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武汉理工大学 硕士学位论文 港口散货矿石码头物流系统的仿真研究 姓名：张小亚 申请学位级别：硕士 专业：物流技术与装备 指导教师：胡吉全 20100501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 铁矿石是我国国民经济发展的重要原材料，随着我国钢铁工业的发展，国 内铁矿石供给已经严重不足，需要大量从巴西、澳大利亚、印度、南非等国家 进口铁矿石。铁矿石运量的飞速增长对各大港口来说，都是一个巨大的挑战。 港口为了提高矿石转运的处理效率，不得不把研究重点放在如何提高资源配置 来适应业务的发展需要上来。所以及时的做好港口装卸工艺系统的规划及改善 工作对于港口的发展有着很重要的意义。 装卸工艺现代化是港口现代化的关健，是提高劳动生产率的杠杆，是港口 扩大再生产的主要手段。因此，改进装卸工艺往往是港口挖潜、革新、改造的 主要目标；就目前而言，对装卸工艺的改进尚处于以管理人员和工艺人员经验 分析为主的阶段，只能依靠决策者的自身经验，缺少科学依据，从而不可避免 地影响到港口装卸生产的经济效益和社会效益的提高。 本文通过分析国内外港口散货码头装卸工艺流程的发展现状与存在问题， 运用面向对象的系统分析方法，对散货矿石码头装卸工艺系统进行准确的仿真 分析，运用w i t n e s s 仿真软件，建立了一个以装卸工艺流程为对象的散货矿石 码头装卸工艺系统模型，对于如何优化现有资源提出建议。通过该平台对码头 设计及其运营管理进行科学分析，以达到整体优化的目的。 关键词：矿石码头；装卸工艺；w i t e n e s s 仿真 武汉理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t i r o no r ei sa ni m p o r t a n tl a wm a t e d a lf o rc h i n a sn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc h i n a si r o na n ds t e e li n d u s t r y , t h ed o m e s t i ci r o no r es u p p l yh a sb e e ni ns o s e r i o u ss h o r t a g et h a tw en e e dt oi m p o r tal o to fi r o no r ef o r mb r a z i l ，a u s t r a l i a ，s o u t ha f r i c aa n d s oo n t h ee x p l o s i v eg r o w t hi nt h ef r e i g h tv o l u m e sh a sp u tal o to fp r e s s u r eo nt h es e a p o r t a u t h o r i t i e st of i n db e t t e rw a y so fd o i n gd a i l yo p e r a t i o n si no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n d t oc o p e 谢t l la v a l a n c h e so fo r ep r o c e s s i n ga tt h eo r et e r m i n a l s l o a d i n gp o r tm o d e r n i z a t i o np r o c e s sm o d e r n i z a t i o ni s t h ek e y , i st oi m p r o v el a b o r p r o d u c t i v i t yo fl e v e r a g e ，i sam a j o rm e a n so fp o r te x p a n s i o n t h e r e f o r e ，i m p r o v et h eh a n d l i n g p r o c e s si so f t e np o r t , i n n o v a t i o n ，t a p p i n gt h em a i nt a r g e t ，f o rt h et i m eb e i n g ，t h ei m p r o v e m e n to f l o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s si nm a n a g e m e n ta n dt e c h n o l o g yp 哪o u n di nt h es t a g e ，t h e e m p i r i c a la n a l y s i so ni t sl a c ko fe x p e r i e n c e , p o l i c y m a k e r ss c i e n t i f i cb a s i s ，t h u si n e v i t a b l ya f f e c t s t h ep r o d u c t i o no f u n l o a d i n gp o r te c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a le f f i c i e n c y t h r o u g ha n a l y s i sp r e s e n ts i t u a t i o no fh a n d l i n gp r o c e s sd e v e l o p m e n to fd o m e s t i c p o r tb u l kc a r g ow h a r fa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，t h i sa r t i c l eu s e so b j e c t - o r i e n t e d s y s t e ma n a l y s i sm e t h o df o rb u l kc a r g ow h a r f , a n dt h e nu s e ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ， w h i c hi sc a l l e dw i t n e s st ob u i l dam o d e la b o u tt e r m i n a lh a n d l i n gt e c h n o l o g ys y s t e m ， i no r d e rt oo p t i m i z ee x i s t i n gr e s o u r c e sa n da c h i e v es c i e n t i f i ca n a l y s i so fg l o b a l o p t i m i z a t i o no f p u r p o s e k e yw o r d ：o r et e r m i n a l ；h a n d l i n gt e c h n o l o g y ；w i t n e s ss i m u l a t i o n u 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：歪垒垒z 日期：童! ! ! ：苎兰圣 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：季臣，。钯导师( 签名) ：切讫日期2 口，。t f 2 z 武汉理上人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的及意义 干散货市场作为国际航运市场的重要组成部分，每年大约有近3 0 亿吨的海 运货流。其中铁矿石、煤炭和谷物三种大宗干散货是其主要组成部分，约占6 0 左右，而投放市场的运力达2 7 4 5 亿载重吨，占世界船队总运力的4 0 。2 0 0 8 年全球干散货船队规模为4 2 1 亿载重吨，增幅为6 7 。由此可见，干散货航运 在整个世界物流市场中占据极其重要的地位。 在港口码头物流系统中，通常将矿石、煤炭、散粮、散装水泥等专业化泊 位称为散货码头。在经济全球化和港口运输日益现代化的今天，世界各国港口 企业为了提高散货运输效率，减少船舶在港时间，改善港口的经济效益，不断 加强散货码头技术改造，力求实现散货码头的专业化、大型化、信息化和智能 化。尽管目前世界主要港口中第二代港口仍然占据主导地位，但随着世界经济 全球化、市场国际化和信息网络化的进程不断加快，发达国家的大型港口已经 开始向第三代港口转型，港口的服务功能向储存、集散、配送、信息传输、增 值服务方向扩展，建立全球货物贸易集散中心和综合物流服务基地。着力推进 我国第三代国际化和信息网络化港口码头建设，是实现我国散货码头现代化和 增强散货运输国际竞争力的必由之路。 2 0 世纪9 0 年代至2 1 世纪初，世界经济呈现出全面发展的态势，刺激了全 球范围内的散货运输的迅速发展，单一货种的专业化船舶及与之配套的现代化 专业码头日益成为水上货物运输的主要形式，钢铁、煤炭和粮食等工、农业原 材料的散货运输均有较大的增长。尽管2 0 0 8 年的国际金融危机重创了全球经济， 但最近部分西方国家经济指标已有所好转，而中国和亚洲的一些其他新兴经济 体正在率先摆脱国际金融危机不利影响而重回快速增长通道，尤其是中国至今 仍然是全球增长最快的经济体。我国钢铁企业早在1 9 8 1 年便开始从国外进口铁 矿石，由于铁矿石出口地大多分布在南美、澳大利亚、南非和印度等地区，进 口铁矿石必须经过水路才能运抵我国，如今我国已成为全球最大的铁矿石进口 国。2 0 0 8 年我国进口铁矿石4 4 3 6 6 亿吨，占全球海运铁矿石的比重约5 2 ，并 且6 0 以上的铁矿石进口来自全球三大铁矿石供应商。同时，随着我国的粮食、 武汉理工人学硕士学位论文 水泥等货种的进出口运输量大幅度增长，其运输也逐渐转向以水上运输为主， 形成干散货运输与集装箱运输相互补充的重要运输方式。特别是2 0 世纪8 0 年 代以来，我国航运业顺应世界发展趋势，积极推进港口运输现代化进程，重点 建设了一批信息化、智能化、自动化程度较高的大型专业化码头，使沿海港口 向专业化、大型化、集约化运输方向发展，其中在上海、宁波、大连、天津、 秦皇岛、青岛、深圳等主要港口建设了先进的第三代港口散货码头。 在大型港口散货码头的营运过程中，受到诸多不确定性因素的影响。比如： 载货船舶抵港时间的随机性；泊位及航道的潮汐变化；码头作业现场的气候变 化；船舶吨位、泊位、设备及人员的不确定性；等等。因此，应用各种数学规 划方法建立关于散货码头物流系统数学模型以求得该系统的最优解是难以实现 是，而根据经验做出粗略判断显然不能满足港口散货码头运输发展的需要。因 此，应用仿真软件模拟散货码头装卸工艺系统的整个流程便成为大型港口散货 码头的必选优化方法。 计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控 制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术， 是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或 该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征， 从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为 决策的理论依据。计算机仿真利用计算机运速高的特点，综合分析随机的或动 态变化等各种因素对系统动态过程的影响，基于系统中各种变量之间的相互关 系，建立反映实际动态过程的模型，预测和解析过程的合理性，寻找制约系统 运行的瓶颈因素，提供优化系统各个环节的依据，以达到提高系统运行的整体 性能和效益的目的，从而为系统设计或管理人员提供更为可靠的决策信息。在 我国散货码头的技术改造中，把计算机仿真技术、机械设计技术、虚拟现实技 术与散货码头物流的研究结合起来，利用计算机仿真技术对散货码头物流系统 进行仿真，可以极大地提高散货码头的运输装卸效率，大大降低物流成本，缩 短设计周期，并为港口规划提供了准确有效的科学依据。 本文基于工业港散货码头营运及其装卸作业的特点，研究散货码头物流系 统建模与仿真问题，试图实现以下目标： 其一，通过对各类散货码头的系统分析，基于各类散货码头的共同特征， 应用面向散货码头的系统分析与设计的方法，尝试建立一般散货码头的通用模 拟模型框架，为各类散货码头的仿真程序设计提供借鉴。 2 武汉理_ 大学硕十学位论文 其二，基于散货码头系统的通用模拟模型框架，建立一般散货码头系统仿 真模型，进而依据该模型对散货码头进行模拟分析，努力达到三个目的： 一是运用该模型对业已建成的散货码头进行仿真分析，深入解析散货码头 系统运营过程中船舶抵离泊位、车辆进出车站、货物装卸流程、机械设备调度、 堆场堆放安排策略等问题，辅助散货码头经营管理人员对码头营运做出优化决 策。 二是运用该模型对投标中各种关于散货码头的设计方案进行模拟分析评 估，全面比较和权衡各种设计方案的优劣，从中选出相对优化的方案，以辅助 决策者做出科学、合理的抉择。 三是运用该模型对正在规划设计的散货码头工艺系统进行仿真，发现和分 析其中存在的问题。找出影响散货码头工艺设计的关键制约因素；通过不断调 整各种控制参数，反复模拟和不断改进散货码头工艺结构及其流程，实现对设 计方案的优化，为工程设计人员进行散货码头工艺设计提供辅助设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 研究采用的主要方法 离散事件动态系统是由异步、突发的事件驱动状态演化的动态系统。这种 系统的状态通常只取有限个离散值，对应于系统部件的好坏、忙闲及待处理工 件个数等可能的物理状况，或计划制定、作业调度等宏观管理的状况。而这些 状态的变化则由于诸如某些环境条件的出现或消失、系统操作的启动或完成等 各种事件的发生而引起。离散事件动态系统本质上属于人造系统的范畴，这类 系统对系统行为进程起决定作用的是一批离散事件，遵循的是一些人为规则。n 3 。 离散事件动态系统( d e d s ) 在社会生产制造和物流等系统中普遍存在，这类系统 由于事件发生的随机性、动态性和在时间点上的离散性，难以建立确定性的数 学模型对此类系统中的生产资源配置问题进行研究。对这种系统首先关心的是 它的逻辑行为，这可用其演化过程的状态序列和事件序列来刻画。系统的功能 则表现为只允许发生某些符合要求的状态事件序列，它们表示完成某些任务 或防止各种失误。用有限自动机、形式语言或p e t r i 网等模型可以很好地描述这 种逻辑层次的分析和综合问题。在并行计算、公共服务和生产加工等系统中要 进一步研究各种操作和演化的时问关系以提高系统的效率。这时可用极大代数、 武汉理t 大学硕+ 学位论文 赋时p e t r i 网等工具进行分析，并用计划排序、实时调度等技术进行优化和控制。 进而由于实际上各时间因素往往具随机特性，还要用随机过程、排队网络等模 型和理论方法进行分析和研究。由于问题十分复杂，现有理论分析方法所能解 的问题十分有限，所以计算机仿真实验研究是非常重要的实用方法。在离散事 件动态系统中，发生一个离散事件会驱动系统的状态产生变化，并且由此根据 系统的运行法则激发系统出现新的离散事件，进而形成系统状态的演化过程。 在大型港口散货码头的营运过程中，诸如“船舶抵达”和“船舶离开”之类的 事件便是典型的离散事件。“船舶抵达”事件一定会引起码头泊位状态的改变继 而带来各种装卸运输机械的运转，而装卸运输机械的运转又导致堆场状态的改 变。这一系列事件的持续传递和变换，便演绎出散货码头系统的动态过程。由 此可见，散货码头系统是一个典型的离散动态系统。 通过建立系统模型来研究离散事件动态系统，。系统模型可以采用数学方 程、曲线、图表、计算机程序等多种方式来表达瞄1 。根据系统的模型，能够分析 系统的行为性能及其与系统的结构和参数之间的关系，探讨如何控制和优化系 统。当然，现实中若要对一个复杂的离散事件动态系统建立较为完善的模型其 实是相当困难的。通常认为，只有将运筹学、系统与控制理论、人工智能与自 然语言理解等多学科有机结合起来，才能建立离散事件动态系统模型u 1 。 计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模 型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的- f - j 综合性技术。将计算机仿 真技术应用于散货码头物流系统，借助计算机技术、网络技术和数学手段，对 现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动 及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果，具有高效、 安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，具体表现为h 1 ： 第一，仿真的实时性，为仿真应用于散货码头物流系统奠定了良好的基础。 系统仿真将实物数据输入仿真系统，通过数据运算和图形模拟，产生贴近实际 物流系统的信息输出。物流仿真软件的仿真过程，即是建立物流系统模型并通 过模型在计算机上的运行来对模型进行检测和休整，使模型不断趋于完善的过 程。这种模型不仅反映了散货码头物流系统的物理特征，而且体现了其逻辑特 征，模型符合实际，有利于正确认识和科学分析散货码头物流系统。 第二，仿真的适应性，它能够很好的适应各种复杂系统，系统的参数在随 机因素影响下所发生的变化能够在模型中得到充分体现，从而有利于解决散货 码头物流系统实际运行中诸多随机因素的影响。仿真试验具有良好的可控性、 4 武汉理工人学硕士学位论文 无破坏性和可重复性；仿真过程经济安全，不受气象条件和场地环境的限制。 系统仿真所建立的模型是一个随机模型，应用于散货码头船舶泊位、货物装卸、 堆场堆放、运输和配送等流程仿真， 第三，仿真可以实现系统优化。系统仿真是一种间接的优化方法，对于多 目标、多因素、多层次的系统而言，并不存在绝对意义上的最优解。系统仿真 技术应用于散货码头物流系统的规划设计和生产营运等领域，工程设计人员和 经营管理人员可以依据仿真系统模型动态运行的效果，反复修改参数，进行多 次仿真，探究改善系统行为的途径和方法。事先将把规划和设计中的大型专业 化散货码头系统转换成仿真模型，通过仿真模型在计算机上的运行，比较、修 改和评价各种规划和设计方案，选择相对优化的方案，这样可以避免资金、人 力和时间的浪费；对于正在运营的散货码头而言，可以对现有系统进行仿真运 行，寻求改造系统、提高系统运营效率的优化方案。因此，开展散货码头系统 仿真的研究具有重要的现实意义。 1 2 2 计算机仿真技术在港口行业中的应用 计算机仿真技术是建立系统数学模型，并利用该模型在计算机上运行，进 行系统科学实验研究的全过程。自2 0 世纪5 0 年代初，美国人a a r o n 借助电子计 算机，并利用最小二乘法进行滤波器这样的线性网络设计以来，仿真技术已有 半个多世纪的发展历史。计算机仿真的早期应用主要在国防科技和军工部门， 后来逐步扩展到到科学研究、工程设计、辅助决策、系统优化等各个领域，使 科学研究和社会生产面貌发生了深刻变革。计算机仿真技术被称为继科学理论 和实验研究后的第三种认识和改造世界的工具，计算机技术的发展，计算数学 的成熟，使计算机仿真技术成为现代工程技术领域必不可少的重要设计手段， 它的广泛应用可以大大地缩短产品的开发周期和降低产品开发的成本，从而提 高产品的竞争力。 现代港口物流系统研究的主要方法有解析法( 例如排队论、系统优化法) 、 系统仿真方法和仿真优化方法。建立可信的系统模型是对港口物流系统进行仿 真的重要前提。港口码头物流系统是一个复杂的离散事件动态系统，几乎涉及 到物流运输学科里各种复杂的问题。工程技术人员对港口物流系统的建模一般 采用形式化建模技术( 排队网络法、极大代数法、扰动分析法、p e t r in e t ) 、非形 式化建模技术( 活动循环图、流程图法、面向对象技术) 和复合建模技术。 5 武汉理工火学硕十学位论文 在港口物流系统仿真模型运行方面，仿真研究者大多利用数字仿真或二维 仿真软件完成系统建模工作，港口仿真常用的软件有g p s s 、p o r t s i m 5 、v i s u a l s l a m ，s i m a n ，m o d s i m ，s i m s c r i p t l i 5 ，f l e x s i m ，e m p l a n t ，a r e n a ，w i t n e s s 等；程序语言软件有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等。 港口物流系统仿真大致经历了数字仿真、二维仿真、三维仿真、基于虚拟 现实的动态仿真等发展阶段。尽管至今多数港口物流系统仿真研究依然采用的 是数字仿真和二维仿真，但随着现代港口系统仿真的需求变化和仿真技术发展， 发达国家广泛展开关于人机和谐的仿真环境的探索：一是参数化仿真，运用仿 真方法生成港口码头的各种场景，用以解决港口码头泊位安排和起重机调配等 的优化问题；二是可视仿真，利用离散事件仿真技术和计算机动态图形技术， 建立港口码头生产过程的动态仿真模型，用以分析拟定布局方案；三是虚拟现 实技术，用于港口码头装卸系统实时可视化、参数化仿真；四是在线仿真，港 口码头物流仿真系统，采用网络优化方法解决码头布局问题。 1 2 3 港口矿石码头装卸工艺研究发展现状 国外港口码头物流系统在计算机建模与仿真方面，采用二维动态仿真技术 来研究港口生产系统的运作，研制专用软件用以处理港口设计中合理配置港口 资源的问题，这类软件大多采取面向对象的建模方法。荷兰的k i n d l e r e ( 1 9 9 6 ) 研究集装箱船舶卸箱仿真，运用s i m u l a 仿真语言建立了仿真模型；v e e k e m p m 等( 1 9 9 6 ) 提出了专门针对集装箱运输的仿真模型，面向集装箱、集装箱码头和 集装箱搬运工具等实体，建立仿真系统，成功地应用于鹿特丹港口的 m a a s v l a k t e 怕。； m a r kb d u i n k e r k e n ( 2 0 0 1 ) 等人提出了堆场堆码的最大剩余堆存 空间( r e m a i ns t a c kc a p a c i t y ) 策略，大大降低了堆场集装箱的倒箱次数。美国 p e c u c h e tj p 等( 1 9 9 3 ) 研究港口码头仿真的柔性、互动和智能工具，以呈现实体 和流程为导向建立仿真模型，为用户提供了不需要编程的优质软件1 ；美国公 司j w dg r o u p 研制了专供集装箱码头使用的仿真软件系统，利用该系统将码头 场地规划和营运方式分析有机地结合起来。通过仿真运行，得到船舶等待时间、 码头泊位利用率、设备和设施利用率、营运成本等方面的数值结果。该仿真软 件系统对于加拿大温哥华港d e l t a p o r t 集装箱码头的优化设计和高效营运发挥了 重要的作用。韩国y u n w o n y o u n g 和c h o i y o n gs e o k ( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 将码头划分为道 口、堆场和泊位，运用s i m p l e + + 开发了的面向对象的仿真模型。澳大利亚 6 武汉理工人学硕士学位论文 r e a l t i m e r u s i n e s ss o l u t i o np t y 公司以集装箱码头等多种码头为仿真对象，研制开 发出港口运作二维图形仿真软件x w i n d o w ，对包括码头堆场规划、设备配置、 设施建设等在内的诸多问题进行仿真，为港口的合理规划设计提供了科学依据， 极大地提高了港口的生产效率。 国内港口码头物流系统建模与仿真主要研究资源配置( 运营各环节之间的 配机比例及设备配置优化) 、日常运营管理、各种运营环节( 码头前沿桥吊数量 配备和泊位分配、堆场作业的“翻箱及堆场箱位安排方法) 、装卸工艺系统等 问题，开发了“量能”配备法、动态图形、随机条件下的混合顺序作业堆场倍 位作业模型和装卸工艺等一系列仿真系统。其中，围绕港口集装箱码头装卸系 统的工艺问题，张新艳( 2 0 0 1 ) 采用面向对象和p e t r i 网相结合的方法对系统进行 复合建模，实现基于离散随机事件的港口码头装卸工艺系统实时可视化、参数 化仿真【丌；吴镇( 2 0 0 1 ) 将机械技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术相结合，应 用虚拟现实仿真软件m u l t i g e n ，并使用c + + 语言进行二次开发，建构了包括船 舶、堆场、龙门吊、岸桥、装卸拖车等在内的三维场景仿真系统瞪1 ；杨静蕾、 丁以中( 2 0 0 3 ) 将排队网络解析模型用于集装箱码头物流系统的节点配置问题研 究，建构了集装箱码头桥吊、龙门吊和集卡三节点配置的串联排队网络解析模 型、闭排队网络解析模型和j a c k s o n 排队网络解析模型，进而给出了排队网络 解析模型的求解步骤、精度和适用范围w 。；李锋利用仿真软件w i t n e s s ，建立了 专门用于集装箱码头自动化堆场的仿真模型，能够实时动态地显示集装箱码头 自动化堆场物流系统的运作流程；李丽( 2 0 0 4 ) 深入地研究了面向对象的集 装箱码头建模理论和方法，以及两者的结合应用【1 1 】。王孟昌对集装箱码头堆场 作业中动态箱位分配及箱区分配进行了优化，并以面向对象的方法划分了集装 箱码头仿真模型的各个模块，并通过仿真模拟验证了优化策吲1 2 j 。 总之，关于港口码头物流系统的建模与仿真研究，经过近二十年的发展， 国内外均取得了长足的进步，发达国家的港口码头物流系统的建模与仿真技术 相对成熟一些，我国则处在起步阶段。港口码头物流系统的建模与仿真研究尚 存在一些问题有待改进和提高，具体来说，主要有： 一是港口码头物流系统的整体研究，包括处在工艺设计阶段的港口码头和 已经投入运营的港口码头。目前的研究主要集中在装卸机械系统的基础上，重 点深入研究了港口码头装卸工艺系统的局部环节。然而，从系统科学理论的视 角来看，港口码头装卸机械系统是整个物流系统的一个环节，它应该与物流系 统的其他各个环节的实现整体无缝连接。因此，港口码头物流系统各环节的整 7 武汉理t 大学硕士学位论文 体研究是是未来港口码头物流系统建模与仿真研究的一个发展方向。 二是通用性建模机制与仿真系统研究。目前国内外以具体港口码头为背景 进行建模与仿真的研究模式，存在每一次开发的系统只能适用于一个对象，对 实际运营系统变化的响应较慢，通用性不强等缺陷，研究通用的港口码头工艺 设计建模与仿真系统应该成为一个新的发展方向。 三是建模描述工具研究。港口码头物流系统建模属于离散系统建模，在对 离散系统进行逻辑建模时，由于仿真建模者知识背景和研究风格的差异，所建 仿真模型打上个人印记。由于港口码头仿真研究领域尚未研发出有效的标准化 抽象语言，致使不同港口码头或港口码头的具体对象的描述“语言各异，不 利于业内设计人员和非设计人员之间的交流与沟通，因此需要研究建模标准化 描述工具。 此外，港口码头物流系统集卡运行及路径优化、“堆场一道口“ 环节、倒箱、 资源配置、模型的校验及确认等问题的研究，均具有广阔的探索空间。与上述 问题一样，具有深远的理论意义和重要的实践意义。 1 3 论文研究的主要内容 笔者将散货矿石码头工艺系统作为本文的研究对象，鉴于散货矿石码头的 运作是个复杂、动态且受随机因素影响的过程，笔者依据离散事件动态系统理 论的p e t r i 网方法，尝试建立了散货矿石码头工艺系统的理论模型、层次模型 和逻辑模型；运用w it n e s s 仿真软件，研制了散货矿石码头工艺系统的仿真模 型；在对仿真结果深入分析的基础上，提出了散货码头工艺系统的合理运营方 案和操作标准。 具体来说，本文主要包括以下研究内容： 第一，解析散货矿石码头工艺系统的基本要素和作业流程。根据散货矿石 码头工艺系统的特点，全面分析和概括了散货矿石码头的作业流程、设计参数 以及相对应的装卸工艺； 第二，建立散货矿石码头工艺系统理论模型。根据仿真建模理论，以p e t r i 网为基础，构建了散货码头工艺系统的理论模型；并以这一模型为基础，构建 了散货码头工艺系统的层次模型和逻辑模型。 第三，研制散货矿石码头工艺系统仿真模型。利用w i t n e s s 专业仿真软件， 建构了关于散货矿石码头工艺系统的生产作业子系统数字模型，并实现了计算 武汉理i t 大学硕十学位论文 机的二维动画模拟，能够实时模拟特殊类散货码头货物装卸操作等动态过程， 获得相应的生产性能统计参数。 第四，散货矿石码头工艺系统仿真模型分析。在一定的仿真工况和仿真方 案下，对散货矿石码头三种装卸工艺方案进行仿真试验，分析研究了这几种方 案的优点和缺点。此外，对码头整体模型进行仿真分析，选择最优工艺方案， 并给出设备最佳配置参数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章散货矿石码头装卸工艺系统分析 2 1 散货矿石码头装卸工艺系统的基本要素及分类 2 1 1 散货矿石码头装卸工艺系统的基本要素 所谓装卸工艺，是指码头装卸和搬运货物的方法和程序，按一定的操作过 程，根据码头条件，针对不同的货物、运输工具和装卸设备，以合理和经济的 原则来完成装卸和搬运任务。装卸工艺是码头作业高效的保证，合理地选择码 头的工艺类型，是顺利开展码头生产、保障物流系统高效运转的前提。 港口装卸作业是港口生产的主要内容。港口装卸工艺直接影响装卸效率、 港口通过能力、车船周转、货运质量、装卸成本、劳动条件等，而且是码头泊 位数、库场面积、车辆装卸线长度等设计的依据。选定合理的装卸工艺，是港 口工程的重要内容之一，同港口建设规模、总体布置、码头类型和经济效益都 有密切关系。 影响港口装卸工艺选定的主要因素有： 货运量、货种、流向及其季节性变化。 散货的块度、容重、堆积角( 堆放时自然形成的边坡角度) 、化学稳定 性、粘滞性、吸潮性、脆性、毒性、腐蚀性和对装卸存放的特殊要求。 船舶类型及其主要尺度、船舶的装卸条件如舱口数、舱口尺寸、间距、 各舱载货量。 货物的集疏运方法。 到港列车类型、规格、载重量和每昼夜取送车次数。 进出港汽车类型、规格、载重量。 港口所在地区的自然条件如地形、地势、水文、气象、潮汐特征和工程 地质条件等。 在考虑这些因素的基础上，研究采用能提高装卸效率、减轻劳动强度、满 足生产需要的先进的港口装卸机械，并做到衔接配套。经过多方案比较，选取 安全、优质、高效率、低成本的装卸工艺。 工艺种类，港口装卸工艺因货种而异，各种货物的装卸程序因货物流向不 1 0 武汉理j i 大学硕士学位论文 同而异。对进港货物，即水运转陆运的货物，装卸程序一般是：货物由船上卸 至码头( 卸船) ，由码头运入仓库或堆场( 中间运输) ，在库场内堆码( 库场作 业) 贮存，装车运出( 疏港提货) 。有的货物由船上直接卸到车上。对出港货物， 即陆运转水运的货物，装卸程序则相反。 由于散货矿石码头专业性比较强，装卸工艺也比较复杂。按货物出港和进 港分为卸车装船工艺和卸船装车工艺。随着港口堆场不断的扩大，各个港口都 在加强自身基础设施建设，完善的仓储设施已经成为各个港口的工作重点。船 车直取的操作模式将逐渐被取消。 大型港口散货矿石码头的工艺系统十分复杂，一般来说都有多种工艺路径， 而对于不同的散货矿石码头而言，其工艺路径更是差别甚大。散货矿石码头的 营运过程中，码头系统的整体运输能力是由码头系统的工艺决定的。以往人们 不太重视研究散货矿石码头的工艺系统，致使建构的系统往往缺乏通用性。作 者基于对各类散货矿石码头系统的工艺结构的分析，建构了码头结构的层次模 型和动态模型。码头工艺其实是一个有起点、有终点的有向运输网络体系。在 一般情况下，普通的运输网络体系因其普遍性而难以查找并记录其流程路径， 而港口散货矿石码头工艺网络系统则有其特殊性，其工艺流程往往在设计过程 中就已经确定，具有确定的起始点与目的地，这就完全可以记录其所有流程路 径。作者正是依据港口散货矿石码头系统运输起点与终点固定这一原理进行设 计分析的。 2 1 2 散货矿石码头工艺系统的分类 目前散货矿石码头装卸工艺系统分为：陆运进港、水运出港的矿石出口装 卸工艺和水运进港、陆运出港的矿石出口装卸工艺，如图2 - 1 所示。 武汉理一l 人学硕士学位论文 图2 - 1 散货矿石码头装卸工艺系统 2 2 散货矿石码头装卸工艺作业流程 散货矿石码头的作业流程主要依据船舶、堆场和火车三者之间的组合关系 及其码头的实际营运情况来加以确定，在分析和研究各类散货码头工艺系统的 基础上，可以得到散货矿石码头的五类主要生产作业流程：卸车进场、卸车进 船、卸船进场、卸船进车和卸船进船1 引。 2 2 1 散货矿石码头的卸车进场作业流程 运输矿石的火车抵达港口矿石码头后，便将客户、矿石种类和堆存时间等 信息发送到计算机中控系统；计算机中控系统收到信息后，根据矿石码头的营 运情况，为待卸矿石分配合适的堆场位置并部署相应的工作流程线路。然后将 作业指令发送给各工作单元和装卸设备，开始进行卸载矿石作业。完成卸载矿 石作业后，火车离港。如图2 2 所示： 1 2 武汉理j ：犬学硕士学位论文 图2 - 2 矿石码头的卸车进场作业流程 2 2 2 散货矿石码头的卸车进船作业流程 运输矿石的火车抵达港口矿石码头后，便将客户、矿石种类和等待装船舶 等信息发送到计算机中控系统；计算机中控系统收到信息后，根据矿石码头的 营运情况，为待卸矿石分配合适的资源并部署相应的工作流程线路。然后将作 业指令发送给各工作单元和装卸设备，开始进行卸载矿石进船作业。完成卸载 矿石作业后，火车离港，船舶载货离港。如图2 3 所示： 武汉理r 大学硕十学位论文 图2 - 3 矿石码头的卸车进船作业流程 2 2 3 矿石码头的卸船进场作业流程 运输矿石的船舶抵达港口矿石码头后，便将客户、矿石种类和堆存时间等 信息发送到计算机中控系统；计算机中控系统收到信息后，根据矿石码头的营 运情况，为待卸矿石分配合适的堆场位置并部署相应的工作流程线路。然后将 作业指令发送给各工作单元和装卸设备，开始进行卸载矿石作业。完成卸载矿 石作业后，船舶离港。如图2 - 4 所示。 1 4 武汉理工人学硕七学t ：7 ：论文 图2 4 矿石码头的卸船进场作业流程 2 2 4 矿石码头的卸船进车作业流程 运输矿石的船舶抵达港口矿石码头后，便将客户、矿石种类和等待装载矿 石火车等信息发送到计算机中控系统；计算机中控系统收到信息后，根据矿石 码头的营运情况，为待卸矿石分配合适的资源并部署相应的工作流程线路。然 后将作业指令发送给各工作单元和装卸设备，开始进行卸载矿石作业。完成卸 载矿石作业后，船舶离港，火车载矿石离港。如图2 - 5 所示： 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 5 矿石码头的卸船进车作业流程 2 2 5 矿石码头的卸船进船作业流程 运输矿石的船舶抵达港口矿石码头后，便将客户、矿石种类和等待装载矿 石船舶等信息发送给计算机中控系统：计算机中控系统收到信息后，根据矿石 码头的营运情况，为待卸矿石分配合适的资源并部署相应的工作流程线路。然 后将作业指令发送给各工作单元和装卸设备，开始进行卸载矿石作业。完成卸 载矿石作业后，船舶离港。如图2 - 6 所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 请求服务 巫孽 堕姆篓 图2 - 6 矿石码头的卸船进船作业流程 2 3 散货矿石码头装卸工艺方案及系统分析 2 3 1 某矿石码头相关资料 1 矿石年吞吐量 2 泊位数 3 泊位利用率 4 堆场计算所需面积 5 物料特性 ( 1 ) 堆密度 ( 2 ) 静堆积角 ( 3 ) 动堆积角 ( 4 ) 粒度 6 装卸工艺流程 1 8 0 0 万吨 2 个 6 5 2 5 万m 2 2 2 2 8 t m 3 4 m 4 5 0 3 肛3 5 0 最大 2 0 0 m m 1 7 武汉理下大学硕十学位论文 船卸船机一取料机堆料带式输送机堆机堆场堆取料 机取料机带式输送机一装车机火车 7 环境条件 ( 1 ) 历史最高风速 3 0 m s ( 2 ) 历史最高温度 3 9 6 4 c ( 3 ) 历史最低温度 1 8 3 ( 4 ) 水位 设计高水位4 2 m 设计低水位 o 5 m 历史最高水位 5 7 m 历史最低水位 1 3 m 8 码头前沿标高6 m 9 码头岸线长4 0 0 m 2 3 2 矿石码头装卸工艺设备配置 矿石码头是一个进口型的码头，其装卸工艺为： 船卸船机一一取料机堆料带式输送机一堆机堆场一一堆取料 机取料机带式输送机一装车机一火车。 ( 1 ) 桥式抓斗卸船机 桥式抓斗卸船机( 如图2 7 ) 依靠小车运行实现抓斗的水平移动，一般小车 运行1 5 0 m m i n 一1 8 0 m m i n , 夕l - 伸距3 0 m 4 0 m ，卸船效率较高，该机目前在国内外 煤炭矿石码头卸船作业中得到广泛使用，其卸船单机时效一般在5 0 0 t h - 3 0 0 0 t h ， 适应船型在3 万吨3 0 万吨级。 桥式卸船机在国外大型散货码头得到普遍使用，如荷兰马斯平原矿石中转 码头( 年吞吐量1 8 0 0 万吨) 使用的就是起重量为8 0 t 的、台时效率最高达3 0 0 0 t h 的桥式卸船机，适用船型为2 5 万吨级的散货船。 武汉理i ：人学硕十学位论文 图2 7 桥式抓斗卸船机 ( 2 ) 带式输送机 由于配置3 台台时效率q = a 0 0 0 v h 的抓斗式卸船机，故需配置两条q = 9 0 0 0 e h 的带式输送机。根据带式输送机工作效率以及物料性质，选定带宽为b = 1 8 0 0 m m ， 带速v = 3 r n s 。 ( 3 ) 堆场工艺设备配置 矿石堆料机是国内外矿石堆场常采用的专用机械。目前世界上大型的堆料 机是( r 本石川岛播磨重工业公司制造) 巴西图巴劳奥港矿石码头的堆料机， 该机的悬臂的回转半径达5 5 m ，效率为1 6 1 k ) t y d h 。 堆取料机是一种配合堆场地面固定皮带输送机系统，既能堆料又能了取料 的专用机械。由于这种机械具有堆料，取料的性能。因此足堆场作业性能全面 的一种机械。采用这种机型时，可使整个散货装卸机械化系统机种少，工艺布 置简单，加上该机型取，堆效率高，是现代化散货堆场地面系统的常用机械。 取料机是专用于堆场取料的机械，常见的是与水平固定式皮带机配合使用 的取料机，但也有流动式取料机。 ( 4 ) 装车机。装车机采用连续装车机， 233 矿石码头装卸工艺方案 为了使矿石码头的装卸工艺系统性能达到最佳，设计时给出了三种装卸工 武汉理j ：人学硕十学位论文 艺方案，即堆取合一、堆取分开和堆取联合作业三种方式。 方案一： 码头卸船设备采用桥式抓斗卸船机，堆场采用斗轮堆取料机堆取合一方案， 装车装置采用连续装车机。其具体工艺流程如图2 8 。 图2 - 8 堆取合一方案流程图 武汉理工大学硕十学位论文 方案二： 堆场采用斗轮堆取机，取料机即“堆取分开”作业形式，其它装卸工艺方 案与方案一相同。其具体装卸工艺如图2 - 9 。 图2 - 9 堆取分开作业方案流程图 方案三： 堆场采用斗轮堆料机，取料机和堆取料机联合作业的方案，其它装卸工艺 2 l 武汉理工人学硕士学位论文 方案与方案一相同。其具体装卸工艺流程如图2 1 0 。 图2 1 0 堆取联合作业方案流程图 2 3 4 散货矿石码头装卸工艺系统分析 根据货物的流向，可以将散货矿石码头装卸工艺分为：进口专业矿石 船舶运载矿石抵港后，在锚泊地等待，当有空闲泊位和空闲堆场时，专业矿石 船舶靠泊卸船，将卸载的矿石存入新建的进口堆场中；出口皮带机将矿石 武汉理工人学硕士学位论文 直接输送到装车方仓，装车出港。 ( 1 ) 系统边界的确定 本次模拟以建立散货矿石码头装卸工艺系统的计算机模拟模型为目标，模 拟运载煤炭船舶从抵港到离港的整个港内移动过程，为散货矿石码头的设计人 员提供决策数据。本模型以矿石船舶到港、离港为系统的边界。 ( 2 ) 系统内部的实体分析 实体可分为两类，即永久实体和临时实体。永久实体包括锚地、泊位、堆 场、装卸机械、综合楼等其他生产、生活配套设施。临时实体包括矿石船舶和 矿石。 港口矿石码头装卸系统按照功能可分为三种：矿石装卸机械、矿石输送 机械和辅助机械。矿石装卸机械的主要职能是将货物从火车和船舶装运和卸载， 涉及到卸船机、装车机等机械；矿石输送机械的主要职能是在港内转运货物， 涉及到皮带机、堆取料机等机械；辅助机械的主要职能是货物的称重、抽样和 除尘，涉及到采样机、计量秤、筛子、铁磁分离器等机械。上述三类机械组成 一个有机整体，便形成了具有特定功能的港口矿石码头装卸工艺系统，它是整 个港口矿石码头的核心系统，支撑着货物在港区的移动。因此，港口矿石码头 装卸系统设计的优劣，直接影响到港口矿石码头的运营效率。在港口矿石码头 装卸系统的三种机械中，矿石装卸机械和矿石输送机械尤为重要，因而在模型 中通常只考虑这两种机械，忽略辅助机械。 ( 3 ) 码头子系统的划分和分析 抵离港口矿石码头的船舶、车辆等临时实体是港口的主要服务对象，港口 矿石码头系统为船舶和车辆提供装卸服务，为矿石提供混配和位移服务。港口 矿石码头装卸机械通过特定的组合方式耦合形成港区运输网络体系，进而依据 一定的次序与港区各种永久实体结合，形成具有特定功能的子系统。本案例分 为四类子系统分别讨论：卸船子系统、装船子系统、卸车子系统和装车子系统。 1 ) 卸船子系统 卸船子系统中的永久实体是矿石进口泊位、卸船机、堆场和矿石输送机械， 临时实体是卸货船舶和矿石。 船舶满载矿石抵达港口后，在锚泊地等待；当有空闲泊位时，船舶靠泊作 业；然后为货物选择存放的堆场和装卸工艺路径，将货物卸载并运进堆场，船 舶