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摘要：为提升铁路集装箱场站的资源配置和调度能力，对铁路集装箱场站堆场作业区仿真建模方法进行了研究，设计了一种物流仿真模型建模架构。基于该架构，以某企业铁路集装箱场站为对象，应用RaLC物流仿真软件构建了堆场作业区的仿真模型，分析了不同调度方案对设备运行效率的影响。仿真模型能够快速模拟并评估给定的调度方案，对提高铁路集装箱场站的作业效率和降低运营成本具有重要意义。
关键词：“双碳”目标；行李处理系统（Baggage Handling System）；设备耗电采集监控系统；节能控制模式；能量回收；储能系统
作者：吴瑞博1 李明1 王文蕊2 崔维华3 庄庆胥3
1为山东建筑大学信息与电气工程学院
2为山东建筑大学交通工程学院
3为中铁十四局集团物流有限公司
一
引言
铁路集装箱场站（简称“场站”）作为集装箱多式联运网络中的重要节点，其作业效率和服务水平直接影响集装箱运输效率和物流服务质量。当前，国内场站的信息化、智能化水平相对较低，对于场站内资源要素的配置、调度和使用更多依赖于作业人员的经验，作业调度的全局最优性、系统科学性、快速响应能力不足[1]。计算机仿真能够动态模拟系统中的各种活动及其特征，具有出色的可控性、灵活性、经济性和可重复性，避免了实际试验可能带来的高昂成本和潜在损失[2]。针对场站一般作业工艺流程，设计一种场站堆场作业区仿真模型构造方法，实现对给定批次作业和调度方案下的堆场作业流程模拟。通过对批次作业的提前仿真预演，减少人工调度可能出现的决策失误，提升场站的整体运营效率。
二
铁路集装箱场站典型布局与作业流程
1.场站典型布局
场站包含闸口、堆场作业区和站内服务区，如图1所示。闸口是场站进出口集装箱和各种运输机械的出入口。堆场作业区是场站的核心作业区域，包括主作业区和辅助作业区。主作业区是完成在“铁路-公路”之间转运集装箱的主要区域，由铁路装卸线、主堆场和集卡通道组成；辅助作业区用于堆存危险品箱、冷藏箱等特种箱或转运周期较长的集装箱，由集装箱堆存区域及集卡装卸通道组成。站内服务区为场站的作业、人员、车辆等提供综合服务。
2. 场站作业流程
场站内集装箱的转运作业涉及的装卸设备主要有轨道式龙门起重机（简称“轨道吊”）、集装箱正面起重机（简称“正面吊”）和集装箱卡车（简称“集卡”）。轨道吊是场站的主要装卸设备，负责主堆场的堆存与提箱作业。正面吊是一种流动机械，用于辅助作业区内集装箱堆存与提箱作业，在未配备轨道吊的场站内，正面吊也会负责主堆场的集装箱作业。集卡根据转运用途的不同分为内集卡和外集卡，内集卡负责场站内部集装箱的周转作业，外集卡连通客户与场站，负责客户与场站之间的集装箱转运作业。
图1 场站功能布局
在场站中，集装箱的类型、存储要求、加工需求和场站作业情况共同决定了场站的作业流程，集装箱在场站内的装卸作业流程大致如图2所示。根据集装箱类型，场站作业可以大致分为铁路到达箱作业、公路到达箱作业和铁路中转箱作业三类。在每类作业中，根据集装箱存储要求、加工需求和场站作业情况，又可分为多种作业流程。在铁路到达箱作业中，待卸载的集装箱列车被牵引至场站后，需要通过轨道吊或正面吊进行卸车作业，将集装箱堆码至主堆场进行存储，待外集卡到达后进行装车，经门区验货、核对票据后离开场站，如流程①所示；部分铁路到达箱也可不落地直接装车至外集卡，经门区相关作业后离开，如流程②所示；此外，部分需要在站内其余功能区内部进行加工、监管或需要特殊储存条件的铁路到达箱（如冷藏箱、海关监管箱等），可由内集卡搬运至加工区域或辅助堆场，之后由外集卡取出，如流程③所示。公路到达箱作业与铁路到达箱作业基本一致，只是作业顺序相反，具体可以分成④、⑤、⑥三种作业流程，此处不再赘述。中转集装箱的作业与铁路到达箱作业稍有不同，当集装箱班列到达场站后，会依据集装箱是否需要更换货运列车进行不同的作业流程。若集装箱无需更换列车，则不需要对集装箱进行装卸操作，站内工作人员进行箱号核对和外观检查后直接中转；若集装箱需要更换列车，则站内工作人员对集装箱信息进行核对后，判断待发列车是否满足装卸条件，若待发列车允许进行装卸作业，则使用装卸设备直接将集装箱装载至待发列车，如流程⑦所示，否则需要由装卸设备进行卸车堆码，有发送需求时再进行装车作业，如流程⑧所示。
图2 铁路集装箱场站作业流程示意图
三
场站物流仿真模型建模架构
基于场站作业流程，构建一个针对场站堆场作业区的仿真系统。该仿真系统架构主要包括基础数据层、设备控制层、设备调度层和仿真控制层四个层次，如图3所示。
图3 仿真系统架构图
1.仿真控制模块
仿真控制模块用于对仿真流程进行初始化和总体控制。仿真开始后，仿真控制模块会读取仿真数据库中初始箱位信息表的信息，依照箱位号在指定位置生成集装箱实体。待堆场初始化完毕，依照仿真数据库内登记的到发货物需求，向集卡控制模块和列车控制模块发送生成指令。
2.列车控制模块
列车控制模块用于模拟列车的到发作业，仿真流程如图4所示。在接收到主控模块发出的列车生成指令和列车编号后，列车控制模块将依据存储在数据库中的列车挂车信息来创建列车实体。生成的列车实体将自身的货运信息上传至数据库的调度数据表之后，会进入装卸线进行等待。一旦装卸任务完成，列车实体将自动离开装卸线并执行实体删除操作。
图4 列车控制模块仿真流程图
3.集卡控制模块
集卡控制模块用于模拟集卡的到达、发送以及装卸作业，仿真流程如图5所示。在接收到主控模块发出的集卡生成指令和车牌号后，集卡控制模块将依据存储在数据库中的集卡信息来创建集卡实体。生成的集卡实体将自身的货运信息上传至数据库的调度数据表之后，会进入停车区域等待调度；当接收到调度模块发出的调度指令后，通过集卡走行线进入集卡装卸线，协同装卸设备进行作业。一旦装卸任务完成，集卡实体将通过集卡走行线离开堆场作业区并执行实体删除操作。
图5 集卡控制模块仿真流程图
4.轨道吊控制模块
轨道吊控制模块用于模拟轨道吊与集卡的协同装卸作业，仿真流程如图6所示。整个过程可以被分为接受任务、空载移动、抓取集装箱、重载移动、放置集装箱和请求调度六部分。其中，为了规避轨道吊在作业过程相撞，在执行移动操作之前，需要对其余轨道吊的位置和作业状态进行检测并运用防撞逻辑[3]进行干预，防撞逻辑如图7所示。在执行抓取集装箱操作和放置集装箱操作之前，需要对装卸作业条件进行检查，检查内容主要包括集卡作业是否就绪、抓取位置上方是否无集装箱叠压、是否出现悬空放置的情况。若当前条件不满足安全装卸的要求，轨道吊将暂停操作并原地等待，直至所有作业条件得到满足并确认安全无误。
图6 轨道吊模块仿真流程图
图7 多轨道吊防撞逻辑流程图
5.正面吊控制模块
正面吊控制模块用于模拟正面吊与集卡的协同装卸作业，仿真流程如图8所示。与轨道吊控制模块相似，但受制于地面移动的作业特点，正面吊只能在集卡走行线、集卡装卸线以及空闲集装箱堆存区域内行驶和作业。因此在执行抓取集装箱操作和放置集装箱操作之前，除了需要对装卸作业条件进行检查外，还需要检查作业线路上是否有集装箱阻碍。
图8 正面吊模块仿真流程图
6.设备调度模块
设备调度模块用于向中心站内装卸设备派发任务，仿真流程如图9所示。任务调度模块通过事前输入至仿真模型数据库中的设备调度方案依次下发任务，其中，调度方案以任务队列的形式保存，依据设备类型的不同，分为轨道吊任务队列和正面吊任务队列两部分。当搬运设备完成任务后，向调度模块请求任务调度，调度模块将根据设备类型在任务队列中依次抽取任务进行下发。
图9 设备调度模块仿真流程图
7.干涉控制模块
在场站的实际作业中，一般会配备多台轨道吊和正面吊进行协同作业，虽然轨道吊和正面吊允许相互交叉穿越，但在轨道吊装卸作业或重载移动过程中设备间存在以下潜在干涉。（1）轨道吊与正面吊在相同贝位同时装卸作业；（2）轨道吊装卸作业时，正面吊主动于轨道吊下方穿越；（3）正面吊装卸作业时，轨道吊重载主动于正面吊上方穿越；（4）轨道吊重载移动期间，正面吊主动于轨道吊下方穿越。干涉控制模块用于监控和控制轨道吊和正面吊的作业进程，规避干涉情况的发生，确保协同作业安全进行。仿真流程如图10所示，其通过不断对设备之间的距离和作业状态进行检测来判断干涉情况。当出现干涉情况时，获取存在潜在干涉情形的轨道吊和正面吊的设备信息，并分别计算完成任务还需移动的距离，最后通过待移动距离来确定一台设备进行原地等待，当两台设备的距离大于安全距离后，暂停作业的设备恢复作业。
图10 干涉控制模块仿真流程图
四
案例分析
1.模型参数设置与整体布局
RaLC是一种三维动画物流系统仿真快速建模与分析软件，可用于物流系统的规划设计、分析与验证，为物流生产、管理的规划与设计工作提供经过仿真校验的科学数据支撑[4]。基于前文提出的模型架构，采用RaLC对兖州国际陆港铁路集装箱场站进行1:1建模，模型整体布局图如图11所示，站内设施根据作用不同可以分为闸口、辅助作业区、主作业区等10个区域。其中，主作业区布局如图12所示，区域尺寸被划分为66贝、12栈、2层，其中设有1条集卡装卸线（5栈）、1条集卡走行线（4栈）、2条列车装卸线（2-3栈）；箱位长度为6.5m，箱位宽度为2.5m。主作业区配置一台轨道吊和一台正面吊进行协同作业。其中，轨道吊大车空载平均移动速度为75m/min，重载平均移动速度为50m/min；轨道吊小车空载平均移动速度为75m/min，重载平均移动速度为55m/min；轨道吊抓取高/低层集装箱的操作时间为20s/30s，放置高/低层集装箱的操作时间为15s/25s；正面吊走行平均速度为16km/h，货位区域内慢行速度为10km/h；正面吊抓取高/低层集装箱的操作时间为10s/20s，放置高/低层集装箱的操作时间为20s/10s。
图11 模型整体布局图
图12 主作业区布局示意图
2.仿真模拟与结果分析
将场站历史作业中某一批次的装卸任务作为仿真模型的输入数据，共计15个装卸任务，装卸任务明细如表1所示。在装卸任务确定的情况下，调度方案对批次作业中设备的作业效率具有重要影响，为了分析不同调度方案对设备效率的具体影响，使用现行调度方案与使用遗传算法获取的调度方案进行对比分析。
表1 装卸任务明细表
将仿真基础数据导入仿真模型后运行仿真模型，最终可生成设备运行轨迹图以及设备作业时间构成图。在设备运行轨迹图中，虚线代表设备空载作业轨迹，即设备从当前所处位置出发至完成集装箱抓取操作整个过程的移动轨迹。实线代表设备带载作业轨迹，即从当前所处位置出发至完成集装箱放置操作整个过程的移动轨迹。具体来说，斜线代表设备在不同贝位之间移动，水平线代表设备在同一贝位内抓取或放置集装箱，双横线代表设备原地等待。在设备作业时间构成图中，将装卸设备的作业时间分为等待时间、操作时间、空载移动时间和带载移动时间，将操作时间和带载移动时间归类为完成装卸作业的必要时间，而等待时间和空载移动时间归类为非必要作业时间。
图13～图15为仿真模型输出的结果数据，其中，图13和图14分别为依照现行策略调度方案（方案1）和遗传算法调度方案（方案2）进行装卸作业产生的设备运行轨迹图，图15为设备作业时间构成图。通过设备运行轨迹图可以较为直观地看出方案2的最大完工时间较小，设备运行更为连续。通过设备作业时间构成可知，方案1的批次作业完工时间为696.93，方案2的批次作业完工时间为524.57，偏差为24.73%。其中，方案1的非必要作业时间为506.31s，方案2的非必要作业时间为348.45，偏差为31.18%；方案1的设备完工时间差为139.86s，方案2的设备完工时间差为0.83s。可见，与方案1相比，方案2总体上更加合理，其效率提升的原因主要体现在以下两点：（1）根据装卸设备作业能力的不同，平衡了轨道吊和正面吊的任务量，从而使得两设备的作业完工时间相近；（2）通过改变装卸任务的分配方案和作业顺序，降低了装卸设备的非必要作业时间，从而提高了装卸设备的利用率。
图13 现行策略调度方案设备运行轨迹图
图14 遗传算法调度方案设备运行轨迹图
图15 设备作业时间构成图
五
结论
本文以典型的铁路集装箱场站堆场作业区为研究对象，对铁路集装箱场站的基本作业流程进行了分析和总结，并给出了一种仿真建模方法。基于该方法，使用RaLC物流仿真工具构建了特定铁路集装箱场站堆场作业区仿真模型。通过仿真模拟，对比了两种不同调度方案下的作业效率，分析了调度方案对装卸设备作业效率的影响。所构建的仿真系统能够对给定的调度方案进行快速模拟分析，提高铁路集装箱场站资源配置和调度能力，对提升铁路集装箱场站的作业效率，降低运营成本具有重要意义。
参考文献:
[1]王丹竹,叶飞,田宏业,等.铁路集装箱场站调度协同优化体系构建研究[J].铁道运输与经济,
2020,42(12):38-42+48.
[2]王立伟.计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用[J].现代制造技术与装备,2024,
60(08):216-218.
[3]叶军,舒帆,肖攀.集装箱码头堆场全自动轨道式起重机调度控制系统[J].集装箱化,2022,
33(06):12-15+25.
[4]韩冰.医院院内箱式物流系统仿真建模与关键设备选型及作业优化[D].山东建筑大学,2023.
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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