基于仿真的虎门港投资规划外文翻译资料

英语原文共 15 页

基于仿真的虎门港投资规划

作者：Jiahong Lin，Benhe Gao,Canrong Zhang

清华大学深圳研究生院物流与运输系，中国

摘要：本文利用Arena软件进行仿真，解决了虎门港集装箱码头的投资规划问题。 我们提出了一个考虑各种类型的集装箱船和起重机的仿真模型，灵活的泊位分配和动态起重机调度。 我们进行模拟实验，以确定一个参数设置，可以在保持所需服务水平的同时最大限度地降低总投资成本。 实验结果表明，与现行投资计划相比，拟议的经济投资计划可以降低成本。

2013 Elsevier B.V.保留所有权利。

关键词：集装箱码头、港口投资、仿真。

1.简介

如图1所示的虎门港位于中国珠江三角洲（珠三角）地区的东莞市。拥有广阔的腹地，未来吸引集装箱的潜力巨大。与此同时，珠三角地区中国海港之间的竞争日趋激烈。因此，虎门港必须提高容量和效率，才能在竞争中生存。

为满足日益增长的需求，虎门港目前正计划扩建现有的集装箱码头。图2显示了集装箱码头的假设未来外观。由于港口投资决策与相当不确定的环境中的大量资金密切相关，因此有必要在作出任何决定之前对终端进行全面分析。终端运营商现在担心用于装卸集装箱的码头起重机和龙门起重机的投资。根据预测的需求数据，主要问题是确定应购买多少码头和龙门起重机以满足所需的服务水平并最小化投资成本。

仿真是处理这种复杂和不确定系统的常用手段，本文提出的模型是基于集装箱码头运营商提供的实际数据。数据包括集装箱船的属性，海岸线的长度，起重机的价格和运行参数，终端资源的调度规则等。我们尝试通过考虑各种类型的集装箱船，灵活的泊位分配和动态起重机调度，使我们的仿真模型尽可能接近真实系统。然后，我们进行了几次模拟实验，并通过统计方法分析了模拟结果。

我们的仿真模型采用灵活的泊位分配和动态起重机调度。泊位分配和码头起重机调度问题经常一起解决，因为它们是不可分割的。 Raa等人，Han等人，Bierwirth和Meisel ，Yang等人 ，Chang等人，zhang等人，Imai等人，所有这些都将它们视为一个综合问题，但他们通过分析方法解决了这个问题。但是，本文基于模拟和统计方法。

图1.虎门港口概观

图2.集装箱码头未来布局

本文的其余部分安排如下。 文献综述见第2节。问题在第3节中给出。模拟模型在第4节中详细给出，然后在第5节中进行验证和验证。模拟实验在第6节中进行了解释，并对模拟结果进行了分析。 最后，主要结论和未来工作见第8节。

2.文献综述

随着海港的繁荣和计算机技术的迅速发展，模拟已被广泛用于解决集装箱码头的规划和调度问题。 Steenken等人表示，过去十年全球集装箱运输量大幅增长，优化需求不可或缺，海港竞争更加激烈。和Stahlbock和Voszlig;、 Sun等人。引入了一个名为MicroPort的通用仿真平台，该平台由三个编程层组成，旨在为集装箱码头提供集成且灵活的建模系统。 Arango等采用模拟优化技术解决塞维利亚内陆港口泊位分配规划问题，得出泊位管理策略得到显着改善。 Corteacute;s等用Arena软件模拟塞维利亚内陆港口的货运过程。 Shabayek和Yeung 研究了仿真模型在多大程度上能够以更高的准确度预测实际的集装箱码头运营，并在Witness软件的帮助下为香港的葵涌集装箱码头提供了一个非常准确的仿真模型。 Legato和Mazza提出了与集装箱码头船舶到达，靠泊和离港过程有关的物流活动模拟模型，并研究了泊位规划问题。起亚等研究了计算机模拟在评估集装箱码头性能方面的作用，并表明所提出的系统减少了港口码头的拥堵，并增加了与现有码头相比的终端容量。尹等人引入了一个用于端口规划和调度的分布式代理系统，并进行了一个案例研究来说明系统的能力。

一些作者关注港口投资规划问题。例如，Allahviranlo和Afandizade提出了一种模糊整数规划模型，以优化对港口发展的投资。然而，由于集装箱码头系统的复杂性和不确定性，与模拟技术相比，分析方法可能是第二选择。很少有关于港口投资计划的模拟研究在文献中找到。 Nam等人检查了韩国釜山Gamman集装箱码头的最佳泊位和码头起重机。据透露，每个运营商更多泊位以及与相邻泊位共用码头起重机可以提高生产率。 Demirci 研究了土耳其特拉布宗港的港口投资规划问题。他们发现最关键的瓶颈点是通过模拟实验装载/卸载车辆而创建的，并提出了增加资源的投资策略。 Nam等人的提议和Demirci与本文研究的问题有一些相似之处。总之，与他们的研究相比，我们的研究有以下不同之处：

（1）各种类型的集装箱船和起重机。本文考虑的船舶包括三种类型：200米大船，150米大船和60米小船。其中一些是班轮船，并且以恒定的时间间隔到达，而其他船则相当随机。本文考虑了码头起重机和门式起重机，但后者更便宜，常用于中小型集装箱码头的小型船舶。与它们相关的价格和操作特性是完全不同的。

（2）灵活的泊位分配和动态起重机调度。我们系统中的泊位是连续的而不是离散的，这导致更灵活的分配规则。此外，我们将泊位分配和起重机调度作为耦合问题，并将动态调度规则应用于系统。

（3）投资成本与服务水平之间的平衡。我们的目标是在物理条件和所需服务水平的约束下最小化投资成本。

3.问题描述

扩建的集装箱码头在虎门港至关重要。终端运营商预计未来业务需求将增长，并决定最近扩大其容量。他们希望根据预测的需求和其他信息（如当前和未来的集装箱船流量，起重机价格和运行特性，分配和调度规则，性能指标和终端的物理条件）了解码头起重机和龙门起重机的最佳尺寸。 。

3.1集装箱船

共有三种类型的船：150米大船，200米大船和60米小船。班轮是大型船舶，小型船舶随机到达。船舶的到达信息如表1所示。

对于大型船舶而言，到达时间的分布是恒定的，因为它们是班轮集装箱船。例如，150米大型船舶当前到达时间的分布仅为2.5。然而，小型船舶的到达模式是相当随机的，我们把它作为泊松过程。因此，小型船舶的到达间隔时间遵循指数分布。例如，60米小型船的当前到达时间的分布是Expo（0.58）。

3.2机械起重机

集装箱码头现在有2个码头起重机和2个龙门起重机。码头起重机可以被各种船舶使用，尽管大型船舶具有更高的优先级和更高的运营效率。龙门起重机仅供小型船舶使用。船舶的运行效率如表2所示，可用于确定所需的总服务时间。运营效率的分配也是不变的。最后，码头起重机的价格约为3000万元人民币，门式起重机的价格约为750万元人民币。

3.3分配和调度规则

泊位是连续的，受海岸线长度的限制。只要有足够的空间和资源，船舶就可以停泊灵活的泊位分配规则。每种集装箱船所需资源的上限和下限如表3所示。码头起重机可以服务于各种船舶，优先考虑大型船舶。

龙门起重机只能为小型船舶提供服务。

如果满足以下条件之一，系统将重新启动资源分配：

表1

集装箱船信息.

表2

船舶运行效率

表3

船舶资源需求

（1）重新安排条件1：如果一艘大船正在等待码头起重机，而码头起重机正在为一艘剩余集装箱超过10艘的小型船舶提供服务。

（2）重新安排条件2：如果有超过100个剩余集装箱的大型船舶可以使用更多的码头起重机。

3.4性能指标

我们希望在不影响所需服务水平的情况下最大限度地降低设备的投资成本。服务水平是根据船舶的周转时间来衡量的，我们关注以下四种周转时间：大型船舶的平均周转时间，大型船舶的最大周转时间，小型船舶的平均周转时间以及最长的周转时间小船。终端运营商规定的服务水平的具体要求如表4所示。大型船舶应该具有更高的服务水平，因为它们是班轮并且更有利可图。

设备利用率也是一个重要的性能指标。它应该既不太低也不太高。实际上，平均利用率在40％到60％之间是合理的。

3.5实际状况

码头的海岸线长700米，由于水位的限制，最多可安排6个码头起重机和3个龙门起重机。根据他们的管理经验和简单的计算，终端运营商认为需要6台码头起重机和2台龙门起重机来满足未来的需求。但是，他们对这个假设并不十分肯定，这就是我们做这项工作的原因。

此外，靠泊和离泊的时间约为30分钟，并在论文中保持不变。

3.6模拟场景

模拟场景是关于集装箱船在码头的到达，服务和离开，可以通过图3来描述。

首先，创建一艘船并进入系统。然后，应该进行数据初始化以使每艘船都是唯一的。例如，船舶应该给出长度，容量，到达时间，优先权等。在初始化之后，大小船将被分成不同的队列，并且船将一直等待，直到有足够的资源可用。对于大型船，它会尝试捕获至少两个码头起重机。对于小型船舶，它会首先尝试抓住龙门起重机，或者将码头起重机作为第二选择。

表4

服务水平需求

图3 仿真流程图

正在服务的船舶跟踪系统的状态，并且如果满足任何重新安排条件，它将返回到相应的等待队列。工作完成后，将在船舶离开系统之前执行数据统计。例如，我们想收集出发时间来计算它的周转时间，这是系统的主要性能指标。

在模拟过程中，最重要的事件包括以下内容：

（a）船舶到达：当创建新船时，它将在数据初始化后进入相应的等待队列。

（b）服务开始：当分配和安排足够的资源时，船舶将停泊并接受服务。

（c）重新安排：当符合任何重新安排规则时，船舶将返回等待队列。

（d）服务结束：当所有工作完成后，将执行数据统计。

（e）船舶离港：当数据统计完成后，船舶开始离船，然后离开系统。

4.仿真模型描述

我们构建了一个复杂而有价值的港口投资规划问题模拟模型，该模型基于以下假设：

（a）需求预测足够准确。整篇论文应基于以下假设，即未来船舶的

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