بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی استراتژی های سیستم حمل و نقل داخلی در یک بندر کانتینری چند وجهی به کمک مدل شبیه سازی
چکیده
در دو دهه ی اخیر سیستم های حمل و نقل کانتینری با رشد فزاینده ای رو به رو بوده اند. این حقیقت اهمیت حمل و نقل کانتینری را به عنـوان یـک نقش اساسی از ترمینال های کانتینری برای ارتباط میان دریا و خشکی روشن می کند. بنابراین همواره یک نیاز اساسی برای استفاده بهینه از تجهیزات و امکانات در بنادر وجود دارد. با توجه به ساختار پیچیده ی بنادر کانتینری، این مقاله یک مدل شبیه سازی را به منظـور مقایسـه ی دو اسـتراتژی حمـل و نقـل و انبـارش کانتینرها در یک ترمینال کانتینری ارائه می کند. برای این منظور از نرم تخلیه و بارگیری به عنوان یک معیار مهم برای ارزیابی عملکـرد بنـدر کـانتینری شـهید رجایی بهره گرفته ایم. با تحلیل نتایج نشان داده خواهد شد که استفاده از استراتژی مارشالینگ یارد به جای استفاده از سیستم کنونی انبارش برای ذخیره سـازی کانتینرها یک اثر معنا دار بر روی معیار عملکرد بندر خواهد داشت و می تواند نرم تخلیه و بار گیری را به میزان 41 در صد افزایش دهد.
کلمات کلیدی: شبیه سازی، بندر کانتینری، مارشالینگ یارد، استراتژی انبارش
مقدمه
رشد فزاینده حمل و نقل کانتینری دریایی و روند رو به رشد استفاده از کانتینر در سیستم های حمل و نقل چند وجهی میان دریـا، ریـل، جـاده در بـازار تجارت جهانی، مدیران ارشد ترمینال های کانتینری را با چالش هایی در خصوص افزایش تقاضا، شرایط رقابتی، سرمایه گذاری های جدید، گسترش فعالیت های به روز و نیاز به استفاده از روش های جدید برای انجام عملیات اثر بخش چه در خشکی و چه در اسکله، به وجود آورده است. این افزایش استفاده از کانتینر بـه 4 تا 6 در صد در سال رسیده (4) و پیش بینی می شود این افزایش نرخی برابر با 41 در صد تا سال 0101 داشته باشد (0) جایی که این رشد برای سایر حمـل و نقل های دریایی تنها 0 درصد پیش بینی شده است.
بندر کانتینری شهید رجایی به عنوان بزرگترین بندر کانتینری ایران، در جنوب کشور و در دهانه تنگه هرمز قرار دارد که بابیش از 51 بندر معروف دنیـا دارای ارتباط تجاری است. ترمینال های 4 و 0 این بندر با ظرفیت نگهداری بیش از TEU 435111، قادرند تا سالانه TEU 0411111 عملیات کانتینری انجام دهند. عملکرد بندر کانتینری شهید رجایی نشان دهنده ی رشد این بندر در سال های اخیر است به طوری که در ارتقاء رتبه آن در گزارشـات جهـانی تـاثیر
قابل تاملی گذاشته است. مطابق آمار های نشریات معتبر جهانی، بندر کانتینری شهید رجایی با TEU 0261111 عملیات کانتینری در سـال 0141 در رتبـه 11 دنیا قرار دارد .(0)
مرور تحقیقات گذشته نشان می دهد که بیشتر آن ها از تئوری صف به عنوان یک ابزار برای تخمین عملکرد بنادر کانتینری استفاده کرده انـد، هماننـد کوزان(.(1 اما بیشتر آن ها از فرض های ساده سازی برای مدل سازی دنیای واقعی استفاده کرده اند .(2) برای مثال اکثر مطالعات تنها از یک صف واحـد بـرای مدل سازی عملیات داخلی استفاده کردند در حالی که در یک بندر واقعی تعداد زیادی از شبکه های صف وجود دارد که پیچیدگی مسائل بندری را افزایش داده و از توان روش هایی حل تئوری شبیه تئوری صف برای حل مسائل می کاهد. ون یون یان((3 نتیجه گرفت که روش شبیه سازی یک گزینه اثربخش برای تحلیل سیستم های موجود در بنادر کانتینری است. در کنار اهمیت روش های حل مسائل بندری، طبقه بندی مسائل تنوع زیادی در انجام مطالعات گذشته ایجـاد کـرده است. مطابق طبقه بندی ارائه شده در (4)، مطالعه حاضر یک مسئله استراتژی از نوع برنامه ریزی و مرتبط با زیر سیستم حمـل و نقـل و انبـارش در یـک بنـدر کانتینری است. مدیریت عملیات محوطه انبارش شامل مسائل تصمیم گیری مختلفی است: طراحی سیاست های انبارش کانتینرها در بلوک ها مطابق مشخصات کانتینرها (سایز، وزن، مقصد، وارداتی بودن، صادراتی بودن و ...)، مسئله تخصیص، مسیرهای حرکتی و برنامه ریزی جرثقیل ها، طراحی فضاهای نگهداری موقت برای کانتینرهای صادراتی(.(4 چونگ و همکاران (5) یک متدولوژی بر پایه ی سیستم شبیه سازی گرافیکی برای شبیه سازی فضای نگـه داری موقـت در کنـار اسکله ارائه کردند. هدف این متدولوژی افزایش استفاده از ظرفیت تجهیزات حمل و نقل و کاهش زمان بارگذاری کانتینرهاست .(6) ویس و همکارانش استفاده از فضای محوطه انبارش را برای انتقال مجزا در اسکه و خشکی ارائه کردند به طوری که فرآیند می تواند به صورت دو زیر فرآیند جدا شود: تخلیـه و انتقـال. یـک برنامه ریزی عدد صحیح تعداد کمینه ناوگان حمل و نقل را تعیین می کند. همچنین در این تحقیق نتایج تجربی به وسیله شبیه سازی صحه گذاری شدند. لـی و همکارانش (44) مسئله تخصیص فضای انبار را در یک بندر واسط با هدف کاهش ترافیک در بندر مورد بررسی قرار دادند. لـی و هسـو (40) یـک مـدل بـرای مساله مرتب سازی مجدد کانتینرها به منظور بهره برداری مناسب از فضای محوطه بندر کانتینری و سرعت بخشیدن به عملیات بارگذاری ارائه و مساله را با یک الگوریتم هیورستیک حل کردند.
با توجه به مرور مختصر مطالعات در خصوص بهینه سازی مسائل بنادر کانتینری، می توان گفت کمتر مطلبی یافت می شود که نتایج ارائه شده ی خود را با داده های حاصل از مساله واقعی مورد مقایسه قرار داده باشد و در واقع مساله را معتبر سازی کرده باشد. در این مقاله سعی کرده ایم یک مدل عمومی بـرای تمامی زیر سیستم های موجود در بندر کانتینری شهید رجایی به منظور ایجاد درجه ی مناسبی از یکپارچگی میـان زنجیـره تـامین در بنـدر بـه منظـور سـنجش عملکرد آن ارائه کنیم. استفاده از نرم افزار شبیه سازی ٍED و بهره گیری از محیط گرافیکی و سه بعدی آن در کنار امکانات انیمیشن سازی باعث شد تـا درجـه ی مورد قبولی از صحت مدل ساخته شده کسب شود. در مدل ارائه شده سه زیر سیستم کشتی به اسکله، انتقال از اسکله بـه محوطـه انبـارش و بـالعکس و زیـر سیستم انبارش وجود دارند که درجه ی قابل قبولی از یکپارچگی میان اجزای حمل و نقل کانتینر درون یک ترمینال کانتینری را فراهم می کند. نکته قابل تامـل دیگر در مطالعه حاضر در نظر گرفتن جزئیات مشخصه های فنی تجهیزات حمل و نقل و در نظر گیری حالات تصادفی در شـاخص هـای خرابـی و تعمیـرات آن هاست که تا کنون در مظالعات قبلی دیده نشده است.
هدف از ارائه این مقاله ایجاد یک مدل از بندر کانتینری شهید رجایی به منظور ارزیابی عملکرد بنـدر در دو اسـتراتژی مختلـف و مقایسـه ی آنهاسـت. استراتژی اول سیستم انبارش حال حاضر می باشد و استراتژی دوم مدل پیشنهادی ما است که کانتینرها را پس از تخلیه به صورت موقت در فضایی نزدیـک بـه اسکله به نام مارشالینگ یارد نگه داری می کند. برای این منظور ما از معیار نرم تخلیه و بار گیری به عنوان یک شـاخص مهـم در بنـدر اسـتفاده کـرده ایـم. در قسمت دوم شرح مختصری از مساله مورد بحث ارائه می شود. در قسمت سوم فرآیند مدل سازی تشریح می شود. در قسمت چهارم خروجی شـبیه سـازی بـرای مقایسه دو استراتژی به کار گرفته می شود و در نهایت در قسمت پنجم نتایج کارگزارش می شود.
تشریح مساله
یک ترمینال کانتینریَ محلی است که کشتی ها می توانند در کنار اسکله های آنها پهلو دهی و بوسیله ی گنتری کرین ها خدمت داده شوند. این خدمت دهی شامل تخلیه کانتینر از روی کشتی و یا بارگذاری کانتینر بر روی کشتی می باشد. همچنین ترمینال های کانتینری می توانند به عنوان یک محوطه ی انبارش موقت تلقی شوند به طوری که کانتینرها می توانند از لحظه تخلیه شدن از روی کشتی تا لحظه تحویل به مشتری در آن باقی بمانند. بنابراین کانتینرهای تخلیه شده بوسیله ی گنتری کرین ها می بایست به فضای مناسبی در محوطه انبارش منتقل شوند. برای انجام این کار، پس از تخلیه کانتینرها از روی کشتی بر روی کامیون هایی بار گذاری می شوند تا کامیون ها آن ها را به محوطه انبارش منتقل کنند. با در نظر گیری این نکته که کانتینر تخلیه شده وارداتی، یخچالی، ترانشیپ یا خالی است می بایست به بلوک در نظر گرفته شده در محوطه منتقل شود. به محض اینکه کامیون ها به محوطه انبارش می رسند تجهیزات دیگری به نام جرثقیل های چرخ دار شروع به تخلیه کانتینرها از روی کامیون ها کرده و آن ها را در محل های مخصوص در بلوک ها جایگذاری می کنند. همانطور که قبلاً نیز ذکر شد یک کانتینر می تواند از یک ساعت تا چندین روز در محوطه انبارش نگه داشته شود و پس از آن از محوطه انبارش به منظور تحویل به مشتری و یا بار گیری بر روی کشتی خارج می شود. کانتینرهای ترانشیپی آنهایی هستند که از روی کشتی های بزرگتر در بندر تخلیه شده تا برای بار
گذاری مجدد روی کشتی هایی که قصد دارند به بنادر داخل کشور یا فواصل نزدیک منتقل شوند، آماده شوند. این کانتینرها به صورت موقت در بندر خواهند ماند. بنابراین کانتینرهای ترانشیپ و کانتینرهای صادراتی ، کانتینرهایی هستند که توسط ترمینال بر روی کشتی ها بار گذاری می شوند.
نرم تخلیه و بارگیری یکی از یکی از مهمترین معیار های عملکرد بنادر کانتینری می باشد. این شاخص نرخ تخلیه و بارگیری کانتینرها در هـر سـاعت بـرای هـر کشتی است. قبل از تخلیه هر کشتی در اسکله ، نرم تخلیه و بارگیری برای هر کشتی به صورت زیر محاسبه می شود:
این معادله ارتباطی بین طول کشتی و دو عدد ثابت می باشد. مقدار بدست آمده از این رابطه نشان دهنده ی تعداد استاندارد تخلیـه و بـارگیری در هـر ساعت برای یک کشتی مشخص است. کاهش مقدار این شاخص برای مدیران بنادر کانتینری هزینه هایی را در بر خواهد داشت، بنابراین افزایش این شاخص به بیشترین مقدار ممکنه از اولین اهداف مطالعات بنادر کانتینری است. در این خصوص انتخاب استراتژی مناسب برای ذخیره سازی کانتینرها در محوطـه انبـارش و استفاده بهینه از تجهیزات می تواند سهم عمده ای را در افزایش این شاخص داشته باشد.
مساله از آنجا آغاز می شود که یک کشتی وارد بندر شده و قصد دارد تعدادی از کانتینرهای خود را تخلیه کند. هر کانتینر مـی توانـد یکـی از این دو مسیر را طی کند: انتقال مستقیم از اسکله به محوطه از قبل تعیین شده در انبار و یا ابتدا انتقال به یک محوطه انبارش موقت به نام مارشـالینگ یارد و سپس انتقال به محوطه انبارش از پیش تعیین شده. مطابق با این دو مسیر دو مساله بوجود خواهد آمد. بنابراین ما در این مقاله قصد داریم تا این دو مسیر را که منجر به دو استراتژی انبارش می شوند مورد مقایسه قرار دهیم. استراتژی اول سیاست حال حاضر در بندر کانتینری شـهید رجـایی مـیاشد که کانتینرها را پس از تخلیه از روی کشتی مستقیماً به محوطه انبارش از پیش تعیین شده هر کانتینر منتقل می کند که در شـکل 4 نشـان داده شده است و مساله دوم استراتژی پیشنهادی این مقاله می باشد که درآن فضایی به نام انبار موقت در نزدیکی اسکله ایجاد خواهد شد.
شکل :4 استراتژی انبارش و انتقال مستقیم کانتینرها از اسکله به محوطه انبارش
شکل :0 استراتژی پیشنهادی برای انتقال موقت کانتینرها به فضای مارشالینگ یارد
این فضا مسئولیت نگهداری موقت کانتینرها را برعهده داشته و پس از مدتی کانتینرها از این فضا به محوطه ی انبارش اصلی منتقل خواهند شـد. ایـن استراتژی در شکل 0 مشخص است. در حال حاضر محوطه انبارش بندر کانتینری شهید رجایی براساس نوع کانتینرها تقسیم بندی شده اسـت و هـر کـانتینر در فضای اختصاص داده شده به آن قرار می گیرد. بنابراین کانتینرهای رسیده به بندر مقصد مشخصی را در محوطه انبارش خواهند داشت. اما در مدل پیشنهاد شده برخی از کانتینرها به صورت مستقیم به محوطه انبارش منتقل شده و برخی نیز ابتدا به مارشالینگ یارد ارسال می شوند تا پس از توقف کوتـاه مجـدد بـه مقصـد اصلی در محوطه انبارش منتقل شوند. کانتینرها در فضای مارشالینگ یارد به صورت تصادفی چیده می شوند، بنابراین هیچ فضای مشخصی برای هیچ کـانتینری از قبل ذخیره نشده است. پس از آنکه این کانتینرها در فضای مارشالینگ یارد چیده شدند و وضعیت کامیون ها به حالت بیکار درآمد، نوبت آن می رسدکه مجدداً کانتینرها بر روی کامیون ها بارگیری شده و به مقصد اصلی در محوطه انبارش منتقل شوند.
البته استراتژی مارشالینگ یارد از منظر تعداد بارگیری و تخلیه نمی تواند اثر بخش باشد به این دلیل که برای هر کانتینری که به این فضا منتقـل مـی شود می بایست یک تخلیه و یک بارگیری اضافه انجام داد اما به هر حال دارای مزیت های دیگری می باشد. به عنوان مثال ازآنجا که تمامی کانتینرها ی منتقل شده به مارشالینگ یارد با یکدیگر به صورت یکجا انبارش می شوند، یک جرثقیل چرخ دار می تواند برای بارگذاری و بار برداری از این فضا کافی باشـد و زمـانی برای انتقال کانتینر در بین زیر بلوک های فضای مارشالینگ یارد از طرف جرثقیل چرخ دار صرف نمی شود. به عبارت دیگر زمانی کـه درجـه بـالایی از تفکیـک چیدمان کانتینرها در بین زیر بلوک های یک محوطه انبارش وجود داشته باشد، میزان بهره برداری از جرثقیل ها چه در اسکله و چه در فضای انبارش کاهش می یابد زیرا پراکندگی در چیدمان منجر به صرف زمان زیادی برای انتقال به نقاط مختلف محوطه انبارش می شود. این خاصیت در استراتژی کنونی بندر وجـود دارد و ما قصد داریم تا با ایجاد فضای مارشالینگ یارد تمرکزی در چیدمان اولیه کانتینرها ایجاد کنیم تا منجر به افزایش بهره برداری از تجهیزات بندر شود.
مدل شبیه سازی
در این بخش قصد داریم تا جزئیات مدل ایجاد شده برای استراتژی مارشالینگ یارد را توضیح دهیم. ساختار مدل، داده های ورودی ، دوره گـرم شـدن مدل و بررسی صحت مدل در این قسمت شرح داده می شوند.
▪ ساختار مدل
ساختار مدل شبیه سازی مارشالینگ یارد از سه زیر مجموعه تشکیل شده است که منابع ورودی به بدنه اصلی مدل را فراهم می کند. این سـه زیـر سیسـتم دقیقاً مشابه سه زیر سیستمی است که در مدل ساخته شده توسط عظیمی و قنبری (4) برای استراتژی کنونی بندر کانتینری شهید رجـایی ارائـه شـده اسـت. در حقیقت منابع ورودی برای دو استراتژی یکسان است، بنابراین سه زیر سیستم در دو استراتژی دقیقاً مشابه یکدیگر است. کانتینرها در زیـر سیسـتم 4 تولیـد مـی شوند. در این زیر سیستم کانتینرها با توجه به ابعاد ، نوع حمل و نقل و محتوی دورن آنها با توحه به داده های جمعآوری شده تولید شده و بر روی کشتی ها قرار می گیرند. پس از آن کشتی ها وارد از طریق زیر سیستم 0 وارد بندر می شوند. نرخ ورود کشتی ها از یک تابع توزیع نمایی پیروی مـی کنـد کـه از تحلیـل داده های تاریخی بدست آمده است. در نهایت در زیر سیستم 0 کشتی ها وارد لنگرگاه می شوند و منتظر خواهند ماند تا پس از فراهم شـدن شـرایط ورود بـه اسـکله
وارد بدنه اصلی مدل شوند. جزئیات بیشتری از این سه زیر سیستم را می توانید در (4) مشاهده کنید.
▪ بدنه اصلی مدل
در بدنه اصلی مدل، روش تخلیه و بار گیری کشتی ها ، تجهیزات مورد نیاز برای این منظور، جابه جایی کانتینرها از اسکله به محوطه انبـارش و بـالعکس و فرآیند ذخیره سازی کانتینرها در محوطه انبارش و فضای مارشالینگ یارد را توضیح خواهیم داد. همچنین تفاوت اصلی مابین سیستم انبـارش کنـونی و سیسـتم انبارش در مارشالینگ یارد در این قسمت مشخص خواهد شد.
همانطور که شکل 0 نشان می دهد، در سیستم انبارش کنونی کانتینرها در اسکله تخلیه می شوند و پس از انتقال مستقیم به محوطه انبارش در فضاهای از پیش تعیین شده انبار می شوند و تا زمانی که قصد ترک ترمینال را داشته باشند در این فضا انبار می شوند. همچنین کانتینرهای خالی و کانتینرهای صـادراتی کـه بـه منظور بارگیری بر روی کشتی ها در بلوک های مشخص شده در محوطه انبارش قرار دارند، تا لحظه بار گیری بر روی کشتی در محوطه انبـارش بـاقی خواهنـد ماند.
در شکل 1 یک فضای انبارش اضافه بر شکل 0 وجود دارد. این فضا مارشالینگ یارد نامیده می شود. فضای مارشالینگ یارد به کانتینرهـای وارداتـی اختصـاص داده می شود. بنابراین کانتینرهای وارداتی به منظور انبارش موقت پس از تخلیه از روی کشتی به این فضا منتقل می شوند و مابقی کانتینرها پـس از تخلیـه بـه صورت مستقیم به محوطه انبارش منتقل می شوند. پس از آنکه جرثقیل ها ی چرخ دار و کامیون ها بیکار شوند، برای انتقال کانتینرهای وارداتی قـرار گرفتـه در مارشالینگ یارد فراخوانی شده و کانتینرها را از این فضا به محوطه اصلی انبارش منتقل می کنند. در سیستم انبارش مارشالینگ یارد نحوه ی بارگیری کامیون ها بر روی کشتی ها همانند روشی است که در سیستم حال حاضر بندر وجود دارد.
شکل :0 بدنه اصلی مدل سیستم انبارش کنونی در بندر کانتینری شهید رجایی
شکل:1 بدنه اصلی مدل استراتژی مارشالینگ یارد
▪ جمع آوری داده ها
داده های مورد نیاز برای ایجاد مدل از میان مستندات و اطلاعات ذخیره شده بندر کانتینری شهید رجایی در سال های 0141 و 0144 جمـع آوری شـد و مورد تحلیل قرار گرفت. این داد ها مربوط به ورود تعداد 602 کشتی به بندر کانتینری شهید رجایی بود که شامل زمان های ورود، زمان پهلو گیری، مدت زمـان انجام عملیات، تعداد کانتینرها ی تخلیه شده و بارگیری شده بر روی کشتی، طول کشتی و زمان خروج کشتی از بندر مـی باشـد. مـابقی اطلاعـات در رابطـه بـا تجهیزات مورد استفاده در بندر و محوطه انبارش می باشد. برای بدست آوردن توابع آماری مناسب از داده های جمعآوری شده و انجام تحلیل های آماری، از نـرم
