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【摘 要】 为提升港口企业集装箱堆场精益化管理水平，分析普通型港口出口集装箱堆场的作业流程及缺点，制订提高出口集装箱堆场堆存作业效率和外来集装箱卡车进港均衡性的优化原则，提出改进型出口集装箱堆场堆存方案。通过Plant Simulation仿真软件建立堆场堆存方案模型，对不同堆存方案、预约箱比例的仿真结果表明，改进型堆存方案在提高出口集装箱堆场整体作业效率、作业均衡性等方面具有一定优势。
【关键词】 集装箱堆场;堆存方案;Plant Simulation;集卡预约;建模仿真
0 引 言
拥有高效的大型集装箱船装卸作业能力对集装箱港口来说非常重要。国内许多集装箱港口的生产作业效率仍无法完全满足货物装卸实际需求。造成这个现象的主要原因，除了码头设计容量、机械设备等硬件因素外，集装箱堆场堆存方案较为粗放也是制约码头作业效率的重要因素。
与进口集装箱相比较，出口集装箱的堆场放箱和提箱经历时间跨度大、进箱随机性强，所以其合理安排箱位的难度也更高。本文以出口集装箱堆场堆存方案为研究对象，结合我国集装箱堆场管理现状，通过建模仿真对不同堆场堆存方案进行比较研究，构建港口堆场堆存与集卡预约协同优化模型[1]，为港口集装箱堆场管理模式升级提供新方法、新思路。
1 普通型出口集装箱堆场堆存方案
1.1 普通型出口集装箱堆存基本作业流程
出口集装箱在堆场堆存主要分为集港作业和装船作业两个部分。
（1）出口集装箱集港作业。在集装箱船靠泊前，港口外集装箱卡车（以下简称“外集卡”）陆续进港将出口集装箱运输至集装箱堆场的指定贝位，场桥进行堆垛。在放箱目标位的选择时，港口管理方按照出口集装箱的目的港远近不同，将目的港较远的放在目的港较近的上方（即“远压近”）的原则分配堆存箱位;按照出口集装箱的质量等级不同，将按照质量等级较重的放在质量等级较轻的上方（即“重压轻”）的原则分配堆存箱位。
（2）出口集装箱装船作业。船舶靠泊后，场桥将出口集装箱从箱区堆垛箱位装卸至港口内集装箱卡车（以下简称“内集卡”），再由内集卡转运至岸桥处进行装船。在装船目标箱的选择时，港口管理方按照预配船图顺序，组织内集卡进行转运装船。若目标箱需翻箱，则放至同贝位其他箱位;若同贝位其他箱位皆堆满，则堆放至下个相邻贝位最近箱位。
1.2 普通型出口集装箱堆存方案问题分析
（1）由于集港作业遵循“远压近，重压轻”的原则，出口集装箱区各箱位的顶层集装箱往往是目的港较远、较重的箱子，这压缩了后续进港出口集装箱的可选箱位空间，易造成分配贝位尚未堆满，进箱已经无合适箱位可以堆放的困境。此时，若使用新的空箱位进行堆存，将占用堆场更多堆存空间，降低了箱区利用率;若随意在分配贝位中进行堆放，则必然导致后续装船作业时需要翻箱。
（2）在箱区将不同目的港和质量等级的出口集装箱混放，不仅会增加港口方的管理难度和调度成本，还会降低堆场堆存与船舶配载情况匹配度，导致堆场翻箱率较高，或会使得出口集装箱装船顺序、堆存位置与预配船图不一致。
（3）未采用出口集装箱预约模式，集港外集卡时间随机性很大。进港高峰时段易造成港口进场道口、出场道口、缓冲箱区和外部道路车流拥堵。
2 改进型出口集装箱堆场堆存方案设计
2.1 集港作业堆存方案设计
定义以下堆场堆存方案设计相关参数：
Q为船舶计划出口集装箱数量; P为分类集装箱数量; R为所占用出口集装箱堆场箱位数量; k为出口集装箱箱区利用率;L为集装箱尺寸，l为集装箱尺寸分类数量;M为集装箱目的港，m为集装箱目的港分类数量;N为集装箱质量等级，n为集装箱质量等级分类数量;b为集装箱贝位;r为集装箱排数;h为集装箱层高。集港作业时，外集卡预约出口集装箱进箱时间段，预约平台合理设置时间间隔，有效减少进港作业的不均衡性。按照计划装船集装箱的3项属性信息（尺寸、目的港、质量等级）分类，得出集装箱数量表达式，见式（1）。
式中：P（L，M，N）为按尺寸、目的港、质量等级分类箱量，L∈（1，l），M∈
本文以箱位为分配单元，3项属性信息相同的集装箱在同箱位进行堆放，属性信息不同的集裝箱可以同贝位、不同箱位进行堆放。集装箱堆场的堆存方式采用堆5过6，箱位最高层高为5。已知各类集装箱数量和层高，可得各类集装箱堆存的所需箱位数，将其依次相加，即为出口集装箱堆场占用箱位所需的总分配区域面积，见式（2）。
出口集装箱箱区堆场的利用率计算公式为
通过分析式（1）～式（3）可知，Q越大，则S越大。在当前集装箱船大型化的背景下，改进型堆存方案作业可有效地发挥其优势。改进型出口集装箱集港作业程序流程见图1。
当外集卡携箱进场后，将贝位b、排数r都赋值为1。判断进港集装箱与顶层集装箱的3个属性值是否一致：若一致，则将此箱区设置为目标箱位，场桥进行放箱作业;若不一致，则继续搜寻下一排位置。判断搜寻箱位的排数r、层高h数值，当r≠10且h≠5，则将此箱区设置为目标箱位，场桥进行放箱作业;当r=10或h=5，则继续搜寻下一排位置，直至确定目标箱位。当h=0，场桥进行放箱作业。
2.2 装船作业堆存方案设计
定义以下堆场堆存方案设计相关参数：J为装船作业优先级;Z为当前箱位的集装箱装船作业优先级。本文将集装箱的尺寸、目的港、质量等级3项属性各分为3类，在装船作业时，尺寸短、目的港距离远、质量等级高的集装箱优先装船，放置于尺寸长、目的港距离近、质量等级低的集装箱下层，以便后续靠泊港的装卸作业，增加船舶整体稳定性。出口集装箱装船作业堆存方案见表1。
集装箱尺寸L、目的港M、质量等级N三者的乘积为作业优先级J值。
集装箱的尺寸、目的港、质量等级的值越大，其作业优先级越高。按照表1，出口集装箱的装船作业顺序由作业优先级决定，作业优先级高的先装船作业。改进型出口集装箱装船作业程序流程见图2。
当内集卡进场装船作业时，作业优先级J（L，M，N）由高到低依次装船，将贝位b、排数r都赋值为1。当b<20且r<10，比较当前箱位优先级J（L，M，N）与Z大小。若Z 3 基于Plant Simulation的出口 集装箱堆场堆存方案建模
运用Plant Simulation软件构建堆场堆存仿真模型。为了真实反映实际生产特点，将仿真系统根据功能划分成4大模块，各模块功能和Method对象作用见表2。
3.1 初始定义模块
初始定义模块实现了仿真系统的初始化设置，在仿真模型开始运行时被激活调用。该模块包含4个Method对象，主要有以下6个功能：
（1）出口集装箱堆场的平面布局;
（2）出口集装箱属性信息的设置;
（3）箱位层高标识;
（4）作业机械运行参数的设置;
（5）外集卡进箱时间概率分布;
（6）系统重置。
3.2 作业控制模块
作业控制模块实现了普通型和改进型堆存方案的流程控制。该模块包含4个Method对象，主要有以下5个功能：
（1）出口集装箱集港的作业控制;
（2）出口集装箱装船的作业控制;
（3）场桥的运行控制;
（4）内集卡、外集卡目标贝位的对位;
（5）预约出口集装箱的比例设置。
预约箱比例设置：通过Method对象对模型的出口预约箱数量实现任意比例的设置。当预约箱比例变化时，集港外集卡时间规律也将自动更新，集装箱不同箱型生成仍保留随机性，保证了与现实港口作业过程的一致性。红线传感器设置：按照出口集装箱区布局结构，在内集卡、外集卡和场桥运行的车道上等间距地设置红线传感器。当内集卡、外集卡和场桥经过任意箱区贝位，都会触发红线传感器，实现了对运输机械和集装箱位置的精确控制。场桥和小车运行控制：根据作业指令，完成场桥箱区行驶和目标箱吊起、堆放的控制。
3.3 设备驱动模块
设备驱动模块根据堆存模型设备运行的参数和设定条件，触发仿真过程的输出事件。在集港进箱作业数量达到设定阈值上限值后，切换至装船作业。该模块包含2个Method对象，主要有以下3个功能：
（1）进箱外集卡到达箱区;
（2）装船内集卡到达箱区;
（3）作业阶段的切换。
3.4 记录和统计模块
记录和统计模块通过输入表文件和预设全局变量的方式，对模型运行作业数据进行跟踪、记录和统计。在堆场模型运行时，可调用作业任务表和集装箱位置信息等数据。
4 仿真分析
4.1 模型作业条件假设
天气环境、外集卡进港时间、船舶开靠周期、船舶装卸集装箱箱量等外部条件因素会对作业造成影响;港口的不同装卸工艺、堆场结构布局等内部条件因素会对装卸流程产生影响。本文依据集装箱堆场的普遍运行工况和规律，作出以下假设。
（1）集装箱堆场装卸工艺系统选用岸吊――集卡――轮胎式龙门吊工艺系统[2]，集装箱进场装卸遵守“先到先服务”原则（FIFO）。
（2）在船舶到港前，已知到港时间及将要装载的集装箱尺寸、目的港、质量等级等属性信息。
（3）预约集装箱集卡按照规定时间进港，无驾驶或道路原因造成的晚点情况，进港放箱和提箱的时间间隔具有均匀性。非预约集装箱集卡的时间间隔具有不确定性，进港顺序无法事先确定。
（4）集装箱港口采用进场闸口与出场闸口分别位于堆场两侧的布局方式。外集卡知晓场内道路布局，在作业完成后迅速离港。
4.2 非预约出口集装箱集港时间分布曲线拟合
非预约出口集装箱的集港时间随机性较大。本文以上海港某码头靠泊的集装箱班轮为例，收集和分析了3个航次的出口集装箱外集卡数量。将各时间段的出口集装箱数量分别取均值，拟合集港时间的分布曲线。各时段外集卡出口集装箱进港放箱数量汇总见表3。
出口集装箱集港与时间序号/段关系见图4。
运用MATLAB软件对外集卡集港时间分布曲线进行拟合，求得非预约情况的出口集装箱集港与时间序列的多项式方程。
4.3 改进型堆存方案对出口集装箱作业效率的影响
运用Plant Simulation软件分别对普通型和改进型出口集装箱堆存方案下的堆场作业流程进行仿真。
集港集卡分布离散程度通过样本方差来描述。样本方差是总体各单位变量值与其算术平均数的离差平方的平均数，具体表达式为
式中： 2为指样本方差， 2值越大，表示该模型下外集卡集港时均衡性越低; xi为时间变量，在集港作业仿真时，记录每辆外集卡进港时间，并计算出各相邻外集卡进港的时间间隔; 为时间样本均值，指外集卡进港时间间隔的均值; n为总体例数。
分别对普通型堆存方案模型和改进型堆存方案模型进行仿真。通过样本方差 2分析预约箱比例与集港外集卡进港均衡性间的关系，通过箱区利用率分析不同堆存方案下的箱区空间占用情况。集港外集卡不同堆存方案、预约箱比例的数据比较见表4。
从表4可得，普通型堆存方案样本方差 2 数值高，其作业均衡性较差，箱区利用率较低;而改进型堆存方案样本方差 2数值与预约比例正相关，其作业均衡性较强，箱区利用率较高。在集港作业中，普通型堆存方案采用“远压近，重压轻”原则，所以较多5层高的箱位未能堆满;采用改进型堆存方案可有效提高集装箱堆场的作业均衡性，实现精细化分类堆放，有效提高出口集装箱区利用率。
5 結 语
改进型出口集装箱堆场堆存方案是以集港作业、装船作业为核心，结合集装箱分类、集卡预约等物流信息，运用Plant Simulation仿真软件建模，实现出口集装箱堆存方案的优化。改进型出口集装箱堆场堆存模型的运用有利于港口提升堆场的作业效率和箱区利用率，增加外集卡进港作业均衡性，降低集装箱翻箱率。
参考文献：
[1] 徐好天.集装箱码头外部集卡预约与场桥资源配置协同优化[D]. 大连：大连海事大学，2019：2-43.
[2] 钟慧玲，欧仙群，张冠湘，等.随机集港的出口集装箱堆存策略设计与仿真[J]. 上海海事大学学报，2012（1）：26-31.
【关键词】 集装箱堆场;堆存方案;Plant Simulation;集卡预约;建模仿真
0 引 言
拥有高效的大型集装箱船装卸作业能力对集装箱港口来说非常重要。国内许多集装箱港口的生产作业效率仍无法完全满足货物装卸实际需求。造成这个现象的主要原因，除了码头设计容量、机械设备等硬件因素外，集装箱堆场堆存方案较为粗放也是制约码头作业效率的重要因素。
与进口集装箱相比较，出口集装箱的堆场放箱和提箱经历时间跨度大、进箱随机性强，所以其合理安排箱位的难度也更高。本文以出口集装箱堆场堆存方案为研究对象，结合我国集装箱堆场管理现状，通过建模仿真对不同堆场堆存方案进行比较研究，构建港口堆场堆存与集卡预约协同优化模型[1]，为港口集装箱堆场管理模式升级提供新方法、新思路。
1 普通型出口集装箱堆场堆存方案
1.1 普通型出口集装箱堆存基本作业流程
出口集装箱在堆场堆存主要分为集港作业和装船作业两个部分。
（1）出口集装箱集港作业。在集装箱船靠泊前，港口外集装箱卡车（以下简称“外集卡”）陆续进港将出口集装箱运输至集装箱堆场的指定贝位，场桥进行堆垛。在放箱目标位的选择时，港口管理方按照出口集装箱的目的港远近不同，将目的港较远的放在目的港较近的上方（即“远压近”）的原则分配堆存箱位;按照出口集装箱的质量等级不同，将按照质量等级较重的放在质量等级较轻的上方（即“重压轻”）的原则分配堆存箱位。
（2）出口集装箱装船作业。船舶靠泊后，场桥将出口集装箱从箱区堆垛箱位装卸至港口内集装箱卡车（以下简称“内集卡”），再由内集卡转运至岸桥处进行装船。在装船目标箱的选择时，港口管理方按照预配船图顺序，组织内集卡进行转运装船。若目标箱需翻箱，则放至同贝位其他箱位;若同贝位其他箱位皆堆满，则堆放至下个相邻贝位最近箱位。
1.2 普通型出口集装箱堆存方案问题分析
（1）由于集港作业遵循“远压近，重压轻”的原则，出口集装箱区各箱位的顶层集装箱往往是目的港较远、较重的箱子，这压缩了后续进港出口集装箱的可选箱位空间，易造成分配贝位尚未堆满，进箱已经无合适箱位可以堆放的困境。此时，若使用新的空箱位进行堆存，将占用堆场更多堆存空间，降低了箱区利用率;若随意在分配贝位中进行堆放，则必然导致后续装船作业时需要翻箱。
（2）在箱区将不同目的港和质量等级的出口集装箱混放，不仅会增加港口方的管理难度和调度成本，还会降低堆场堆存与船舶配载情况匹配度，导致堆场翻箱率较高，或会使得出口集装箱装船顺序、堆存位置与预配船图不一致。
（3）未采用出口集装箱预约模式，集港外集卡时间随机性很大。进港高峰时段易造成港口进场道口、出场道口、缓冲箱区和外部道路车流拥堵。
2 改进型出口集装箱堆场堆存方案设计
2.1 集港作业堆存方案设计
定义以下堆场堆存方案设计相关参数：
Q为船舶计划出口集装箱数量; P为分类集装箱数量; R为所占用出口集装箱堆场箱位数量; k为出口集装箱箱区利用率;L为集装箱尺寸，l为集装箱尺寸分类数量;M为集装箱目的港，m为集装箱目的港分类数量;N为集装箱质量等级，n为集装箱质量等级分类数量;b为集装箱贝位;r为集装箱排数;h为集装箱层高。集港作业时，外集卡预约出口集装箱进箱时间段，预约平台合理设置时间间隔，有效减少进港作业的不均衡性。按照计划装船集装箱的3项属性信息（尺寸、目的港、质量等级）分类，得出集装箱数量表达式，见式（1）。
式中：P（L，M，N）为按尺寸、目的港、质量等级分类箱量，L∈（1，l），M∈
本文以箱位为分配单元，3项属性信息相同的集装箱在同箱位进行堆放，属性信息不同的集裝箱可以同贝位、不同箱位进行堆放。集装箱堆场的堆存方式采用堆5过6，箱位最高层高为5。已知各类集装箱数量和层高，可得各类集装箱堆存的所需箱位数，将其依次相加，即为出口集装箱堆场占用箱位所需的总分配区域面积，见式（2）。
出口集装箱箱区堆场的利用率计算公式为
通过分析式（1）～式（3）可知，Q越大，则S越大。在当前集装箱船大型化的背景下，改进型堆存方案作业可有效地发挥其优势。改进型出口集装箱集港作业程序流程见图1。
当外集卡携箱进场后，将贝位b、排数r都赋值为1。判断进港集装箱与顶层集装箱的3个属性值是否一致：若一致，则将此箱区设置为目标箱位，场桥进行放箱作业;若不一致，则继续搜寻下一排位置。判断搜寻箱位的排数r、层高h数值，当r≠10且h≠5，则将此箱区设置为目标箱位，场桥进行放箱作业;当r=10或h=5，则继续搜寻下一排位置，直至确定目标箱位。当h=0，场桥进行放箱作业。
2.2 装船作业堆存方案设计
定义以下堆场堆存方案设计相关参数：J为装船作业优先级;Z为当前箱位的集装箱装船作业优先级。本文将集装箱的尺寸、目的港、质量等级3项属性各分为3类，在装船作业时，尺寸短、目的港距离远、质量等级高的集装箱优先装船，放置于尺寸长、目的港距离近、质量等级低的集装箱下层，以便后续靠泊港的装卸作业，增加船舶整体稳定性。出口集装箱装船作业堆存方案见表1。
集装箱尺寸L、目的港M、质量等级N三者的乘积为作业优先级J值。
集装箱的尺寸、目的港、质量等级的值越大，其作业优先级越高。按照表1，出口集装箱的装船作业顺序由作业优先级决定，作业优先级高的先装船作业。改进型出口集装箱装船作业程序流程见图2。
当内集卡进场装船作业时，作业优先级J（L，M，N）由高到低依次装船，将贝位b、排数r都赋值为1。当b<20且r<10，比较当前箱位优先级J（L，M，N）与Z大小。若Z
运用Plant Simulation软件构建堆场堆存仿真模型。为了真实反映实际生产特点，将仿真系统根据功能划分成4大模块，各模块功能和Method对象作用见表2。
3.1 初始定义模块
初始定义模块实现了仿真系统的初始化设置，在仿真模型开始运行时被激活调用。该模块包含4个Method对象，主要有以下6个功能：
（1）出口集装箱堆场的平面布局;
（2）出口集装箱属性信息的设置;
（3）箱位层高标识;
（4）作业机械运行参数的设置;
（5）外集卡进箱时间概率分布;
（6）系统重置。
3.2 作业控制模块
作业控制模块实现了普通型和改进型堆存方案的流程控制。该模块包含4个Method对象，主要有以下5个功能：
（1）出口集装箱集港的作业控制;
（2）出口集装箱装船的作业控制;
（3）场桥的运行控制;
（4）内集卡、外集卡目标贝位的对位;
（5）预约出口集装箱的比例设置。
预约箱比例设置：通过Method对象对模型的出口预约箱数量实现任意比例的设置。当预约箱比例变化时，集港外集卡时间规律也将自动更新，集装箱不同箱型生成仍保留随机性，保证了与现实港口作业过程的一致性。红线传感器设置：按照出口集装箱区布局结构，在内集卡、外集卡和场桥运行的车道上等间距地设置红线传感器。当内集卡、外集卡和场桥经过任意箱区贝位，都会触发红线传感器，实现了对运输机械和集装箱位置的精确控制。场桥和小车运行控制：根据作业指令，完成场桥箱区行驶和目标箱吊起、堆放的控制。
3.3 设备驱动模块
设备驱动模块根据堆存模型设备运行的参数和设定条件，触发仿真过程的输出事件。在集港进箱作业数量达到设定阈值上限值后，切换至装船作业。该模块包含2个Method对象，主要有以下3个功能：
（1）进箱外集卡到达箱区;
（2）装船内集卡到达箱区;
（3）作业阶段的切换。
3.4 记录和统计模块
记录和统计模块通过输入表文件和预设全局变量的方式，对模型运行作业数据进行跟踪、记录和统计。在堆场模型运行时，可调用作业任务表和集装箱位置信息等数据。
4 仿真分析
4.1 模型作业条件假设
天气环境、外集卡进港时间、船舶开靠周期、船舶装卸集装箱箱量等外部条件因素会对作业造成影响;港口的不同装卸工艺、堆场结构布局等内部条件因素会对装卸流程产生影响。本文依据集装箱堆场的普遍运行工况和规律，作出以下假设。
（1）集装箱堆场装卸工艺系统选用岸吊――集卡――轮胎式龙门吊工艺系统[2]，集装箱进场装卸遵守“先到先服务”原则（FIFO）。
（2）在船舶到港前，已知到港时间及将要装载的集装箱尺寸、目的港、质量等级等属性信息。
（3）预约集装箱集卡按照规定时间进港，无驾驶或道路原因造成的晚点情况，进港放箱和提箱的时间间隔具有均匀性。非预约集装箱集卡的时间间隔具有不确定性，进港顺序无法事先确定。
（4）集装箱港口采用进场闸口与出场闸口分别位于堆场两侧的布局方式。外集卡知晓场内道路布局，在作业完成后迅速离港。
4.2 非预约出口集装箱集港时间分布曲线拟合
非预约出口集装箱的集港时间随机性较大。本文以上海港某码头靠泊的集装箱班轮为例，收集和分析了3个航次的出口集装箱外集卡数量。将各时间段的出口集装箱数量分别取均值，拟合集港时间的分布曲线。各时段外集卡出口集装箱进港放箱数量汇总见表3。
出口集装箱集港与时间序号/段关系见图4。
运用MATLAB软件对外集卡集港时间分布曲线进行拟合，求得非预约情况的出口集装箱集港与时间序列的多项式方程。
4.3 改进型堆存方案对出口集装箱作业效率的影响
运用Plant Simulation软件分别对普通型和改进型出口集装箱堆存方案下的堆场作业流程进行仿真。
集港集卡分布离散程度通过样本方差来描述。样本方差是总体各单位变量值与其算术平均数的离差平方的平均数，具体表达式为
式中： 2为指样本方差， 2值越大，表示该模型下外集卡集港时均衡性越低; xi为时间变量，在集港作业仿真时，记录每辆外集卡进港时间，并计算出各相邻外集卡进港的时间间隔; 为时间样本均值，指外集卡进港时间间隔的均值; n为总体例数。
分别对普通型堆存方案模型和改进型堆存方案模型进行仿真。通过样本方差 2分析预约箱比例与集港外集卡进港均衡性间的关系，通过箱区利用率分析不同堆存方案下的箱区空间占用情况。集港外集卡不同堆存方案、预约箱比例的数据比较见表4。
从表4可得，普通型堆存方案样本方差 2 数值高，其作业均衡性较差，箱区利用率较低;而改进型堆存方案样本方差 2数值与预约比例正相关，其作业均衡性较强，箱区利用率较高。在集港作业中，普通型堆存方案采用“远压近，重压轻”原则，所以较多5层高的箱位未能堆满;采用改进型堆存方案可有效提高集装箱堆场的作业均衡性，实现精细化分类堆放，有效提高出口集装箱区利用率。
5 結 语
改进型出口集装箱堆场堆存方案是以集港作业、装船作业为核心，结合集装箱分类、集卡预约等物流信息，运用Plant Simulation仿真软件建模，实现出口集装箱堆存方案的优化。改进型出口集装箱堆场堆存模型的运用有利于港口提升堆场的作业效率和箱区利用率，增加外集卡进港作业均衡性，降低集装箱翻箱率。
参考文献：
[1] 徐好天.集装箱码头外部集卡预约与场桥资源配置协同优化[D]. 大连：大连海事大学，2019：2-43.
[2] 钟慧玲，欧仙群，张冠湘，等.随机集港的出口集装箱堆存策略设计与仿真[J]. 上海海事大学学报，2012（1）：26-31.