基于EM-PLANT軟件的鐵路集裝箱中心站裝卸線仿真研究

代華鳳 程文明 楊武成

西南交通大學，機械工程學院, 成都 610031

0 引 言

為提升鐵路運輸在綜合交通中的競爭力，促進鐵路集裝箱運輸向現代化、專業化和大型化發展，我國正大力促進鐵路集裝箱中心站的建設。鐵路集裝箱中心站系統作為一個典型的離散事件動態系統，在運營過程中由于許多隨機因素的影響而表現出隨機、離散的特點。文獻[1]～[3]應用仿真技術結合算法以及排隊網絡模型，得到港口集裝箱碼頭有關泊位分配和碼頭起重機調度問題的近似最優解，這些方法理念在對鐵路集裝箱中心站進行研究時值得借鑒。文獻[4]～[6]運用計算機模擬仿真技術對鐵路集裝箱貨場布局及物流現狀進行討論求解。文獻[7]利用GPSS-F語言對鐵路中心站的裝卸線進行仿真研究，實現離散系統的動態模擬。文獻[8]通過仿真建模對外部因素如何影響鐵路集裝箱中心站系統性能進行了研究。而對鐵路集裝箱中心站的核心—— 集裝箱裝卸線的研究卻并不多。本文以某鐵路集裝箱中心站為原型，運用eM-plant軟件對其現有的裝卸線布局進行仿真建模，通過模型的運行、數據的分析，從中找出其運營規律，為鐵路集裝箱中心站整體性能的提高提供理論依據。

1 系統分析

1.1 概述

鐵路集裝箱中心站的裝卸線作業依靠門式起重機對集裝箱班列、各箱區和集裝箱卡車中的集裝箱進行裝卸、搬運以及堆碼。某鐵路集裝箱中心站采用8臺 30m跨距的門式起重機實現全部的集裝箱裝卸活動?？鐑葏^域劃分為4個：①集卡作業區；②到達箱區；③發送箱區；④空箱區（見圖 1）。結合現場實際，得出4個箱區在門式起重機下從左至右的6種布局方案：Ⅰ為①②③④，Ⅱ為①②④③，Ⅲ為①③②④，Ⅳ為①③④②，Ⅴ為①④②③和Ⅵ為①④③②。

圖1 門式起重機下平面布局Fig.1 The layout under the gantry crane

1.2 模塊化仿真

鐵路集裝箱中心站系統是由列車組、集裝箱卡車、箱場和裝卸機械等子系統共同組成的，對鐵路集裝箱中心站的研究，即研究各個子系統的相互關系、相互作用。分析各子系統的運行規律，結合eM-plant仿真軟件，對各子系統建模。

（1）列車組生成子模塊

由統計資料知，列車每天送進站場的集裝箱數量可近似認為服從以μ、δ為參數的正態分布，發送列車有相似規律。其概率密度函數為：

式中，μ——每天列車平均送箱數量；

δ——均方差，與貨物運輸量的不平衡系數相關。

在eM-plant軟件中，列車由Source對象產生，Transporter對象模擬（見圖2），其分流由Singleproc中的退出策略實現（見圖 3）。列車所裝載的集裝箱也由一個Source對象產生，由entity對象進行模擬。

（2）外卡生成子模塊

汽車進出鐵路中心站拉送集裝箱是一類隨機不定事件，即車流大小隨著時間的不同而大不相同。許多鐵路集裝箱中心站的統計資料表明，汽車進入中心站的過程是一個泊松過程，因此接連進入集裝箱中心站的兩輛汽車之間的間隔時間t服從負指數分布，它的概率密度函數為：

式中：λ——汽車平均進站速率；

T——汽車平均進站間隔時間。

每天進出中心站的汽車總數也可近似認為服從正態分布。

在仿真模型中，外卡由Source對象按照給定初始參數在仿真周期內連續產生，Transporter對象模擬。汽車拉、送箱的分配由Singleproc中的退出策略實現。若為拉箱外卡，直接運送到主裝卸區拉箱；若為送箱外卡，則裝滿貨物后再運行到主裝卸區進行卸箱。

（3）裝卸子模塊

在主裝卸區，一切裝卸作業包括列車與外卡，都是由門式起重機進行的。門式起重機的一個工作循環是指起重機將一個集裝箱從一個位置ix搬運到另一個位置xj的過程當中各機構所需完成的全部動作。一般由空載水平到位t1、空載下降t2、對位緊鎖t3、重載起升t4、重載水平到位t5、重載下降t6、對位松鎖t7和空載起升t8共8個作業環節組成。即工作循環時間T為

查閱資料知，對位緊鎖時間t3= 1 5s，松鎖時間t7= 1 0s，空載上下起落時間t2=t8= 9 s，重載上下起落時間t4=t6= 3 0s。已知集裝箱布局位置（見表1），則起重機的水平位移時間為

表1 各布局方案中各箱位坐標x(m)Tab.1 Coordinate of boxes in different layouts

在本文所建立的仿真模型中，門式起重機是由Transfer Station對象進行模擬的。當到達列車進入主箱場，門式起重機將列車上的貨物卸到相應的箱區；當有外卡進入主裝卸區拉箱時，門式起重機將集裝箱裝載到外卡上進行發送。

（4）堆場子模塊

主裝卸區的每一個箱區，箱區內的每一排箱位均由Buffer對象表示，Buffer的容量即每個箱區的容量，并且服從先進先服務的原則（見圖 4）。需要指出的是，模型中各排箱區的物理位置不能代表其在實際布局中的物理位置，在 eM-plant中，要實現不同布局需要通過Method對象中程序語言的修改來實現物理位置的變化。

圖4 堆場子模塊Fig.4 Module of storage yard

（5）數據統計子模塊

數據的統計是通過 Tablefile對象以表格的形式進行的。通過模型的運行，可以對門式起重機的行程、工作時間、工作效率以及到站列車數、發送列車數、到達集裝箱數、發送集裝箱數、到達箱區集裝箱數、空箱區集裝箱數、發送箱區集裝箱數等進行統計。

整個模型中，集裝箱列車和集裝箱卡車的行駛軌道均由Track對象模擬。

2 仿真模型的建立

2.1 仿真流程圖

要從這6種方案中選出效率最佳、性能最優的方案，需要對鐵路集裝箱中心站整個作業過程進行調查了解，在此基礎之上，連接 eM-plant軟件中各子模塊建立整體模型。圖5為建立仿真模型的動態模擬流程圖。利用SimTalk仿真語言進行編程，控制模型按照預定策略運行，得出仿真結果。

圖5 仿真流程Fig.5 Flow chart of the simulation

2.2 仿真模型

根據鐵路集裝箱中心站裝卸線的作業流程及作業特點，建立仿真模型。

3 仿真結果分析

本文在建立模型時，不考慮裝卸機械的故障問題，同時也忽略天氣對鐵路中心站站場的影響。到達列車與發送列車產生的時間間隔均為12h，外卡產生的間隔時間 24min，到達與發送列車的裝載量為110TEU，列車與外卡的行駛速度均設置為1m/s。在四種情況下進行仿真，運行時間均為30天，仿真結果見表2。結果表明，六種方案都具有隨著到達重箱∶空箱這一比例的減小，門式起重機的日均工作行程逐漸減少、日均工作時間逐步降低以及工作效率逐漸增加這一特點。這一特點在到達箱區遠離車組位置布置時表現得尤為突出。

比較仿真結果，發現門式起重機下的最佳布局方案因分流比例的不同而不同。通過數據的比較分析，發現存在以下規律：到達重箱與空箱誰占的比例越高，在最優布局中的位置就越靠近車組位置。當它們所占比重較小時，在門式起重機下的位置就應遠離車組所在位置。

表2 各種情況下門式起重機跨內各布局方案的仿真結果Tab.2 Simulation results of different layouts within the gantry crane under different situations

4 結束語

本文在實際調研的基礎上，運用 eM-plant軟件對某鐵路集裝箱中心站裝卸線進行建模分析，在建模過程中進行了很多的簡化，最終所得結論與定性分析相符合，即進行了模型的驗證。通過修改模型有關參數，可以對其他的鐵路集裝箱中心站裝卸線下的布局設計方案進行驗證，為進一步提高鐵路集裝箱中心站運行效率提供決策參考。

今后，還需對模型進一步的完善，使之更貼近真實情況，為該鐵路集裝箱中心站乃至所有的鐵路集裝箱中心站裝卸線布局的最優決策提供更科學的依據。

[1] Lee Der-horng，Wang Hui-qiu. Integrated discrete berth allocation and quay crane scheduling in port container terminal[J].Engineering Optimization，2011：597-613.

[2] EbruK. Bish. A multiple-crane-constrained scheduling problem in a cintainer terminal[J]. European Journal of Operational Research，2003：83-107.

[3] Pietro Canoonaco，Pasquale Legato，Rina M. Mazza and Roberto Musamnno. A queuing network model for the management of berth crane operations[J].Computers & Operations Research，2008：2432-3446.

[4] 梁劍，程文明，張敏. 鐵路集裝箱中心站列車裝卸作業的仿真研究[J]. 系統仿真學報，2009：6290-6297.

[5] 李宗澤，程文明，吳曉，張則強. 鐵路集裝箱中心站裝卸機械性能與布局研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2005：101-1056.

[6] 王艷青，程文明，張則強. 基于eM-plant的鐵路集裝箱貨場裝卸系統仿真研究[J]. 起重運輸機械，2008：7-12.

[7] 程文明. 鐵路集裝箱場貨區布局的計算機模擬[J].西南交通大學學報，1994：506-511.

[8] PengGuo，WenmingCheng，Min Zhang. Simulation on the operation influence by external factors for railway container logistic center[J]. Logistic for Sustained Economic Development，2011：2915-2922.