通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)建模與仿真研究.pdf

1、近年來，中國港口集裝箱吞吐量增勢迅猛。為了滿足日益增長的集裝箱運(yùn)輸?shù)男枰?，上海、深圳、廣州、寧波等主要沿海城市都在大力興建和擴(kuò)建集裝箱碼頭。而集裝箱碼頭工藝方案系統(tǒng)是否合理往往是集裝箱碼頭建設(shè)水平的直接體現(xiàn)，因為港口裝卸工藝方案的設(shè)定影響著未來碼頭對船舶的服務(wù)質(zhì)量和碼頭的經(jīng)營管理水平。因此，如何確定合理的集裝箱碼頭工藝方案意義重大。但由于長期以來集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計的技術(shù)手段存在諸多問題，致使其對集裝箱碼頭工程建設(shè)水平造成制約。

2、 目前，集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計的技術(shù)手段主要是采用經(jīng)驗方法和利用非通用性的仿真系統(tǒng)設(shè)計工藝方案。前者存在的主要問題是：第一，建立在經(jīng)驗公式指標(biāo)算法基礎(chǔ)上的工藝設(shè)計和方案結(jié)果計算顯得過于隨意；第二，由于集裝箱碼頭機(jī)械系統(tǒng)的不同組合的多樣性，非仿真系統(tǒng)難以提供多樣性的方案供備選。后者存在的主要問題是，仿真與建模研究往往以具體港口為背景展開，旨在為這些港口提供解決方案。由于該領(lǐng)域缺少通用性仿真系統(tǒng)，每次開發(fā)只能解決一個港口的部分問題，不僅對

3、需求的響應(yīng)較慢，而且不利于利用仿真系統(tǒng)設(shè)計集裝箱碼頭工藝方案的經(jīng)驗積累和規(guī)律尋求。 鑒此，本論文圍繞基于離散事件動態(tài)系統(tǒng)(discrete event dynamic systems，DEDS)的通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)的建模與仿真展開，主要研究通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計的仿真建模理論及其仿真實現(xiàn)和仿真實驗。其中仿真建模理論研究是本論文的核心內(nèi)容本論文主要的研究工作如下： 1)歸納并提出基于DEDS的集

4、裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)的實體、事件、活動、進(jìn)程研究：實體的提出確定了集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)邊界內(nèi)的對象；事件和活動的提出明確了系統(tǒng)內(nèi)所有事件的類別和數(shù)量，以及每一個事件可以驅(qū)動的活動類型；進(jìn)程的提出明確了系統(tǒng)中進(jìn)程種類，同時展現(xiàn)了每一個進(jìn)程所包含的事件及活動之間的邏輯關(guān)系和時序關(guān)系。 2)提出基于DEDS的通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)建模與仿真的共性抽象研究方法，主要包括：辯識仿真系統(tǒng)建模的關(guān)鍵性問題；

5、通過共性抽象關(guān)鍵性問題建立人為規(guī)則；提出提取系統(tǒng)中隨機(jī)變量的方法以及確定其模型的方法；提出仿真系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定方法；提出建立基于通用性仿真系統(tǒng)的輸出指標(biāo)及其體系。 3)在以上共性抽象研究基礎(chǔ)上，提出通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計系統(tǒng)的仿真模型。仿真建模主要是根據(jù)集裝箱碼頭生產(chǎn)和物流系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)生的離散事件、代表系統(tǒng)中所描述主要對象的實體流以及仿真時間的推進(jìn)機(jī)制，按照集裝箱碼頭的生產(chǎn)及物流運(yùn)行進(jìn)程來建立模型。模型包括四個子系統(tǒng)模型：

6、“船舶排隊”子系統(tǒng)模型、“裝卸船生產(chǎn)”子系統(tǒng)模型、“堆場——道口生產(chǎn)環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)模型、“倒箱作業(yè)”子系統(tǒng)模型。四個子系統(tǒng)涉及船舶到達(dá)、碼頭裝卸、堆場作業(yè)、進(jìn)出道口集疏運(yùn)作業(yè)各個環(huán) 覆蓋了集裝箱碼頭生產(chǎn)與物流系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)，使通用性仿真系統(tǒng)建立在完整的集裝箱碼頭生產(chǎn)和物流系統(tǒng)而不是部分系統(tǒng)或單環(huán)節(jié)生產(chǎn)和物流系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。 4)基于集裝箱碼頭運(yùn)營的特點(diǎn)，在研究仿真建模理論的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出一套系統(tǒng)的、完整的、規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)

7、化圖例集，作為通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)的建模描述工具。通過高度歸納、抽象該仿真系統(tǒng)的核心元素，使得不同的仿真系統(tǒng)如標(biāo)準(zhǔn)工程圖一樣被不同的參與者正確理解。這樣既可以提供給程序設(shè)計人員對程序邏輯進(jìn)行建模，也可以提供給非程序設(shè)計人員對業(yè)務(wù)過程進(jìn)行建模。有效地解決了由于離散系統(tǒng)建模的個人風(fēng)格特點(diǎn)而帶來的建模經(jīng)驗積累和繼續(xù)深化研究方面的困難。隨著進(jìn)一步研究的仿真系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，多個研究小組異地合作進(jìn)行并行設(shè)計的增加，這種方法會顯得越

8、發(fā)有意義。此外，建立基于標(biāo)準(zhǔn)化圖例集的仿真建模描述工具將為可視化編程奠定基礎(chǔ)。 5)構(gòu)建和實施仿真系統(tǒng)使得仿真建模理論得以實現(xiàn)。通用性集裝箱碼頭裝卸工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)主要包括參數(shù)輸入、模擬運(yùn)算、結(jié)果輸出以及模擬計算結(jié)果的可視化及時展示四部分；輔助功能包括隨機(jī)分布擬合、港口場景設(shè)計等。在仿真實施系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，選取上海洋山深水港一期集裝箱碼頭作為案例研究對象，研究如何設(shè)定輸入?yún)?shù)、如何分析輸出結(jié)果和比選主要機(jī)械數(shù)量的配比，并獲

9、得仿真實驗規(guī)律。本論文的主要研究結(jié)論如下： 1)由于集裝箱碼頭生產(chǎn)和物流系統(tǒng)是一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)，具有隨機(jī)性、復(fù)雜性和動態(tài)性特征，因而通用性建模與仿真的難度較大。盡管如此，通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)仍然是可以實現(xiàn)的。 2)所開發(fā)的通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)是仿真建模理論的實現(xiàn)。通過借助仿真系統(tǒng)對案例進(jìn)行仿真實驗，證明所提出的通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真建模理論的有效性。 3)由于集裝箱碼