熱文回顧 | 鐵路集裝箱場站堆場仿真建模設計及應用

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摘要：為提升鐵路集裝箱場站的資源配置和調度能力，對鐵路集裝箱場站堆場作業區仿真建模方法進行了研究，設計了一種物流仿真模型建模架構。基于該架構，以某企業鐵路集裝箱場站為對象，應用RaLC物流仿真軟件構建了堆場作業區的仿真模型，分析了不同調度方案對設備運行效率的影響。仿真模型能夠快速模擬并評估給定的調度方案，對提高鐵路集裝箱場站的作業效率和降低運營成本具有重要意義。

關鍵詞：“雙碳”目標；行李處理系統（Baggage Handling System）；設備耗電采集監控系統；節能控制模式；能量回收；儲能系統

作者：吳瑞博1 李明1 王文蕊2 崔維華3 莊慶胥3

1為山東建筑大學信息與電氣工程學院

2為山東建筑大學交通工程學院

3為中鐵十四局集團物流有限公司

一

引言

鐵路集裝箱場站（簡稱“場站”）作為集裝箱多式聯運網絡中的重要節點，其作業效率和服務水平直接影響集裝箱運輸效率和物流服務質量。當前，國內場站的信息化、智能化水平相對較低，對于場站內資源要素的配置、調度和使用更多依賴于作業人員的經驗，作業調度的全局最優性、系統科學性、快速響應能力不足[1]。計算機仿真能夠動態模擬系統中的各種活動及其特征，具有出色的可控性、靈活性、經濟性和可重復性，避免了實際試驗可能帶來的高昂成本和潛在損失[2]。針對場站一般作業工藝流程，設計一種場站堆場作業區仿真模型構造方法，實現對給定批次作業和調度方案下的堆場作業流程模擬。通過對批次作業的提前仿真預演，減少人工調度可能出現的決策失誤，提升場站的整體運營效率。

二

鐵路集裝箱場站典型布局與作業流程

1.場站典型布局

場站包含閘口、堆場作業區和站內服務區，如圖1所示。閘口是場站進出口集裝箱和各種運輸機械的出入口。堆場作業區是場站的核心作業區域，包括主作業區和輔助作業區。主作業區是完成在“鐵路-公路”之間轉運集裝箱的主要區域，由鐵路裝卸線、主堆場和集卡通道組成；輔助作業區用于堆存危險品箱、冷藏箱等特種箱或轉運周期較長的集裝箱，由集裝箱堆存區域及集卡裝卸通道組成。站內服務區為場站的作業、人員、車輛等提供綜合服務。

2. 場站作業流程

場站內集裝箱的轉運作業涉及的裝卸設備主要有軌道式龍門起重機（簡稱“軌道吊”）、集裝箱正面起重機（簡稱“正面吊”）和集裝箱卡車（簡稱“集卡”）。軌道吊是場站的主要裝卸設備，負責主堆場的堆存與提箱作業。正面吊是一種流動機械，用于輔助作業區內集裝箱堆存與提箱作業，在未配備軌道吊的場站內，正面吊也會負責主堆場的集裝箱作業。集卡根據轉運用途的不同分為內集卡和外集卡，內集卡負責場站內部集裝箱的周轉作業，外集卡連通客戶與場站，負責客戶與場站之間的集裝箱轉運作業。

圖1 場站功能布局

在場站中，集裝箱的類型、存儲要求、加工需求和場站作業情況共同決定了場站的作業流程，集裝箱在場站內的裝卸作業流程大致如圖2所示。根據集裝箱類型，場站作業可以大致分為鐵路到達箱作業、公路到達箱作業和鐵路中轉箱作業三類。在每類作業中，根據集裝箱存儲要求、加工需求和場站作業情況，又可分為多種作業流程。在鐵路到達箱作業中，待卸載的集裝箱列車被牽引至場站后，需要通過軌道吊或正面吊進行卸車作業，將集裝箱堆碼至主堆場進行存儲，待外集卡到達后進行裝車，經門區驗貨、核對票據后離開場站，如流程①所示；部分鐵路到達箱也可不落地直接裝車至外集卡，經門區相關作業后離開，如流程②所示；此外，部分需要在站內其余功能區內部進行加工、監管或需要特殊儲存條件的鐵路到達箱（如冷藏箱、海關監管箱等），可由內集卡搬運至加工區域或輔助堆場，之后由外集卡取出，如流程③所示。公路到達箱作業與鐵路到達箱作業基本一致，只是作業順序相反，具體可以分成④、⑤、⑥三種作業流程，此處不再贅述。中轉集裝箱的作業與鐵路到達箱作業稍有不同，當集裝箱班列到達場站后，會依據集裝箱是否需要更換貨運列車進行不同的作業流程。若集裝箱無需更換列車，則不需要對集裝箱進行裝卸操作，站內工作人員進行箱號核對和外觀檢查后直接中轉；若集裝箱需要更換列車，則站內工作人員對集裝箱信息進行核對后，判斷待發列車是否滿足裝卸條件，若待發列車允許進行裝卸作業，則使用裝卸設備直接將集裝箱裝載至待發列車，如流程⑦所示，否則需要由裝卸設備進行卸車堆碼，有發送需求時再進行裝車作業，如流程⑧所示。

圖2 鐵路集裝箱場站作業流程示意圖

三

場站物流仿真模型建模架構

基于場站作業流程，構建一個針對場站堆場作業區的仿真系統。該仿真系統架構主要包括基礎數據層、設備控制層、設備調度層和仿真控制層四個層次，如圖3所示。

圖3 仿真系統架構圖

1.仿真控制模塊

仿真控制模塊用于對仿真流程進行初始化和總體控制。仿真開始后，仿真控制模塊會讀取仿真數據庫中初始箱位信息表的信息，依照箱位號在指定位置生成集裝箱實體。待堆場初始化完畢，依照仿真數據庫內登記的到發貨物需求，向集卡控制模塊和列車控制模塊發送生成指令。

2.列車控制模塊

列車控制模塊用于模擬列車的到發作業，仿真流程如圖4所示。在接收到主控模塊發出的列車生成指令和列車編號后，列車控制模塊將依據存儲在數據庫中的列車掛車信息來創建列車實體。生成的列車實體將自身的貨運信息上傳至數據庫的調度數據表之后，會進入裝卸線進行等待。一旦裝卸任務完成，列車實體將自動離開裝卸線并執行實體刪除操作。

圖4 列車控制模塊仿真流程圖

3.集卡控制模塊

集卡控制模塊用于模擬集卡的到達、發送以及裝卸作業，仿真流程如圖5所示。在接收到主控模塊發出的集卡生成指令和車牌號后，集卡控制模塊將依據存儲在數據庫中的集卡信息來創建集卡實體。生成的集卡實體將自身的貨運信息上傳至數據庫的調度數據表之后，會進入停車區域等待調度；當接收到調度模塊發出的調度指令后，通過集卡走行線進入集卡裝卸線，協同裝卸設備進行作業。一旦裝卸任務完成，集卡實體將通過集卡走行線離開堆場作業區并執行實體刪除操作。

圖5 集卡控制模塊仿真流程圖

4.軌道吊控制模塊

軌道吊控制模塊用于模擬軌道吊與集卡的協同裝卸作業，仿真流程如圖6所示。整個過程可以被分為接受任務、空載移動、抓取集裝箱、重載移動、放置集裝箱和請求調度六部分。其中，為了規避軌道吊在作業過程相撞，在執行移動操作之前，需要對其余軌道吊的位置和作業狀態進行檢測并運用防撞邏輯[3]進行干預，防撞邏輯如圖7所示。在執行抓取集裝箱操作和放置集裝箱操作之前，需要對裝卸作業條件進行檢查，檢查內容主要包括集卡作業是否就緒、抓取位置上方是否無集裝箱疊壓、是否出現懸空放置的情況。若當前條件不滿足安全裝卸的要求，軌道吊將暫停操作并原地等待，直至所有作業條件得到滿足并確認安全無誤。

圖6 軌道吊模塊仿真流程圖

圖7 多軌道吊防撞邏輯流程圖

5.正面吊控制模塊

正面吊控制模塊用于模擬正面吊與集卡的協同裝卸作業，仿真流程如圖8所示。與軌道吊控制模塊相似，但受制于地面移動的作業特點，正面吊只能在集卡走行線、集卡裝卸線以及空閑集裝箱堆存區域內行駛和作業。因此在執行抓取集裝箱操作和放置集裝箱操作之前，除了需要對裝卸作業條件進行檢查外，還需要檢查作業線路上是否有集裝箱阻礙。

圖8 正面吊模塊仿真流程圖

6.設備調度模塊

設備調度模塊用于向中心站內裝卸設備派發任務，仿真流程如圖9所示。任務調度模塊通過事前輸入至仿真模型數據庫中的設備調度方案依次下發任務，其中，調度方案以任務隊列的形式保存，依據設備類型的不同，分為軌道吊任務隊列和正面吊任務隊列兩部分。當搬運設備完成任務后，向調度模塊請求任務調度，調度模塊將根據設備類型在任務隊列中依次抽取任務進行下發。

圖9 設備調度模塊仿真流程圖

7.干涉控制模塊

在場站的實際作業中，一般會配備多臺軌道吊和正面吊進行協同作業，雖然軌道吊和正面吊允許相互交叉穿越，但在軌道吊裝卸作業或重載移動過程中設備間存在以下潛在干涉。（1）軌道吊與正面吊在相同貝位同時裝卸作業；（2）軌道吊裝卸作業時，正面吊主動于軌道吊下方穿越；（3）正面吊裝卸作業時，軌道吊重載主動于正面吊上方穿越；（4）軌道吊重載移動期間，正面吊主動于軌道吊下方穿越。干涉控制模塊用于監控和控制軌道吊和正面吊的作業進程，規避干涉情況的發生，確保協同作業安全進行。仿真流程如圖10所示，其通過不斷對設備之間的距離和作業狀態進行檢測來判斷干涉情況。當出現干涉情況時，獲取存在潛在干涉情形的軌道吊和正面吊的設備信息，并分別計算完成任務還需移動的距離，最后通過待移動距離來確定一臺設備進行原地等待，當兩臺設備的距離大于安全距離后，暫停作業的設備恢復作業。

圖10 干涉控制模塊仿真流程圖

四

案例分析

1.模型參數設置與整體布局

RaLC是一種三維動畫物流系統仿真快速建模與分析軟件，可用于物流系統的規劃設計、分析與驗證，為物流生產、管理的規劃與設計工作提供經過仿真校驗的科學數據支撐[4]。基于前文提出的模型架構，采用RaLC對兗州國際陸港鐵路集裝箱場站進行1:1建模，模型整體布局圖如圖11所示，站內設施根據作用不同可以分為閘口、輔助作業區、主作業區等10個區域。其中，主作業區布局如圖12所示，區域尺寸被劃分為66貝、12棧、2層，其中設有1條集卡裝卸線（5棧）、1條集卡走行線（4棧）、2條列車裝卸線（2-3棧）；箱位長度為6.5m，箱位寬度為2.5m。主作業區配置一臺軌道吊和一臺正面吊進行協同作業。其中，軌道吊大車空載平均移動速度為75m/min，重載平均移動速度為50m/min；軌道吊小車空載平均移動速度為75m/min，重載平均移動速度為55m/min；軌道吊抓取高/低層集裝箱的操作時間為20s/30s，放置高/低層集裝箱的操作時間為15s/25s；正面吊走行平均速度為16km/h，貨位區域內慢行速度為10km/h；正面吊抓取高/低層集裝箱的操作時間為10s/20s，放置高/低層集裝箱的操作時間為20s/10s。

圖11 模型整體布局圖

圖12 主作業區布局示意圖

2.仿真模擬與結果分析

將場站歷史作業中某一批次的裝卸任務作為仿真模型的輸入數據，共計15個裝卸任務，裝卸任務明細如表1所示。在裝卸任務確定的情況下，調度方案對批次作業中設備的作業效率具有重要影響，為了分析不同調度方案對設備效率的具體影響，使用現行調度方案與使用遺傳算法獲取的調度方案進行對比分析。

表1 裝卸任務明細表

將仿真基礎數據導入仿真模型后運行仿真模型，最終可生成設備運行軌跡圖以及設備作業時間構成圖。在設備運行軌跡圖中，虛線代表設備空載作業軌跡，即設備從當前所處位置出發至完成集裝箱抓取操作整個過程的移動軌跡。實線代表設備帶載作業軌跡，即從當前所處位置出發至完成集裝箱放置操作整個過程的移動軌跡。具體來說，斜線代表設備在不同貝位之間移動，水平線代表設備在同一貝位內抓取或放置集裝箱，雙橫線代表設備原地等待。在設備作業時間構成圖中，將裝卸設備的作業時間分為等待時間、操作時間、空載移動時間和帶載移動時間，將操作時間和帶載移動時間歸類為完成裝卸作業的必要時間，而等待時間和空載移動時間歸類為非必要作業時間。

圖13～圖15為仿真模型輸出的結果數據，其中，圖13和圖14分別為依照現行策略調度方案（方案1）和遺傳算法調度方案（方案2）進行裝卸作業產生的設備運行軌跡圖，圖15為設備作業時間構成圖。通過設備運行軌跡圖可以較為直觀地看出方案2的最大完工時間較小，設備運行更為連續。通過設備作業時間構成可知，方案1的批次作業完工時間為696.93，方案2的批次作業完工時間為524.57，偏差為24.73%。其中，方案1的非必要作業時間為506.31s，方案2的非必要作業時間為348.45，偏差為31.18%；方案1的設備完工時間差為139.86s，方案2的設備完工時間差為0.83s。可見，與方案1相比，方案2總體上更加合理，其效率提升的原因主要體現在以下兩點：（1）根據裝卸設備作業能力的不同，平衡了軌道吊和正面吊的任務量，從而使得兩設備的作業完工時間相近；（2）通過改變裝卸任務的分配方案和作業順序，降低了裝卸設備的非必要作業時間，從而提高了裝卸設備的利用率。

圖13 現行策略調度方案設備運行軌跡圖

圖14 遺傳算法調度方案設備運行軌跡圖

圖15 設備作業時間構成圖

五

結論

本文以典型的鐵路集裝箱場站堆場作業區為研究對象，對鐵路集裝箱場站的基本作業流程進行了分析和總結，并給出了一種仿真建模方法。基于該方法，使用RaLC物流仿真工具構建了特定鐵路集裝箱場站堆場作業區仿真模型。通過仿真模擬，對比了兩種不同調度方案下的作業效率，分析了調度方案對裝卸設備作業效率的影響。所構建的仿真系統能夠對給定的調度方案進行快速模擬分析，提高鐵路集裝箱場站資源配置和調度能力，對提升鐵路集裝箱場站的作業效率，降低運營成本具有重要意義。

參考文獻:

[1]王丹竹,葉飛,田宏業,等.鐵路集裝箱場站調度協同優化體系構建研究[J].鐵道運輸與經濟,

2020,42(12):38-42+48.

[2]王立偉.計算機仿真技術在包裝機械設計制造中的應用[J].現代制造技術與裝備,2024,

60(08):216-218.

[3]葉軍,舒帆,肖攀.集裝箱碼頭堆場全自動軌道式起重機調度控制系統[J].集裝箱化,2022,

33(06):12-15+25.

[4]韓冰.醫院院內箱式物流系統仿真建模與關鍵設備選型及作業優化[D].山東建筑大學,2023.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：羅丹

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