1、关于集装箱自动化堆场物流系统仿真与分析的文献综述一、前言码头堆场是水陆集装箱的集散中转地,是连结码头前沿和后方大门的纽带,是整个码头物流系统连续、高效运行的保障,堆场的建设与管理是码头生产的重要环节。建设自动化码头,将最大限度的提高堆场和码头的作业效率,减少人为差错,缩短船舶在港停留时间,加大港口码头的通过能力和服务水平,最大限度的保障工人的安全和降低运营成本,为港口带来新的效益。因此,实现自动化堆场是现代集装箱港口装卸技术发展的必然趋势。排 队 网 络 理 论 : 集装箱自动化堆场的生产作业是一类典型的离散事件动态系统。排队网络方法的特点是,可以考虑实际 DEDS 问题中不可避免的随机因素,
2、并且从统计平均的角度来分析 DEDS 的过程性能,属于在统计性能层次上研究 DEDS 的建模与主要分析方法之一。Witness 仿真软件,是一款由英国 Lanner Group 公司开发的数值仿真软件,采用面向对象方法建模,主要用于物流系统规划与仿真、人力资源规划、邮政系统规划、资产投资评估、生产计划与调度优化等领域 03。Witness 仿真软件具有用户界面友好、模型单元丰富、交互式面向对象建模、工程友好性强、执行策略灵活、实时动画显示、输入输出方式灵活、模型柔性好、提供软件间的数据接口、模块化建模、统计性能参数动态显示等优点。二国内研究现状随着世界经济的一体化,我国与世界各国贸易持续发展,
3、集装箱港口吞吐量不断高速增长,这对集装箱港口装卸工艺和装卸技术装备提出了更新更高的要求,给码头的规划和管理带来了前所未有的挑战。如何利用码头有限的资源设施,高效地实现港口装卸作业,已经是码头建设者和管理者所面临的一个重大课题。作为国际运输链与物流供应链的重要环节,集装箱运输在现代物流业的发展中起着不可替代的作用,集装箱运输业不仅是国民经济的基础,同时也为国内外经济、贸易的发展做出了巨大的贡献。经济的全球化、跨国经营和现代信息技术的发展推动着国际集装箱与现代物流进一步融合发展 01。进入全球物流时代以后,现代集装箱码头已从传统的装卸运输中心(装卸十储存+转运)发展成为配送中心(装卸十储存+转运十
4、拆装箱+仓储管理十信息处理),或进一步发展为如今的综合物流中心。现在的集装箱码头已经成为一个集商品流、资金流、技术流、信息流于一体的物流中心02。作为集装箱运输的枢纽衔接水运和陆运的集装箱码头,在集装箱运输业中发挥着极其重要的作用。码头堆场是水陆集装箱的集散中转地,是连结码头前沿和后方大门的纽带,是整个码头物流系统连续、高效运行的保障,堆场的建设与管理是码头生产的重要环节。随着生物、信息计算机网络、传感测试、EDI(电子数据交换Electronic Data Interchange) , GPS(全球定位系统 Global PositionSystem), PDS(集装箱箱位检测系统 Posi
5、tion Detection System), AGSS(轮胎吊自 RM11 偏系统 Automated Guided Sling System)等现代高新技术和 AGV(自动导引小车Automated Guided Vehicle) , ASC(自动堆跺起重机 Automated Stowed Crane),OBC(高架桥式起重机 Overhead Bridge Crane)等自动化机械设备在港口中的大量应用 01,装卸生产系统向大型化、高速化、自动化、数字化、信息化方向发展,码头规模越来越大,效率越来越高,吞吐量越来越大 03。因此,实现自动化堆场是现代集装箱港口装卸技术发展的必然趋势。三
6、、国外研究现状早在上个世纪 80 年代中期,在劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的地区,自动化运转集装箱码头首先受到关注。英国泰晤士港、日本川崎港以及荷兰鹿特丹港纷纷规划建设自动化运转的集装箱码头。泰晤士港和川崎港自动化运转集装箱码头均计划采用分阶段建设的方法实施,但是由于后续的自动化设备开发的财政资助发生变化而搁浅。1993 年全球第一个自动化运转集装箱码头荷兰鹿特丹港 ECT 码头Delta Sealand 建成投产,实践证明其自动化运转的集装箱码头建设达到了预期的目标。之后,ECT 又分别于 1997 年和 2000 年建成了自动化运转码头 Delta Dedi-cated(DDE)和 De
7、ltaDedicatedWest(DDW)。2002 年德国汉堡 Altenwerder 自动化运转码头也建成投产 04。发展自动化堆场甚至是自动化码头,将最大限度的提高堆场和码头的作业效率,减少人为差错,缩短船舶在港停留时间,加大港口码头的通过能力和服务水平,最大限度的保障工人的安全和降低运营成本,为港口带来新的效益。而且建设自动化堆场和码头,可以很好的展示港口自身的开拓精神,带来良好的广告效益,树立港口的光辉形象,这又无疑为港口增添了一笔无形资产。各国的决策者们认为,当今的装卸自动化、管理信息化已成为影响港口装卸效率和通过能力的两大因素 05。目前,国际集装箱自动化码头的发展大致可以分为
8、3 代:第 l 代,以荷兰鹿特丹港 ECT 码头 I 期和 II 期为代表,目前已投入运营的自动化程度最高的码头。码头岸边设备为人工操作,水平搬运设备自动导向车 AGV和堆场设备 RMG 均为无人操作。另外,还有一部分作业实现自动化功能的集装箱码头,例如新加坡 PSA 码头、中国香港 HIT 码头,主要是堆场作业实现自动化操作。第 2 代,以德国汉堡 HHLA-CTA 码头为代表,目前正在试运行的最先进的自动化集装箱码头。码头自动化范围从岸桥到堆场和堆场到集卡,岸边设备岸桥为半自动化操作,水平搬运设备 AGV 和堆场设备 RMG 均为无人操作 01。堆场装卸工艺为大、小穿越 RMG 与 AGV
9、 相结合,RMG 在堆区两端完成装卸作业。第 3 代,以荷兰鹿特丹港 EUROPMAX 码头为代表,尚在设计中的自动化集装箱码头。此类堆场自动化范围从岸桥到堆场、堆场到集卡和堆场到轨道吊,岸边设备岸桥为半自动化操作,水平搬运设备 AGV 和堆场设备 RMG 均为无人操作,轨道吊为半自动化操作另外,在港口装卸工艺方面,国内外各大港口也不断创新,争相改进自己的装卸系统,开发设计高效率的集装箱装卸工艺和装卸系统 02。目前应用最多的集装箱装卸工艺是“岸边集装箱装卸桥跨越车系统”和“岸边集装箱装卸桥龙门起重机系统” 。但是,它们都避免不了岸桥到堆场之间的多次装卸作业,仅靠提高装卸机械的作业速度对装卸系
10、统效率的提升空间不大。装卸效率的大幅提升还需要装卸工艺的改革。随着集装箱运输的发展和相关控制、生产技术的进步,新的工艺系统不断被研究试验,也促进了全自动化堆场的快速发展。比较典型的有“马托松高架装卸系统和环形电动平车系统”和“环形电动平车系统” 。国内最近还提出一种“港口集装箱 型装卸系统的设备及工艺” ,并获得国家发明专利。这些装卸工艺各具特点,适合不同的港口环境。四、码头堆场装卸设备堆场作业主要采用自动化轨道式或者轮胎式龙门起重机。自动化轨道式龙门起重机技术己发展成熟,现有的集装箱自动化码头均采用了这种设备。根据各自动化码头的装卸工艺出现了多种类型的轨道吊,例如在荷兰的鹿特丹 ECT 码头
11、采用自动堆跺起重机(ASC)和自动导引小车(AGV)联合作业 :采用 AGV 和自动化轨道式龙门起重机(RMG)或高架桥式起重机(OBC)协同实现码头自动化的技术;我国的上海港采用振华港机最新研制的高大跨的和低小跨的 2 台轨道吊(RailMounted Gantry Crane,RMGC)配合使用,交叉作业。轮胎式龙门起重机的自动化程度也得到了不断提高,如英国 Morris Mechanical Handling 公司开发了先进的轮胎式龙门起重机自动转向系统,可以提高龙门起重机机械性能,增加操作灵活性 06;Sandersorl Logistics公司开发的集装箱定位系统(Dock Watc
12、h)以及 Kalmar 公司开发的轮胎式龙门起重机自动操作和集装箱定位系统(SMARTRAIL)等,均提高了轮胎式龙门起重机的自动化操作程度 07。此外,Mitsui Engineering 逻辑单元用于表示模型中的概念性、逻辑性方面的关系。WITNESS 的主要特点是 13 141)交互式面向对象的建模环境。将对象的图形与逻辑关系集成在一起。在模型建立的任何时刻,允许对某些单元进行修改和定义。修改完毕,模型将继续运行,不需要重新返回到仿真的初始时刻。2)灵活的执行策略。允许通过交互界面定义各种系统执行的策略。如排队优先级、物料发送规则等,优先级层次不限。软件提供了 14 种基本的输入和输出规
13、则,且允许规则间相互组合。3)工程友好性强。WITNESS 所提供的物理单元,充分考虑了可能遇到的各种工程实际需要。例如,对机器单元,提供加工周期、维修时间、操作工数量、工班等。机器类型有单件加工型、装配型、批量加工型、分离加工型等。4)实时的彩色动画显示。系统逻辑单元建立的同时,可以建立相应的彩色图形模型,并显示在屏幕上。模型运行过程中可实时地动画显示出系统的运行过程,从而辅助建模和系统分析。5)灵活的输入、输出方式。除了菜单引导下的输入方式和报表、曲线图、饼图和直方图四种方式实时输出外,还可以与写字板、ExceI 等其他应用软件相连,相互配合使用。例如,利用这些软件进行数据输入和实时的输出
14、,便于仿真分析。甚至可以利用 VisualBasic 来建立自己的用户界面。6)丰富的模型单元。WITNESS 提供了丰富的模型单元(11 种物理单元,11 种逻辑单元) 。可以组成各种复杂的系统模型,从而可适应多种系统仿真的需要。7)柔性。现实的码头作业不只由集装箱、道路、车子、起重机、起动时间、循环时间和维修时间来决定,码头决策者常需要采用一些特殊的策略。如,选择路径,批量分配,交通流平衡,劳力节省,采用新的作业模式和缩小集装箱堆存期等。WITNESS 强大的功能使它能贴切地模拟这些变化。8) OL自动服务 (一种相关软件间数据共享的机制 ).允许 WITNESS 充当 OLE 自动服务器
15、,从而被其它应用程序控制,如微软的 VB 和 Excel.9)子模型。整个 WITNESS 模型可以由许多不同人员开发的子模型组建而成,从而大大加快复杂模型的构造速度。七、总结本文规划了集装箱自动化堆场物流系统的整体布局、机械配臂和作业规则。在理论分析的基础上,将排队网络理论应用于集装箱堆场排队系统中,并通过利用专业仿真软件 WITNESS,对集装箱自动化堆场建立了计算机仿真模型,实时动态地显示了集装箱自动化堆场物流系统的运作流程,分析了自动化堆场机械匹配作业的协调性、机械的合理配置、堆场机械作业策略优化等问题,为码头管理者提供了决策依据。参考文献01中国港口经济大丛书编委汇编.中国港口经济M
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