基于排隊論的集裝箱碼頭泊位與岸橋聯(lián)合配置仿真

1、摘 要近年來伴隨著集裝箱港口的大型化、深水化發(fā)展，如何通過合理安排港口泊位數(shù)量和港口配套機械數(shù)量，提高單泊位作業(yè)能力，提高港口服務(wù)質(zhì)量成為各港口發(fā)展中關(guān)注的重點。隨著港口吞吐量的增加，提高單泊位岸橋數(shù)量可以提高泊位裝卸效率，減少船方在泊時間和待泊時間，減少船方在港成本，但單泊位允許同時作業(yè)的岸橋數(shù)量有一上限，吞吐量繼續(xù)增加，港口只有增加新的泊位以滿足需要。另一方面，岸橋和泊位的增加意味著港方投資的增加。本文采用仿真的方法，研究了泊位數(shù)固定時單泊位岸橋數(shù)的配置問題以及泊位數(shù)和單泊位岸橋數(shù)的聯(lián)合配置問題。港口最佳泊位數(shù)和岸橋數(shù)的確定，可以實現(xiàn)港、船雙方綜合效益的最大化。本文首先闡述了排隊理論在集裝

2、箱港口的應(yīng)用，通過理論推導(dǎo)，得出船舶裝卸時間、船舶等待時間、排隊隊長等一系列公式，為集裝箱碼頭計算機仿真系統(tǒng)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。然后介紹了計算機仿真技術(shù)的發(fā)展及其在集裝箱港口的應(yīng)用，通過比較幾種流行仿真的特點及其適用范圍，文中選用 Arena建立了集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真模型，并詳述了建模流程和各模塊的參數(shù)設(shè)置，并說明了排隊論與計算機仿真的關(guān)系。采用一通用集裝箱碼頭作為仿真案例，給出了通用案例中各仿真參數(shù)的選取原則，如：到港船舶船型分布、船舶到港規(guī)律、自然、航道條件及通航規(guī)則、錨地及堆場規(guī)模、泊位組合、岸橋、龍門吊及集裝箱卡車的數(shù)量和作業(yè)效率、仿真時長等，通過仿真得出結(jié)果并對結(jié)果進行分析。一方

3、面，在固定泊位數(shù)下，以船舶在港成本和 AWT/AST 兩個參數(shù)作為控制，其中船舶在港成本為主要控制，AWT/AST 為次要控制，得出了不同到港船舶平均載箱量和不同船流密度組合下的單泊位岸橋數(shù)的最優(yōu)配置。并對單泊位岸橋數(shù)與船舶在港成本、泊位利用率、AWT/AST 的關(guān)系進行了分析和說明，得出一般性結(jié)論。另一方面，在泊位數(shù)不定的情況下，對泊位數(shù)和單泊位岸橋數(shù)進行聯(lián)合配置，找出最優(yōu)聯(lián)合配置，采用聯(lián)合配置的方法能更好地找到令港方和船方都滿意的平衡點。最后闡述了本文中存在的一些研究的方向。，提出了進一步： 排隊論 單泊位岸橋數(shù) 泊位岸橋聯(lián)合配置 計算機仿真 船舶在港成本AWT/ASTABSTRACTRe

4、cently, with the development of the containort and the deep water channel,how to assign port berth number and port machine number reasonably to improve thehandling ability of singernd the quality of port servihase the focusof port development. With the growth of the terminal throughput, increasing t

5、he quaycrane number will improve the handling ability of singerth, decrease the time aship waiting for bernd a ship loading on the berth, and decrease the cost of a shipat berth. But there is an upper limit of the quay crane number of singerth workingat the same time, if the throughput sustained gro

6、wth, the berth number has to beincreased. On the other hand, the number of bernd quay crane increase means theincreasing of ports investment.his article, we are discussing the appropriate quaycrane number of singernd the appropriate berth number and quay cranenumber in ways of computer simulation. T

7、o find the most appropriate berth numberand quay number canhis article, weterminal handling pro time, ship waiting time,ize the efficiency of port and ship.elaborate the queuing theory and its use in container s, through theoretical derivation, conclude the ship loadingthe queue lengnd a series of f

8、ormulas, whiake thetheoretical foundation of the establishment of the computer simulation system for container terminal. Then describe the development of computer simulation technology and its application he container terminal, by comparing the feature of severalsimulation software and their scope o

9、f application, then choose Arena to make acontainer terminal handling system simulation m, and describe the mingpros and the parameters of every modulock and give the relationship betnqueuing theory and computer simulation. Then using a general-pure containerterminal as a simulation case, giving the

10、 selection of every parameters, such as thearriving ships loading capacity distribution, the average time betn two shiparrives, natural factors, fairway conditions and navigation rules, anchorage and yardscale, berths combination, quay crane, gantry crane and container trucks number andefficiency, t

11、he time run the mand so on. Then running the mconclude thee, andysis them.On one hand, discussing the appropriate quay crane number of singerth, andchooses the ship cost and AWT/AST as the control factors,t the ship cost is themain control factor, the AWT/AST is the secondary control factor. Using s

12、omeselection principles, we can get the most appropriate berth number and quay cranenumber of singerth of the combination of different ship average loading capacityand different ship arriving density. And make theof the relationshipbetn quay number of signal bernd ship cost, berth utilization, AWT/A

13、ST, anddraw a general. On the other hand, finding the appropriate berth numberand quay crane number when the number of berth is unknown, and comparing the twoways of assignment,t is assignment quay crane number alone and assignmentberth number and quay crane number together, and concludingand quay c

14、rane assignment is the better way to solve the problem.tegrated berthast, expoundingtheingshis article and indicating the direction of future research.KEY WORDS：queuing theory, quay crane number of singerth,egratednd quay crane assignment, computer simulation, the cost of ship at port,berAWT/AST目錄第一

15、章 緒論11.1研究背景及意義1研究背景1問題的提出2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.21.2.11.2.21.2.31.2.4泊位配置問題研究現(xiàn)狀3岸橋配置問題研究現(xiàn)狀4泊位和岸橋聯(lián)合配置問題研究現(xiàn)狀5存在.61.3結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容6第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論82.1港口排隊問題的基本概念82.1.12.1.22.1.32.1.4概述8船舶到港規(guī)律分布形式9船舶排隊規(guī)則10船舶服務(wù)時間分布形式112.22.3集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng) M/M/N 模型分析及參量計算12集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)評價指標13第三章 系統(tǒng)仿真的基本理論163.13.23.33.4仿真技術(shù)簡介16仿真仿真的發(fā)展16Arena 簡介

16、17排隊論與系統(tǒng)仿真的關(guān)系19第四章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真模型的建立204.14.24.3集裝箱碼頭裝卸流程分析20仿真模型作業(yè)系統(tǒng)的組成21仿真模型分析25第五章 仿真結(jié)果分析27仿真參數(shù)的分析和確定27船舶到港規(guī)律和船型27到港船舶船型分布27船舶到港規(guī)律29天氣條件29航道條件及通航規(guī)律30錨地規(guī)模30泊位組合30岸橋數(shù)量及裝卸效率31龍門起重機31集裝箱卡車31堆場容量325.1.25.1.35.1.45.1.55.1.65.1.75.1.85.1.95.25.35.4仿真運行時間的選取32評價指標的選取33單泊位最優(yōu)岸橋數(shù)仿真結(jié)果分析345.4.15.4.25.4.35.4.4單泊

17、位岸橋數(shù)對泊位利用率影響分析37單泊位岸橋數(shù)對船舶全年在港成本影響分析38單泊位岸橋數(shù)對 AWT/AST 影響分析40單泊位最優(yōu)岸橋數(shù)目435.55.6泊位、岸橋聯(lián)合配置方法43泊位、岸橋最優(yōu)聯(lián)合配置結(jié)果及結(jié)果分析44第六章 結(jié)論與展望476.1 結(jié)論476.2 展望47參考文獻49和參加科研情況說明52致謝53第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究背景及意義1.1.1 研究背景追溯集裝箱的。19 世紀初期，用集裝箱進行貨物發(fā)展的歷史，集裝箱的使用，首先是從鐵路、公路開始鐵路集裝箱裝載木材進行，英國鐵路也開始使公司為應(yīng)對因公路運。20 世紀 50 年代，的鐵路輸?shù)难杆侔l(fā)展而引起的競爭，以鐵路和公

18、路相結(jié)合的方式，采用了將載形式，開始了“門到門”有集裝箱的半掛車裝載于鐵路平板車輛上的“駝背的。海上集裝箱始于軍事物資的。第二次中，利用集貨物。方式也逐裝箱在海上軍事物資，證明了使用集裝箱能夠大量、迅速和安全地戰(zhàn)后，各國的經(jīng)濟得到恢復(fù)和發(fā)展，國際貿(mào)易量大幅提高，集裝箱漸為海運和空運所采用。我國的集裝箱也是首先從鐵路開始，繼而在國內(nèi)內(nèi)河航線試運后才逐漸發(fā)展起來的。為了適應(yīng)對外貿(mào)易的需要，1973 年 9 月，中國在開始了至橫濱、大阪、神戶等港口之間用普通雜貨船捎運集裝箱的試運工作。同年10 月，又在至橫濱、大阪、神戶等港口間進行小型集裝箱試運，兩次試運都非常的成功，為我國開展國際集裝箱積累了經(jīng)驗

19、。1977 年，我國交通部成立集裝箱籌備小組，著手在青島港、港和港配備必要的集裝箱吊裝機械、吊具和車輛。與此同時，作為我國國際集裝箱主力的中國遠洋總公司也開始購置集裝箱船，發(fā)展集裝箱船隊，培訓，進行組織的籌備工作1。伴隨著集裝箱船舶的大型化、深水化，伴隨著中國對外開放的不斷深入，伴業(yè)務(wù)隨著全球經(jīng)濟進程的加快以及國際貿(mào)易的日益頻繁，中國港口的集裝箱運輸事業(yè)取得了突飛猛進的增長：近十年我國成為全球港口集裝箱吞吐量增長最快的地區(qū)。自 1977 年至今，不論在航線、集裝箱船舶、集裝箱、集裝箱碼頭，以及經(jīng)營類型等方面都有了顯著的革新與發(fā)展，以集裝箱進行貨物，已成為國際班輪航線上占有支配地位的吞吐量的變化

20、情況。形式。表 1-1 給出了國內(nèi)幾個大型港口集裝箱1第一章 緒論表 1-1國內(nèi)主要港口集裝箱吞吐量變化表（：萬 TEU）年份港口1995 年2000 年2005 年2010 年152.6570.2160.3054.5037.4230.9728.3716.00561.23170.84212.01143.09101.10108.46399.3790.221808.40480.10630.70468.30265.5334.231566.00520.802906.91008.001201.201255.00524.20582.002250.971314.4青島廣州大連廈門寧波來源：中國港口年鑒21.

21、1.2 問題的提出近年來隨著水路貨物量的不斷增加，而集裝箱又由于其獨有的優(yōu)越性，成為水路發(fā)展最快的行業(yè)，因此集裝箱碼頭在不斷朝著大型化、深水化發(fā)展，泊位的新建、配套設(shè)備的增加等必然導(dǎo)致各項建設(shè)費及用的增加。同樣伴隨著碼頭競爭程度的不斷升級，如何運用較少的成本產(chǎn)生較多的經(jīng)濟收益成為各碼頭關(guān)注的焦點問題。這就要求準確把握港口的吞吐能力，通過合理安排港口泊位數(shù)量和港口配套機械數(shù)量，提高單泊位作業(yè)能力，提高港口服務(wù)質(zhì)量。目前提高單泊位作業(yè)能力是集裝箱碼頭的關(guān)注重點，其要求是將單純增加泊位數(shù)的規(guī)模型，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴岣邌尾次谎b卸效率為目的的績效型。我國原先比較注重擴大外延的再生產(chǎn)方式，即強調(diào)港口泊位數(shù)的增加，

22、并不注重港口配套機械的合理配置，從而使我國港口處于粗放型經(jīng)營狀態(tài)，單泊位作業(yè)能力與外國相比明顯偏低。表 1-2 為 2001 年和 2006 年港與港的集裝箱碼頭單泊位作業(yè)能力和機械配置數(shù)量的比較，表中反映出我國大陸在 2001 年時，集裝箱碼頭單泊位平均吞吐量較低，泊位使用能力明顯降低，單泊位裝卸機械數(shù)量配備較少；而到了 2006 年則明顯改觀。反觀港，在 2001 年單泊位作業(yè)能力就高于 2006年港的單泊位作業(yè)能力。由此可見，單泊位的岸橋擁有量的增加以及單岸橋裝卸效率的提高是提高單泊位作業(yè)能力的兩種有效方法，可以大幅度減少船舶在港時間，提高港口服務(wù)質(zhì)量3。2第一章 緒論表 1-2與集裝箱

23、碼頭單泊位作業(yè)能力和機械配置數(shù)量對比表2001 年2006 年統(tǒng)計參數(shù)港港港港集裝箱泊位數(shù)1812485469.33.00196343533.41.842423548598.03.539217111955.73.05碼頭吞吐量（萬 TEU）集裝箱岸橋數(shù)單泊位平均吞吐量單泊位平均岸橋數(shù)隨著港口吞吐量的增加，增加單泊位岸橋數(shù)量可以提高泊位裝卸效率，減少船方在泊時間和待泊時間，減少船方在港成本。但單泊位允許同時作業(yè)的岸橋數(shù)量有一上限，吞吐量繼續(xù)增加，港口只有增加新的泊位才能滿足需要，另一方面，岸橋和泊位的增加意味著港方投資的增加。因此，本文就單泊位岸橋數(shù)量問題展開，研究泊位數(shù)固定時單泊位岸橋數(shù)的配置

24、問題以及泊位數(shù)和單泊位岸橋數(shù)的聯(lián)合配置問題，通過確定港口最佳泊位數(shù)和岸橋數(shù)，尋找令港方和船方都滿意的泊位數(shù)和岸橋數(shù)的平衡點，以實現(xiàn)港、船雙方綜合效益的最大化。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外已經(jīng)有眾多學者對如何進行合理的泊位配置、港口配套設(shè)備配置以及泊位岸橋的聯(lián)合配置問題進行了相關(guān)研究。有三種主要的分析方法：一是給出約束條件，選定目標函數(shù)，然后利用某種算法（例如排隊論、遺傳算法、啟發(fā)式算法等）建立數(shù)學模型進行求解；二是按照港口實際情況建立計算機仿真模型，輸入模型參數(shù)，模擬出船舶在泊時間、待泊時間、排隊隊長等相關(guān)參數(shù)，進行分析；三是將數(shù)學分析方法和仿真分析方法結(jié)合起來分析港口實際問題。由于數(shù)

25、學模型的發(fā)展要早于計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，所以對港口泊位和岸橋問題的研究采用建立數(shù)學模型的文獻要多于使用計算機仿真求解的文獻，研究的深度也要更深，內(nèi)容也更完善。Steenken、Stefan 和 Robert 的文章對過去 40 年的集裝箱港口作業(yè)系統(tǒng)的研究進展和研究成果作了較全面地總結(jié)和歸納4。1.2.1 泊位配置問題研究現(xiàn)狀港口泊位配置問題主要分為兩個研究方向：泊位數(shù)量問題和泊位分配問題。泊位數(shù)量問題研究的主要目的是在已知碼頭年吞吐量情況下確定最合理的泊位噸級以及每一噸級泊位的數(shù)量；泊位分配問題研究的主要目的是為不同載重噸位3第一章 緒論和不同到港規(guī)律的船舶制定泊位分配計劃，根據(jù)目標函數(shù)的不

26、同，尋求最合理的分配方案。（1）在建立數(shù)學模型方面Kozan 用多服務(wù)臺排隊理論建立了集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)模型，了影響集裝箱碼頭裝卸效率的主要，對船舶在港時間進行了計算，分析了泊位數(shù)對碼頭裝卸效率的影響5。Imai、Nishimura 和 Papadimitriou 基于混合整數(shù)規(guī)劃的啟發(fā)式算法研究了泊位分配方法，并研究了以提高泊位利用率為目的的優(yōu)化分配方法6。Imai、Nishimura 和 Papadimitriou 在其上文的基礎(chǔ)上研究了基于 GA 的啟發(fā)式算法解決了具有不同優(yōu)先權(quán)船舶的泊位分配的非線性問題7。幫以港方、船方、貨方三者天費用之和最小為目標函數(shù)，用排隊理論推算港口最佳泊位數(shù)，

27、并采用港 1980 年件雜貨碼頭統(tǒng)計資料進行驗證8。從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，運用排隊論等原理，結(jié)合我國實際情況，以泊位、船舶和船載貨物周轉(zhuǎn)的總費用最少為目標，提出確定港口最佳泊位數(shù)的通用計算方法9。在集裝箱碼頭的兩種基本模型 M/M/1 和 M/M/C 基礎(chǔ)上建立了 M/M/C1 模型，采用隨機服務(wù)理論，對單泊位碼頭和多泊位碼頭吞吐量進行了研究10。愛詳述了利用排隊論求解港口作業(yè)系統(tǒng)特征值的推導(dǎo)過程11。以集裝箱碼頭為例，應(yīng)12。用排隊論理論折中解決了泊位數(shù)量和船舶待泊時間之間的（2）在建立仿真模型方面國內(nèi)外學者從 80 年統(tǒng)仿真模型模擬港口運始利用計算機仿真技術(shù)分析港口服務(wù)系統(tǒng)，建立系用計算機

28、求解，得到系統(tǒng)的特征值(如船舶的平均在泊時間、平均待泊時間、平均忙碌泊位數(shù)量等)，通過分析數(shù)據(jù)，找出主要矛盾，從而解決港口實際問題。Legato 和 Mazza 運用可視化的 SLAM 語言，建立了一個與集裝箱船只到達、靠泊和離泊過程相關(guān)的排隊網(wǎng)絡(luò)模型，研究碼頭泊位規(guī)劃問題；但是由于排隊機制的復(fù)雜性，資源分配策略的多樣性，通過方法很難獲得問題的精確解；他們采用流程圖方法建立了一個仿真模型，進行離散事 件仿真，獲得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果，表明計算機仿真是模擬碼頭排隊系統(tǒng)的有效方法13。楊海東將船舶進港順序歸納為 9 種指泊條件，通過 C+語言編程進行計算機仿真，得出反映系統(tǒng)性能的各指標值，以船舶在港時間最

29、小為目標函數(shù)，得到船舶最優(yōu)進港順序和泊位分配結(jié)果14。1.2.2 岸橋配置問題研究現(xiàn)狀岸橋是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備中最為昂貴的一種，也是決定泊位生產(chǎn)效率的主，近年來關(guān)于集裝箱碼頭岸橋問題的研究主要集中在兩個方面：岸橋數(shù)量要問題和岸橋分配問題。岸橋數(shù)量問題主要指如何配置單泊位岸橋數(shù)量，使某一目4第一章 緒論標函數(shù)達到最優(yōu)，通常選取的目標函數(shù)有最小化船方和港方成本、最小化船舶在港時間等；岸橋分配問題主要針對連續(xù)泊位，其研究內(nèi)容是對不同載重噸位到港船舶合理分配裝卸岸橋數(shù)量，通過控制岸橋在相鄰泊位間移動，實現(xiàn)吞吐量最大化或者船舶等待時間最小化。（1）在建立數(shù)學模型方面Daganzo 給出一個靜態(tài)岸橋配置問

30、題的 MIP 模型，以泊位吞吐量最大為目標函數(shù)進行求解，得出岸橋的最優(yōu)配置15。Peterofsky 和 Daganzo 在上文的基礎(chǔ)上提出分支定界法，以延誤成本最小化為目標，建立整數(shù)規(guī)劃模型，給出了其描述問題的精確解16。Kim 和 Park 研究了集裝箱岸橋的分配問題，通過建立以船舶作業(yè)時間最短為目標函數(shù)的混合整數(shù)規(guī)劃模型，得到了每臺岸橋的最合理配置方案17。以在港口接受作業(yè)服務(wù)船只為研究對象，建立了標準排隊模型，根據(jù)港口吞吐量增長的要求，對寧波港各碼頭應(yīng)當擴充的岸橋數(shù)量進行定量分析，提出了寧波港集裝箱碼頭岸橋配置方案18。根據(jù)動態(tài)規(guī)劃的基本原理，采用排隊論模型，統(tǒng)計平均排隊時間等穩(wěn)態(tài)性能

31、指標，以較高的岸橋利用率，較少的船舶在港停留時間為約束條件，配置具有合理生產(chǎn)率的岸橋數(shù)量。并且對倒箱作業(yè)和大車移動作業(yè)過程進行研究，提出倒箱作業(yè)和大車移動作業(yè)具有古典概型特征，分析倒箱率和大車移動率，量化倒箱作業(yè)時間和大車移動時間，并以漢陽港集裝箱碼頭為例進行了計算19。（2）在建立仿真模型方面、中以外高橋集裝箱碼頭為例，用 VB6.0 編程構(gòu)建了一個動態(tài)多級排隊網(wǎng)絡(luò)，模擬集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)，通過對泊位利用率、船舶在港時間等指標的分析，得出了該碼頭的最優(yōu)機械配比20。1.2.3 泊位和岸橋聯(lián)合配置問題研究現(xiàn)狀國內(nèi)外學者對于泊位和岸橋的聯(lián)合配置問題的研究是從近幾年才展開的。（1）在建立數(shù)學模型

32、方面Imai、Nagaiwa 和將泊位分配與機械調(diào)度問題相結(jié)合，了考慮船舶等待時間和碼頭利用率的雙目標非線性優(yōu)化問題21。Imai、 Chen、Etsuko 等討論了同時考慮泊位和岸橋情況下的泊位配置問題，并采用遺傳算法對問題進行了求解22。針對港口泊位與岸橋的配置問題，提出一種啟發(fā)式算法，并利用該算法對建立的泊位與岸橋資源優(yōu)化配置模型進行了求解23。、杜玉泉、陳針對泊位和岸橋聯(lián)合調(diào)度問題，以碼頭營運成本和客戶滿意度指標為目標，從運籌學角度出發(fā)建立了多目標的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，通過多目標遺傳算法對問題進行求解24。5第一章 緒論（2）在建立仿真模型方面、針對集裝箱碼頭的泊位分配及岸橋調(diào)度問

33、題，使用 eM-Plant建立了以船舶在港時間最短為目標函數(shù)的仿真模型，并利用仿真和遺傳算法相結(jié)合的仿真優(yōu)化方法對泊位分配和岸橋調(diào)度問題進行了求解25、基于免疫遺傳算法對港口泊位與岸橋協(xié)調(diào)調(diào)度問題進行算法開發(fā)，通過對某港口實例進行仿真，得出結(jié)果26。，針對連續(xù)泊位的調(diào)度與岸橋配置問題，構(gòu)建了一個混合整數(shù)規(guī)劃模型，提出一種新的啟發(fā)式算法，并采用 VB6.0編程，進行了四組仿真算例實驗，得出仿真結(jié)果，結(jié)果表明 60%的算例在新算法下可獲得更優(yōu)的解27。1.2.4 存在從以上的國內(nèi)外研究成果中可以看出，許多學者已經(jīng)就港口泊位和港口岸橋配置問題進行了相當深入的研究，但是由于該問題本身的復(fù)雜性，在某些方

34、面的研究還存在一些問題，值得進一步研究：（1）研究的通用性，大多數(shù)學者都是針對某一實際港口情況展開研究，進行優(yōu)化，得出結(jié)論，其結(jié)論缺少通用性，不能用于其他港口的建設(shè)中。確定港口規(guī)模方面，僅單一的研究港口泊位數(shù)量問題或是港口機械數(shù)量問題，沒有將二者結(jié)合起來研究，綜合考慮泊位數(shù)和岸橋數(shù)的聯(lián)合配置。數(shù)學模型與計算機仿真技術(shù)的結(jié)合不夠緊密，僅有幾位學者將數(shù)學模型與計算機仿真技術(shù)結(jié)合起來，但也是針對某一具體港口進行的分析。1.3結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容本文研究了集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)，通過應(yīng)用排隊理論和仿真技術(shù)，了集裝箱碼頭的泊位數(shù)和岸橋數(shù)的配置問題。對于已建港口，即泊位數(shù)固定的情況下，單泊位岸橋數(shù)目的最優(yōu)配置問題，

35、對于擬建港口，了泊位數(shù)和單泊位岸橋數(shù)目聯(lián)合配置問題。采用通用案例進行仿真建模，得出通用性結(jié)論，可用于集裝箱碼頭的建設(shè)或擴建中，為管理者提供決策方案。本文的基本結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容如下：第一章：緒論。主要闡述研究背景、選題意義，回顧了港口泊位配置和岸橋配置方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，的結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容。目前研究中存在的一些問題，最后介紹了本文6第一章 緒論第二章：集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論。主要闡述排隊論的基本概念，集裝箱碼頭的排隊論模型，推出用排隊論求解港口排隊問題的公式，例如：船舶服務(wù)時間、船舶排隊時間、排隊隊長等，最后列出了集裝箱港區(qū)主要評價指標。第三章：系統(tǒng)仿真的基本理論。本章主要介紹了仿真的概念

36、，仿真技術(shù)的發(fā)展，然后介紹了本文使用的仿真系。Arena，最后闡述了排隊論與系統(tǒng)仿真的關(guān)第四章：集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真模型的建立。在本章中，首先對集裝箱碼頭裝卸流程進行了分析，然后運用 Arena對集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)進行建模，詳述了建模方法以及模型中各作業(yè)系統(tǒng)的組成，分析了模型中各部分的關(guān)系。第五章：仿真結(jié)果分析。本章中首先給出仿真中相關(guān)參數(shù)選取的原則和選取結(jié)果。然后對已建港口，即港口泊位數(shù)固定情況下，對最優(yōu)岸橋數(shù)目進行仿真分析，給出通用案例，通過運行仿真模型得出結(jié)果，對仿真結(jié)果進行分析，得出單泊位岸橋數(shù)對泊位利用率、船舶全年在港成本和 AWT/AST 的影響，以船舶全年在港成本和 AWT/A

37、ST 兩個指標值為控制條件，得到不同船舶載箱量和不同船流密度組合下的岸橋配置情況。最后進行泊位數(shù)和岸橋數(shù)聯(lián)合配置仿真分析。文的基礎(chǔ)上，改變案例泊位數(shù)，得出不同泊位數(shù)下的最優(yōu)岸橋數(shù)目，通過比較不同泊位數(shù)下最優(yōu)岸橋數(shù)目對應(yīng)的船舶在港成本，選取最優(yōu)泊位數(shù)、岸橋數(shù)聯(lián)合配置，并對結(jié)果進行分析。第六章：總結(jié)與展望。總結(jié)本文中的一些之處，提出了進一步研究的方向。7第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論60 年代起，國內(nèi)外學者開始利用排隊論來計算港口最佳泊位數(shù)，確定港口規(guī)模。根據(jù)排隊論的觀點，到港船舶可視為顧客，港口泊位可視為服務(wù)機構(gòu)。由于船舶到港具有隨機性，使之與提供船

38、舶靠泊裝卸作業(yè)的泊位和提供船舶待泊場所的錨地一起了港口隨機服務(wù)系統(tǒng)。本章主要闡述了利用排隊理論求解集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)各指標值的方法，為計算機仿真模型的建立奠定理論基礎(chǔ)。2.1 港口排隊問題的基本概念2.1.1 概述排隊論(queuing theory)，或稱隨機服務(wù)系統(tǒng)理論，是通過對服務(wù)對象到來及服務(wù)時間的統(tǒng)計研究，得出某些數(shù)量指標（如排隊長度、等待時間、忙期長短等）的統(tǒng)計規(guī)律，然后根據(jù)這些規(guī)律來改進服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或重新組織被服務(wù)對象，使得服務(wù)系統(tǒng)既能滿足服務(wù)對象的需要，又能使機構(gòu)的費用最經(jīng)濟或某些指標最優(yōu)。排隊論于 20 世紀初，19091920 年丹麥數(shù)學家、電氣工程師A.K. Erlan

39、g）用概率論的方法研究通話問題，從而開創(chuàng)了這門應(yīng)用數(shù)學學科，并為這門學科建立許多基本原則。 20 世紀 50 年代初，堪(D. G. Kendall)對排隊論作了系統(tǒng)的研究，使排隊論得到了進一步的發(fā)展。是他首先用 3 個字母組成的符號 A/B/C 表示排隊系統(tǒng)。其中 A 表示顧客到達時間分布，B 表示服務(wù)時間的分布，C 表示服務(wù)機構(gòu)中的服務(wù)臺的個數(shù)。 排隊系統(tǒng)即服務(wù)系統(tǒng)，由服務(wù)機構(gòu)和服務(wù)對象（顧客）。服務(wù)對象到來的時刻和對他服務(wù)的時間（即占用服務(wù)機構(gòu)的時間）都是隨機的。圖 2.1 為一最簡單的排隊系統(tǒng)流程圖。排隊系統(tǒng)包括三個組成部分：輸入過程、排隊規(guī)則和服務(wù)機構(gòu)。圖 2.1簡單排隊系統(tǒng)一個世紀

40、以來排隊論發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、庫存等各項資源共享的隨機服務(wù)系統(tǒng)。排隊論研究的內(nèi)容有 3 個方面：統(tǒng)計推斷，根據(jù)資料建8第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論立模型；系統(tǒng)的性態(tài)，即和排隊有關(guān)的數(shù)量指標的概率規(guī)律性；系統(tǒng)的優(yōu)化問題。其目的是正確設(shè)計和有效運行各個服務(wù)系統(tǒng)，使之發(fā)揮最佳效益28。2.1.2 船舶到港規(guī)律分布形式船舶到港規(guī)律的不均衡，是影響碼頭通過能力的重要，泊位數(shù)多少、堆場容量大小、裝卸設(shè)備數(shù)量和裝卸機械效率的選取等都與船舶到港的隨機性有關(guān)。通過多年的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，船舶的到港規(guī)律服從泊松分布29，其概率分布如公式（2-1）所示，如圖 2.2 所示。 k e k 0,1, 2

41、, N ( X k ) （2-1）k !式中：X：時間內(nèi)到港的船舶數(shù)，其取值只能為正整數(shù)；時間內(nèi)平均到港的船舶數(shù)，其取值為正實數(shù)；N(X=k)：時間內(nèi)有 k 艘船到港的概率。0.50.40.30.20.10=1 =2 =5 =10051015時間到港船舶數(shù)目（：艘）圖 2.2泊松分布圖當已知船舶到達規(guī)律時，可以推求船舶到達時間間隔分布。用 T 表示某兩艘相繼到達港口船舶的時間間隔，記其分布函數(shù)為F (t) P(T t) 1 P(T t)(t 0)（2-2）事件 Tt 表示兩艘船舶到達港口時間間隔超過 t，也就是說在時間 t 內(nèi)沒有船舶到達即 P(T t) N (xt 0)(t 0) ，故有(

42、t)0 et tF (t) 1 1 e(t 0)（2-3）0!相應(yīng)的概率密度函數(shù)為f (t) et這就是負指數(shù)分布的概率密度函數(shù)。(t 0)（2-4）9概率第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論，其期望和方差為11 2E(T ) D(T ) （2-5）式中：t：到港船舶時間間隔，其取值為正實數(shù)；1 ：時間內(nèi)到港船舶平均時間間隔，其取值為正實數(shù)；f(t)：兩艘船舶到達時間間隔為 t 的概率密度值。本文中為了方便使用和闡述，令 = ，所采用的負指數(shù)分布概率密度函數(shù)如 公式（2-6）所示。分布圖如圖 2.3 所示。 t 1f (t) e(t 0)（2-6），其期望和方差為E(T ) D(T ) 2（

43、2-7）式中：10.80.60.40.20時間內(nèi)到港船舶平均時間間隔，其取值為正實數(shù)。=1 =2 =3 =4 =5024681012船舶到港時間間隔圖 2.3負指數(shù)函數(shù)概率密度分布圖2.1.3 船舶排隊規(guī)則當顧客到達時，若所有服務(wù)臺均被占用，就需排隊等待服務(wù)，排隊方式有以下幾種28：先到先服務(wù)：按到達的時間順序進行排隊，排面的優(yōu)先被服務(wù)；后到先服務(wù)：按到達的時間順序由后向前服務(wù)；（3）隨機服務(wù)：當服務(wù)臺有空時，從等待的顧客中隨機挑選一個顧務(wù)；（4）優(yōu)選權(quán)服務(wù)：當服務(wù)臺有空時，優(yōu)先對某個顧務(wù)或服務(wù)臺中斷服務(wù)而讓位于有優(yōu)先權(quán)的顧客。如重要物資的裝卸都要優(yōu)先于一般物資。10概率密度第二章 集裝箱碼頭

44、裝卸系統(tǒng)中的排隊理論集裝箱港口服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)規(guī)則一般為第一種，即先到先服務(wù)。具體地說就是：船舶到港后，若有空閑泊位就進入空閑泊位開始裝卸作業(yè)，若所有泊位都被占用，就按先后次序在錨地排隊待泊，排面的優(yōu)先被服務(wù)。這里假設(shè)所有船舶都有足夠的耐心，即不論排隊多長也不中途離港。2.1.4 船舶服務(wù)時間分布形式船舶在泊位上停留時間主要為裝卸時間，其長短受天氣條件、船舶載箱量、岸橋裝卸的數(shù)量和裝卸效率、堆場的能力、堆場與碼頭前沿的距離、集裝箱卡車的數(shù)量、操作工人的熟練程度等許多的影響而具有隨機性。其中，最主要的影響是船舶載箱量、裝卸機械的數(shù)量和裝卸效率。集裝箱船舶在泊位接受服務(wù)的時間，大多數(shù)學者假設(shè)其服從負

45、指數(shù)分布形式，如在闡述集裝箱碼頭的串聯(lián)排隊模型時采用了負指數(shù)分布30。但也有文章采用其他的分布形式，如在仿真模型中碼頭服務(wù)時間采用了定長分布31。蕾、中在排隊理論網(wǎng)絡(luò)仿真模型中使用了經(jīng)驗分布，但未提及具體分布形式與參數(shù)20。葉芬芳通過對某一港口 163 只船舶的作業(yè)時間進行統(tǒng)計分析，在文章分布 EK32。中采用了參數(shù) r=4 的幫通過對港 1980 年 1584 艘船分布擬合較好的結(jié)論舶占用泊位時間進行統(tǒng)計，得出船舶服務(wù)時間與二階8。對某一港口 2004 年全年船只作業(yè)時間的有效數(shù)據(jù)為樣本進行統(tǒng)計，分別用負指數(shù)分布、正態(tài)分布和對數(shù)分布三種概率密度函數(shù)來擬合，得出該港口岸橋服務(wù)時間概率分布更接近

46、于對數(shù)正態(tài)分布形式的結(jié)論33。為了闡述方便，本文中仍假定船舶服務(wù)時間服從負指數(shù)分布，參數(shù)為 ，即泊位為一船舶服務(wù)所需時間的的分布函數(shù)與概率密度函數(shù)為： t t 1F (t) 1 ef (t) e(t 0)（2-8）式中：t: 在港船舶接受服務(wù)時間，其取值為正實數(shù)；：時間內(nèi)泊位完成服務(wù)的船舶數(shù)量均值，即 E(t) 。f(t)：在港船舶接受服務(wù)時間為 t 的概率密度值。綜上所述，集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)符合 M/M/N 排隊論模型。其中第一個 M 表示船舶到達港口時間間隔服從負指數(shù)分布，第二個 M 表示船舶占用泊位時間服從負指數(shù)分布，N 表示港口的泊位數(shù)。這里的參數(shù) 與集裝箱岸橋的臺數(shù)和裝卸效率密不可分

47、，可通過實際統(tǒng)計得出參數(shù) 與單泊位集裝箱岸橋數(shù)目 M 以及單集裝箱岸橋裝卸效率 c 的關(guān)系。11第二章的排隊理論2.2統(tǒng) M/M/N 模型分析及參量計算有 N 個泊位的集裝箱頭裝卸系統(tǒng)模型如圖 2.4 所示。圖 2.4集裝箱裝卸系統(tǒng) M/M/N 排隊模型流程圖碼頭有 N 個泊位，到達強度為 ；位的裝卸工作相互獨立，時間為負指數(shù)分布，平均服務(wù)率為 ；達，平均個系統(tǒng)的 , ，k 表示統(tǒng)計期內(nèi)到達港口的船舶數(shù)量。平均服務(wù)率為 N 。記1N 當0 k N 時，港口內(nèi)有空閑狀態(tài)；當 kN 時，N地排隊等待裝卸。個泊位正在進行船舶裝卸作業(yè)，其余 N-k泊位都在進行裝卸作業(yè)，而余下的 k-N處只允許排一個隊

48、，原則前往空閑泊位進行裝卸作業(yè)。泊位處于船舶在錨閑時，等求出下面的目標參量：（1）因在等待制中，港口的船舶遲早會被服務(wù)，故 P損 0系統(tǒng)的相對通過能力Q 1 P損 1系統(tǒng)的絕對通過能力 A Q 平均排隊等待隊長（即等待服務(wù)的船舶數(shù)） (N )N lpl Np0 lpl 1l 1) pkqN !kl 1pN 1p 121p（2-9）0(N 1)!(n )201（5）平均忙碌的泊位數(shù)N kN NN k !p0 N !kkkkpNk0服k N 1k 0k N 1)k 1N N k 1Nk N 1 ( pk pk ) （2-10）k 1）! p0 0 N !k 0k N N 1（6）平均系統(tǒng)隊長（即有

49、在港的船舶數(shù)） NpLs Lq L Lq 1 10 1（2-11）服N！(1 )212第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論（7）根據(jù) Little 公式30： W 有船舶在港等待時間的均值qLq N pWq 10（2-12） N N !(1 )2（8）船舶在港逗留時間（從進港到出港的總時間）的均值 Ls 1 WW（2-13）sq可以看出，對于某一實際港口，在得到統(tǒng)計參數(shù) 、 后，通過上述公式即可計算出港口生產(chǎn)系統(tǒng)的各性能參數(shù)。2.3 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)評價指標根據(jù)集裝箱港區(qū)的運營特點和本文所要研究的內(nèi)容，可選取以下統(tǒng)計指標作為本文的主要評價指標：（1）集裝箱吞吐量：指某港口某段時間內(nèi)進口和出

50、口集裝箱數(shù)量的總和，計算為 TEU(Twenty-foot Equipment Unit，標箱的簡稱)。不論是船舶單獨裝或卸集裝箱，或是先卸船再裝船，或是卸船后經(jīng)堆場將集裝箱裝到另一艘船，均分別按進口卸船和出口裝船，各計一次吞吐量。一般以年為統(tǒng)計期。國際標準集裝箱是以箱的外形尺寸大小來劃分箱型，一般分為 20 英尺（20ft）、40 英尺（40ft）、 45 英尺(45ft)等。國際標準集裝箱的換算系數(shù)=集裝箱自然長度（英尺）/20 （英尺）。即一個 20ft 箱為 1TEU，一個 40ft 箱為 2TEU。（2）出港船舶總：指某段時間內(nèi)在港完成裝卸作業(yè)的船舶總。一艘船舶從進港時起到出港時止不

51、論單裝、單卸或先卸后裝，不論是否移泊或移泊多次，均只計一次。計算為“”。（3）船舶平均在港時間：指船舶從進港到出港在港停泊總時間的平均值，即用某段時間內(nèi)所有船舶在港時間總和除以在港船舶待泊時間、待天氣時間、待航道時間、通航時間等。，主要包括船舶裝卸時間、為“小時”。（4）船舶平均待泊時間(AWT)：指某段時間內(nèi)船舶等待泊位分配時間總和除以到港船舶總，即在錨地中等待時間的平均值。為“小時”。（5）船舶平均在泊時間(AST)：指某段時間內(nèi)船舶在泊位接受服務(wù)時間總和除以到港船舶總。為“小時”。（6）泊位利用率：指某段時間內(nèi)泊位裝卸時間總和與該段時間的比值，反映泊位忙碌程度。計算為“%”。泊位利用率并

52、非越高越好，泊位利用率過高，容易導(dǎo)致船舶平均每次在港時間過長，降低港口服務(wù)質(zhì)量。（7）機械利用率：指某段時間內(nèi)裝卸機械工作總時間與該段時間的比，反映裝卸機械的忙碌程度。計算為“%”。同樣的，機械利用率并非越高越好。13第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論（8）AWT/AST：（4）和（5）中分別介紹過，AWT是指船舶平均待泊時間，AST 是指船舶平均在泊時間。AWT/AST是反映泊位系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量高低的指標，將AWT/AST作為評價碼頭服務(wù)質(zhì)量的指標，在國際上已被廣泛應(yīng)用。一般來說，AWT/AST會隨著港口所在國家、地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平不同而不同。和發(fā)展會議（UNCTAD）在發(fā)展中國家港口規(guī)劃手

53、冊（1985）中貿(mào)易: “通常認為待泊時間不宜超過裝卸作業(yè)時間的10%50%”,即它的取值范圍應(yīng)該介于0.1AWT/AST0.5之間。目前，我國沿海港口集裝箱碼頭，3個及3個以上連續(xù)布置的大型（能?？康谒拇耙陨霞b箱船舶）碼頭泊位服務(wù)水平指標宜為：0.1AWT/AST0.3；3個以下泊位組成的小型集裝箱碼頭服務(wù)水平指標宜取為：0.1AWT/AST0.5。作為一個初步標準應(yīng)使 AWT/AST0.5，超出此值時，應(yīng)考慮投產(chǎn)新泊位34。（9）船舶在港停留成本：mC ti fi i1(2-14)式中：ti：第 i 艘船舶在港時間（小時）fi：時間第 i 艘船在港成本（元/小時）m：統(tǒng)計期到港船舶數(shù)第

54、 i 艘船舶在港每天費用可以通過對航運公司的船舶營運成本計算獲得，也 可以采用回歸估計公式算得。經(jīng)對世界主要船公司的船舶營運成本進行回歸分析，可以得到不同船型在港每天成本回歸估算公式，見表 2-1。表 2-1船舶在港天成本回歸公式船舶類型回歸估算公式顯著性檢驗系數(shù) F相關(guān)系數(shù)R集裝箱船按載重量Y 53.56 X 0 783838225.060.99982（國外）集裝箱船按載重量Y 36.06 X 0 820771928.720.99990（國內(nèi)）集裝箱船按載箱量Y 471.27 X 0 782140725.980.99980（國外）集裝箱船按載箱量Y 337.24 X 0 8172284462

55、.640.99997（國內(nèi)）表內(nèi)各公式中：Y：船舶在港艘天成本，元/艘天；X：船舶載重量（t），或集裝箱船載箱量（TEU）。14第二章 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的排隊理論資料來源：參考文獻35注：表中數(shù)據(jù)是根據(jù) 20 世紀 90 年代統(tǒng)計獲得。由于船舶在港艘天成本是港口工程國民經(jīng)濟效益分析的重要參數(shù)，此參數(shù)又隨社會經(jīng)濟各參數(shù)變化，因此需不斷的測算修改。按表2-1 中國內(nèi)集裝箱載箱量計算公式出不同載箱量船舶在港一天成本，當載箱量為 1000TEU 時，一艘船舶在港一天成本為 9.5398 萬元；當載箱量為5000TEU 時，一艘船舶在港一天成本為 35.5416 萬元；可以看出，載箱量對成本的影響是

56、很大的。15第三章 系統(tǒng)仿真的基本理論第三章 系統(tǒng)仿真的基本理論本章主要介紹系統(tǒng)仿真的基本理論，仿真的發(fā)展，并對本文所選用的軟件進行介紹，最后闡述了排隊論與系統(tǒng)仿真的關(guān)系。3.1 仿真技術(shù)簡介仿真(Simulation) 一詞具有非常寬泛的含義，通常是指模擬實際系統(tǒng)行為的一類廣泛使用的方法和，一般借助計算機和相應(yīng)的用于不同的領(lǐng)域和行業(yè)。來實現(xiàn)，其可應(yīng)計算機仿真（Computer Simulation）指的是一類借助專門的來模仿系統(tǒng)的或特征的方法，其目的是通過數(shù)值實驗來更好地理解系統(tǒng)在給定條件下的行為，計算機仿真是一個設(shè)計和建立實際系統(tǒng)或設(shè)想系統(tǒng)的計算機模型的過程。目前，隨著計算機和計算機及，功

57、能越來越強大。前所未有的高速發(fā)展，計算機仿真變得越來越普仿真模型有很多種分類方式，根據(jù)所研究系統(tǒng)的性質(zhì)可分為連續(xù)（continuous）系統(tǒng)仿真模型、離散（discrete）系統(tǒng)仿真模型和連續(xù)/離散混合（mixedcontinuous-discrete）系統(tǒng)仿真模型三種。在連續(xù)模型中，系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化；在離散模型中，系統(tǒng)狀態(tài)僅在離散的時間點上發(fā)生變化；在混合模型中，系3637。統(tǒng)狀態(tài)既有連續(xù)變化的成分，又有離散變化的3.2 仿真的發(fā)展目前有很多都可用來建立仿真模型，、FORTRAN、VB、C、C+、JAVA 等編程語言有很好的靈活性，可根據(jù)實際要求進行編程，但包括輸入輸出在內(nèi)的全部內(nèi)容都

58、要進行編程，工作量較大，而且由于特定語制，編程復(fù)雜容易出錯。則的限從 20 世紀 60 年始，國外就已經(jīng)著手研制仿真語言，比較著名的仿真語言有 GPSS、 SLAM、CASP、SIMAN、SIMPLE 等。近 20 年來，由于建模方法、可視化編程和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)了一些規(guī)模強大、建模直觀的仿真。仿真的發(fā)展大致可以分為 3 個階段38：16st t|ZNI&Pp1t20 4 50 A(K 20 4 60 A(qf$#Z)* GPSSFSIMANFSIMPLE X GASPo#NP*ZRS9_)*N KsN&p2t20 4 60 A(K 20 4 70 A(Z)*hR GPSS IIF

59、III X NGPSS da SIMSCRIPT II X SIMULA67&hSo7B)* KZ9_?g;c_X1# SIMSCRIPT II ;c_%NZNX1GPSS )*;c_#POwN FORTRAN NX1NGPSS )*;c_5gj&X1&hRo#NZNg&p3t20 4 80 A(!Kvqf26tuNZ&5#$EXTENDFArenaFWITNESSFAUTOMODFMicro SaFTED2000 &m#9_;NZ/uAvS+5#F34#F+5W#OF*t|LLDVZ9_XNo#XNAs_J6s07y &t 3-1 u!_W#Zt 3-16ZNa8Xo#e5&o#tuaa8+

60、&9yo#e5a8%Nt|ZF-6t|ZF*/+/UVU ZEXTENDZv$TLL;/mVS);VBkNWITNESS+5t|OQRLLaMicro Sa9:F#FJx( *(5gw;/t|sFLLco|t|ZVensimHNQRj&aF5g;/o#t|A2 Z3.3 wxArena |IQ#NR Arena 12.0 +=&Arena R)1&t|ZSystem Ming v)21993 A)sNP(I( $#MQzR/e*+2CAs_z/eI( $%NBz,/4/e-B#FX/e)*.FNU84MpId$#x()*# VBFFortranFCFC+ OwN(;%FmVASystem Mi