秦天保 張 旖
摘 要:為輔助某大型集裝箱堆場(chǎng)的閘口規(guī)劃,確定合理的車道數(shù)及集卡等待緩沖區(qū)長(zhǎng)度,利用Flexsim仿真軟件,給出模型的體系結(jié)構(gòu)、組成和流程,建立規(guī)劃中的該大型集裝箱碼頭堆場(chǎng)3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型,明確在不同設(shè)計(jì)方案下閘口可能出現(xiàn)的排隊(duì)等待狀況.仿真試驗(yàn)顯示,如果按照常規(guī)調(diào)配集卡,2個(gè)出閘口將出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象,而通過堆場(chǎng)部署智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)以及建立與客戶互聯(lián)的車輛進(jìn)港預(yù)約系統(tǒng),能極大地緩解閘口的壓力.利用計(jì)算機(jī)仿真輔助閘口規(guī)劃,可以給規(guī)劃人員和決策者提供更加豐富的決策信息.
關(guān)鍵詞:閘口規(guī)劃; 集裝箱碼頭; 仿真; 虛擬現(xiàn)實(shí)
中圖分類號(hào):N941.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Applying 3D virtual reality simulation to
gate planning of container terminal yard
QIN Tianbao, ZHANG Yi
(School of Transport & Communications, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract: In order to aid a large container terminal yard in its gate planning to determine the appropriate carriageway number and the waiting bufferslength, a 3D virtual reality simulation model of the large container terminal yard is created based on Flexsim platform. The architecture, component and process of the model are also put forward and all kinds of the situation of waiting lines in different designs are quantified. According to the experimental results, extreme unbalanced workload will emerge at the two checkout gates if the trucks cannot be scheduled perfectly. The pressure at gates can be relieved greatly by implementing intelligent route guidance system and vehicle booking system connecting the customer. The computer aided gate planning simulation can give planners and policy makers more decision-making information.
Key words: gate planning; container terminal; simulation; virtual reality
0 引 言
集裝箱碼頭閘口是集裝箱卡車(以下簡(jiǎn)稱集卡)進(jìn)入和離開集裝箱碼頭堆場(chǎng)的接口,由多個(gè)車道和對(duì)應(yīng)的檢查點(diǎn)組成.集卡進(jìn)出閘口時(shí),要在閘口檢查點(diǎn)進(jìn)行箱檢、過磅和數(shù)據(jù)交換.閘口分為進(jìn)閘口和出閘口,分別用于集卡進(jìn)入和離開堆場(chǎng).
近年來,隨著集裝箱運(yùn)量的大幅增加,許多港口閘口處出現(xiàn)車輛排長(zhǎng)隊(duì)的擁擠現(xiàn)象,不僅嚴(yán)重影響集疏運(yùn)秩序,而且增加安全隱患,引起客戶普遍不滿.因此,在集裝箱碼頭規(guī)劃中,閘口規(guī)劃日益受到重視.集裝箱碼頭閘口規(guī)劃是集裝箱碼頭規(guī)劃的重要內(nèi)容,其重點(diǎn)是在滿足碼頭集卡車流需求及保證客戶服務(wù)水平的情況下,確定設(shè)置多少車道(以及對(duì)應(yīng)的檢查點(diǎn))才能使閘口建設(shè)投資最少.
現(xiàn)有的集裝箱碼頭規(guī)劃仿真研究主要集中在前沿泊位與堆場(chǎng)的裝卸、運(yùn)輸資源利用等方面.CANONACO等[1]應(yīng)用離散時(shí)間仿真研究前沿集裝箱裝卸優(yōu)化問題;YEO等[2]應(yīng)用AWE-SIM仿真程序研究釜山港擁擠改善問題;LEE等[3]仿真研究采用集卡實(shí)時(shí)定位技術(shù)對(duì)堆場(chǎng)集卡調(diào)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃的后果;JUNG等[4]仿真研究堆場(chǎng)場(chǎng)橋調(diào)度優(yōu)化問題;尚晶等[5]仿真研究集裝箱碼頭集卡調(diào)度策略;辜勇等[6]仿真研究集裝箱碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作流程;張濤等[7]仿真研究集裝箱堆場(chǎng)資源配置優(yōu)化問題;僅有少數(shù)文獻(xiàn)仿真研究集裝箱碼頭閘口規(guī)劃問題,如于越等[8]仿真研究集裝箱堆場(chǎng)閘口規(guī)劃優(yōu)化問題.
目前,在集裝箱碼頭閘口規(guī)劃實(shí)踐中,閘口車道數(shù)主要采用解析公式確定,最常見的是交通部《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]提出的公式.但僅根據(jù)該公式確定閘口車道數(shù),規(guī)劃人員和決策者無法考查集卡隨機(jī)到達(dá)以及閘口檢查時(shí)間隨機(jī)變化時(shí)車輛的排隊(duì)等待情況,因而無法事先確定對(duì)集卡的服務(wù)水平,也無法確定閘口處為集卡預(yù)留的排隊(duì)長(zhǎng)度(緩沖區(qū))是否合理,對(duì)提升客戶滿意度和合理設(shè)計(jì)閘口緩沖區(qū)長(zhǎng)度非常不利.而采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(離散事件仿真)能夠檢驗(yàn)不同車道配置下集卡的排隊(duì)等待情況,有助于確定最佳閘口車道數(shù)以及合理的緩沖區(qū)長(zhǎng)度.
本文以山東某港集裝箱碼頭閘口規(guī)劃為例,說明如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助集裝箱碼頭閘口規(guī)劃.仿真軟件平臺(tái)為Flexsim,能直觀地展現(xiàn)集裝箱碼頭現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作狀況,使規(guī)劃人員和決策者對(duì)不同規(guī)劃設(shè)計(jì)下的現(xiàn)場(chǎng)情形有身臨其境的感覺.
1 研究背景
規(guī)劃中的某港集裝箱碼頭堆場(chǎng)平面布局見圖1.可以看出,該碼頭堆場(chǎng)設(shè)計(jì)1個(gè)進(jìn)閘口和2個(gè)出閘口.閘口規(guī)劃是該碼頭整體規(guī)劃的子項(xiàng)目之一,即確定1個(gè)進(jìn)閘口和2個(gè)出閘口的車道數(shù).根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的公式,初步計(jì)算出進(jìn)閘口1設(shè)置30個(gè)車道,中間出閘口2設(shè)置16個(gè)車道,右側(cè)出閘口3設(shè)置12個(gè)車道.
港方希望了解初始閘口設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)定的績(jī)效指標(biāo),即高峰時(shí)段進(jìn)、出閘口每車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度,每車道最大排隊(duì)長(zhǎng)度,車輛平均等待時(shí)間,車輛最長(zhǎng)等待時(shí)間以及車輛不同等待時(shí)間的分布比例是否符合港方設(shè)定的范圍.此外,港方也希望通過3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真觀察閘口處為車輛排隊(duì)預(yù)留的緩沖區(qū)長(zhǎng)度是否足夠.
為此,利用Flexsim開發(fā)針對(duì)該碼頭規(guī)劃的集裝箱碼頭堆場(chǎng)運(yùn)作仿真系統(tǒng).雖然研究重點(diǎn)是閘口處的車流情況,但由于出閘口處的車流受堆場(chǎng)箱區(qū)布局、堆場(chǎng)場(chǎng)橋裝卸效率以及內(nèi)外卡爭(zhēng)用場(chǎng)橋等多種因素影響,須建立整個(gè)集裝箱碼頭堆場(chǎng)的模型(該模型還可用于堆場(chǎng)內(nèi)車流仿真以評(píng)估堆場(chǎng)內(nèi)道路規(guī)劃的合理性,本文僅討論閘口規(guī)劃).
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
開發(fā)的集裝箱碼頭仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖2,系統(tǒng)由用戶界面、存儲(chǔ)系統(tǒng)和模型3部分組成.
2.1 用戶界面
用戶界面由若干窗體組成,與用戶交互,可進(jìn)一步分為輸入界面、輸出界面與控制界面.輸入界面用于向系統(tǒng)輸入各項(xiàng)參數(shù)并存入存儲(chǔ)系統(tǒng)中;輸出界面用于系統(tǒng)輸出各項(xiàng)參數(shù);控制界面用于控制模型運(yùn)行,包括啟動(dòng)模型與調(diào)節(jié)運(yùn)行速度等.
2.2 模型
模型是系統(tǒng)主體,運(yùn)行產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)系統(tǒng)中,并通過輸出界面顯示給用戶.采用3D仿真軟件Flexsim建立該集裝箱碼頭的模型,模擬的流程包括外卡集疏運(yùn)與堆場(chǎng)裝卸流程以及內(nèi)卡岸邊裝卸與堆場(chǎng)裝卸流程.內(nèi)卡岸邊裝卸與堆場(chǎng)裝卸流程包括內(nèi)卡在岸邊與堆場(chǎng)箱區(qū)循環(huán)行駛以及執(zhí)行裝卸作業(yè).外卡集疏運(yùn)與堆場(chǎng)裝卸流程見圖3.
模型中出閘口的運(yùn)行效果見圖4,通過該虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可形象、直觀地評(píng)估閘口處的排隊(duì)情況以及預(yù)留的集卡排隊(duì)長(zhǎng)度是否足夠.
本文研究的集裝箱碼頭系統(tǒng)的主要建模元素包括集裝箱、集卡(外卡和內(nèi)卡)、岸橋、場(chǎng)橋、車道、閘口檢查點(diǎn)和隊(duì)列(包括閘口處、岸橋處、場(chǎng)橋處的集卡隊(duì)列);起裝飾作用的輔助建模元素包括海、集裝箱船、堆場(chǎng)箱區(qū).這些建模元素與Flexsim建模構(gòu)件的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1.
用傳統(tǒng)仿真軟件對(duì)移動(dòng)資源建模時(shí),場(chǎng)橋和岸橋的移動(dòng)與裝卸活動(dòng)(包括3D可視化)等往往不能很好地表達(dá),而Flexsim采用獨(dú)特的任務(wù)序列機(jī)制,能靈活、方便地對(duì)移動(dòng)資源建模.Flexsim用任務(wù)執(zhí)行器TaskExecuter表示場(chǎng)橋和岸橋等用于搬運(yùn)與裝卸流動(dòng)實(shí)體的移動(dòng)資源,可為任務(wù)執(zhí)行器分配由若干任務(wù)(如移動(dòng)、卸下和提升等)組成的任務(wù)序列(若有多個(gè)任務(wù)序列,則這些序列可排隊(duì)等待調(diào)度),執(zhí)行器收到任務(wù)序列后依次執(zhí)行序列中的任務(wù).
Flexsim使用FlowItem建模集裝箱等流動(dòng)實(shí)體,外卡和內(nèi)卡兼具流動(dòng)實(shí)體與移動(dòng)資源的特性,因此,使用特殊的FlowItem表示,即TaskExecuterFlow-Item.TaskExecuterFlowItem兼具TaskExecuter和FlowItem的特性.固定資源是不移動(dòng)的資源,包括車道、檢查點(diǎn)和隊(duì)列等,分別用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NetworkNode(多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接可表達(dá)車道)、處理器Processor和隊(duì)列Queue表達(dá).
2.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)
存儲(chǔ)系統(tǒng)由Flexsim內(nèi)部提供的全局表組成,用于存放各種輸入、輸出數(shù)據(jù).該存儲(chǔ)系統(tǒng)也可用外部數(shù)據(jù)庫替代.
3 輸入?yún)?shù)設(shè)定
系統(tǒng)輸入的參數(shù)通過輸入界面存入存儲(chǔ)系統(tǒng).其中,仿真時(shí)間為18 000 s,即5 h;前1 h作為預(yù)熱期,屬低峰時(shí)段,進(jìn)閘口集卡到達(dá)率設(shè)為高峰時(shí)段的2/3;后4 h為高峰時(shí)段,也是數(shù)據(jù)收集期.仿真運(yùn)行次數(shù)為10次.重、空車比例為重車50%(其中拉重箱53%,拉空箱47%),空車50%.高峰時(shí)段進(jìn)閘口集卡到達(dá)率為3 400輛/h,到達(dá)時(shí)間間隔服從指數(shù)分布,其均值根據(jù)到達(dá)率計(jì)算為1.06 s.
其他主要參數(shù)包括進(jìn)閘口單車檢查時(shí)間(隨機(jī))、出閘口單車檢查時(shí)間(隨機(jī))、堆場(chǎng)軌道吊場(chǎng)橋裝卸效率(隨機(jī))、集卡在堆場(chǎng)內(nèi)各條車道的行駛速度以及每個(gè)箱區(qū)分配的軌道吊場(chǎng)橋數(shù)量等.
集卡進(jìn)出閘口的排隊(duì)規(guī)則:集卡到達(dá)閘口后選擇最短隊(duì)列排隊(duì),然后進(jìn)入該隊(duì)列對(duì)應(yīng)的檢查點(diǎn)接受檢查.
4 仿真結(jié)果分析
4.1 進(jìn)閘口仿真結(jié)果分析
通過10次仿真運(yùn)行,每次運(yùn)行5 h后得到績(jī)效指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,見表2.
從表2的排隊(duì)長(zhǎng)度看,高峰時(shí)段每車道平均等待車輛數(shù)均值(5.07輛)與最大等待車輛數(shù)均值(12.20輛)略微偏高,但尚屬合理范圍.未來由于采用新技術(shù),閘口檢查效率將進(jìn)一步提高,排隊(duì)長(zhǎng)度有可能縮短.
此外,由于進(jìn)閘口處車輛等待緩沖區(qū)位于堆場(chǎng)外側(cè),有足夠長(zhǎng)度供車輛排隊(duì)等待,因此,從車輛排隊(duì)長(zhǎng)度指標(biāo)看,目前進(jìn)閘口設(shè)計(jì)30個(gè)車道可行.
從等待時(shí)間看,高峰時(shí)段單車平均等待時(shí)間均值(193.96 s)和單車最長(zhǎng)等待時(shí)間均值(413.24 s)屬合理范圍,因此從車輛等待時(shí)間指標(biāo)看,目前進(jìn)閘口設(shè)計(jì)30個(gè)車道也是可行的.
從不同等待時(shí)間的車輛占比看,高峰時(shí)段車輛等待時(shí)間在0~3 min的占49%,3~6 min的占43%,6~9 min的占8%,超過9 min的占0%,等待時(shí)間分布較合理,因此,30個(gè)車道的方案可行.另外,港方也認(rèn)為表2所示的績(jī)效指標(biāo)能夠滿足要求,因而,確認(rèn)進(jìn)閘口設(shè)置30個(gè)車道的初始設(shè)計(jì)方案.
4.2 出閘口仿真結(jié)果
出閘口的情況較為復(fù)雜,因?yàn)橛?個(gè)出閘口,不同的車輛調(diào)度分配比例會(huì)導(dǎo)致全然不同的排隊(duì)擁擠程度.此外,出閘口處的車輛等待緩沖區(qū)設(shè)在堆場(chǎng)內(nèi)部,因此,對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度更加敏感.
4.2.1 合理調(diào)配方案
假設(shè)對(duì)集卡的調(diào)度合理且完美,使得集卡總是能選擇2個(gè)出閘口中最短的隊(duì)列排隊(duì)(即假設(shè)集卡能夠把2個(gè)出閘口看作1個(gè)出閘口).此方案的目的是考察2個(gè)出閘口的車道總數(shù)(初始設(shè)計(jì)為28條)是否能滿足要求.仿真結(jié)果見表3.
從表3的排隊(duì)長(zhǎng)度看,每車道平均排隊(duì)車輛數(shù)均值(3.67 輛)和每車道最大排隊(duì)車輛數(shù)均值(8.8輛)都較為合理,不會(huì)出現(xiàn)排長(zhǎng)隊(duì)現(xiàn)象.
從緩沖區(qū)設(shè)置角度看,按照每車車長(zhǎng)18 m和車輛間隔1 m計(jì)算,所需的緩沖區(qū)長(zhǎng)度約170 m(按最大隊(duì)長(zhǎng)均值8.8輛即9輛計(jì)算,實(shí)際最大隊(duì)長(zhǎng)可能超過此數(shù)),而港方原設(shè)計(jì)方案中,中間出閘口預(yù)留的緩沖區(qū)長(zhǎng)度為150 m,右側(cè)約80 m.為此,一種方法是修改設(shè)計(jì),加大緩沖區(qū)長(zhǎng)度,特別是加大右側(cè)出閘口緩沖區(qū)的長(zhǎng)度;另一種方法是采取措施,降低高峰期車輛負(fù)荷和車輛到達(dá)率.
從等待時(shí)間看,單車的平均等待時(shí)間的均值(132.32 s)和單車的最長(zhǎng)等待時(shí)間均值(292.42 s)都較為合理,不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間等待現(xiàn)象.這說明,在合理調(diào)配集卡選擇隊(duì)列最短的閘口離開的情況下,從等待時(shí)間看,2個(gè)出閘口共設(shè)28個(gè)檢查通道可行.
以上是合理調(diào)度集卡的情況,如果不能合理調(diào)度,情況會(huì)有所不同.
4.2.2 固定分配方案
4.2.2.1 仿真結(jié)果
假設(shè)集卡均勻分布到各排(從左到右)箱區(qū)作業(yè),且1~7排箱區(qū)的集卡從中間出閘口離開,8~11排箱區(qū)的集卡從右側(cè)出閘口離開,相當(dāng)于64%的集卡流量從中間閘口離開,36%的集卡流量從右側(cè)閘口離開.
之所以假設(shè)1~7排箱區(qū)的集卡從中門離開,是因?yàn)檫@些箱區(qū)的集卡占集卡總數(shù)的64%(7排除以箱區(qū)總排數(shù)11排得到),而中間閘口的出口通道占出口通道總數(shù)的57%,這2個(gè)比例比較匹配,容易實(shí)際組織調(diào)度.
設(shè)計(jì)本方案的目的是考察在本方案的假設(shè)條件下,2個(gè)出閘口各自分配的車道數(shù)(即中間16道,右側(cè)12道)是否合理.仿真結(jié)果見表4.
從表4的排隊(duì)長(zhǎng)度看,2個(gè)出閘口的排隊(duì)長(zhǎng)度極度不平衡.中間出閘口出現(xiàn)排長(zhǎng)隊(duì)現(xiàn)象,平均隊(duì)長(zhǎng)均值達(dá)23.07輛,最大隊(duì)長(zhǎng)均值達(dá)60.10輛,根據(jù)最大隊(duì)長(zhǎng)計(jì)算出的緩沖區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過港方原設(shè)計(jì)方案的預(yù)留長(zhǎng)度;而右側(cè)出閘口卻很空閑,平均隊(duì)長(zhǎng)均值只有0.97輛,最大隊(duì)長(zhǎng)均值只有2輛.從等待時(shí)間看,2個(gè)出閘口的車輛等待時(shí)間也極度不平衡.中間出閘口出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間等待現(xiàn)象,平均等待時(shí)間均值達(dá)781.30 s,最長(zhǎng)等待時(shí)間均值達(dá)1 607.14 s;右側(cè)出閘口卻很空閑,平均等待時(shí)間均值只有30.75 s,最長(zhǎng)等待時(shí)間均值只有84.01 s.
上述結(jié)果說明,簡(jiǎn)單地將1~7排箱區(qū)或某幾排箱區(qū)的外卡劃歸中門離開的做法不合適,必須在2個(gè)出閘口對(duì)外卡流量進(jìn)行合理分配,才能如合理調(diào)配方案那樣在兩處達(dá)到平衡.
4.2.2.2 對(duì)出閘口規(guī)劃的建議
從上述2個(gè)出閘口試驗(yàn)方案結(jié)果看,在合理調(diào)度集卡的情況下,2個(gè)出閘口共設(shè)置28個(gè)檢查通道的規(guī)劃方案基本可行,2個(gè)閘口均不會(huì)出現(xiàn)排長(zhǎng)隊(duì)的情況.但若不能合理調(diào)配車流,分流措施不當(dāng),就會(huì)出現(xiàn)一處閘口排長(zhǎng)隊(duì)而另一處閘口很空閑的情況.
在實(shí)際運(yùn)作中,要做到合理地調(diào)配集卡從合適的出閘口離開很困難,因此,建議采用智能交通的組織方式,對(duì)2個(gè)出閘口采取監(jiān)控措施,并對(duì)中間出閘口流量進(jìn)行實(shí)時(shí)交通誘導(dǎo),避免出現(xiàn)負(fù)荷不均的現(xiàn)象.一般在2個(gè)出閘口設(shè)置感應(yīng)線圈和視頻攝像頭,經(jīng)過算法處理后,得到這2個(gè)閘口的交通流量飽和度,輔以監(jiān)控人員的人工判斷,再發(fā)布交通信息并對(duì)中間箱區(qū)的出港車流進(jìn)行交通誘導(dǎo).若中間出閘口流量偏大,負(fù)荷較高,就發(fā)布中間閘口擁堵的信息,誘導(dǎo)中間箱區(qū)的車流由右側(cè)出閘口離開;反之,則誘導(dǎo)中間箱區(qū)車流由中間出閘口離開.如果基礎(chǔ)條件允許,將中間出閘口的檢查通道增加到18道,右側(cè)不變.這樣,留出一定余量,調(diào)度更加容易.
采用上述技術(shù)手段合理調(diào)度集卡,根據(jù)合理調(diào)配方案的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)出閘口的緩沖區(qū)不夠長(zhǎng),特別是右側(cè)出閘口緩沖區(qū)過短.因此,應(yīng)該將2個(gè)閘口的檢查點(diǎn)適當(dāng)外移,以延長(zhǎng)內(nèi)側(cè)緩沖區(qū)長(zhǎng)度.
假設(shè)由于地理?xiàng)l件的限制,無法進(jìn)一步延長(zhǎng)緩沖區(qū)長(zhǎng)度,可以采取措施熨平高峰,分散車輛的到達(dá)時(shí)段,降低高峰期車輛到達(dá)率,從而縮短閘口排隊(duì)長(zhǎng)度.建議采用計(jì)算機(jī)化的車輛進(jìn)港預(yù)約系統(tǒng),并與運(yùn)輸單位聯(lián)網(wǎng),按計(jì)劃發(fā)布和接受預(yù)約進(jìn)港信息,對(duì)不按預(yù)約時(shí)間進(jìn)港的車輛處以一定金額的罰款.此舉可有效熨平高峰,已經(jīng)過國外港口的實(shí)踐證明.
此外,閘口檢查時(shí)間也是影響閘口排隊(duì)情況的關(guān)鍵因素之一.如果由于各種限制因素,上述措施無法實(shí)現(xiàn),那么,要考慮采用技術(shù)手段提高出閘口的檢查效率,或者適當(dāng)增加閘口檢查通道(檢查點(diǎn)),以縮短排隊(duì)長(zhǎng)度.
5 結(jié) 論
相對(duì)于傳統(tǒng)解析法,利用計(jì)算機(jī)仿真輔助閘口規(guī)劃可向規(guī)劃人員和決策者提供更豐富的決策信息.通過仔細(xì)考查仿真得到的閘口處車輛排隊(duì)長(zhǎng)度和等待時(shí)間等指標(biāo),規(guī)劃人員可直觀地評(píng)價(jià)閘口服務(wù)水平及閘口緩沖區(qū)設(shè)計(jì),從而彌補(bǔ)解析法的不足.
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(編輯 陳鋒杰)