仿真推導(dǎo)模型在港口自動化中的應(yīng)用

仿真推導(dǎo)模型在港口自動化中的應(yīng)用

“智能港口”的建設(shè)需要更多的定量科學(xué)手段的支持。這種集群生產(chǎn)模擬模型就是這樣一個強(qiáng)大的工具。一、在港口“智能港口”的建設(shè)中，模擬預(yù)測技術(shù)是無與倫比的1.持的應(yīng)用實踐在國內(nèi),仿真推演技術(shù)已廣泛應(yīng)用于碼頭的通過能力計算、布局規(guī)劃、生產(chǎn)策略和調(diào)度規(guī)則等問題的分析,從已發(fā)表的文獻(xiàn)來看,目前還鮮有為碼頭生產(chǎn)調(diào)度提供在線支持的應(yīng)用實踐。集裝箱碼頭的建模和仿真研究對于自動化升級改造、ERP優(yōu)化決策有著非常重要的意義。以往對碼頭類企業(yè)建模和仿真方法的研究大多關(guān)注并服務(wù)于碼頭功能設(shè)計、設(shè)備配比、碼頭布局等經(jīng)營前階段,通過仿真推演技術(shù)模擬不同條件下生產(chǎn)的輸出情況,進(jìn)而設(shè)計不同的規(guī)劃方案,為碼頭經(jīng)營者提供決策支撐。現(xiàn)階段越來越多的先進(jìn)碼頭企業(yè)把仿真推演技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)計劃實施階段,通過不同工況及不同計劃投入情況下模擬輸出的推演結(jié)果,找出計劃執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的問題,并進(jìn)行優(yōu)化。2.模擬安裝技術(shù)在集裝箱碼頭管理領(lǐng)域的作用(1)成本管理優(yōu)化目前,海運費用在整個運輸鏈中所占份額常常低于40%,并逐漸降低到30%。例如,僅8年時間,從東南亞到歐洲的門到門運輸?shù)目傎M用已降低了一半以上,但港口裝卸和國內(nèi)運輸?shù)馁M用卻變化不大,因此降低全球運輸費用的焦點將轉(zhuǎn)向國內(nèi)運輸和碼頭裝卸。但通過合理化途徑降低國內(nèi)運輸?shù)馁M用是比較困難的,而且還受到設(shè)備充分利用的限制,因此費用控制的重點將是集裝箱碼頭,這就迫使碼頭經(jīng)營者要按大幅降低費用和增強(qiáng)適應(yīng)性這一目標(biāo)去組織生產(chǎn)和做好服務(wù)。結(jié)合近期開展的落實口岸降費提效優(yōu)化環(huán)境工作,降費提效已迫在眉睫。成本怎么降,效率怎么提?現(xiàn)在做實這些確實困難重重,精益管理的理念這些年在港口落實的效果并不明顯,各公司普遍存在粗放經(jīng)營的現(xiàn)象,其中最關(guān)鍵的因素還是管理規(guī)劃不夠科學(xué)系統(tǒng),對標(biāo)南方港口各項成本核算機(jī)制,我們要做的工作還很多。在上海洋山自動化碼頭規(guī)劃設(shè)計階段,通過仿真推演模型的幫助,在同樣滿足岸橋作業(yè)需求的情況下,通過方案優(yōu)化,少配置了一臺場橋,節(jié)約成本幾千萬元。青島港同樣在仿真推演模型的幫助下,配置了最優(yōu)數(shù)量的AGV,既能滿足機(jī)械高效率最大化發(fā)揮,又不至于造成場地?fù)矶?。仿真推演技術(shù)不需要真實操作即可實現(xiàn)各種操作方案的測評,就可以在不經(jīng)過試錯的前提下,找到最優(yōu)的策略,如果加上成本的維度,就可以計算各種方案的預(yù)計成本,從而找到滿足需求前提下最低成本的方案。無論是施工設(shè)計方案還是調(diào)度運行方案,都能夠用推演的方式來進(jìn)行預(yù)判,在降費提效、節(jié)能減排方面根據(jù)需求來提供決策依據(jù)。(2)堆場策劃方案影響碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率最明顯的因素就是碼頭堆場策劃水平,而堆場空間管理和起重機(jī)的調(diào)度分配直接左右了碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)的運行效果。進(jìn)出口、中轉(zhuǎn)集裝箱需要同時處理,集裝箱裝卸船絕大部分需要經(jīng)過場地周轉(zhuǎn)進(jìn)出。以什么方案進(jìn)行場地資源分配(空間分配)以及集港提箱時段安排(時間分配),可以有多種可選方案。影響堆場空間分配的因素包括船舶?？坎次?、堆場分布、裝卸作業(yè)計劃、機(jī)械配比、倒運車數(shù)量、場地交通流規(guī)劃等。影響堆場時間分配的因素主要有預(yù)計到港船舶數(shù)量、預(yù)計裝卸船作業(yè)量、海關(guān)通關(guān)速度、機(jī)械作業(yè)效率等。除此之外,代理數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、目的港分布情況等都會對場地策劃方案造成影響。在這樣一個綜合性的數(shù)據(jù)空間里,如何制定最優(yōu)的計劃一直以來都是碼頭工作者研究的重點,仿真推演模型能很好地解決這種問題。在作業(yè)任務(wù)數(shù)量、作業(yè)任務(wù)預(yù)期時間已知的情況下,通過模擬不同策略(不同場橋配置數(shù)據(jù)、不同作業(yè)順序、不同場地分配)下不同的作業(yè)效果,經(jīng)過設(shè)備利用率等統(tǒng)計指標(biāo)檢驗考核,確定策略優(yōu)劣。(3)作業(yè)作業(yè)效果分析集裝箱碼頭生產(chǎn)調(diào)度組織是一個動態(tài)、多元、立體的生產(chǎn)活動,作為最直接影響生產(chǎn)效率的調(diào)度指揮環(huán)節(jié),每個調(diào)度員都有著風(fēng)格迥異的指揮風(fēng)格,面對相同的作業(yè)任務(wù)數(shù)量、作業(yè)任務(wù)預(yù)期時間以及不同的指揮方案、策略會產(chǎn)生不同的作業(yè)效果。仿真推演環(huán)境下,根據(jù)已知的情況模擬不同調(diào)度指揮安排,通過模型生產(chǎn)運轉(zhuǎn),可以觀測不同指揮方法所得到的不同生產(chǎn)效果,比如研究單臺和多臺場橋的作業(yè)順序問題、航陸運沖突平恒問題,以及在增加參數(shù)及輸出值的情況下觀測不同調(diào)度指令下生產(chǎn)的物流、能耗等指標(biāo)變化,以及航陸運設(shè)備運行狀態(tài)等,從而為優(yōu)化調(diào)度指令提供數(shù)據(jù)支持。(4)自動化形態(tài)設(shè)計近年來我國集裝箱碼頭自動化運營相關(guān)技術(shù)取得突破性進(jìn)展。經(jīng)實踐檢驗,盡管集裝箱自動化碼頭投資巨大,但是在自動化運轉(zhuǎn)系統(tǒng)開始有效運作后,營運成本將會得到顯著降低,增加的投資能夠得到相應(yīng)補(bǔ)償(調(diào)研時據(jù)青島港介紹,自動化碼頭運營首年已經(jīng)實現(xiàn)盈虧平衡)。為提高競爭力,集裝箱碼頭自動化或半自動化趨勢將會迅速發(fā)展,自動化發(fā)展水平成為提高現(xiàn)代化港口核心競爭力的關(guān)鍵。仿真推演技術(shù)貼合這一發(fā)展趨勢,從自動化裝備的設(shè)計階段就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在碼頭布局設(shè)計及設(shè)備選型階段也都是以仿真推演技術(shù)為主,根據(jù)推演數(shù)據(jù)科學(xué)分析得到最終方案。在傳統(tǒng)碼頭的自動化升級改造階段,場地布局是否需要配合自動化機(jī)械設(shè)計進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的最佳分布狀態(tài)情況,機(jī)械運行路線設(shè)計等細(xì)節(jié),很多是沒有先進(jìn)經(jīng)驗和成功案例可復(fù)制的。即使是照搬成功案例,也要針對自身貨源特點、設(shè)備升級進(jìn)度等進(jìn)行調(diào)整,這其中的方案制定也需要有科學(xué)手段輔助,而仿真模擬技術(shù)能在這些環(huán)節(jié)提供科學(xué)支持和數(shù)據(jù)支撐。二、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的集裝箱生產(chǎn)作業(yè)仿真推演雖然仿真推演模型適用于港口企業(yè)諸多生產(chǎn)領(lǐng)域,受篇幅所限,僅以集裝箱碼頭生產(chǎn)推演模型舉例,簡要地說明其工作原理及設(shè)計效果。應(yīng)用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)的仿真推演軟件構(gòu)建仿真推演模型,建模對象是對實際系統(tǒng)中實體的抽象描述。首先需要將對象按照功能劃分為仿真支持對象和模型元素對象,前者提供仿真推演運行所必要的功能機(jī)制,后者對應(yīng)于實際系統(tǒng)中的實體,構(gòu)造模型的基本元素,具有對應(yīng)實體的基本屬性和行為模式。有效地將這些實體在仿真推演系統(tǒng)中用熟悉的方式表達(dá)出來,對于后續(xù)學(xué)習(xí)、了解仿真推演過程,理解應(yīng)用仿真推演結(jié)果都能起到很大的幫助作用。接下來根據(jù)仿真軟件模塊化設(shè)計的思路,結(jié)合碼頭布局以及裝卸工藝,把整個集裝箱碼頭系統(tǒng)先分為幾個子模塊分別建模,然后再將各種物理單元(包含物流、信息流)、邏輯單元與邏輯關(guān)系集成在一起,即可得到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真推演模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維動畫技術(shù),可以更加直觀地展示模型運行的實時狀態(tài),也利于觀察仿真推演的作業(yè)進(jìn)度。同時推演過程中所產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)會根據(jù)設(shè)定統(tǒng)計輸出系統(tǒng)記錄,通過仿真作業(yè)效果評價展示出來,對模型輸入的生產(chǎn)作業(yè)計劃及參數(shù)進(jìn)行評估,進(jìn)而得到有針對性的優(yōu)化改進(jìn)意見。見圖1。圖1中將仿真模型的運行劃分為3個階段,即仿真模型輸入階段、運行階段、輸出階段。結(jié)合空間布局及功能不同,設(shè)計了3個功能模塊:船舶裝卸作業(yè)模塊,主要包含航運區(qū)域內(nèi)岸邊裝卸船作業(yè)設(shè)備及作業(yè)內(nèi)容;堆場裝卸作業(yè)模塊,主要包括陸運區(qū)域內(nèi)集疏運作業(yè)設(shè)備及作業(yè)內(nèi)容;碼頭內(nèi)運輸模塊,銜接航陸運作業(yè)全程,覆蓋生產(chǎn)作業(yè)過程中交通流區(qū)域內(nèi)全部路線及內(nèi)外部拖車、機(jī)械位移。僅以簡單的集裝箱船舶裝卸作業(yè)仿真推演過程舉例:在仿真模型輸入階段,首先需要初始化模型參數(shù),將運行前碼頭實時狀態(tài)導(dǎo)入,設(shè)定3個模塊內(nèi)的各個模擬對象的運行條件、設(shè)備參數(shù)以及所需的運行規(guī)則等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),系統(tǒng)生成對應(yīng)的航陸運作業(yè)計劃,同時進(jìn)入模型仿真推演運行階段。系統(tǒng)自動根據(jù)限定條件推演出整個生產(chǎn)作業(yè)過程中全部作業(yè)區(qū)域內(nèi)各條作業(yè)線機(jī)械、集裝箱的運行線路。此過程通過動畫展示的方法,可以將生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行立體呈現(xiàn)。作業(yè)結(jié)