式，對比不同的指標，篩選出一個保證整個作業效率較高，場區規劃較合理的方案。
【文檔編號】G06Q10/04GK103606124SQ201310608806
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】白子建, 柯水平, 李旭彬, 李新海, 王新岐, 王曉華, 高潮, 李強, 趙巍, 毛偉, 史德軍 申請人:天津市市政工程設計研究院