孙 涛1 张 煜1 高延辉21 武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063 2 天津港（集团）有限公司 天津 300461
摘 要：针对现有集装箱码头自动化、智能化程度较低的现状，在双回字形自动化集装箱新型装卸工艺基础上，结合MAS（Multi-Agent System）建模理论，对双回字形自动化集装箱码头进行建模方法研究，并利用Flexsim 仿真软件建立了可视化的自动化集装箱码头三维仿真模型。以天津港某集装箱码头为例进行仿真分析，找出循环小车配比，为自动化集装箱码头的建设提供了参考。
关键词：自动化集装箱码头；双回字形；MAS；建模仿真
0 引言随着经济高速发展，我国全球贸易量不断增长，其中集装箱运输在世界范围内的货物运输中占有很大的比重，集装箱吞吐量跃升为全球第一，而我国现有集装箱码头仍大多沿用传统集装箱的装卸方式，人力成本较高且装卸效率不高，目前只有青岛港及上海港洋山四期有自动化集装箱码头投入商业运营，自动化集装箱码头的建设成为摆在港口发展进程中的一个重要课题。
港口物流系统是一个典型的动态离散事件系统，具有很强的随机性，虽然国内外专家学者都在自动化集装箱码头系统的研究上有一定程度的成果，但仍然存在亟待解决的问题。针对装卸工艺存在的问题，高延辉研究提出了基于双轨轮小车与双回字形平面布置的集装箱码头新工艺，本文根据双回字形平面布局的自动化集装箱码头装卸工艺，理论建模和仿真技术相结合进行研究，探索将多Agent 建模方法运用到港口物流系统，并建立三维仿真模型，从系统整体角度进行分析评价。
1 双回字形自动化集装箱码头装卸工艺双回字形的自动化集装箱码头平面布局的整体方案由前沿装卸部分、堆场堆存部分以及后方集疏运部分等组成，见图1。
双回字形自动化集装箱码头装卸工艺主要由岸边集装箱起重机、海侧回字形双轨轮小车系统、高架起重机、陆侧回字形双轨轮小车系统、低架起重机、闸口自动控制系统等组成，如图2 所示。
当有进口箱作业时，岸桥将进口集装箱卸船，并将集装箱放置在循环小车上，小车沿回字形轨道行走，运行到高架起重机下，高架起重机对循环小车进行卸车作业，并在堆场堆存；当有进口箱需要出港时，高架起重机对循环小车进行装载作业，小车沿回字形轨道行走，运行到低架起重机下，低架起重机对循环小车进行卸车，并将该集装箱放在外部集卡上，进行疏港作业。当有出口箱作业时，载有集装箱外部集卡进入闸口，低架起重机对集卡进行卸车，并将集装箱放置在循环小车上，小车沿回字形轨道行走，运行到高架起重机下，高架起重机对循环小车进行卸车作业，并在堆场堆存；当有出口箱需要装船时，高架起重机在堆场抓取出口箱，对循环小车进行装载作业，小车沿回字形轨道行走，运行到岸桥下，岸桥对循环小车进行卸车，并将该集装箱放在船舶上，进行装船作业。
图1 单泊位双回字形自动化集装箱码头工艺布局
图2 双回字形自动化集装箱码头装卸工艺流程
2 基于MAS 的集装箱码头系统建模2.1 MAS 概念建模2.1.1 Agent 种类根据离散事件系统理论和双回字形自动化集装箱码头的系统构成、特点、生产流程及其相互关系，可将整个码头系统抽象分解为以下5 大类17 种Agent，分别是船舶Agent，动态单元Agent，资源执行Agent（泊位Agent、岸桥Agent、循环小车Agent、起重机Agent、堆场Agent、集卡Agent、闸口Agent）， 资源决策Agent（泊位分配Agent、岸桥调度Agent、循环小车指派Agent、起重机调度Agent、堆场管理Agent、集卡调度Agent、闸口管理Agent），集装箱Agent。分别对每一种Agent 的属性和动作进行定义。本文以泊位Agent和泊位分配Agent 为例进行分析，如图3 和图4 所示。泊位Agent 属性信息包括泊位编号、泊位岸桥数、船舶的状态、靠泊船舶等。其动作和策略信息包括响应泊位分配Agent 的作业指令以及与其他Agent 进行通讯。当有船舶进港时，船舶Agent 将产生动态单元Agent，负责整个资源调度和控制监督，泊位分配Agent根据泊位状态进行分配，将分配的结果反馈给泊位
图3 泊位Agent 知识库
泊位分配Agent 属性信息包括泊位编号、泊位总数、各泊位的岸桥数、空闲泊位数量等。其动作以及策略信
图4 泊位分配Agent 知识库
息包括根据当前状况为到港的船舶分配、协调泊位，并协调泊位的靠泊顺序，兼具负责接收动态单元Agent对泊位分配Agent 的实时调度指派请求，以及与其他Agent 之间进行通讯。
2.1.2 Agent 交互在基于MAS 的集装箱码头系统中， 动态单元Agent 和集装箱Agent 是核心Agent，其他Agent 直接或间接围绕它们开展协同装卸服务。双回字形自动化集装箱码头与MAS 模型的交互以及结构关系拓展如图5所示。Agent。船舶Agent 根据接收的信息停靠，岸桥Agent 进行卸船作业，同时动态单元Agent 向循环小车指派Agent 发出信息，循环小车Agent 接收到信息，进行运输作业。动态单元Agent 向起重机调度Agent 发出信息，起重机Agent 根据反馈的结果进行装卸作业，起重机调度Agent 与集卡调度Agent 通信协同，确定集卡Agent 的作业线。闸口管理Agent 根据动态单元Agent的调度分配，对闸口Agent 进行控制，以此来进行卸船作业，当船舶卸载完成离港时作业结束。当有集卡集港时，其过程与此相反。
图5 各Agent 之间的交互
2.2 Flexsim 仿真建模采用面向对象的建模方法，根据双回字形自动化集装箱码头工艺流程以及主要Agent 的功能属性和通信、协同方式的逻辑关系，以Flexsim 软件为仿真平台，利用Visual C++ 语言编写程序，构建各子模型的Agent，然后通过各Agent 预留的接口功能和通信机制以及协同机制将各Agent 模块拼装连接起来，构成一个完整的基于MAS 的自动化集装箱仿真模型，如图6 和图7 所示。
图6 双回字形自动化集装箱码头仿真模型
图7 双回字形自动化集装箱码头运行图
3 仿真试验及结果分析3.1 仿真试验以天津港某集装箱码头的泊位分布、堆场分布、机械设施配置情况和港口集装箱码头年吞吐量等基础数据信息及实际作业情况为案例进行分析，结合本文建立的仿真模型，重点对循环小车数量进行分析，找出小车利用率在70% ～ 80% 之间时循环小车的配比。
3.1.2 仿真验证采用双回字形自动化集装箱布局的装卸新工艺，按照JTJ 211—1999《海港总平面设计规范》进行计算分析，折算后得出码头年吞吐量为131.3 万TEU，根据仿真模型仿真结果分析得到的码头年吞吐量为136 万TEU，仿真结果与计算结果接近，在误差允许的范围内，表明建立的仿真模型比较准确，能够较好地模拟集装箱码头物流系统的作业过程。
根据表2，当小车数量较少时，利用率基本达到100%，说明循环小车处于超负荷运转状态，码头装卸效率不高，堆场堆存货物停留时间较长，影响码头整体产能，是本仿真模型的生产瓶颈环节，因此需对其进行优化。逐渐增加循环小车数量，发现小车利用率在下降，当循环小车达到6 辆时，小车平均利用率76.62%，得到较优结果。因此，通过仿真试验优化，可使整个码头系统产能达到最优，装卸效率保持较高水平，可为以后自动化码头的建设提供参考。
4 结论在分析双回字形自动化集装箱码头新型装卸工艺的基础上，建立了基于MAS 的自动化集装箱码头仿真模型。结合实例，以循环小车的利用效率为指标，对系统进行仿真分析，可为未来建设更智能化和自动化的集装箱码头提供指导。
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