通用性集裝箱碼頭工藝方案設計仿真系統(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水平的直接體現(xiàn)，因為港口裝卸工藝方案的設定影響著未來碼頭對船舶的服務質量和碼頭的經(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計的技術手段存在諸多問題，致使其對集裝箱碼頭工程建設水平造成制約。

2、 目前，集裝箱碼頭工藝方案設計的技術手段主要是采用經(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)驗公式指標算法基礎上的工藝設計和方案結果計算顯得過于隨意；第二，由于集裝箱碼頭機械系統(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、需求的響應較慢，而且不利于利用仿真系統(tǒng)設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計仿真系統(tǒng)的實體、事件、活動、進程研究：實體的提出確定了集裝箱碼頭工藝方案設計仿真系統(tǒng)邊界內的對象；事件和活動的提出明確了系統(tǒng)內所有事件的類別和數(shù)量，以及每一個事件可以驅動的活動類型；進程的提出明確了系統(tǒng)中進程種類，同時展現(xiàn)了每一個進程所包含的事件及活動之間的邏輯關系和時序關系。 2)提出基于DEDS的通用性集裝箱碼頭工藝方案設計仿真系統(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)建模的關鍵性問題；

5、通過共性抽象關鍵性問題建立人為規(guī)則；提出提取系統(tǒng)中隨機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)的設定方法；提出建立基于通用性仿真系統(tǒng)的輸出指標及其體系。 3)在以上共性抽象研究基礎上，提出通用性集裝箱碼頭工藝方案設計系統(tǒng)的仿真模型。仿真建模主要是根據(jù)集裝箱碼頭生產和物流系統(tǒng)隨機發(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機制，按照集裝箱碼頭的生產及物流運行進程來建立模型。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”子系統(tǒng)模型、“堆場——道口生產環(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、碼頭裝卸、堆場作業(yè)、進出道口集疏運作業(yè)各個環(huán) 覆蓋了集裝箱碼頭生產與物流系統(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和物流系統(tǒng)而不是部分系統(tǒng)或單環(huán)節(jié)生產和物流系統(tǒng)基礎之上。 4)基于集裝箱碼頭運營的特點，在研究仿真建模理論的基礎上，創(chuàng)建出一套系統(tǒng)的、完整的、規(guī)范化的標準

7、化圖例集，作為通用性集裝箱碼頭工藝方案設計仿真系統(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)如標準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計人員對程序邏輯進行建模，也可以提供給非程序設計人員對業(yè)務過程進行建模。有效地解決了由于離散系統(tǒng)建模的個人風格特點而帶來的建模經(jīng)驗積累和繼續(xù)深化研究方面的困難。隨著進一步研究的仿真系統(tǒng)復雜度的增加，多個研究小組異地合作進行并行設計的增加，這種方法會顯得越

8、發(fā)有意義。此外，建立基于標準化圖例集的仿真建模描述工具將為可視化編程奠定基礎。 5)構建和實施仿真系統(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計仿真系統(tǒng)主要包括參數(shù)輸入、模擬運算、結果輸出以及模擬計算結果的可視化及時展示四部分；輔助功能包括隨機分布擬合、港口場景設計等。在仿真實施系統(tǒng)建立的基礎上，選取上海洋山深水港一期集裝箱碼頭作為案例研究對象，研究如何設定輸入?yún)?shù)、如何分析輸出結果和比選主要機械數(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論如下： 1)由于集裝箱碼頭生產和物流系統(tǒng)是一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)，具有隨機性、復雜性和動態(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)對案例進行仿真實驗，證明所提出的通用性集裝箱碼頭工藝方案設計仿真建模理論的有效性。 3)由于集裝箱碼