摘 要

随着经济全球化节奏的不断加快，区域间的经济交流日益频繁，竞争也越来越激烈。而港口作为世界经济交流的重要载体之一，时刻面临着极大的压力与挑战。除了地理位置和腹地经济条件的重要影响外，生产效率是体现集装箱码头竞争力的另一重要因素。在为顾客提供高质量的装卸物流服务过程中，集装箱码头装卸系统效率的提高和改进显得尤为重要。

本文首先分析了广州南沙一期集装箱码头装卸流程的特点，利用Flexsim仿真软件构建了一个实时装卸的系统仿真模型，并多次运行该仿真模型，模拟码头的实时运作过程。

其次，通过对实验数据的整理，计算了各关键设施设备的利用率、平均等待时间、平均队长、集装箱的周转时间等港口性能指标，并分析了广州南沙一期集装箱装卸系统运作过程的合理性。

最后，根据广州南沙一期集装箱码头集装箱和集卡数量进行了方案设置，通过对性能指标的对比分析，提出了合理的资源配置方案。

关键词：Flexsim；集装箱码头；仿真；广州南沙一期

Abstract

With the acceleration of the pace of economic globalization, economic exchanges among regions have become increasingly frequent, and competition has become increasingly fierce. As one of the important carriers of the world economic exchanges, port faces tremendous pressure and challenges. In addition to the important impact of geographical location and economic conditions in the hinterland, production efficiency is another important factor to reflect the competitiveness of container terminals. In the process of providing high quality loading and unloading logistics service to customers, it is very important to improve and improve the efficiency of container terminal handling system.

This paper first analyzes the characteristics of Guangzhou Nansha a container terminal handling process, and build a system simulation model of a real-time handling using the Flexsim simulation software, and repeatedly running the simulation model, the real-time operation process simulation terminal.

Secondly, based on the experimental data, using the key equipment and the ratio of the average waiting time、average queue length、the turnaround time of container ports such as performance indicators、and analyzed the reason of the bottle neck and the cause of the problem may exist in the Guangzhou Nansha period during the operation of container handling system.

Finally, according to the Guangzhou Nansha a container and truck container terminal number for the program settings, through comparing the performance index analysis, put forward reasonable resource allocation scheme.

Key Words：Flexsim；Container terminal；simulation；Guangzhou Nansha phase 1

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的目的和意义 1

1.2 国内外现状分析 1

1.3 研究的主要内容与方法 3

1.3.1 研究的主要内容 3

1.3.2 研究的方法 3

第2章 广州南沙一期集装箱码头的业务分析 4

2.1 广州南沙一期集装箱码头概况 4

2.2 广州南沙一期集装箱码头业务现状 5

2.3 广州南沙一期集装箱码头设备资源配置现状 5

第3章 基于Flexsim的广州南沙一期集装箱码头装卸仿真研究 7

3.1Flexsim软件介绍 7

3.1.1Flexsim简介 7

3.1.2 基本概念 7

3.1.3 建模步骤 8

3.2 广州南沙一期集装箱码头装卸仿真模型的开发 9

3.2.1 仿真目的 9

3.2.2 模型简化 10

3.2.3 利用任务分配器实现装卸 10

3.3 仿真模型的构建 11

3.3.1具体化实体 11

3.3.2 建立逻辑关系 11

3.3.3具体参数设置 11

第4章 仿真研究成果分析 18

4.1 相同装卸设备下的不同船型 18

4.2 某一船型下的设备配置方案 20

4.2.1 不同集卡数500TEU、1000TEU级别船型 20

4.2.2 不同集卡数1500、2000TEU级别船型 22

4.2.3 不同集卡数2500TEU级别船型 24

4.3 模型运行结果分析 25

第5章 结论与展望 27

5.1 全文总结 27

5.2 研究展望 27

参考文献

致谢

第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

随着经济全球化与区域一体化节奏的不断加快，我国已经发展成为世界第二大经济体。在对外经济交流的发展过程中，各个港口之间的竞争变得越来越激烈。提高关键设备的运行效率，降低运营成本已经成为港口提高自身综合竞争力的关键。为了提高港口的整体装卸效率水平以及降低生产运营成本，合理地整合和配置港口机械设备以及使用先进的装卸工艺是及其关键和重要的。因此，为了便于港口的企业管理者做出更加完善的企业决策，我们可以结合港口的实际运营情况，借助于Flexsim这一仿真软件来创建一个相应的集装箱码头装卸系统仿真模型，来模拟码头各种情形下的运作过程。多次运行和优化仿真模型后，对港口的一些重要生产指标进行科学计算，通过数据的整理与分析，可以更加合理地配置港口资源，进而降低运营成本，提高生产效率，以满足新时代背景下的需求。

目前，随着我国经济发展进入新常态以及工业4.0的到来，未来港口发展的趋势是工业智能化、高度自动化、信息技术化和低碳环保化的。港口想要提升自己的核心影响力，就应该合理的优化装卸效率，而通过对比分析国内外港口集装箱装卸仿真技术的应用现状有利于我们找出我国港口发展进程中的不足及薄弱环节，有利于相关各部门充分地意识到发展新型港口装卸工艺的优势与差距，从而在此基础上，制定更加明确的自身发展方向和重点，进而不断改进和提升港口自身装卸工艺的发展水平。此外，利用Flexsim仿真软件可以使港口的布局、结构等更趋于合理，更加有利于港口的长期发展及临港城市、国家的长期发展。

本文的主要研究对象为广州南沙一期集装箱码头，通过使用Flexsim仿真软件对其装卸作业过程进行简化建模与研究，以检验目前港口生产过程的合理性，并为装卸不同数量的集装箱提供集卡配置方案。

1.2 国内外现状分析

利用Flexsim等仿真软件对港口的生产作业过程进行装卸模拟是优化港口装卸作业效率的重要手段之一，国内外各方学者都利用仿真软件对港口装卸作业进行了多角度的建模与分析。

于蒙，王少梅，肖峰将几何建模、层次建模同运动学建模结合起来，完成了集装箱码头装卸系统下虚拟环境的建模，然后使用Flexsim软件为集装箱码头创建了一个通用的模拟装卸作业的三维动态实时仿真模型。它以任务序列为关键机制，用对象Dispatcher和任务序列的分配原则，将虚拟现实技术完美地融入到计算机仿真技术与机械设计技术，模拟了集装箱码头装卸生产过程中不同情形下的仿真，并为港口的运营管理展现出了视觉上的决策支撑^[1]。

林娜青，翟晓燕将运筹学中的排队理论广泛地应用于Flexsim仿真技术中，为集装箱码头新建了一个具有多个服务加工台的装卸系统仿真模型，通过多次运行以及优化该仿真模型，模拟了码头不同情形下的运作过程，并对港口的一些必要生产指标进行了科学地计算。为了合理地提高生产效率，港口应该优化各种运输方式之间的结合，密切各个区域之间的合作，促进铁水联运体系的形成，努力发展新的服务领域和范围并建立完善的供应链系统以解决生产运作过程中可能存在的瓶颈^[2]。

韩晓龙，张少凯，于航利用了专门的港口物流仿真软件Flexsim-CT，为集装箱港口新建了一个包括码头前沿、堆场内部以及各种装卸机械设备在内的关于装卸作业系统的仿真模型，分别总结了典型的和先进的装卸工艺对船舶的装卸作业总时间和装卸设备的作业总效率所产生的影响，根据实验数据的分析，得出了岸桥的使用效率在很大程度上影响了码头整体作业效率水平的结论^[3]。

郭姝娟，何凤云，赵丹通过Flexsim CT仿真软件模拟了集装箱码头的整个运作过程，得出了提高集装箱装卸桥的效率同时配置其他装卸机械进行协同作业，才能提高整体集装箱码头的效能^[4]。

于航，乐美龙通过利用专业的港口作业仿真软件Flexsim CT，在确保同步装卸工艺的前提下，创立了一个模拟从泊位到堆场过程以及包括桥吊，轨道式龙门吊和集卡等主要装卸机械设备的生产作业仿真模型，以洋山深水港的实际生产数据为基础，模拟了不同的情形下泊位占用程度的改变量。通过改变堆场内部结构的密集度，分析了集装箱码头的总生产时间以及岸桥的总作业效率^[5]。

肖锋使用了Flexsim仿真软件中的数据实验管理器来新建了一个仿真系统的数据模型，认真地研究了创建集装箱码头仿真平台过程中所需要的关键技术，最终创建了一个独特的港口设备模型库，并建立一个简单的集装箱码头模型^[6]。

张坤仔细地分析了港口集装箱装卸流程的关键特点，应用Flexsim仿真软件模拟和分析了不同集装箱港口的装卸流程系统，对其中各个物流系统中的主要技术参数进行了定量的统计与比较，为新型的装卸流程系统提供了可靠的数据支撑^[7]。

牟莲芝将Petri理论同优化理论相结合，借助于Flexsim仿真软件的理论和方法分析了闸口作业流程和堆场内场桥的调度问题，并通过对模型的优化，解决了系统存在的瓶颈，合理地安排了资源在系统中所处的位置，减轻了闸口通道处的拥挤缓冲程度，均衡了堆场之间资源的装卸 ^[8]。

王官强比较了国内外集装箱码头仿真技术应用的程度，以龙口港集装箱码头为蓝本，使用了Flexsim这一仿真软件，为龙口港集装箱码头创建了一个专门模拟生产作业系统的仿真模型，并结合码头的一些实际相关数据对不同设备配置方案进行了比选^[9]。

Zhuo Sun，Loo Hay Lee，Ek Peng Chew等通过建立了一个名为“微港口”的通用仿真平台，以新加坡的一个实际载运集装箱码头为例，分析了船舶的周转时间，岸桥、场桥和堆场生产率，平均泊位利用率等关键性港口性能指标。通过模拟不同的情形，优化了岸桥、场桥、集卡之间数量的配比，在最小化总设备成本的前提下，提高了各关键机械设备的生产率^[10]。

Armando Cartenì，Stefano de Luca将港口的整个生产流程抽象为一个个随机的小的离散事件，利用仿真软件，从不同的软件层次角度，准确地设计和优化了港口的整个装卸作业流程^[11]。

Bruzzone A G，Longo F借助于Trainports这一仿真器实时模拟了整个集装箱港口的装卸作业过程^[12]。

总的来说，总结各方学者观点，现今Flexsim以及其他仿真软件在港口的应用涉及到很多层面。为了对资源进行更合理地配置，往往需要先建立一个集装箱码头装卸仿真模型，然后根据一些实际的数据，不仅可以对模型的正确性进行验证，还可以分析比较不同方案下的经济合理性，以便决策者参考。

目前，对于港口仿真软件的应用，国内外学者均做了一定程度的研究，我国的专家学者对于仿真软件的应用与研究也已经取得了一定的成就，但是与国外专家学者的研究相比，仍存在着比较大的差距。关于集装箱码头建模中一些比较复杂的模型代码的开发，我国大多数港口仿真模型的开发与应用仍处于理论建模和简化建模阶段，并没有深刻地体会到仿真技术在整个港口运营管理过程中所起到的提供决策支撑的关键影响作用。因此，可参考国外一流港口，如德国汉堡港，荷兰鹿特丹港等港口的建设经验和方式，以此提高我国集装箱码头的装卸效率。

1.3 研究的主要内容与方法

1.3.1 研究的主要内容

根据集装箱码头普遍的装卸作业流程及其特征，本文对广州南沙一期集装箱码头的装卸作业系统进行了一定的仿真研究，具体的研究内容如下：

（1）广州南沙一期集装箱码头生产作业系统的分析

本文首先介绍了广州南沙一期集装箱码头的一些基本概况，包括泊位情况、设施设备数量、堆场布局等，然后分析了它的发展现状、装卸工艺流程及特点。

（2）基于Flexsim的广州南沙一期集装箱码头装卸仿真研究

众所周知，集装箱码头的装卸一般设计到多个子系统，例如前沿泊位装卸子系统、水平搬运子系统、堆场内部子系统以及闸口检验子系统。本文侧重分析了装卸系统流程、参数设置的实际可操作性以及系统指标的合理性。

（3）理论结果分析与研究

本文使用了Flexsim这一仿真软件，在确保正确地将仿真理论应用于广州南沙一期集装箱码头的基础上，结合实际的运行数据进行了简化建模，并多次运行该仿真模型，研究该港口关键机械设备的利用效率、平均等待时间和平均队长等主要性能指标。通过队列的堆积可以找出实际运作过程中存在的瓶颈，并提出了相应的改进方案，结合Flexsim软件中的实验管理器来对实验数据进行置信度为90%的概率分析，以便于方案的比选。

1.3.2 研究的方法

本文利用Flexsim仿真软件，结合仿真理论基础以及集装箱码头的基本装卸流程，将系统抽象为不同的模块，简化其中一些简单的操作过程，构建一个仿真模型。因为不同吨位的船舶在理论上装卸集装箱的流程是类似的，假定普通箱和非普通箱的装卸工艺和装卸时间是相同的，只是表现在所处的堆场位置不同。在抽象很多装卸过程的影响因素后，本文选取单个泊位单艘船舶的装卸过程为研究对象，建立简单的仿真模型，改变集装箱和水平搬运工具的数量，从而分析各种情形下，关键设备的占用率以及暂存缓冲区的平均队长、平均等待时间等主要生产性指标。

第2章 广州南沙一期集装箱码头的业务分析

2.1 广州南沙一期集装箱码头简介

2003年3月17日，广州南沙一期集装箱码头正式成立，注册资金达12.6亿元人民币。如今由广州港股份有限公司、中海码头发展有限公司以及广州南沙基础设施投资有限公司共同投资经营，其中前两家公司所持的股份之和超过了90%。该码头的主要物流业务包括集装箱的装卸、堆存、装拆箱以及仓储等。

广州南沙一期集装箱码头地处于珠江西部的广州市南沙区，港口自然条件优良。向南，与南海相接；向东，与深圳相望；向西，毗邻顺德。它是珠江三角洲的地理位置中心，方圆100公里之内覆盖包含香港以及澳门在内的整个珠三角城市体系，是广州城市领域向南边扩展延伸的桥头堡，是广州——佛山经济圈向海洋拓展的必经之路，是连接整个珠三角城市体系必不可少的枢纽，是广东香港澳门实现深度合作的必选之地。港口腹地内部自然资源条件丰富、工业较发达，直接经济腹地辐射范围比较广泛，是我国经济发展较快的区域之一^[13]。其具体位置如图2.1所示。