集装箱码头堆场进口箱区RTG

翻箱作业的Mento Carlo仿真分析

 上海港国际集装箱货运有限公司 丁嵩冰  上海沪东集装箱码头有限公司 吴纯锴

 一、引言
    集装箱码头堆场（Marshaling Yard），又称前方堆场，分为进口箱区、出口箱区、中转箱区、查验箱区和空箱箱区等。绝大部分集装箱在装船前和卸船后，都需要在集装箱码头堆场内堆存一段时间。
    针对集装箱码头进口箱区，由于客户提箱时间的未知性，在集装箱卸船时不能确定其出场顺序，而码头既要提高堆场利用率，又要保证一定的效率，往往造成大量翻箱。
    国内集装箱码头大多配置集装箱轮胎吊（RTG）从事码头堆场作业。RTG翻箱是集装箱码头业务操作的重要内容，但它不是增值服务，应尽量避免，以降低变动成本。然而，为了提高装卸效率、保证服务质量，一定程度的翻箱作业是不可避免的。
    据此，本文对进口箱区在不同的堆存原则和翻箱原则下RTG翻箱作业进行了Mento Carlo仿真，并根据仿真结果分析了不同堆存原则和翻箱原则对翻箱作业量和翻箱率的影响，并提出一些进口计划和场控的优化措施，以及进行下一步研究的几个方向。
二、进口箱区翻箱作业仿真内容
 1、Monte Carlo方法
蒙特卡罗（Monte Carlo）法亦称为随机仿真（random simulation）方法，有时也称作随机抽样（random sampling）技术或统计试验（statistical testing）方法。这一方法源于美国在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”，随着现代计算机技术的飞速发展，用计算机仿真随机过程，实现多次仿真试验并统计计算结果，进而可获得所求问题的近似结果。蒙特卡罗方法日益广泛地应用于物理、工程、经济、金融的各个方面。
蒙特卡罗方法以概率统计理论为其主要理论基础，以随机抽样（随机变量的抽样）为其主要手段。它可以解决各种类型的问题，但总的来说，视其是否涉及随机过程的性态和结果，这些问题可分为两类：第一类是确定性的数学问题，如计算多重积分、解线形代数方程组等；第二类是随机性问题，如原子核物理问题、运筹学中的库存问题、随机服务系统中的排队问题等。
    2、仿真内容
    集装箱码头堆场的进口箱区作业包括多方面内容，包括靠船前安排场地计划；卸船作业时调整计划、安排RTG进行落箱；卸船结束后根据客户提箱计划安排RTG进行发箱，安排进口查验，安排查验完毕的集装箱归桩，在一定时间后根据需要归并零散进口箱，以整理箱区，提高堆场和机械利用率。
    进口箱区作业中，最重要的具体操作是RTG的收发箱作业，以及非增值而又无法避免的翻箱作业。因此，针对RTG收发箱及翻箱作业的仿真及其分析十分重要。
    总翻箱量及平均每自然箱翻箱次数是考量场业计划以及收发箱、翻箱原则合理性的重要因素，是本文仿真分析的重点。
    收发箱和翻箱仿真涉及以下几个重要概念：
    1) 箱区划分
    集装箱进口箱区划分为多个块（Block），在每个块内划分多个倍位（Bay）、多个列（Slot）和多个层（Tiers）。
    通常情况下，进口向卸船后主要有两种堆存模式：进口箱全场混堆，进口箱按船名航次堆存。前者不分船名航次，将进口箱随机卸至码头的进口箱区各块，采用这种模式，在场地机械充分的情况下能提高卸船作业的效率，但提箱时翻箱率较高。后者为提高机械利用率，降低集卡等待时间，同一船名航次下进口的集装箱都按照自然箱箱型堆存于多个块中，采用这种模式，造成箱区利用率略低，但可降低提箱翻箱率。
    同时，由于不同船名航次或卸船日期进口的集装箱出场日期集中性较差，因此，为在同一个倍位中尽量集中堆放出场日期相近的集装箱，以降低RTG大车移动概率，在同一个倍位中，一般不堆放不同船名航次下的集装箱。
    多块和多倍位的收发箱和翻箱仿真可细化为单一倍位仿真，其仿真结果可推广到多倍位及多块仿真。
    2) 进口箱区利用率
    箱区利用率为进口箱总TEU占进口箱区总堆存能力的比例。因本文着重于对单倍位的仿真分析，故采用狭义的箱区利用率，即单一倍位内所收自然箱总数占该倍位堆存能力的比例。
    本文仿真所采用的是6列4层的一个倍，总堆存能力是24自然箱，考虑到翻箱操作需要（同一倍位内集装箱不翻往其它倍），实际最大堆存能力为21自然箱。
    本文对堆存能力为6*4自然箱的倍中，实际堆存12-21自然箱，即箱区利用率在50.0-87.5%之间，相应的翻箱率进行了仿真，其实际应用价值，在于结合进口箱量预测，合理安排箱区利用率，并对总翻箱量进行合理预期，以优化RTG资源配置。
    3)收箱堆存原则
    进口箱区在收箱时，都有一定的收箱堆存原则，常见的堆存原则有：
    l 列优先原则，即优先安排列堆放，优先堆满远离车道的列，然后堆满相对靠近车道的列，如图1；

图1：列优先堆存示意图

l                   层优先原则，即优先安排层堆放，从底向上，一层一层堆放，如图2：

图2：层优先堆存示意图

l                   随机堆放原则，随机堆放的随意性较强，RTG司机可根据作业路繁忙程度随时调整箱位，收箱作业速度较快，但计划性差，应用较少，如图3：

图3：随机堆存示意图

本文在不同箱区利用率下对以上三种不同收箱堆存原则对翻箱率的影响都进行了仿真，比较了它们对翻箱率的影响程度。
    4)        翻箱原则
    进口箱区在发箱时，往往不得不进行翻箱，常见的翻箱原则有：
    l   倍内翻箱原则，即同一倍位的集装箱不翻往其它倍位，以减少RTG大车移动距离，提高发箱和翻箱作业速度；
    l  就近翻箱原则，即在翻箱时，将集装箱翻往最近的可用列中较矮的列，以减少RTG小车移动距离，加快发箱速度，降低集卡等待时间，如图4：

图4：翻箱原则示意图

图4中，若集卡提15号箱，按照就近翻箱原则，16号箱将翻往9号箱上方。
    l   最矮原则，即在翻箱时，将集装箱翻往同一倍内最矮的一列，以尽量拉平倍内平均堆存高度。图4中，若集卡提15号箱，按照最矮原则，16号箱将翻往空列。
    翻箱作业的适用原则还有远离车道原则和随机原则，本文对就近翻箱原则和最矮列原则进行仿真，结合不同的收箱堆存原则对比分析了两种翻箱原则下翻箱率的差别。
三、 仿真结果及应用分析
    1、      仿真结果
    本文对提空一个倍内所有自然箱所需的RTG翻箱作业量作了仿真，具体步骤如下：
    1)        确定进箱数，得到相应的初始倍位利用率；
    2)        根据一定的收箱堆存原则收箱，得到倍位堆存图；
    3)        模拟客户提箱的随机性，产生随机提箱序列；
    4)        根据随机提箱序列发箱；
    5)        若随机序列中应发箱不在箱区顶层，则根据一定的翻箱原则进行翻箱；
    6)        以进口堆场RTG收发一个重箱作为一个增值操作，以翻一个重箱作为一个非增值操作；
    7)        提空整个倍位，完成一次仿真。
    本文在50.0%-87.5%的倍位利用率之间，针对不同的收箱堆存原则和翻箱原则，对进箱和提空一个倍分别作了10000次仿真，得到平均提空一个倍的所需的总翻箱次数和每自然箱翻箱次数，结果见表1：
    l    倍内总翻箱量