（交通运输规划与管理专业论文）集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真.pdf

中文摘要 摘要 随着全球经济不断发展，国际贸易的日趋频繁，集装箱运输已经成为物流供 应链上不可缺少的节点。集装箱码头系统是集装箱港口的核心部分，其基本组成 主要包括：硬件设施、装卸搬运以及相应的管理系统。其中硬件设施包括：泊位、 码头前沿、集装箱堆场、货运站、控制室、检查口等。装卸搬运设施包括：岸桥、 场桥、跨运车、叉车、正面吊等，而作为整个集装箱运输系统中的一环，闸口系 统对服务同样起着重要的作用。因为闸口是集装箱进入港区的门户与通道，闸口 作业效率的高低与否直接影响集装箱相关操作的效率。 本文先回顾了国内外对集装箱运输系统的相关研究，并阐述了对于离散事件 建模的一些理论方法，以及国内外相关的物流仿真软件以及建模方法。 其次，介绍了集装箱闸口系统作业的相关流程以及相应的评价指标，同时分 析了排队论的相关理论与方法，通过调研，对搜集到的相关数据进行整理和分析， 通过计算得到仿真模型所需要的相关参数，并确定集装箱卡车到达闸口的排队分 布，为建立仿真模型做准备。 然后，根据对集装箱闸口系统作业相关流程的分析，设定方针目标，通过 w i t n e s s 仿真软件建立关于该港码头的闸口系统仿真模型，并通过仿真结果分析 出在现有码头的资源配置下，闸口通道的配备是否合理。然后对该仿真模型进行 优化，改变仿真模型中的相关元素的参数设置，观察结果，从而确定最优方案。 最后对所得结果进行总结分析，对论文中不足之处进行分析，并提出相应的 建议。 关键词：集装箱码头闸口系统；排队模型；w i t n e s s ；仿真 a b s t r a c t w i t 量lt h eg r o w i n go f g l o b a le c o n o m y ，t h ei n t e r n a t i o n a lt r a d eh a v eb e c o m em o r c 呐u e i l t l y ，c o n t a i n e rt r a n s p o r th a sb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l en o d e so ft l l e i o g i s t i c s s u p p l yc h a i n g a t es y s t e r na st h ep a r to fc o n t a i n e rt r a n s p o ns y s t 锄，a l s op l a y s 锄 1 m p o r t 柚tr o l e b e c a u s et h eg a t ei st h e 锄缸a 1 1 c ef o r t h e c o n t a i n e r u g ht h eg a t e ，m e c o n t a i n e rc a ne n t r ei n t ot h e y a r da n dw o r k i n ga r e a s s ot h eg a t e 叩e r a t i o ne 硒c i e l l c vi s d l r e c t l y1 n f l u e n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l e c o n t a i n e rp o r to p e r a t i o n s 1f l l sa r t l c l ef i r s tr e v i e w st h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lc o 岫e r 扭a 1 1 s p o r t a t i o n s y s t 锄r e s e 锄旭a n dd e s c r i b e dt h et h e o r yo fd i s c r e t ee v e n tm o d e l i n gm 砒o d s ，a n d a l s or e t e r s t os o m ed o r a e s t i ca n d f o r e i g nl o g i s t i c ss i m u l a t i o ns o 觚a r ea i l dm o d e l i n 2 。 ln e l l 1 t1 盯o d u c e st h ec o n t a i n e rg a t es y s t e m - r e l a t e d 叩e r a t i o n s p r o c e s sa n dt h e m e t h o d sa tt h e a n a l y z e st h et h e o r yo fq u e u i n gt h e o r ya n d s 锄et i m e t h r o u g hc o l l e c t i n g a n da n a l y z i n gt h er e l e 1 td a t a 舶m m er e s e c h ，s i m u l a t i o nm o d e li n d i c a t i o r s a r eo b 谢n c db yc a l c u l a t i n g ，a 1 1 dt h e q u e u ed l s t r i b u t i o na r ed e t 喊e dw m c ht h e c o n t a i n e r 仉1 c kr e a c ht h e g a t c s 血o r d e rt 0 p r e p a r ef o rt h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o ni n o d e l 上n e l l ，b a s e do nt h ec o n t a i n e rg a t es y s t e mo p e r a t i o n sa n d p r o c e s s ，s e t t i n gt h e s l m u l a t i o nm o d e lg o a l s ，u s e dt h ew i t n e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r e t oe s t a b l i s ht h eg a t e s 蛐u l a t i o nm o d e l so ft h ey p o r t ，a n dt h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t si tt u m so u tt h a tu n d e f t 1 1 ea l l o 咖o no f r e s o u r c e si nt h ee x i s t i n gt e r m i n a l ，t h eg a t e c h a n n e le q u i p m 铋t s a r e r e a s o n a b l eo r n o t t h r o u g hc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft h er e l e v a n t e l e m 朗t so f s 啪n ga n dt h eo b s e r v a t i o n st od e t e r m i n et h e 咖m a 】p r o 鲫，叩t i m i z e t h es i m u l a t i o n f i n a l l y , c o n c l u d et h e t h er e s u i t sw h i c ha r ea n a l y z e d ，a n a l y z e s h o n c o m i n g s 。ft l l e p a p e ra n dm a k er e c o m m e n d a t i o n s a c c o r d i n g l y k y ew 。r d s ：t h eg a t e 。fc o n t a i n e rp o r ts y s t e m ；t h es t o c h a s t i c m 。d e l ；w i t n e s s ； s i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 篡苤箍塑基闷旦金堡趣蕉确定区丕统笾真： 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：善俞了 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 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a n z o ( 1 9 8 9 ) 【3 】采用整数规划模型和一个简单的分配策略，分析岸桥的作业效率，计算在高峰 期泊位的最大吞吐量，解决静态岸桥调配问题，达到了减少船舶在港停泊费用的 目的。p e t e r k o f s k y 和d a g a n z o 【4 】( 1 9 9 0 ) 认为这是个并行工作的岸桥的“开放 的程序站 的调配问题。建立整数规划模型，通过加快装卸速度来较少船舶在港 停泊费用，并采用分支定界法来获得优化结果。a k i l o 和e t s u k o 5 】等( 2 0 0 1 ) 利 用通过建立解析模型把泊位分配问题分为静态泊位分配( s b a p ) 和动态泊位分 配( d b a p ) 两个方面。静态泊位分配研究在事先给定来港船舶状况下，使之待 泊和装卸时间最短的泊位分配方法；而动态泊位分配提出了计划期内、在船舶预 计到达时间变化情况下的一种新的泊位分配方法。同时还给出了两种分配问题的 模型及其求解方法，重点研究了利用拉格朗日松弛法解决动态泊位分配的问题。 现今对离散事件系统的研究的兴起出现在1 9 8 0 年前后，其称谓首先是由哈 弗大学何毓琦教授在1 9 8 0 年前后引入的。离散系统的建模方法主要有排队网络 法、p e r i 法、遗传算法等。澳大利亚的k o z a ne 1 6 ( 1 9 9 6 ) 为了解决船舶在港 停泊时间问题，用批量到达、多服务台排队模型运作模式进行建模，讨论影响集 装箱码头运输效率的各种主要因素。g a r r i d o 和r o d r i g o t 7 】等( 2 0 0 0 ) 研究“集装 箱码头运营的分析与建模”，提出模型工具评价不同集装箱码头内部运作策略产 生的影响。将内部运作分为三段：装卸、集装箱移动、集装箱堆放，而分析模型 是基于排队论提出的。杨静蕾( 2 0 0 3 ) i s 在“集装箱码头内部物流网络运作研究 的博士论文中，应用排队网络解析模型研究了集装箱码头内部物流网络的节点配 置，建立了集装箱码头桥吊、龙门吊和集卡三节点配置的串联排队网络解析模型、 闭排队网络解析模型和j a c k s o n 排队网络解析模型，并给出排队网络解析模型的 求解步骤、精度和适用范围。 p e r i 网是一种简单图形表示的组合模型，可借助数学工具得到p e r i 网的分析 方法和技术，并可对p e r i 网系统进行静态的结构分析和动态的行为分析。它既可 以用于确定性模型，也可以用于逻辑性的定性建模。p e r i 网属于控制理论领域处 理离散时间动态系统的一种有力工具。2 0 0 1 年意大利的d e g a n oc 和d if e b b r a r o a 9 1 首次将p e r i 网应用到运输系统中，他们将集装箱码头划分为若干个区域，每 一个区域都有集装箱的处理运作。由于运输系统的存在，系统的复杂性大为提高， 因此提出p e r i 网模型研究不同车辆组成的运输系统。德国v o g e sj 【1 0 】( 2 0 0 1 ) 运 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 用有色的p e r i 网建模，研究码头车辆问题。 1 9 6 2 年h o l l a n d 教授首次提出了g a 算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) ，从而吸引了 大批的研究者，迅速推广到优化、搜索机器学习等方面，并奠定了坚实的理论基 础。荷兰的e v e r sj j m 1 1 1 等( 1 9 9 6 ) 提出集装箱码头的a g v 车流控制系统。荷 兰的d u i n k e r k e nm b 和e v e r sj j m 【1 2 】等( 1 9 9 9 ) 研究在a g v s 中协调从码头前 沿到堆场的车流的控制系统；2 0 0 1 年又将a g v s 的排队运输系统与集装箱堆存 的模型整合起来，该模型可优化堆场的堆存高度、a g v 的数量和其他变量，研 究的结果应用与鹿特丹港的自动化集装箱码头。 系统仿真是基于相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术 为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设 想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。简言之系统仿真就是建立系 统模型并在模型上进行试验，所以仿真技术是复杂工程系统的分析和设计的研究 中不可缺少的工具。不管系统多么复杂，只要能正确地建立起系统的模型，就可 利用仿真技术对系统进行充分的研究。因此，系统仿真尤其适合与具有离散、动 态、随机特性的港口物流系统。集装箱码头闸口系统是典型的离散事件系统，该 类系统的状态变化只有在时间的离散时刻发生，且往往是随机的。这类系统一般 规模庞大、结构复杂，很难用解析的方法求得结果，因此应用系统仿真技术是解 决这类问题的有效途径。常用的系统仿真软件有：g p s s 、p o r t s i m 5 、 v i s u a l s l a m ，s i m a n ，m o d s i m ，s i m s c r i p t i i 5 ，f l e x s i m ，e m p l a n t 、 a r e m a 、w i t n e s s 等。 1 2 文献综述 为了满足日益增长的集装箱运输的需要，主要的沿海城市都在大力兴建和扩 建集装箱码头。随着集装箱运输的迅猛发展以及集装箱船舶向大型化发展的趋 势，加之集装箱码头造价高及项目投资风险大，运营水平要求高，对集装箱码头 物流运营系统的战略性和操作性决策提出了越来越高的要求，国内外的相关文献 表明系统仿真因自身的特点已经成为解决这一问题的有效方法，其主要研究内容 集中在以下的几个方面： ( 1 ) 运营环节研究 集装箱码头物流系统的主要运营环节发生在码头前沿、水平搬运、堆场和道 第1 章绪论 口，根据实际情况将运营环节研究归纳为三类：集装箱码头运营的资源分配、日 常运营管理和各种运营环节的局部研究状况。g a m b a r d e l l al m ( 2 0 0 1 ) 1 1 3 】通过 对码头的离散事件仿真，研究装卸桥和队长以及龙门吊的配置问题以及每个分配 的机械的装卸进度安排问题。通过仿真和优化，可降低成本，减少机械数量和集 卡的平均排队时间。v e e k eh p m 和o t t j e sj a 1 4 】( 2 0 0 2 ) 提出仿真模型设计， 用于鹿特丹港口的m a a s v l a k t e 2 的扩建。利用仿真，从对码头的初始研究到未来 的运营和控制提供决策支持。k i mk a ph w a n 、l e ek e u n gm o 和h w a n gh a r k 【1 5 】 ( 2 0 0 3 ) 研究集装箱码头堆场按顺序接受和运送的运营的问题是关于堆场与道口 环节的运营问题。由于堆场的卡车在接受和运送外部进入的集卡时带来大量的时 间延误，致使码头在客户服务方面存在严重的问题。鉴此，提出了动力模型，该 模型研究在可预先知道所有要到达卡车的静态顺序的基础上进行。对于新进入卡 车的动态位置，提出一种基于学习理论的方法来产生决策规则。该研究采用了启 发式算法，通过仿真，比较各种方法的绩效。 ( 2 ) 集装箱码头装卸机械系统 典型的基于集装箱码头装卸机械系统的工艺系统可以分为：轮胎吊系统、轨 道吊系统、轮胎吊和轨道吊混合系统、自动化系统和跨运车系统。l i uc i 1 6 1 ( 2 0 0 1 ) 提出m i c r o s c o p i c 仿真模型，模拟4 个自动化系统在相同的运营实验框 架下运行，评价其绩效和成本。b a l l i s 和a b a c o u m k i n 1 ( 19 9 6 ) 建立了一个包括由 于设备不匹配而引起的交通堵塞和延迟的仿真模型。他们使用这个模型来评价一 个码头的堆场设计、设备数量、集卡到达和运行规则。仿真系统配有动画，设备 系统使用了跨运车系统。s g o u r i d i ss g o u r i sp i s 】( 2 0 0 3 ) 研究在中等规模的全跨 运车码头的仿真处理问题，主要仿真处理的是即将由集卡运输来的集装箱。 在集装箱码头的各环节研究中，对于泊位、堆场以及设备配置问题的研究已 经趋于成熟，但对于码头闸口系统研究相对较少，因此对于码头闸口系统的研究 也尤为重要。因为闸口系统是集卡进入港口堆场进行作业的首要关口，对于闸口 系统的合理规划不仅可以提高整个港口的运营效率和服务效率而且还可以减少 码头建设投入资金，实时动态的反映港口的运营现状，从而准确获得集装箱码头 机械系统的配机比例，所以本研究是十分必要的。 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 1 3 论文的研究思路及方法 以往相关的闸口系统的研究主要集中在静态计算，本文欲利用动态仿真模型 计算出在当前有限资源下，闸口设备设置是否合理，通过阅读了相关的集装箱码 头闸口系统规划、离散事件系统理论以及物流系统建模与仿真方面的文献后，针 对实际问题，本文做了如下的研究： ( 1 ) 集装箱码头闸口系统调查。通过现场调研，明确闸口系统运作情况， 统计分析相应年份的历史数据，获得建模必须的离散分布以及相关参数。 ( 2 ) 对离散时间动态系统分析。结合港口的特点，了解集装箱码头闸口作 业流程以及分析集卡到达集装箱码头闸口的排队模型。 ( 3 ) 通过对离散事件动态系统的分析，运用w i t n e s s 仿真软件对集装箱 码头闸口系统进行仿真。根据实际的作业流程和仿真目标进行闸口系统的模拟， 建立集装箱码头闸口系统仿真模型。通过仿真结果的分析和模型的验证，可以对 目前集装箱码头闸口数是否合理设置进行判断，并给出最优方案。 第2 章集装箱码头闸口作业系统 第2 章集装箱码头闸口作业系统 21 集装箱码头系统 集装箱码头系统是集装箱港口的核心部分，其基本组成主要包括1 1 9 j ：硬件设 旌、装卸搬运以及相应的管理系统。其中硬件设施包括：泊位、码头前沿、集装 箱堆场、货运站、控制室、检查口等。装卸搬运设施包括：岸桥、场桥、跨运车、 叉车、正面吊口。肄，平面布置图如图2 1 1 ) 岸桥2 ) 集装孵拖挂车3 ) 轮胎式龙门起重机： ) 加油站5 ) 电力站6 ) 盘蓬站 7 ) 控制室8 ) 摊修车间9 ) 门房：1 0 ) 泊位1 1 ) 集装箱堆蝻 l 薹| 2 1 码头系统布局图 f i l l21t e r m l i m ls y s t e ml a y o u t 2 11 篓装箱码头设施 集装箱码头设施具体组成如下 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 ( 1 ) 码头前沿( b e r t ha n d a p r o n ) ，码头前沿常指岸边到堆场前的土地的面 积，主要包括：靠泊船舶岸线、装卸作业区等部分。其中码头岸线长度取决于船 舶长度，即： 泊位长度= 船舶长度+ 泊位富裕长度 码头水深取决于船舶满载吃水深度。泊位前沿的纵深取决于装卸作业桥的作 业范围，分为外伸轨距和内伸三个部分。通常码头前沿的纵深为4 0 m 左右，但 随着船舶不断大型化趋势，集装箱装卸桥的跨距也必须加大，码头前沿的纵深也 不断的加大。 ( 2 ) 堆场( y a r d ) ，是指集装箱码头内，为方便集装箱船舶装卸，堆存和放 置集装箱的场地。集装箱码头堆场常被分为：前方堆场( m a r s h a l l i n gy a r d ) 、后 方堆场( c o n t a i n e ry a r d ) 、空箱堆场( v a ny a r d ) 。 前方堆场是指为了加速船舶装卸作业，在靠近码头前沿，暂时堆放集装 箱，从而集装箱船舶能直接装卸的场地。 后方堆场是重箱进行交接、保管和堆存的场所。是集装箱运输“场到场 交接方式的整箱货办理交接的场所。 空箱堆场是专门负责办理空箱收集、保管、堆存或交接的场地。空箱堆 场对于重箱或货物交接不予办理业务，可以单独经营，也可以在集装箱装卸区外 另设。 ( 3 ) 检查口( g a t e h o u s e ) ，我们常称为道口( 检查桥、闸口等) 是集装箱 码头的进出口，通过闸口交接集装箱、货物以及相关的各种单据。 ( 4 ) 集装箱货运站( c o n t a i n e r f r e i g h ts t a t i o n ：c f s ) ，是为拼箱货装箱和拆箱 的船、货双方办理交接的场所。它是集装箱运输关系方的一个组成，在集装箱运 输中起到重要作用。 ( 5 ) 维修站 2 1 2 集装箱码头的相关设备 ( 1 ) 岸桥 2 2 】 岸桥是集装箱装卸的专用机械，专门负责装卸集装箱船舶。岸桥可沿码头前 沿岸线平行的轨道行走。起重率较高，可组织多路作业。 ( 2 ) 龙门起重机 第2 章集装箱码头闸口作业系统 龙门起重机简称龙门吊或场桥，是一种在码头场地上进行集装箱堆垛和装卸 的设备，龙门起重机种类有两种：轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机。 轮胎式龙门起重机 轮胎式龙门起重机可堆3 或4 层集装箱，可跨6 列箱和1 列车道。轮胎式龙 门起重机的优点是：有效利用堆场，减少堆场的铺面费用，行动灵活，不受轨道 限制，可从一个堆场区域转移到另一个堆场区域。其缺点是：跨距大，箱位多， 堆垛高，提取集装箱时较为困难，有时可需倒垛。同时轮胎式龙门起重机还需配 备半挂列车进行水平运输，增加了作业环节。 轨道式龙门起重机 轨道式龙门起重机可堆4 或5 层集装箱，跨距可达1 4 列或更多列集装箱。 轨道式龙门起重机的优点是：堆场面积利用率高，机械为电力驱动，节省能源， 并可采用计算机控制，可实现装卸自动化。其缺点主要是机动性差，只能沿轨道 运行，作业范围受到限制。 ( 3 ) 叉车 叉车是集装箱码头常见的一种装卸机械，主要适用于吞吐量较小的码头进行 码头前沿与货场之间水平运输和货场集装箱的堆码和装卸车 2 4 】作业。叉车通用性 强，可适用多货种作业，机械价格相对便宜，装卸成本低。 ( 4 ) 正面吊 正面吊可完成搬运、堆码、装卸车作业，减少了码头配备机种，同时可以进 行跨箱作业，一般吊装4 5 层高。但正面吊要求箱区小，通道宽且多，相对东门 起重机场地利用率较低。 ( 5 ) 集装箱卡车 集装箱卡车简称集卡，包括内卡和外卡，内卡主要是在堆场和泊位之间进行 的水平运输，而外卡则主要用来外围区域经闸口到达堆场进行送取箱操作。 2 2 集装箱码头闸口的作业流程 闸口是集装箱码头集疏运子系统的关键一环，它既是出口箱进入码头堆场的 首要关卡，是出口集装箱信息输入的关键部门；同时，又是收货人提取进口箱的 最后一道关口。闸口作业效率的的高低，质量的好坏将直接影响集装箱在港口的 运作速度，最终影响船舶的作业效率。 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 闸口系统【2 5 1 的主要工作有：1 ) 审核集港收箱的单据，包括装箱单与设备交 接单2 ) 查验箱体即查验可以目测到的箱体前部和一侧的箱体有无残损。3 ) 看 磅重，对于超重者进行处理。4 ) 对收箱单据的相关信息进行录入。5 ) 对入场车 辆及货物的信息进行录入6 ) 对出场的货物和集装箱进行核对7 ) 打印入站操作 票8 ) 打印出场货物交接单等。其主要的作业流程如下： ( 1 ) 交箱作业 对进场的重车经过闸口时，先过地磅测定其重量，根据重量以及目的地，由 计算机系统确定堆场内该集装箱的确定场位，然后由闸口交给集卡司机一张带有 箱位号的纸条，集卡司机按照指示把集装箱放在指定的位置上。 ( 2 ) 提箱作业 承运人从堆场提取重箱时，空车到达闸口，按交货记录录入箱号、车牌照号， 然后按照系统给出的集装箱场位，由闸口交给集卡司机一张带有箱位号码的门 票，集卡司机需按指示到制定箱位位置提取集装箱，提取集装箱后，卡车到闸口 处经过审查放行离开堆场。 重车是指载有集装箱的集卡，空车是指没有装载集装箱的集卡。到达码头的 重车和空车作业流程相似，不同的是重车到港交箱，空车到港提箱。集装箱码头 闸口的一般作业流程如图2 2 ： 第2 章集装箱码头闸口作业系统 图2 2 闸口作业系统流程图 f i g 2 2f l o wc h a to fg a t e 闸口作业系统具有以下两个特点： 1 0 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 ( 1 ) 闸口作业系统为随机服务系统 集卡到港具有随机性；入口和出口闸口车道服务时间具有随机性 ( 2 ) 闸口系统是排队系统 由于集卡到达的随机性以及闸口通道服务的随机性，使得闸口系统作业具有 不平稳性。在闸口作业系统中，一个闸口通道在同一时刻只能为一辆集卡进行服 务，所以当集卡到港的频度大于闸口通道作业的频度时，将发生集卡在通道前等 待作业的现象，所以对于闸口通道数量的合理规划就显得尤为重要，在集装箱码 头物流系统中，常设有缓冲区解决等待作业现象。 2 3 集装箱码头闸口系统性能评价指标 ( 1 ) 闸口的年作业量【2 6 1 闸口的年作业量指的是一定统计期间( 例如一年) ，进出闸口的集装箱量， 它是反映闸口通道作业量的指标。计算单位为t e u 。 ( 2 ) 箱位比 箱位比是指标准换算箱数与自然箱数的比值，可以粗略反映箱型结构变化情 况。比值越大说明大箱( 4 0 尺和4 0 尺以上) 的比重越大，反之则越小。 釉匕= 管 汜- ， ( 3 ) 卡车平均每次在港时间 指集卡从进港时起到离港时止，平均每辆卡车在港时间总和，包括等待服务、 接受服务的时间以及在港口内运行的时间。计算单位为“小时车次 。 卡车平均每次在港时间= 主嘉蔫器 ( 2 2 ) ( 4 ) 闸口平均作业时间 指统计时间内，闸口平均服务一辆集卡所需的时间，分为入口闸口平均服务 时间及出口闸口平均服务时间，且入口闸口服务空车与重车的时间也是不同的。 闸口平均作业时间= 塑盏盖溪器器 c 2 3 ， ( 5 ) 闸口通道利用率 指统计时间内，闸口通道被占用时间占通道日历时间的比重( 或指统计时问 第2 章集装箱码头闸口作业系统 实际闸口作业时间占可作业时间的比重) ，反映闸口综合利用程度，计算单位为 “”。闸1 3 通道利用率并非越高越好，通道利用率过高，容易压车，导致卡车平 均每次在港时间过长。 闸口利用率= 需昌盖淼木。 c 2 4 ， ( 6 ) 卡车在通道前排队最大队长 指统计时间内，排队等待的集卡在通道前排队的最大队长。闸e l 通道开放数 量的多少可以参考该指标。 2 4 本章小结 本章先介绍了集装箱码头物流系统的先关组成部分及其作用，然后分析了集 装箱闸口系统的功能并对集装箱闸口作业流程进行描述，总结了闸口作业系统的 特点，发现闸口作业系统是随机服务的排队系统，列举了集装箱码头闸口系统性 能的各项评价指标。 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 第3 章y 港某集装箱码头闸口排队系统研究 闸口是集装箱码头物流运输链的一个重要环节，在码头规划建设中，合理地 确定闸口建设规模将直接影响到集装箱码头的经济效益。由于集卡相继到达闸口 的间隔时间和以及在闸口服务时间具有随机性，在绝大多数时间内，到闸的卡车 数量和闸口的通道数量是不一致的，有时就会出现集卡在闸口处排队现象。在集 卡数量一定的情况下，闸口通道数量越多，集卡排队等待服务的几率越小；但同 时闸口通道空闲的几率增大，导致码头的经营成本加大，因此产生了集卡的等待 与通道数量之间的合理平衡问题。 根据排队论的观点，抵达闸口作业的集卡可视作顾客，闸口则可视作为顾客 提供服务的机构。由于集卡到达闸口的时间和在闸口服务时间受多种随机因素的 影响，因此集卡与闸口就构成了随机服务系统。 3 1 排队论原理概述 排队系统【2 7 1 的共同特征是顾客相继到达系统的间隔时间和每个顾客的服务 时间具有随机性，并且遵循某种统计分布规律，因此排队系统也称为随机服务系 统。在顾客数量一定的情况下，服务设施数量越多，顾客排队等待服务的几率越 小，顾客的费用支出越小；但同时服务设施空闲的几率增大，导致提供服务的部 门成本加大，因此产生了顾客的等待与服务设施数量之间的合理平衡问题。排队 论法就是应用排队论的数学模型确定排队系统的服务设施数量，使排队系统的总 体经济效益达到最佳状态。由于在绝大多数时间内，到达闸口r 的集卡数量和闸口 的通道数量是不一致的，因此通过排队论的方法，探求合理的闸口数，使集卡和 通道数的总体经济效益达到最佳状态。 排队系统由三个基本部分所组成，即：输入过程、排队规则和服务机构。对 于港口船舶排队服务系统，这三个基本组成部分都有其一定的特殊性。 3 1 1 输入过程 输入过程【2 8 垓0 画了集装箱卡车按怎样的规律到达闸1 ：3 。采用的方法是统计相 邻两集卡到达闸口的间隔时间的分布规律。 令t = o ，。一表示第1 1 ( 1 ) 个顾客的到达时刻。在顾客单个到达情形，有 第3 章y 港集装箱码头闸口排队系统 0 = r o 正 乃 乙 乙+ l 0 是常数，则称x 服从参数为兄的泊松分布，记为x v ( 九) m ) ：i 1 石，a x b 3 2 10 ， 其它 称x 在区间( 如b ) 上服从均匀分布，记为x u b ) ，x 的分布函数为 f ( x 、= 0 - - o o x a x - a a x 6_ ， xs d 6 一a 1 b 0 ，则称x 服从参数为兄的负值数分布，则它的分布函数为 第3 章y 港集装箱码头闸口排队系统 f c x ，= 1 一三：缸二三暑 ( 4 ) k 阶爱尔郎分布 设随机变量x = k 的概率密度为 ( 3 5 ) m ，- 酱p 一。 6 ， 【0 ，x o ，k 为整数，则称x 服从参数为旯的k 阶爱尔郎分布，记为x e k ，则它的分布函数为 坼，：卜n 篓孕一。 ( 3 7 ) 【0 ， x o 3 4 排队系统的性z 日, , 匕t , - 了- ! - 目匕- - - , 标 排队系统的性能指标起到度量系统性能的作用，求解排队问题就是计算该排 队系统的各项基本数量指标，研究系统中的顾客数，以便分析系统的运行效率， 估计系统的服务状况，确定系统特征量的最优质，对系统实行最优设计、最优运 营或最优控制。主要研究的指标有： ( 1 ) 队长与等待队长 队长是指在系统中的请求总数，而等待队长是指系统排队等待的请求数，它 们都是随机变量，是请求者和服务机构双方都十分关心的数量指标，其中队长等 于等待队长加正在被服务的请求数。 ( 2 ) 顾客在系统中的等待与逗留时间 等待时间是指请求进入系统的时刻起知道服务完成的时间，而逗留时间是请 求在系统中等待时间与服务时间是相互独立的，等待时间是我们最为关心的数量 指标。在实际应用中，它们的分布与平均值是受关注的主要指标。 ( 3 ) 输出过程。 输出过程是指接受服务完毕的顾客相继离开系统的过程。刻画一个输出过程 的主要指标是相继离去的间隔时间和一段己知时间内离去顾客的数目。 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 3 5 样本数据分布规律的检验方法 目前样本数据分布规律的检验一般可采用以下两种方法。 3 5 1 卡方拟合检验法 z 2 拟合检验法【3 l 】的基本思想是：将总体x 的样本空间划分为k 个互不相容 得事件4 ，4 ，4 ，使u 4 = s 且4 4 = 矿( f ) 。于是在假设风成立时，可以 计算出p t = p ( 4 ) ( 当e ( 彳) 中含有未知参数且用其极大似然估计代替时，则用 a = 尸( 4 ) 代替只) ，i - - - i ，2 ，k 。在1 1 次试验中事件4 出现的频数用，表示，称 为实际频数，则z 为n 次试验中4 出现的频率。一般来说，与b ( 或矗) 往往 有差异，但当凰成立且试验次数足够大时，这种差异不应很大。z 2 方检验的基 本过程如下： ( i ) 建立零假设和各选假设 h o 总体分布函数为f ( x ) ； h i ：总体分布函数不为f ( x ) 。 ( 2 ) 构造和计算统计量 我们把实轴( ( 一o o ，) 分成k 个不相交的区间( 一0 0 ，a t ) ，( a - ，a 2 ，( q 。，o o ) 设样本五，五咒的观察值_ ，而，h 落入第i ( i = 1 ，2 ，k ) 区间的实际频 t 数为z ，则实际频率为i 。当零假设成立时，则样本值落在每个区间的频率b ， 可以由分布函数f ( x ) 精确计算出来，并且理论频数憾，和实际频数相差较小。 因此，构造下述统计量z 2 = 喜垡专茅z 为了计算上述统计量，我们可以构建理论频数和实际频数分布表3 1 第3 章y 港集装箱码头闸口排队系统 表3 1 统计量表 t a b 3 1t h es t a s t i c so fd i s t i l b u f i o n 根据表中的数据，计算z 统计量的值。 ( 3 ) 设定显著水平吲那个和确定否定域 给定显著水平口。在零假设成立时，z 统计量服从自由度k - l 的z 分布， 否定域为0 2 z 2 屁2 ( 七一1 ) 。 ( 4 ) 做出统计决策 如果z 2 统计量的值落在否定域为o2 z 2 屁2 ( 七一1 ) 中，拒绝零假设，即 总体不服从制定分布f ( x ) 。否则接受零假设，即总体服从指定分布f ( x ) 。 3 5 2k oim o g o r o v s mir n o v 单样本检验 k o l m o g o r o v s m i m o v 3 3 1 单样本检验简称k s 单样本检验，它的基本思想是： 通过一组样本观察值，来判断样本总体是否服从某种理论分布的非参数检验方 法。k s 单样本检验的思路是：分析理论分布的累积频数和抽样累积频数之间的 差值，并计算最大差值。当抽样总体服从该理论分布时，最大差值应当较小。令 ，( z ) = 尸 x x ) 为随即变量x 的理论分布函数，s ( x ) 2 吾为样本的累计频数( 其 中k 为观察值小于等于z 的样本数量，n 为样本总数) ，则k - s 单样本检验步骤 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 如f ： ( 1 ) 建立零假设和备选假设 样本来自总体的分布函数f ( x ) ； q ：样本来自总体的分布函数不为f ( x ) ( 2 ) 构造统计量 当零假设成立时，对于每一个x 值，i ，( x ) 一s ( z ) i 应当很小，或趋近于 。 因此科尔莫戈罗夫斯米尔诺夫单样本检验只要考虑最大的差值，如果最大差值 很小，则所有差值也将很小，因此构造下述统计量d2 峄l f ( x ) - s ( x ) | ( 3 ) 设定显著水平和确定否定域 在零假设凰成立时，d 的抽样分布式已知的。根据样本容量n 和给定显著 水平口，可以查找科尔莫戈罗夫一斯米尔诺夫检验单样本d 临界值表，确定在给 定显著水平口时，统计量d 的临界值。 ( 4 ) 计算统计量和做出统计决策 根据公式d = 1 1 l f ( x ) - s ( x ) f f g 黼d 的值，如果统计量d 值大于临 界值，拒绝零假设，即样本来自总体的分布函数不为，( x ) ；否则，接受零假设， 即样本来自总体的分布函数为，( 川。 科尔莫戈罗夫斯米尔诺夫检验提供给我们替代对名义变量型数据( 在现 有的前提或条件下确定的数据) 所使用的拟合优度z 检验的方法，使它可以适 合于顺序类型的数据。在小样本情况下，一般更愿意使用科尔莫戈罗夫斯米尔 诺夫检验方法替代z 检验来拟合优度，即使在小样本情形下，科尔莫戈罗夫斯 米尔诺夫检验也是精确的，而z 检验【3 5 】则是在统计样本容量足够大的情况下， 对统计量分布规律进行检验的比较好的验证方法。假设样本容量足够大，使得z 分布是检验统计量分布的一个比较好的近似。本文采用的是卡方检验。 3 6y 港某集装箱码头闸口系统作业现状 该集装箱码头自2 0 0 0 年成立以来吞吐量保持了较为稳定的增长速度，统计 第3 章y 港集装箱码头闸口排队系统 数据表示，2 0 0 8 年，该码头完成吞吐量3 8 万t 叫，该码头及堆场占地面积“ 公顷，拥有2 个集装箱深水拍位，港口岸线总长5 6 6 米，航道水深1 2 米。现码 头主要以外贸集装箱为主，并兼有少量内贸集装箱，其中外贸集装箱主要集中在 亚洲以及中东，内贸主要集中在环渤海一带。现有国际航线十几余条，国内航线 三条，班期相对比较准确。 目前，该集装箱码头港区码头工程设有1 个进闸口和1 个出闸口，业务繁忙 时，进闸口数增加为2 - 3 个，此外该码头为了提高闸口的作业效率设有缓冲区， 如图3 1 图3 1 缓冲区 f i g31c h a r t o f b u f i e f 37y 港某集装箱码头闸口样本数据分析及检验 371 集装箱卡车到达闸口入口分布模型 样本数据的z 2 检验，全部数据分析假设服从负指数分布( 负指数分布， 区间间隔4 6 ) 首先做出该集装箱码头集 到达时间间隔分布图，由图中时间同隔分布曲线 可以假设： 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 h o ：集装箱卡车到达服从负指数分布，即服从密度函数： 饨) = 2 e - m , t 。( 3 - 1 ) 由此我们可以求得当， 0 时，其分布函数为： p ( h f ) = e - 4 tt 0 ( 3 2 ) p ( h 0 ( 3 - 3 ) 同时，本式还存在未知数五，由于据已知的样本数据可以求出样本的均值、 方差期望平均值e ：土，方差d ：l ，通过统计样本值可得e ：0 1 4 ，d ：0 0 1 8 ， a 庀“ a = 7 4 通过z 2 检验法检验假设的正确性，检验过程如表3 2 所示。 表3 2 集卡到达拟合表 t a b 3 2t h ea r r i v i n go ft r a c kf i t t i n g 第3 章y 港集装箱码头闸口排队系统 续表3 2 集卡到达拟合表 t a b 3 2t h ea r r i v i n go ft r u c kf i t t i n g 2 2 集装箱码头闸口合理规模确定及系统仿真 续表3 2 集卡到达拟合表 t a b