摘 要

近些年来，我国集装箱码头迅速发展，但与此同时越来越多的码头闸口开始频繁出现集卡拥堵的现象，这不仅制约了码头的发展，而且造成了资源的浪费和环境的污染。因此，通过对闸口作业系统进行分析，寻找有效的改善码头闸口排队现象的方法是本文研究的主要目的。

本文基于排队论的相关理论，首先对闸口作业系统进行分析，确定了其性能评价指标以及影响因素。然后对排队论进行了详细的介绍，并在此基础上构建了排队系统的网络模型，介绍了其部分性能指标的一般计算方法。接着通过实证分析验证了集卡到港时间和服务时间的规律，并利用Flexsim仿真软件建立了闸口排队模型，得到了平均等待时间和等待队长等数据。再对集卡的到港规律和闸口服务时间进行变动分析，得到了其对排队系统的影响。最后根据分析的结果，结合实例码头具体的情况，提出了具体的优化闸口排队系统的对策，对码头闸口的后续建设有一定的借鉴意义。

关键词：排队论；数据分析；Flexsim仿真；闸口作业效率；

Abstract

In recent years, China's container terminals have developed rapidly, but at the same time, more and more dock gates have begun to experience the phenomenon of truck congestion. This not only restricts the development of the terminal, but also causes waste of resources and environmental pollution. Therefore, through the analysis of the gate operating system, it is the main purpose of this paper to find an effective way to improve the queuing phenomenon of the gate gate.

Based on the relevant theory of queuing theory, this paper first analyzes the gate operation system and determines its performance evaluation index and influencing factors. Then the queuing theory is introduced in detail and the network model of the queuing system is constructed. The general calculation method of some performance indicators is introduced. Then through the empirical analysis, the rules of arrival time and service time of the card are verified, and the gate queuing model is established by using Flexsim simulation software, and the average waiting time and waiting queue are obtained. Then we analyze the arrival rules of the card and the service time of the gate, and get the impact on the queuing system. Finally, based on the analysis results, combined with the specific situation of the example wharf, the specific countermeasures for optimizing the gate queuing system are put forward, which has certain reference significance for the subsequent construction of the wharf gate.

Key words: queuing theory; data analysis; Flexsim simulation; gate operation efficiency;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 论文结构 3

第2章 集装箱码头作业系统分析 5

2.1 码头作业系统的组成 5

2.2 闸口作业系统分析 5

2.1.1 闸口的作业流程 6

2.1.2 闸口的性能评价指标 7

2.3 影响闸口作业效率的主要因素 8

2.4 本章小结 9

第3章 闸口排队模型的构建 10

3.1 排队论基本理论 10

3.1.1 排队系统的组成及特征 10

3.1.2 排队模型的分类 11

3.1.3 排队系统的性能评价指标 11

3.2 闸口排队模型的分析与假设 12

3.3 M/G/S/∞/∞/FCFS排队系统 13

3.4 本章小结 14

第4章 闸口作业系统实证分析 15

4.1 某集装箱码头闸口作业现状分析 15

4.2 闸口排队系统随机性分析 15

4.2.1 集卡到达服从的分布 16

4.2.2 服务时间服从的分布 17

4.3 仿真模型的建立与求解 19

4.3.1仿真建模 19

4.3.2 模型求解 20

4.4 仿真模型的优化 21

4.4.1 集卡到港规律优化 21

4.4.2 闸口服务时间优化 22

4.5 本章小结 24

第5章 提升闸口作业效率的对策 25

5.1完善集卡到港预约系统 25

5.2 加快智能闸口的建设 25

5.3设置停车缓冲区 26

5.4 经济性和环保性分析 26

5.5 本章小结 26

第6章 总结与展望 27

6.1 总结 27

6.2 展望 27

致谢 28

参考文献 29

绪论

研究背景及意义

随着经济发展的全球化，各国之间的贸易往来也逐渐增多，在各国互通有无的同时，大批量的货物运输也对码头提出了更高的要求。传统的码头作业效率低下，远不能满足经济发展的需求，因而有了集装箱码头的出现。集装箱运输具有高效、高收益、安全等特诸多的优点，在推行之初便得到了飞速的发展。我国集装箱码头的建设起步较晚，但是从上个世纪80年代开始，在国家政策的扶持下使得集装箱码头开始飞速发展。从图1.1中可以看出，到2017年，我国的集装箱吞吐量就已经超过了两亿标箱，而且呈现出稳定增长的趋势。在全球排名前20的集装箱港口，中国就占据了半数，前十就有7个港口属于中国，可见，我国集装箱运输的发展对于自身乃至全球的经济发展都具有重大的意义。

图1.1 中国港口集装箱吞吐量

但是在我国经济飞速发展的同时，集装箱码头的业务量持续快速的增长对码头而言则是一个巨大的挑战，许多集装箱码头的生产作业能力还不能习惯快速发展的经济环境下集装箱吞吐量上升所产生的压力，集装箱码头太过繁忙造成周围路段交通堵塞的状况在我国时有发生。而集装箱码头闸口作为集卡进出码头的必经之地，在很大程度上决定了整个集装箱码头的运转速度，如何对闸口作业系统进行改进，较少集卡拥堵现象的产生，是相关学者研究的重点。

造成码头集卡拥堵的原因一方面是业务量的增加，而另一方面则是由于外部集卡到达时间的随机性和不确定性，使得高峰期大量的集卡同时到港。集卡在码头长时间的排队等待，不仅会影响货运公司及码头的运营效率，降低了收益，而且还会影响港区交通秩序，集卡在等待过程中排放的尾气也会严重污染港区环境。因此，如何减少集卡排队等待时间、提高闸口的作业效率是所有集装箱码头在当前低碳经济下必须重视并解决的问题。目前，为了应对集卡拥堵的问题，许多方法相继被提出，并在码头中得到了实践，例如集卡预约进港、无纸化办公等方法。这些方法对减少外部集卡在闸口处的等待时间起到了一定的效果，也提升了码头的作业效率，但是效果并不明显，许多闸口依旧还存在严重的排队问题。这说明仅依靠现有的方法还不足以解决这一问题，因此，如何有效的提高集装箱码头闸口的作业效率依旧具有很高的研究价值。

基于上述问题，本文主要对集装箱码头闸口作业系统进行深入分析，希望通过对排队管理相关理论的研究及在闸口的应用，总结目前集装箱码头闸口排队现象产生的原因，分析集卡进场提箱的流程，并且对闸口的数据进行分析，将集卡提箱顺序考虑到闸口排队优化模型中，构建码头进场闸口排队模型，通过控制变量的方法对影响集装箱码头闸口作业效率的各个因素进行分析，对整个排队模行进行优化，以求得到更加全面有效的闸口作业效率的优化方法。

国内外研究现状

国外研究现状

国外学者对于集装箱码头闸口的研究相对较早，而且在对码头闸口进行研究之时，综合考虑堆场以及外部因素等对闸口的影响，对闸口作业系统进行了大量的研究。

2002年，Kap Hwan Ki等^[1]将动态规划方法用于对集装箱码头堆场的研究当中，并综合考虑集卡的到达规律以及在闸口处的排队情况，构建了集卡在堆场的动态规划模型，并采用遗传算法对模型进行了调整。

2007年，Pietro Canonaco等^[2]将离散事件系统的仿真与排队论相结合，对集装箱码头岸桥的操作流程进行了仿真建模分析，并通过改变仿真模型中的各项指标对不同情况下的岸桥作业效率进行了求解，对闸口的建模是一个很好的借鉴。

2009年,Guan和Liu等^[3]运用排队论的相关思想，构建了M/Ek/C闸口排队模型，并将闸口的运营成本以及集卡的等候成本考虑到排队模型中，以成本最小化为目标对排队模型进行了优化。

2011年，Omor Sharif等^[4]基于“El Farol Bar问题”的思想，构建了基于代理的仿真模型。通过预估闸口排队的队长来控制集卡的出发时间，使集卡能稳定的到达码头。从集卡公司调度员的角度对减少闸口的拥堵现象进行了研究。

2013年，Gang Chen和Kannan等^[5]建立了非稳态下的闸口M/Ek/C排队模型，在闸口实行集卡预约的前提下，利用遗传算法对集卡预约的时段以及份额进行了优化。

2016年，Ichio Motono等^[6]通过研究表明闸口处的拥堵主要是由携带错误信息的集卡引起的，并针对此问题提出了一种多服务台排队模型，得到服务强度公式，不仅评估了防止拥堵措施的有效性，而且可以解释拥堵产生的原因。

国内研究现状

国内学者对于闸口方面的研究较多，主要从改变闸口的作业模式、集卡到港预约等方面对闸口作业系统进行了优化。

2006年，于越^[7]运用Arena仿真软件建立了基于排队理论的闸口作业系统的仿真模型，并以运营费用最小化为目标对闸口的调度作业以及资源的分配进行了优化。

2010年，郑东学^[8]总结了影响闸口作业效率的因素并建立了闸口排队系统的网络模型，之后又对模型中涉及的各影响因素进行了敏感性分析，得出主要影响因素并对如何提升闸口的作业效率给出了相关建议。

2013年，许晓雷^[9]以单位时间内集卡等待费用和闸口服务费用之和最小为目标，构建了求解最优服务闸口数量的数学模型，并通过实例证明了模型的实用性。

2014年，张莎莎等^[10]建立了多种闸口交通智能预测模型，通过对船期表分析来预测闸口处的车流量信息，为码头的调度工作提供依据，并通过实例分析比较了各预测模型的优劣并对模型进行了修正。

2015年，张晓菊^[11]充分考虑到堆场对闸口作业效率的影响，构建了预约机制下的2级BCMP排队网络，以集卡在码头的周转时间最小为目标，对集卡的预约份额进行了优化。在此基础上构建了基于内外集卡作业情况以及堆场资源分配的集卡预约优化模型。

2016年，曾露玲和吴宏^[12]通过分析集卡在闸口的作业流程，运用ProModel软件构建了闸口作业系统仿真模型。从高峰时段和低谷时段两个方面进行研究，分别设计了不同的通道配置方案，并通过仿真得出了最优配置方案。

2017年，王文渊等^[13]提出一种动态调整闸口通道作业类型的作业模式，通过在一定条件下改变进闸口和出闸口的比例来缓解闸口的拥堵。

2018年，陈玉婷^[14]利用Plant Simulation软件建立了基于堆场交通流的多级闸口仿真模型，通过多级闸口与单级闸口的比较，验证了多级闸口的应用能极大的提升闸口的作业效率。

综合对国内外研究的现状可以看出，随着集装箱吞吐量的增加以及高新技术的发展，对于码头闸口的研究也愈发受到学者的重视，对于闸口作业涉及到的各个方面都进行了细致的研究，虽然有些研究还未能广泛应用到现实的码头当中，但也是未来码头的建设重要的参考。

1.3 论文结构

本文主要应用排队管理的相关理论对集装箱码头闸口作业系统进行建模分析，并对其进行优化，主要内容如下：

1. 首先对本文的研究背景及意义进行概述，说明了闸口排队现象产生的原因及危害，指出本次研究的重要意义。然后分别介绍了国外研究现状和国内的研究现状，最后给出本文的结构。
2. 对集装箱码头作业系统进行了分析，主要介绍了码头作业系统的组成及闸口的作业流程和性能评价指标以及影响闸口作业效率的因素，为后文闸口排队模型的建立及分析奠定基础。
3. 介绍排队论基本理论并构建了闸口排队系统的网络模型，并介绍了一般情况下闸口所对应的数学模型。
4. 通过收集整理具体码头闸口的相关数据，运用SPSS软件对集卡到港和服务时间的规律进行了分析，得到了分布规律，并通过Flexsim软件建立了闸口排队模型，得到了相应的评价指标的数据。最后对模型进行了优化
5. 根据对模型优化的结果，结合码头的现状提出了提高闸口作业效率的对策。
6. 总结与展望。对论文的内容进行总结，对现阶段的研究成果进行评价并指出不足和下一步的研究方向。

集装箱码头作业系统分析

2.1 码头作业系统的组成

集装箱码头作业系统主要由泊位子系统、堆场子系统和集疏运子系统等若干子系统组成，各个子系统之间相互衔接与配合，使得码头的作业能够有条不紊的进行，任何一个子系统出现问题或是有所发展，都将影响整个码头作业系统的作业效率。下面我们对这几个子系统分别进行简单介绍。

1. 泊位子系统

泊位子系统主要由泊位、岸桥、船舶和水平运输机械等要素组成，是码头作业系统中最为重要的一个部分。其中，泊位是指码头规划的停靠船舶的地方，位于码头的最前沿，其数量与大小是评价一个码头规模大小的重要指标；岸桥既岸边集装箱起重机，用于岸边集装箱的装卸作业，其装卸效率直接决定了泊位的通过能力；水平运输机械主要指内集卡，用于集装箱的转运。

1. 堆场子系统

堆场子系统主要由堆场及场桥组成，堆场又分为前方堆场、后方堆场和空箱堆场，是用于集装箱临时存放的场所，主要负责集装箱的保管、交接、转运、装卸等工作；场桥则是堆场中用于装卸作业的起重机。堆场子系统的作业效率很大程度上取决于集疏运子系统的作业效率以及场桥的数量，集疏运系统的作业效率越高，场桥数量越多，多长子系统的作业效率越高。当然，场桥数量也不是越多越好，需要保持所有场桥都有一个较高的利用率，以免造成资源的浪费。

1. 集疏运子系统

集疏运子系统主要由集装箱卡车、集疏设施和闸口等多个部分组成，其中集装箱卡车主要用于集装箱的运输，按照运输场地的不同又分为外集卡和内集卡；集疏设施是指公路、铁路等，是集疏运的基础；闸口则是控制集卡进出的关口，是本文最主要的研究对象，接下来会详细对其进行介绍。

2.2 闸口作业系统分析

集装箱码头闸口，又称道口、检查口、检查桥等，是集装箱进出码头的必经之地。作为集装箱码头最重要的组成部分之一，闸口是码头内外责任的分解点，它的主要功能是录入进出港集装箱的信息、检查箱体和对相关单据的审核和交接，其稳定高效的运行是码头其他工作正常进行的基础。

2.1.1 闸口的作业流程

闸口的作业内容依据到达集卡类型的不同，分为提进口重箱、提进口空箱、出口重箱集港、出口空箱集港、提退关箱等操作。其主要的作业流程如图2.1所示。

图2.1 闸口作业流程图

1. 进箱业务：在集卡到达闸口处时，首先由地磅称量集装箱重量，进场检验员核对集卡车牌号与设备交接单内容，区分进场箱类型；然后由进场检验员对集装箱进行箱内、箱外、箱顶全方位检验，如果发现集装箱存在损坏的情况，要记录损坏位置、损坏项目、维修方案，同时拍摄相关照片，填写集装箱检验单，传递给报价员（报价员的工作不在闸口）。最后由进场检验员在设备交接单上记录集装箱箱况、箱龄、自重、皮重等基础信息，传递给进场调度员；进场调度员拿到设备交接单后，首先检查相关手续是否齐全，然后将集装箱基础信息录入堆场ERP系统，收取相关单据和费用，安排集装箱放置区位，最后打印进场小票。司机持进场小票进场，完成进箱闸口作业。
2. 提箱业务：进行提箱作业时，集卡司机提交提货单，闸口检验员首先核对提箱信息，收取提箱凭证，然后根据提货单确定所要提取的集装箱的位置，打印“提箱小票”给集卡司机，司机持“提箱小票”进入堆场提取集装箱，完成提箱闸口作业。

2.1.2 闸口的性能评价指标

闸口性能评价指标是通过对闸口各个工作环节中产生的各项数据进行研究，运用科学的统计分析方法，揭示其特征。闸口的性能评价指标主要有：

1. 闸口年作业量

闸口的年作业量指的是在特定时间段内（一般为一年），进出闸口的集装箱的总数目，单位为TEU。

（2）箱位比

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