（管理科学与工程专业论文）集装箱港口铁路物流系统仿真研究.pdf

学位论文的主要创新点 煳 一、从三个角度对集装箱港口铁路物流系统进行深入研究。 集装箱前沿码头物流系统研究中已经得到相当广泛的应用，但对 后方铁路物流系统的研究却很少。本文将建模与仿真引入集装箱港口 铁路物流系统来分析研究系统的机械配置、机械调度等问题，并利用 仿真优化技术对集装箱港口铁路物流系统装卸作业运营费用进行优 化，这对集装箱港口铁路的研究内容是一次创新。 二、提出面向对象方法与w i t n e s s 仿真软件结合的方法对集装箱 港口铁路物流系统进行建模与仿真。 与以往研究相比，基于面向对象法的仿真系统更加切合实际，是 集装箱港口日常决策的强有力的支持工具。本文使用w i t n e s s 仿真软 件建立了集装箱港口铁路物流仿真系统，所建立的集装箱港口铁路物 流系统模型不仅从逻辑上实现了该系统，而且运用二维动画表现了仿 真的运行，使仿真并不再仅仅是枯燥的数据交互计算，而是更加直观 的动态过程，并将面向对象法与w i t n e s s 仿真建模技术很好的结合， 因此在研究方法上也是一次创新。 捅要 集装箱港口铁路运输作为现代物流链上的一个重要环节，对促进国民经济的 发展举足轻重。我国铁路自2 0 世纪7 0 年代以来大力开展集装箱运输，投入了较 多的技术、资金和设备，获得了良好的效益。2 0 0 8 年，我国港口集装箱吞吐量 己达到1 3 亿标准箱。这对铁路集疏运的集疏能力，尤其是对集装箱港口铁路装 卸工艺和装卸技术装备提出了更新更高的要求，给集装箱港口铁路的规划和管理 带来了前所未有的挑战。由于在集装箱港口建设中对于港口集疏运设旋的建设往 往不像码头水深和航道设施及集装箱装卸设备等受到更多的重视，导致港口集疏 运设施成为集装箱港口货流的瓶颈。如何利用集装箱港口铁路有限的资源设施， 高效地实现集装箱港口铁路装卸作业，增强集装箱港口铁路货运集疏能力，发挥 港口整体的枢纽作用已经是集装箱港口铁路的建设者和管理者所面临的一个新 的课题。 本文首先结合集装箱港口铁路物流发展背景提出本文研究的主要问题和研 究意义，并指出解决该问题时本文所运用的主要研究方法，最后阐述了所运用的 的方法在研究集装箱港口铁路物流系统中的现状，最后归纳了全文的内容框架。 其次，本文对集装箱港口铁路物流系统做了详细的分析，包括港口铁路的基 本组成、装卸线与箱区布局、装卸设备、装卸工艺、作业流程和评价指标。这些 后面建立理论模型和仿真模型提供了现实依据。 再次，在阐述了面向对象方法建模的一些理论基础后，本文深入研究了集装 箱码头装卸系统的结构和子系统，基于面向对象法建立了集装箱码头物流系统的 对象层、特征层及关系层，这为接下来仿真模型的建立提供了依据。 然后，根据北方某集装箱港口实际情况，在分析该系统随机分布事件和作业 流程的基础上，运用基于面向对象方法建模机制的仿真软件w i t n e s s 建立集装 箱港口铁路物流系统模型，对系统进行二维仿真。运行后输出港口铁路物流系统 性能评价指标数据，利用港口铁路的实际营运数据验证了仿真模型的可靠性。 最后，在验证模型可靠性的基础上，应用此模型对该港口铁路物流系统进行 机械配置分析及机械调度分析，在所建立模型的基础上，运用仿真优化技术优化 集装箱港口铁路装卸系统机械配置，从而使集装箱港口铁路装卸系统运营费用最 小。 关键词：集装箱港口铁路；物流系统；面向对象法；w i t n e s s a b s t r a c t c o n t a i n e rp o r tr a i ll o g i s t i c ss y s t e m ( c p r l s ) ，a sa ni m p o r t a n tp a r to fm o d e ml o g i s t i c s c h a i n p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y s i n c e l9 7 0 s ， c o n t a i n e rt r a n s p o r th a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e di nc h i n e s er a i l r o a d ，w h i c hm o r e t e c h n o l o g y , c a p i t a la n de q u i p m e n tw e r ei n v e s t e d ，a n dg o o ds o c i a l a n de c o n o m i c b e n e f i t sw e r ea c h i e v e d i n2 0 0 8 ，p o r tc o n t a i n e rt h r o u g h p u to fo u rc o u n t r yh a sr e a c h e d 1 3m i l l i o nt e u ，w h i c hg i v e san e w e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n to ft h ea b i l i t yo f c o l l e c t i o na n dd e l i v e r yo fr a i l w a y , e s p e c i a l l yt h eh a n d l i n gc r a f ta n dh a n d l i n g e q u i p m e n to ft h ep o r t f o rt h ec o n s t r u c t i o no fp o r tt r a n s p o r tf a c i l i t yi si g n o r e di nt h e c o n t a i n e rp o r td e v e l o p m e n tw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h ep o r tw a t e rd e p t h ，c h a n n e l f a c i l i t i e sa n dc o n t a i n e rh a n d l i n ge q u i p m e n t ，t h ep o r tt r a n s p o r tf a c i l i t i e sh a sb e c o m e t h eb o t t l e n e c ko ft h ec o n t a i n e rp o r tc a r g of l o w h o wt ou s el i m i t e dr e s o u r c e so ft h e c o n t a i n e rp o r tr a i l w a ys t a t i o ny a r df a c i l i t i e st oa c h i e v eh a n d i n go p e r a t i o no fc p r l s ， t oe n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h ec o n t a i n e rp o r tr a i lf r e i g h t ，i san e wp r o b l e mw h i c h b u i l d e r sa n dm a n a g e r so fc o n t a i n e rp o r tr a i ln e e dt om e e t a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , al i t e r a t u r er e v i e w so nd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do f c o n t a i n e rp o r tr a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e m ，r a i s e sm a n yp r o b l e m si nr e c e n tc o n t a i n e rp o r t r a i l w a yr e s e a r c ha n ds u m m a r i z e sr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e t h e nt h i sp a p e ra l s oe x p l a i n s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n da p p r o a c ho fs i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nu s e di n c p r l si nd o m e s t i ca n do v e r s e a s a tl a s ti tg e n e r a l i z e ss t r u c t u r eo fc o n t e n tf u l lt e x t s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i o nf l o wo ft h ec o n t a i n e rp o r tl o g i s t i c s s y s t e m ，i n c l u d i n gl a y o u t ，l o a d i n g a n du n l o a d i n gp r o c e s sf l o w , e q u i p m e n ta n d e s t a b l i s h m e n t t h e ni td i s c u s s e st h eb a s i cc o m p o n e n t s ，t h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g r u l e s a n de v a l u a t i o ni n d e xo fp o r tr a i l w a ys y s t e m t h e s eo 仃e rt h er e a l i s t i cb a s i sf o r t h ec r e a t i o no fm o d e l sa n ds i m u l a t i o nm o d e l si nf u t u r e t h i r d l y , a f t e rg o i n go v e rt h eb a s i ct h e o r e t i c a lp r i n c i p l e s o ft h eo b j e c t 。o r i e n t e d a p p r o a c h ，t h ep a p e ra n a l y z e ss t r u c t u r ea n ds u b s y s t e m so ft h ec o n t a i n e rp o r tr a i l w a y t r a n s p o r ts y s t e m a n dm a k e st h e o b j e c td i a g r a m ，c h a r a c t e r i s t i c d i a g r a ma n d r e l a t i o n s h i pd i a g r a m f o u r t h l y , a c c o r d i n gt ot h e f i n i s h e ds y s t e mm o d e lb a s e do na no b j e c t 。o r i e n t e d a p p r o a c ha n dt h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es y n c h r o n i z e dt w o d i m e n s i o n a la n i m a t i o n o fp o r tr a i l w a ys i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e sb a s e do nt h es o f t w a r eo fw i t n e s s w h i c hs e p a r a t e l yu s eb a s i ce l e m e n td e f i n i t i o n ，p r o c e s sf l o wd e s i g n ，e l e m e n td e t a i l s d e s i g n t h e nt h em o d e li sv a l i d a t e db yt h ed a t ao fa na c t u a ln o r t h e r nc o n t a i n e rp o r t f i n a l l y 。i t e s t i m a t e sd i f f e r e n tm a c h i n es c h e d u l i n ga n dd i f f e r e n t m e c h a n i s m c o n f i g u r a t i o n ；a n d ，a tt h es a m et i m e ，i tc a np r o v i d et h eu s e f u ls u g g e s t i o n f o rt h e s e c o n dc o n s t r u c t i o ns ot h a ti tc a nm i n i m i z eo p e r a t i n gc o s t so ft h ep o r tr a i l w a y s h a n d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：c o n t a i n e rp o r tr a i l w a y ；l o g i s t i c ss y s t e m ；o b j e c t o r i e n t e d a p p r o a c h ； w i t n e s s ； 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 1 1 问题提出1 1 1 2 研究意义2 1 2 本文主要研究方法3 1 2 1 离散事件系统建模3 1 2 2 离散事件系统仿真5 1 3 集装箱港口铁路物流系统仿真技术研究现状一6 1 3 1 系统仿真技术研究现状6 1 3 2 集装箱港口铁路物流系统仿真技术研究现状8 1 4 论文的内容框架9 第二章集装箱港口铁路系统作业分析1 l 2 1 集装箱港口铁路基本组成和布局1 1 2 1 1 集装箱港口铁路基本组成1 l 2 1 2 集装箱港口铁路装卸线与箱区布局1 2 2 2 集装箱港口铁路装卸设备1 3 2 2 1 装卸线上机械设备1 3 2 2 2 水平运输机械设备1 4 2 3 集装箱港口铁路装卸工艺1 5 2 4 集装箱港口铁路作业分析1 6 2 5 集装箱港口铁路物流系统性能指标1 8 2 6 本章小结l9 第三章基于面向对象方法的集装箱港口铁路物流系统建模2 1 3 1 基于面向对象方法的建模2 l 3 1 1 建模元素2 l 3 1 2 表示法2 3 3 1 3 建模原则2 3 3 1 4 基于面向对象方法的系统基本模型2 5 3 2 集装箱港口铁路物流系统的结构与子系统2 5 3 2 1 集装箱港口铁路物流系统的结构2 6 3 2 2 集装箱港口铁路物流系统的子系统2 6 3 3 基于面向对象方法的集装箱港口铁路物流系统模型2 7 3 3 1 集装箱港口铁路物流系统模型的对象层2 8 3 3 2 集装箱港口铁路物流系统模型的特征层2 9 3 3 3 集装箱港口铁路物流系统模型的关系层2 9 3 4 本章小节3 0 第四章集装箱港口铁路物流系统仿真模型实现3 l 4 1w i t n e s s 简介一3l 4 1 1w i t n e s s 基本单元31 l 4 1 2w i t n e s s 仿真步骤3 2 4 2 仿真模型的规划3 4 4 3 仿真流程的设计3 4 4 4 随机事件分布模式及参数选择3 5 4 5 仿真模型的结构3 7 4 5 1 模型的抽象与简化3 7 4 5 2 模型模块的划分3 7 4 5 3 定义元素3 9 4 5 4 元素详细设置4 0 4 6 仿真模型的实现4 2 4 6 1 模型参数的输入4 2 4 6 2 仿真模型的运行4 2 4 6 3 模型输出及验证4 3 4 7 本章小结4 4 第五章集装箱港口铁路物流系统仿真模型应用4 5 5 1 仿真模型应用一：机械调度分析4 5 5 1 1 机械调度仿真方案。4 5 5 1 2 仿真结果及其分析4 6 5 2 仿真模型应用- - ：机械配置分析4 7 5 2 1 机械配置仿真方案4 7 5 2 2 仿真结果及其分析4 7 5 3 仿真模型应用三：运营费用优化4 9 5 3 1 问题描述4 9 5 3 2 优化模型建立5 0 5 3 3w i t n e s s 仿真优化51 5 3 4 优化模型结果5 3 5 4 本章小结5 5 第六章研究总结与展望5 7 6 1 全文总结5 7 6 2 研究展望5 7 参考文献5 9 发表论文和参加科研情况说明6 2 至丈谢6 3 l i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 问题提出 第一章绪论 港口是货物集散中心，是当代城市物资的重要枢纽。港口又是水路运输的起 点和终点，连通铁路、公路、内河、甚至是航空运输网络，是整个货物流通链中最 大量的集结点。同时，港口不仅是我国对外开放的主要窗口，外贸进出口9 0 以上通过港口进出，而且也是我国沿海地区能源等大宗散货调运的重要通道。港 口作为多种运输方式交汇的枢纽，对集疏运有着较强的依赖性。从中国的实际国 情出发，铁路货运应当是交通运输的龙头企业。铁路货运具有遍布全国的铁路网 络和货场，其长途运输优势和大宗货物仓储能力是其它任何交通运输业无法比拟 的。铁路有专业的装卸机械和从业人员，可以为社会提供专业化的集装箱运输服 务。据交通部为全面建设小康社会制定的跨越式发展规划，到2 0 2 0 年全国沿海 港口货物吞吐量将达4 0 亿吨，其中集装箱吞吐量可达1 7 亿t e u ，年均增速都 超过铁路货运的增长速度，港口吞吐量的快速增长，为铁路货运的发展提供了有 利条件【1 1 。 目前，我国正在北京、天津、上海、广州等中心城市及港口城市建设1 8 个 集装箱中心站，使其相互间能开行集装箱班列，成为全国及区域铁路集装箱运输 中心；并将要建设4 0 个左右靠近省会城市、大型港口城市及主要内陆口岸的集 装箱办理站，使之成为地区铁路集装箱运输中心。为了适应国际集装箱运输的需 要，集装箱船舶正向大型化方向发展。容量为7 0 0 0 9 0 0 0 t e u 的船舶正在投入运 营，米来还将出现1 0 0 0 0 t e u 的大型集装箱船。船舶的大型化给集装箱码头和港 口铁路的规划建设、机械调度、机械配置等带来了新的问题，需要深入研刭引。 随着现代高新技术在集装箱港口中的大量应用，装卸生产系统向大型化、高 速化、自动化、数字化、信息化方向发展，码头规模越来越大，吞吐量越来越大， 对其后方疏运的作业效率的要求也越来越高。这就要求一方面需要对新建和改建 的集装箱港口铁路进行合理规划，另方面需要不断提高集装箱港口铁路装卸系 统的运作效率。 首先，要提高集装箱港口铁路的运作效率，就需要制定合理的机械调度方案， 除此之外还还需要制定合理的集装箱港口铁路机械配置方案，这关系到港口、货 天津工业大学硕士学位论文 主等多方的利益，影响港口整体的服务水平。通过合理的机械配置和适当的机械 调度方案，可以实现高效的装卸作业，缩短集装箱列车在港时间，提高疏港铁路 集疏效率。 另外，对于扩建或改建的集装箱港口铁路还需要进行合理规划。所谓合理规 划是指合理配置集装箱港口铁路的资源设施和装卸设备，这关系到是否在资源配 置上造成冗余和不足的情况，直接影响投资成本和运营情况。如何在集装箱港口 铁路目标吞吐量一定的情况下既保证高效的作业效率又使系统运营费用最小与 集装箱港口铁路合理规划密不可分的。 因此为了更好地指导我国集装箱港口铁路运输的运作实践，提高集装箱港口 铁路的集疏效率，在阅读了大量的有关集装箱港口铁路系统规划与设计、离散事 件系统建模理论以及计算机仿真等方面的文献之后做以下问题的研究：( 1 ) 机械 调度：分析集卡不同调度方式对集装箱港口铁路物流作业效率的影响。( 2 ) 机械 配置：分析轨道吊与集卡数量的不同配比对集装箱港口铁路物流作业效率的影 响。( 3 ) 运营费用：在目标吞吐量一定的前提下，优化集装箱港口铁路物流系统 装卸机械配置，从而使集装箱港口铁路物流系统运营费用最小，为集装箱港口铁 路物流系统扩建提供依据和有益参考。 1 1 2 研究意义 根据国家统计局统计数据表明，2 0 0 8 年1 1 2 月货运量累计实现2 4 4 5 亿吨， 在铁路、公路、水运、民航四大运输方式中，公路运输仍然是货运市场的对主力， 公路货运量占8 1 0 7 ，增长1 0 9 。其它运输：民航货运增幅最显著，比去年 同期增长2 4 5 、水运货运增幅5 7 、铁路增幅最小为4 6 【3 】。从全社会货运 总量上来看，铁路货运在市场中所占比重却呈下降趋势。由于国际货运量的9 0 以上是靠海运完成，因此港口在整个运输链中总是最大量货物的集结点。疏港铁 路作为港口重要的疏运方式之一，在港口建设规模的不断扩大和现在化程度的日 益提高，吞吐量的增长迅猛的大前提下，如果利用现有铁路资源，优化配置，发 挥其最大运能，以及深化铁路货运向现代物流方向发展，成为迫在眉睫的问题。 集装箱港口铁路物流系统作为一个大型的复杂服务系统，受多方面因素影响 并具有离散性、随机性及动态性的特点为研究集装箱港口铁路物流系统带来一定 的难度。仿真技术具有符合人们思维习惯，便于对系统进行分析和优化，对复杂 系统具有良好的适应性等优点能够弥补数学建模的不足。由于仿真技术只能利用 所给定的特解对系统进行评价，依靠仿真模型寻找最优解的过程将会异常繁琐， 将系统仿真技术和优化算法结合起来，为解决问题提供了一种有效途径。它可以 充分利用计算机的优点，尽可能多的考虑各种因素对系统动态运作过程的影响， 第一章绪论 研究系统中变量之间的相互关系，以发现系统设计中存在问题。 随着仿真技术的发展，仿真技术和优化技术在当前物流系统的研究中不再单 用。由于现实系统的复杂性及其本身的随机性，需要使用仿真的方法来对系统进 行研究。然而，仿真模型仅是对问题的直观描述，仿真运行只能提供一定条件下 的可行方案，它并不能给出问题的最优解，所以需要将优化技术嵌入仿真过程， 以便在仿真环境下使输出响应不断地得到改进，从而可以形成各种仿真的优化结 构，进而实现系统性能的优化。仿真优化就是指非枚举地从可能值中找到最佳输 入变量值，使得输出结果为最优解或满意解的过程，其目标是在仿真试验中获得 最多信息的同时，所耗费的资源最少，使得用户可以更加容易地得到最优解，所 以仿真优化对于辅助决策具有重要意义。 通过以集装箱港口铁路物流系统为研究对象，利用仿真优化的方法研究其资 源配置和作业调度问题，可以得出更加准确、合理的作业调度和资源配置方案， 微观上说有助于降低系统运营费用，提高集装箱港口铁路自身的经济效益和竞争 力，宏观上说有助于提高整个运输链和物流链运营效率。同时，也为国有铁路改 变传统货运观念，深化体制改革，适应现代物流发展并向其转变提供有益参考和 依据。 1 2 本文主要研究方法 1 2 1 离散事件系统建模 离散事件动态系统，是在当今世界一大批高新技术发展的推动下形成和发展 起来的，本质上属于人造系统的范畴，简称为d e d s ( d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s y s t e m s ) 。在这类系统中，对系统行为进程起决定作用的是一批离散事件，而不 是连续变量，所遵循的是一些人为规则，而不是物理学定律。离散事件是指d e d s 中发生在离散时刻的事件或行为，发生时刻取决于这一时刻前系统行为的深化过 程。集装箱港口铁路的“列车到达 和“列车离开”就是一些典型的离散事件。 在d e d s 中，一个离散事件的发生驱动系统状态发生变化，同时还会按照系统的 运行规则在系统中激发新的离散事件，从而形成系统状态的演化过程。比如“列 车到达”事件会改变装卸线泊位的状态及触发各种装卸运输机械工作，而装卸运 输机械工作又会改变堆场、大门的状态。事件持续传递和变换，演绎着集装箱港 口铁路物流系统的动态行为。由此可见，集装箱港口铁路物流系统是典型的离散 动态系统。 和连续系统一样，研究d e d s 需要建立模型，模型反映了系统主要行为特征 的变量与系统结构参数之间的一种关系。模型可采用数学方程、曲线、图表、计 天津工业大学硕士学位论文 算机程序等多种形式表征。基于系统的模型，可分析系统的行为性能及其与系统 结构和参数的关系，研究系统的控制和优化。不过，目前要对一个复杂的离散事 件动态系统建立比较完善的模型还是比较困难的。一般认为，d e d s 的模型定位 于运筹学、系统与控制理论、人工智能与自然语言理解等多学科之间的结合。 集装箱港口铁路物流系统是典型的离散事件系统，对集装箱港口铁路物流系 统进行仿真，建立可信的系统模型是最重要的前提，也是仿真中比较困难的部分， 然而在有关集装箱港口铁路物流系统的研究中，着重系统模型建立的并不多见， 实际上这给系统模型的分析带来了困难。随着系统科学和管理科学的不断发展及 其在军事、航空航天、计算机集成制造和国民经济各领域中应用的不断深入，逐 步形成了很多新的建模方法，其主流是网络图法和流程图法。 ( 1 ) 网络图法 排队网络法 排队网络方法是由若干个服务中心按一定的网络结构所组成的一个系统。服 务中心由顾客和服务台所构成，通常一个服务中心拥有一个或多个服务台。1 9 7 7 年s o l b e r g 首次将排队网络理论用于离散事件系统的建模，其模型假定服务台服 务时间为指数分布，被服务对象都是同一类型。与离散事件系统的其他类型的模 型相比，排队网络的优点是能够考虑系统中的各种随机因素，并能较为细致地描 述系统内部的各种复杂关系，基于排队网络模型，易于从概率和统计的角度分析 和优化离散事件系统的过程性能。通过排队网络模型，可以分析港口系统的生产 率、平均作业时间、港口泊位利用率等。排队网络方法的主要局限性是所研究的 排队系统引入的假设条件过强，且只能描述系统的稳态性能和平均性能。 p “网方法 p e t f i 网方法是由德国学者c a p e t f i 在1 9 6 2 年所提出的。本质上，p e t f i 网方 法是一种以图形形式研究系统组织结构和动态特性的理论，它的主要特性包括： 并行、异步、不确定性和分布描述能力和分析能力。和排队网络法比较起来，p e t n 网模型己不局限于那些抽象的表述及分析，它对系统动态特性进行了较好的描 述，同时其图形的表示法易于理解和接受。p e t f i 网模型的性能特征如可达性、 活性、死锁等有明显的工程意义。p e t f i 网的局限性在于模型的维数灾难，它导 致了模型表达和分析计算过于复杂，以致在工程上难以有效应用。 ( 2 ) 流程图法 实体流程图 在离散事件系统中，实体可以分为两大类：临时实体和永久实体。实体流程 图法采用与计算机程序流程图相类似的图示符号和原理，建立表示临时实体产 生、在系统中流动、接受实体“服务”以及消失等过程的流程图。借助实体流程 第一章绪论 图，可以表示事件、状态变化及实体间相互作用的逻辑关系。由于计算机程序框 图的思想和编制方法己广为人们所接受，加上实体流程图编制方法虽然简单，但 对离散事件系统的描述却比较全面等特点，使得实体流程图法的应用比较普遍。 活动周期图法 活动周期图法认为系统中的每一个实体都按各自的方式周而复始地变化，表 现出一定的生命周期形式；它将实体分为静寂( d e a d ) 和激活( a c t i v e ) 两种，以直观 的图形方式显示实体的状态变化历程和各实体之间的行为模式，并将系统的状态 变化以“个体 状态变化的集合方式表示出来，因此可以更好地表达众多实体的 进发活动和实体之间的协同。但是对于复杂的系统，活动周期图十分繁杂。 面向对象方法 面向对象方法起源于面向对象的编程语言，它的思想就是使所分析和研究系 统的建模方式与对客观世界的认识过程尽可能一致。在基于面向对象方法的仿真 中，系统被看成是由对象组成的。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和 消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变化活动的自主的模块， 对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。对象内部不仅封装了对象的属性， 还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转换函数，这些函数以消息或时 间来激活，在满足一定条件时产生相应的活动。面向对象的仿真尤其适用于各实 体相对独立、以信息建立相互联系的系统。 面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，这种建模过程类似于人类所 习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计 算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。 同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。 面向对象的仿真在理论上突破了传统仿真方法观念，所建立的模型具有的可 扩充性和可重用性，有利于可视化建模仿真环境的建立，从而为大型复杂系统的 仿真分析提供了方便的手段。 1 2 2 离散事件系统仿真 本文对集装箱港口铁路物流的仿真利用的是离散事件系统仿真方法。离散事 件系统的仿真就是按照实际的工作流程，在规定时间内顺序地改变实体或设备的 状态。离散事件系统仿真适用于状态变量是离散变化且存在一定随机性的一类系 统的仿真问题。在集装箱港口铁路物流系统中涉列车进港、装卸机械作业、堆场 存储等完整的物流环节的各种信息量，事件的发生不是连续的，发生时间的间隔 也不相等，而且具有某种随机性。常用的理论和方法有解析法( 排队论、优化法) 以及仿真。解析法即把码头系统抽象成一种数学表达式，通过求解数学表达式找 天津工业大学硕士学位论文 到最优解。解析法有比较悠久的发展历史，在实际中应用广泛，是比较成功的方 法。但是解析法过于拘泥于数学抽象，人们面对抽象的假想的数学模型，很难获 得系统的真实感受，因此不便于进行实际的系统分析。同时解析法一般是针对一 种固定的约束条件或环境求解，而实际系统，特别是复杂的离散事件系统( 集装 箱码头系统就是这样的系统) ，往往受很多随机因素的影响，从而给分析带来很 大的误差。系统仿真由于具有以下的优点，己成为目前研究集装箱港口铁路物流 系统的重要工具： ( 1 ) 符合人们的思维习惯，有助于系统分析。系统仿真所依据的是系统的实 际观测所获得的数据建立起来的动态模型。这种模型既反映了系统的物理特征， 又反映了其逻辑特征，更贴近实际，更便于对系统进行分析。 ( 2 ) 对复杂的系统具有很好的适应性，有利于解决随机因素的影响。系统仿 真所建立的模型是一个随机模型，系统的参数受随机因素影响所发生的变化在模 型中得到充分体现。 ( 3 ) 可以帮助系统优化。系统仿真是一种间接的优化方法，对于多目标、多 因素、多层次的系统来说，并不存在绝对意义上的最优解。系统仿真可以让人们 依据对系统模型动态运行的效果，多次修改参数，反复仿真，寻求改善系统行为 的途径和方法。在没有实际系统的情况下，把规划的集装箱码头系统转换成仿真 模型，通过在计算机上运行仿真模型，评价规划方案的优劣并修改方案。这样可 以在系统建成之前，对不合理的设计和投资进行修正，避免资金、人力和时间的 浪费；也可对现有系统进行仿真运行，对系统进行改造，或为管理决策提供依据， 因此开展集装箱港口铁路物流仿真的研究具有很强的实际意义。 1 3 集装箱港口铁路物流系统仿真技术研究现状 1 3 1 系统仿真技术研究现状 目前具有代表性的专用仿真语言主要有w i t n e s s ，e m p l a n t ，a u t o m o d ， g p s s ，s i m c r i p t ，s i m a n ，s l a m ，a u d i t i o n 等。这些软件系统不仅包括 建模、仿真运行和结果输出，还包括模型分析、系统规划设计和统计分析等功能。 用户界面也更直观和灵活。系统模型可以二维或三维方式动画显示，以便对系统 仿真过程进行实时的跟踪和分析。这些仿真语言不需要仿真者有很多的计算机知 识和编程技巧，也不需要了解很多的仿真理论和算法。仿真的主要精力可以放在 系统建模和系统分析上。即有利于提高仿真的效率，更有利于提高仿真的质量。 ( 1 ) 系统仿真技术研究动态 集装箱港口物流系统是指在一定的港口空间里，由所需输送的货物和包括有 第一章绪论 关港口起重设备、输送工具、人员以及通信联系等若干相互制约的动态要素构成 的具有特定功能的有机整体。计算机模拟技术在国内外也早已应用于港口码头的 规划设计领域和营运管理方面，主要集中在以下几个方面： 仿真技术在机械调度方面的研究动态 r i c h a r dl i n n ( 2 0 0 2 ) 1 0 】通过一个混合整数规划模型研究了场桥的工作任务分 派问题。c h u n g e t a l ( 1 9 8 8 ) 1 1 】最早提出了场桥路径选择问题，目的是减少场桥的不 必要移动，提高场桥的工作效率。m a r k b d u i n k e r k e n 等1 1 2 1 ( 2 0 0 1 ) 建立了一个采用 a g v s 的岸桥运输系统仿真模型，模型中堆场区的长、宽、高，堆场区起重机属 性，堆存处理策略可设定，通过仿真模型可获得优化的集装箱堆存高度、a g v s 数目和其它变量的值。此研究结果己应用于鹿特丹港。在国内，大连理工大学集 装箱列车c a d 中心的林焰建立了以场桥作业时倒箱量最小为目标，运用最小生 成树和启发式算法对优化模型进行求解，获得倒箱量最小的优化装船顺序【1 3 】。张 新艳在她的博士论文中，忽略场桥的影响，用基于生物进化策略对堆场上集装箱 运送顺序进行优化，实现了基于生物进化策略的集装箱港口铁路物流系统的优 化，并实现了基于面向对象法的仿真模型4 1 。 仿真技术在机械配置中的研究动态 泊位是一个港口的必需资源。因而，当集装箱船舶较多时，合理的分配泊位 可减少集装箱列车的耽搁。t a b e m a c l e 4 】将学习理论应用到岸桥分析中，以提高岸 桥对时间的效率。j b o s e 等【5 】针对岸边有缓冲区的港口，建立了仿真模型，以岸 桥作业的等待时间最短为目标，在给定各船集装箱装卸顺序的假设下，确定如何 为各岸桥配备在缓冲区的跨运车，以及各跨运车应以何顺序操作具体的集装箱。 我国的宋德星( 1 9 9 5 ) 【6 】和黄晓鸣等【刀( 1 9 9 6 ) 应用排队论在集装箱码头工程设计中 确定泊位通过能力和最佳泊位数。 d a g a n z o 卅( 1 9 8 9 ) 是第一篇真正意义上对港岸起重机装卸调度问题进行研究 的文章。在该文章中，作者采用了混合整数规划模型对其进行模拟求解从而确定 分配给多个集装箱列车贝位( s h i pb a y ) 的岸桥数。p e t e r k o f s k y e t 公( 1 9 9 0 ) p 】贝0 在 n a g a n z o ( 1 9 8 9 ) 所提模型的基础上，针对多艘船作业的情况，以船离港时间及最小 延误惩罚最小化为目标，进一步发展模型，将作业中的岸桥视为平行作业的同种 机械，把该问题转化为“o p e ns h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m ，建立了整数规划模型， 并采用分枝定界法求解该问题的精确解 ( 2 ) 系统仿真优化技术研究动态 p e t ep r e s t o n 等( 2 0 0 1 ) 在不同资源条件和不同的集装箱运输调度策略下，建立 了优化储存策略的海港系统模型。k o c h e l ，n i e l a n d e r ( 2 0 0 5 ) 运用仿真优化技术研 究了多目标的库存建模问题。国内的王鸿鹏( 2 0 0 2 ) 针对目前集装箱船配积载中 天津工业大学硕士学位论文 箱位选配尚需依赖于人工经验知识的问题，运用知识推理技术设计了集装箱船自 动配积载专家系统，为未来实船集装箱自动配积载智能仪的开发提供理论依据。 宋毅等( 2 0 0 3 ) 分析了基于w e b 的集装箱箱位管理系统的特点和功能，并对其中 的集装箱船舶分配过程采用了优化退火算法。 随着仿真优化理论研究与应用的深入和逐步完善，许多学者和公司将优化算 法与在仿真软件相结合，甚至将它们有机集成，进而开发了许多仿真优化软件， 使用者也不必过分了解深奥的算法理论，因而便于工程应用。 1 3 2 集装箱港口铁路物流系统仿真技术研究现状 通过查阅大量文献资料了解到，目前，在发达国家从事集装箱码头系统模拟 模型开发的人员和公司很多，如加拿大的s a n d w e l li n c ，香港的c h i n al i g h t p o w e r 公司，德国i n s t i t u t eo f s h i p p i n ge c o n o m i e sa n dl o g i s t i c s 公司等。但是，采 用系统仿真的方法用于铁路运作的研究，还比较少见。 国内目前有关铁路的仿真研究，如铁道学报，由程文明等撰写的铁路集装 箱场系统模型及动态模拟论文，其中将计算机动态模拟运用于铁路集装箱场的 分析和研究，将集装箱场各个环节抽象成数学模型，然后随时间的变化，按照一 定的逻辑计算各种量值的变化。并采用离散事件系统仿真语言g p s s f 编制计算 机模拟程序，输入在系统模型中建立起来的各种数量和逻辑关系，实现系统的动 态模拟。最终模拟结果输出信息：堆场每天进出箱数、利用状况、倒箱情况、 集装箱贮存量和贮存周期。集卡等候时间、队长和频率。装卸机械作业量、 作业时间、作业行程和装卸效率。论文最后提到，系统模拟可以为铁路集装箱场 的规划、设计、研究分析、装卸机械的选型及发展、运营管理、招标投标和进行 可行性研究等方面提供决策参考。刘新( 2 0 0 5 ) 撰写的港口铁路物流系统的仿 真与建模论文是基于排队网络理论，在集装箱铁路装卸系统和作业规则的基础 上，利用专业仿真软件w i t n e s s 建立了集装箱码头铁路物流系统的计算机仿真 模型，可以实时动态地显示集装箱铁路装卸作业过程和相应的性能