2022年铁路集装箱物流中心系统建模与仿真分析汇编 .pdf

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1、2011， 47 （17）1引言铁路集装箱物流中心是一个复杂的离散事件动态系统，实际运营受到集装箱列车到达时间的随机性、外卡拉送箱时间的不确定性以及到站集装箱箱型的动态性等多种随机因素的影响，由此造成了该系统规划与设计的复杂性。利用常规数学模型法研究虽然能够提供快速和一般的途径来表现问题， 但由于在建模过程中有太多的假设而使得模型与实际差距较大。于是， 采用计算机仿真方法解决此类问题无疑是最佳的选择。目前，国内外不少学者都致力于采用仿真的方法研究集装箱站场的运作与规划，特别是集装箱码头。Benna1等针对内陆型集装箱终端提出了一个通用的仿真建模结构，适用于大多数的站场的仿真优化。Huang2等

2、尝试运用常规解析方法、 改良的解析方法和SIMPLE+ 仿真的方法来研究同一条件下集装箱港口设备的分配，发现依据船舶和泊位的大小和长度分类与不分类， 是两类极端模式， 最优分配方案处于二者之间。随着物流仿真软件的发展，利用 eM-Plant、 Witness、 Extend和 Arena 等专业软件来解决集装箱码头泊位分配、场内集卡配置、 堆场规划与起重设备指派等问题变得更加容易3-6， 同时也能发掘集装箱码头远期运作改进的潜力。Ha7等人以完全再现集装箱码头各设备的指定功能为目的，构建了集装箱码头的 3D可视化仿真模型， 研究内部各类设施对泊位生产率的影响。由于目前真正运营的铁路集装箱物流中

3、心不多，对此类问题的研究大都集中在大门系统规划、设备选型、装卸线布局和装卸策略等局部问题上8-11， 缺乏着眼于整体系统的研究。针对以往研究铁路集装箱物流中心系统优化问题只考虑局部环节的缺点， 本文综合考虑物流中心内各个运作环节对整个系统的影响， 利用 eM-Plant 仿真软件构建铁路集装箱物流中心的整体仿真模型。采用仿真实验的方法研究集装箱列车所载集装箱、 外部集装箱卡车到达间隔时间等外部因素的动态变化对集装箱物流中心现有设备使用情况的影响，为将来在集装箱吞吐量变化情况下，管理者调整设备配置提供决策依据。铁路集装箱物流中心系统建模与仿真分析郭鹏， 程文明，张则强GUO Peng， CHEN

4、G Wenming， ZHANGZeqiang西南交通大学机械工程研究所， 成都 610031Research Institute of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University ， Chengdu 610031， ChinaGUOPeng， CHENGWenming ， ZHANGZeqiang.Systemmodelingand simulationanalysisof railwaycontainerlogisticcenter.ComputerEngineeringand Applications ， 2011， 47

5、（17） ： 235-238.Abstract ：It is difficultto builda mathematical model for a railwaycontainer logistic center because of its complexityandrandomicity.Asystem simulationmethodhas been adopted.Accordingto the technologicalprocess ofthe container logisticcenter， the railwaycontainerlogisticcenter whole m

6、odelbased on eM-Plant is constructed.By means of simulationexperi-ment， the performances of railwaycontainerlogisticcenter are analyzed by varyingthe settings such as the proportionofthe arriving trains carrying containers， the arriving time interval of external truck and the number of transporter.T

7、he results in-dicate the efficiencyof loading-unloadingequipment is highest when the proportionof the arriving trains carrying containersis 6 1 3； the extrnaltruck do not waitfor loading-unloadingoperation when the arrivingtime intervalexceeds 8 min； thetransporting time of auxiliarytransporting con

8、tainers is least when the number of transporters is between 5 and 7.Key words ： railway container logisticcenter； discrete system simulation； container whole operational model； operation resourc-es efficiency ； eM-Plant摘要： 铁路集装箱物流中心作业系统是复杂的随机系统，难以用数学模型准确描述。采用系统仿真的方法，依据集装箱物流中心的作业流程， 构建基于 eM-Plant 的铁路

9、集装箱物流中心整体作业模型。通过仿真实验，研究到站集装箱列车所载箱箱型比例、外卡到站时间间隔和内卡数量等模型参数对集装箱物流中心作业性能的影响。仿真结果表明集装箱列车所载箱箱型比例为6 1 3时装卸设备利用率最高， 外卡在到站时间间隔超过8 min 时无需等待，内卡数为 57 时辅助中转箱转运作业时间最少。关键词：铁路集装箱物流中心； 离散系统仿真； 集装箱整体作业模型； 作业资源利用率； eM-PlantDOI ： 10.3778/j.issn.1002-8331.2011.17.066文章编号：1002-8331 （2011 ） 17-0235-04文献标识码：A中图分类号：U294.3基

10、金项目： 四川省科技攻关计划（No.2006Z08-037 ）； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（No.2010ZT03 ）。作者简介： 郭鹏（1988） ， 男， 博士研究生， 研究方向为生产物流，系统仿真； 程文明 （1963）， 男，教授，博士生导师； 张则强（1978）， 男，博士，副教授。 E-mail ： 收稿日期： 2009-11-23 ； 修回日期： 2010-01-23Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用235名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

11、 - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用2011， 47 （17 ）2铁路集装箱物流中心作业系统铁路集装箱物流中心是专门办理集装箱列车及其枢纽内集装箱运转列车到发和整列集装箱列车装卸的路网性集装箱货运场所。图1为集装箱中心站内部布局示意图，图 1中同时包含了集装箱的作业流转过程。根据各区域的功能将中心站划分为 3 个主要作业区域： 主装卸作业区、 辅助堆场和外部集卡进出物流中心的大门通道，其他的均为配套设施（在本文建模中不予考虑 ）

12、 。（1） 主装卸作业区： 指铁路线装卸作业范围以内的区域。列车到达或离开以后，通过装卸设备将主箱区（列车）的集装箱装（卸） 到列车（主箱区） ， 同时还可存储部分中转集装箱。（2）辅助堆场： 指铁路主装卸作业区范围以外的堆箱区域。主要存储从集装箱列车上经场内集装箱卡车（内卡） 转运或外部集装箱卡车（外卡）运送来的集装箱， 根据作业性质分为国际箱区、专用箱区、冷藏箱区和空箱场等， 每个箱区有 64个箱位，每个箱位可容纳3 个标准集装箱。（3） 检查外卡的大门： 指集装箱物流中心的进出口大门，在大门处检查集装箱的有关单据，同时对集装箱的外表状况进行检查。铁路集装箱物流中心搬运集装箱的主要设备有轨

13、道式门式起重机 （轨道吊）、 正面吊运起重机 （正面吊）、 内卡和外卡等。集装箱列车到达装卸线后由轨道吊对列车上的集装箱进行卸箱作业。轨道吊跨下主箱区分为到达箱区、辅助中转箱区、 发送箱区 3个区域。卸载时， 轨道吊将集装箱从列车上提起， 放置到主箱区的对应箱区堆存，如果此时有等候拉箱的外卡， 则直接将集装箱装载到卡车上，完成后由卡车拉走；集装箱可临时存储在主装卸作业区，等待卡车来拉箱。若主箱场堆垛中有需要拉送到辅助堆场存储的集装箱，则由轨道吊装载至内卡上，然后搬运至辅助堆场。到达辅助堆场后，由该区域的正面吊卸载至对应的箱区。集装箱列车的装箱过程与该过程相反。3铁路集装箱物流中心仿真建模当前的

14、离散事件仿真建模软件有Flexsim、 Witness、 Arena和 eM-Plant 等 ， 本 文 采 用 eM-Plant 作 为 仿 真 建 模 工 具 。eM-Plant 拥有大量的内置对象模块， 考虑了可能遇到的各种工程实际需要， 可以很方便地使用它们来建模或开发新的对象。利用 eM-Plant 仿真软件对铁路集装箱中心站进行建模研究， 可以避免资金、 人力和时间的浪费。3.1仿真建模流程铁路集装箱物流中心一般采用轨道吊-集卡 -辅助堆场的装卸工艺。通过对集装箱物流中心作业过程的分析，建立了集装箱物流中心作业的仿真流程，如图 2所示。3.2建模描述铁路集装箱物流中心是一个复杂的动

15、态系统，除了上述的作业过程在建模时必须考虑外，对于主装卸作业区和辅助堆场内设施的具体布置细节也需予以说明：主装卸作业区内布置有数条装卸作业线，主要设施为铁道线、轨道吊和主箱区， 构建模型时仅考虑一条装卸作业线的情况，同时假定集装箱列车在装卸作业线卸箱完成后就立即进行发送集装箱的装载作业；集卡在站内的实际运动路径提前定义；辅助堆场的集装箱通常是水平放置的，这样可以避免内卡和正面吊往还时产生的拥堵； 辅助堆场上正面吊负责其对应作业线上相邻两排的集装箱堆垛的装卸作业，作业线上的集卡均为单向行驶。在 eM-Plant 中， 基本的的建模对象分为以下4类： 物流对象、 信息流对象、 用户接口对象和移动对

16、象。物流对象是被用于建模一种能够产生、 回收和处理移动对象的对象，通常是被固定在一些地方。在集装箱物流中心建模过程中，以下物流对象会被用到。（1） Source和 Drain 对象： 产生和回收诸如集装箱、集装箱列车和内外集卡一类的移动对象。（2） Track 对象：用于构建站内各类运输设备（如集装箱列车、 卡车、轨道吊和正面吊 ） 的行驶路径。（3） Store对象： 用于构建在主箱区和辅助堆场用于堆放集装箱的对象，能够垂直地堆放数个集装箱。空箱、备用箱主装卸作业区集卡停放点专用箱区冷藏箱区辅助堆场国际箱区国际箱区维修区办公区大门集装箱班列上集装箱流动方向外部集卡转运集装箱流动方向内部集卡搬

17、运集装箱运动方向图 1铁路集装箱物流中心平面布局示意图模型参数初始化集装箱列车生成及其属性初始化指派装卸线所选装卸线是否空闲是进入装卸区域列车属性判定按调度策略装 （卸） 箱内卡往返搬运集装箱列车是否装 （卸 ） 满列车离开是否外部集卡生成及其属性初始化外卡属性判定是否到主箱场到主箱场卸 （装） 箱是否到辅助箱场卸 （装） 箱外卡离开仿真时间是否结束统计输出数据送箱（拉箱）出站（进站）否排队否是图 2铁路集装箱物流中心仿真流程图236名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2

18、 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2011， 47 （17）（4 ） Method 对象： 集装箱物流中心的运作调度控制。（5 ） Frame对象：层次结构中子模型的构建，例如一个堆垛箱区就可作为辅助堆场的子模型。MUs 是 eM-Plant 物流对象中使用最多的可移动对象。它们的位置和属性能够在一些特定情况下实时变化。本模型中主要的移动对象有轨道吊、正面吊、内卡、外卡和集装箱。利用 eM-Plant 构建的仿真模型， 如图 3所示。在主装卸作业线上方和下方各自有一条外卡行驶通道，重载的外卡视所载箱型的不同进入不同的通道。靠近铁道线有一条内卡通道， 主箱区与辅助堆场的集装箱

19、交换都依靠此通道上行驶的内卡来运输完成。外卡和内卡的装卸作业由主装卸作业区指定的轨道吊完成，该轨道吊忙碌时， 卡车排队等候。当有集装箱列车到站时，依据调度策略指派一定数量的内卡到达轨道吊下等候装箱。内卡在预定的道路上穿插行驶，到达各道路的控制点后，由对应通道上的正面吊完成装卸任务。实时监控辅助中转箱区的集装箱数量，当其低于指定的值后，就派出内卡到辅助堆场拉箱。所建立的模型不考虑设备和集装箱故障， 认为各类设施在工作时间段均可投入使用。3.3模型验证为了验证模型的有效性，使用已有的数据对建立的物流中心仿真模型进行验证。将表1中的数据输入模型， 然后运行仿真模型，结果显示集装箱列车的在站平均停留时

20、间是6.1 h，这与铁路集装箱物流中心实际运营过程中收集到数据6.6 h 是基本相一致的， 由此认为模型是有效的。4实验与数据分析依据昆明铁路集装箱物流中心运营情况整理出当前设备配置条件下外卡、 集装箱列车到站数据， 再对这些历史数据进行统计分析，得到集装箱列车到站平均时间间隔、外卡到站时间间隔和到站集装箱列车各车型的平均运送量及箱型比例。评估铁路集装箱物流中心性能的主要性能指标有主装卸作业线轨道吊平均利用率、集装箱列车平均在站停留时间和外卡平均在站停留时间。每种情况下的仿真实验重复20次， 每次运行时间为 30 d。考虑站场的布局、 堆场工况和现有设备的运行情况，需要输入模型的主要参数如表1

21、 所示， 表 1中所列参数应在模型初始阶段予以设定， 其中外卡的空车和重载车所占进站卡车的比例均为 50%。用来研究影响系统性能的参数在Experiment-Manager的 Input Values中输入。4.1集装箱列车所载箱箱型比例变化对集装箱物流中心性能的影响在物流中心内卡数为4的条件下，分别对主箱区集装箱A、辅助中转集装箱B、 外卡运送集装箱C 的比例 7 1 2、 6 1 3、5 2 3、 4 3 3 等情况进行仿真。集装箱A、 B、 C 比例为 7 1 2时主箱区装卸设备利用率的情况如图4 所示， 上述所有比例情况下的仿真结果， 如表 2所示。可以看出：（1） 箱型比例的改变对主

22、箱区处轨道吊的利用率和列车、外卡的在站停留时间都有不同程度的影响，其中对轨道吊利用率的平衡性影响较大。随着辅助中转箱的比例增大，轨道吊的利用率越来越趋近于平衡，其平均值也有增长， 同时集装箱列车的在站停留时间也逐渐缩短。（2） 中转箱和外卡运送箱比例的增大使得外卡的在站排队等待时间变长，导致其在站停留时间不断增加。（3） 在到站集装箱箱型比例变化的情况下，可以看出列车在站的停留时间和外卡在站的停留时间长短是一对此消彼长的关系。上述仿真结果显示，目前物流中心的设备配置对于到站的列车所载集装箱箱型比例为6 1 3的情况时整个站场的服务效率最高。4.2内卡数量变化对集装箱物流中心性能的影响为了研究内

23、卡数量的变化对集装箱物流中心运作情况的影响，依据上述的结论将集装箱列车所载集装箱到站箱型比例设为 6 1 3， 利用 ExperimentManager 输入值中内卡数量的变化研究集装箱物流中心的运作性能。运行仿真模型后，得到如表 3 所示的结果。办公区域停车场图 3铁路集装箱物流中心仿真模型图参数集装箱列车到站平均时间间隔外卡到站平均时间间隔卡车站内的速度主装卸作业线轨道吊数量辅助堆场正面吊数量参数值4h30 min14 min36 s6.5 m/s4 台2 台参数轨道吊装卸速度正面吊装卸速度编组 45辆的列车所占比例编组 50辆的列车所占比例铁路装卸线有效长度参数值30 箱 /h20 箱

24、/h60%40%860 m表 1集装箱物流中心仿真模型输入参数表WorkingWaitingBlockedFailedPausedUnplannedWorkingWaitingBlockedFailedPausedUnplanned69.31%30.69%000049.49%50.51%000040.85%59.15%000039.18%60.82%0000Crane4Crane3Crane2Crane1装卸机械1009080706050403020100利用率/（%）主装卸作业线装卸机械平均利用率图 4集装箱比例为7 1 2情况下的主箱区装卸机械利用率仿真结果图到站集装箱箱型比例7 1 26

25、 1 35 2 34 3 3Crane169.3168.7470.4367.49Crane340.8543.4848.6050.91Crane249.4951.7457.6860.24Crane439.1845.1347.1854.1849.6652.2755.9758.21列车在站停留时间平均值 /h6.686.085.715.49外卡在站停留时间平均值 /min16.814.518.424.7主箱区轨道吊利用率/ （%）平均值表 24 种不同集装箱箱型比例仿真结果对照表郭鹏， 程文明，张则强：铁路集装箱物流中心系统建模与仿真分析237名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

26、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用2011， 47 （17 ）由表 3的结果可以看出集装箱物流中心对内卡数量的变化敏感性不是很强，这是由于辅助中转箱在整个作业箱中比重小的原因。主箱区轨道吊利用率的平均值变化不大，但是从平衡各轨道吊作业效率上讲，内卡数量位于在57 辆这个区间内是最好的。由于内卡和外卡在建模时，使用了不同的运动路径，集装箱列车和外卡的在站停留时间（包含排队等待时间和

27、装卸作业时间 ） 并没有因为内卡数量的增多而变长。4.3外卡到站时间间隔变化对集装箱物流中心性能的影响为了研究外卡到站时间间隔对物流中心作业情况的影响， 在内卡数为5， 集装箱列车所载箱箱型比例为6 1 3 条件下， 运行仿真模型， 得到表 4 的仿真结果。结果显示在现有设备配置下集装箱物流中心的适宜作业范围是外卡到站的时间间隔大于或等于8 min。如果间隔时间继续缩短，将会有更多的外卡会排队等待装卸设备作业。这为将来站场外来服务对象增多时，需要何时增加设备提供了参考方向。通过上述研究发现：当前集装箱物流中心的资源配置对于到站集装箱列车所载箱箱型比例为6 1 3 时装卸设备的利用率最高，各个设

28、备的利用情况也相对最为均衡，列车和外卡在站停留时间相对最短，达到了站台的整体服务效率相对最高； 外卡到站时间间隔大于或等于8 min 时， 物流中心能够及时给与装卸作业， 小于这个值以后， 外卡就必须排队等待，而且随着到站时间间隔的不断缩短，外卡在站内的等待时间会大大增加；内卡数在 57辆的时候，辅助中转箱在主箱区和辅助堆场之间转运最为流畅。5结论基于 eM-Plant 仿真软件构建了铁路集装箱物流中心整个内部运作系统的仿真模型，在建模过程中， 依据物流中心的调度运作策略， 考虑了站内装卸设备与卡车的运行细节。改变到站集装箱列车所载箱箱型比例、内卡数量和外卡到站的时间间隔的参数， 研究了它们对

29、集装箱物流中心主装卸作业线设备利用率和外来对象（列车和外卡） 的在站停留时间的影响。研究结果为铁路集装箱物流中心应对外部因素的变化提供了有力的数据支持，同时也为充分利用站内设备提供了技术参考。由于铁路集装箱物流中心的实际运营过程受到多方面因素的影响，系统复杂， 虽然本文已经对站场进行了整体建模，但建模过程作了一定的模型简化，在以后的研究中期望能够消除更多的假设， 以求更好地反映站场的实际运作情况。其次就是在以后的研究中能够更加彻底地阐述物流中心运作效率与站内设备配置的利用情况的对应关系，在改变各种参数的情况下得出更加有力的结果去决定物流中心设备的最佳配置， 达到降低成本、 节省空间的目的。参考

30、文献：1BennaT，GronaltM.Genericsimulationforrail-roadcontainerterminalsC/2008WinterSimulationConference，WSC2008，Miami ， FL， UnitedStates， 2008： 2656-2660.2HuangW，KuoT ， WuS.Acomparisonofanalyticalmethodsand simulationforcontainerterminalplanningJ.JournaloftheChinese Instituteof IndustrialEngineers， 2007

31、， 24 （3） ： 200-209.3蔡芸，张艳伟 .集装箱码头泊位分配的仿真优化方法J. 中国工程机械学报， 2006， 4 （2） ： 228-232.4HuoJ， ZhangL ， CuiP.Simulationstudies of truckconfigurationinacontainerterminalC/6thWorldCongressonIntelligentControlandAutomation ，WCICA2006，Dalian ，China，2006：6217-6221.5SgouridisS P， MakrisD， AngelidesD C.Simulationan

32、alysisformidtermyard planningincontainer terminalJ.Journalof Water-way ， Port， Coastal and Ocean Engineering ， 2003， 129 （4） ： 178-187.6TaharR M ， HussainK.Simulationand analysisforthe KelangcontainerterminaloperationsJ.LogisticsInformationManage-ment， 2000， 13 （1/2）： 14-20.7Ha B， Park E， Lee C.A si

33、mulation model with a low level of detailforcontainerterminalsand its applicationsC/2007WinterSim-ulationConference，WSC ， WashingtonDC，UnitedStates，2007：2003-2011.8 梁剑，程文明，张亚军 .铁路集装箱中心站大门系统优化设计J. 中国铁路，2008 （12） ： 6-8.9白瑞海， 杨筠 .铁路集装箱结点站装卸设备选型研究J. 铁道工程学报，2002 （3）： 77-82.10王艳青， 程文明，张则强 .基于eM-Plant的铁路集装

34、箱货场装卸系统仿真研究J. 起重运输机械， 2008 （12） ： 7-12.11李东，汪定伟 .基于仿真的铁路集装箱装卸策略优化J. 系统仿真学报，2009 （11） ： 3188-3191.内卡数量345678910Crane167.2668.7469.5568.3269.0668.9367.7166.43Crane249.0851.7450.2952.4651.2752.0650.6753.16Crane341.6543.4845.5746.0447.1146.8242.8841.84Crane439.9845.1345.3446.8346.5145.3342.7940.79列车在站停留

35、时间平均值 /h6.316.086.126.046.206.156.266.43外卡在站停留时间平均值 /min16.814.515.114.716.917.618.119.849.4952.2752.6953.4153.4953.2951.0150.56主箱区轨道吊利用率/ （%）平均值表 3不同集卡数对集装箱物流中心影响情况仿真结果对照表平均值外卡到站时间间隔151210864Crane169.2169.8568.7369.4167.8668.42Crane251.0151.7952.7249.6351.7251.70Crane344.9346.2250.9552.3852.9150.94Crane443.1745.0448.3150.7650.3549.93列车在站停留时间平均值 /h6.036.146.476.286.166.37外卡在站停留时间平均值 /min16.215.315.616.222.931.552.0853.2155.1855.5555.7155.25主箱区轨道吊利用率/ （%）表 4外卡到站时间间隔对集装箱物流中心影响情况仿真结果对照表238名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -