（交通运输工程专业论文）基于witness集装箱码头道路交通系统仿真分析.pdf

- t r a f f i cs i m u l a t i o na n a l y s i so fc o n t a i n e rt e r m i n a l s b a s e do nw i t n e s s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l iz u w e i ( c o m m u n i c a t i o n sa n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i nz h i h o n g a s s i s t a n ts u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e rl iw e n ji n g s e p t e m b e r 2 0 1 0 9 川055j_洲8 川1洲y 、 v，3 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王堕! ! 盥星苎墨塞菱筮盟达道路交道丕缠笾真盆查匠：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：燃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密。( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：李狱导师签名： 日期：2 j o 年 么红 。日 、 中文摘要 摘要 持续增长的集装箱吞吐量以及未来的进出口需求，向港口的发展提出了更高 的要求。目前，在国家及地方政府的积极支持下，集装箱码头的规划与建设快速 发展。天津港作为我国最大的港口之一，是我国华北、西北和京津地区的重要水 路交通枢纽，对外交通十分发达，已经形成了快速、发达的内陆集疏运交通体系。 随着天津港即将建设成为我国北方国际航运中心，集装箱吞吐量在未来十年将有 更快的增长，天津港集装箱码头的发展将面临着新的机遇和挑战。新形势下，天 津港集装箱码头的规划与建设具有十分重要的意义。 集装箱码头是一个复杂的离散事件动态系统，就有动态性、随机性、异步性 的特点，针对码头作业特点，采用离散事件仿真理论，基于集装箱码头物流作业 流程建立仿真模型，采用面向事件的仿真方法，基于w i t n e s s 仿真软件，对天津港 集装箱码头道路交通系统进行仿真。最后应用交通流理论，对仿真结果进行分析。 应用所建立的仿真模型，本文对天津港集装箱码头进行了仿真，提出天津港集装 箱码头道路交通系统优化策略，从而提高集装箱码头作业效率，为天津港集装箱 码头的规划与管理提供意见与建议。 关键词：集装箱码头：道路交通系统：仿真：优化 a b s t r a c t c o n t i n u e d 印讹i ni m p o r ta n de x p o r to fc o n t a i n e rp u th i g h e rp o nr 删躺 i nt h ed e v e l o p m 锄t c u r r e n t l y , s t a t ea n d l o c a lg o v e r n m e n t sa c t i v e l ys u p p o r tm e p l 砌n ga n dc o n s t r u c t i o no fc o n t a i n e rt e r m i n a l sr a p i d l y t i a n j i n p o r t 弱t h el a r g e s tp o r t i i l 伽n ai so n eo fn o r t hc h i n a , n o r t h w e s tc h i n a a n dt h eb e i j i n g - t i a n j i n 嘲0 n s 删0 r w a t e 侧a y 仃觚s p o r th u b ，h a s f o r m e daf a s t ，w e l l - d e v d o p e d i n l a n dc o l l e c t i n ga n d d i 蛳b u t i n g 仃a 仿cs y s t e l l l w h e nt h et i a n j i np o r ti sb u i r i n t oa ni n t e m a t i o h a ls h j p p i n g c e n t e ri nn o m l 跚n 如此c i d 概n e r 帆g h p u t i nt h en e x td e c a d ew i l lb ef a s e rg r o w m ， t h cd e v e l o p m 髓to ft i 硼i np o r tc o n t a i n e rt e r m i n a lw i l la l s of a c en e w o p p o n u l l l 1 髓 孤dd l a l l e i l g e s i nt h en e ws i t u a t i o n , t i a n j i n p o r tc o n t a i n e rt e r m i n a lp l 猢m g8 n d c o n s t r u c t i o ni so fg r e a ts i 嘶f i c 锄阢 c o n t a i n e rt 跗n i n a l i sac o m p l e xd i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ，w l l i c h n 嬲 d 锄i c ，s t o c h 枷c ，a s y n c h r o n o u sf e a t u r e s o p e r a t i n g c h a r a c t 舐s t i c sf o rt 锄m a j s 戚n gd i s c r e t e e v 钮ts i 舢l a t i o nt h e o r y , t h ep a p e r e s t a b l i s h e dc o n t a i n e r t 锄1 n a l s i m u l a t i o nm o d c lo f t h el o g i s t i c sp r o c e s s e sb ye v e n t - o r i e n t e ds i m u l a t i o nm e m o d i h e n t h ep a p e rs i m u l a t e dr o a dt r a f f i cs y s t e mo nt h et i a n j i np o r tc o n t a i n e rt 锄1 n a l o nt l l e w i 协e s ss i m u l a t i o ns o 觚a r e f i n a l l yo nt h e t r a f f i cf l o wt h e o r y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t s w e r ea n a l y z e d t h e 懿t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e l i sc a r r i e do u ti nt i a n j i np o nc 9 n 协m 盯 t e 玎n j n a le v a l u 习瓜。玛w l l i c h m a k e st i a n j i np o r tc o n t a i n e rt c r m i n a l 仃a f f i cs y s t e m o p t i m i z a t i o ns 虹a t e g y t 0i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o n t a i n e rt e r m i n a lo p 踟l 缸o n s a i l d p r o v i d e s 缸m c ea n dr e c o m m e n d a t i o n s f o rt i a n j i np o r tc o n t a i n e rt e r m i i l a lp l a n n i n ga n d m a n a g e m e n t k e y w o r d s ：c o n t a i n e rt e r m i l l a l ；r o a d t r a f f i cs y s t e m ；s i r e u l a t i 。n ；o p t i 洫a t i 。n 目录 目录 第1 章绪论。1 1 1 研究背景。1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 国内研究现状1 1 2 2 国外研究现状2 1 3 研究内容和目标3 1 4 研究意义一5 第2 章集装箱码头作业系统分析6 2 1 集装箱码头基本组成6 2 2 集装箱码头作业系统7 2 2 1 集装箱码头作业系统结构7 2 2 2 集装箱码头作业流程10 2 2 3 集装箱码头系统特性1 2 2 3 集装箱码头作业系统仿真可行性分析1 3 第3 章集装箱码头道路交通系统仿真模型15 3 1 离散事件动态系统仿真理论1 5 3 1 1 离散事件动态系统概念一1 5 3 1 2 仿真策略1 7 3 1 - 3 面向事件的仿真模型设计1 7 3 2 集装箱码头道路运输系统。19 3 2 1 集装箱码头道路交通系统概述1 9 3 2 2 集装箱码头道路运输系统仿真中的相关要素2 0 3 3 集装箱码头道路运输系统仿真模型2 3 3 3 1p e t r i 网理论2 3 3 3 2 基于p e t r i 网的仿真模型2 3 3 3 3 仿真流程2 6 3 4w i t n e s s 软件的仿真模型实现一2 9 3 4 1w i t n e s s 仿真软件介绍2 9 3 4 2 仿真目的3 0 3 4 3 仿真模型的结构。3 0 3 4 4 仿真模块3 2 3 4 5 仿真模型的实现3 4 目录 第4 章天津港集装箱码头道路交通系统仿真实现3 6 4 1 天津港集装箱码头简介3 6 4 2 道路运输系统仿真界面3 7 4 3 天津港集装箱码头道路运输系统仿真过程3 8 4 3 1 随机事件的分布3 8 4 3 2 天津港集装箱码头主要参数3 9 4 3 3 仿真过程与结果分析4 1 第5 章天津港集装箱码头道路交通系统优化与实施建议4 3 5 1 天津港集装箱码头道路交通系统优化4 3 5 2 实施建议“ 第6 章结论与展望4 6 参考文献4 7 致谢4 9 基于w i t n e s s 集装箱码头道路交通系统仿真分析 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着世界一体化经济的发展，国内经济体制改革与对外开放的实施，我国与 世界各国的贸易往来得到了快速的发展，港口集装箱的吞吐量保持高速增长。港 口作为集装箱进出口贸易的出口，在基础设施、功能结构、技术先进性、管理水 平等方面都应满足持续增长的集装箱贸易量。 我国国民经济持续快速发展，港口已经成为重要的基础产业，进出口贸易的 发展将增强我国在国际贸易中的地位。加快港口建设，优化港口资源配置，提高 港口进出口管理水平，增加进出口贸易量，是促进我国国内经济发展，尤其是沿 海城市经济发展的重要手段。 持续增长的集装箱吞吐量以及未来的进出口需求，向港口的发展提出了更高 的要求。目前，在国家及地方政府的积极支持下，集装箱码头的规划与建设快速 发展。天津港作为我国最大的港口之一，是我国华北、西北和京津地区的重要水 路交通枢纽，对外交通十分发达，已经形成了快速、发达的内陆集疏运交通体系。 2 0 0 9 年集装箱吞吐量为8 7 0 万t e u ，增长2 4 ，货物吞吐量居北方港口第一【l 】。 随着天津港即将建设成为我国北方国际航运中心，集装箱吞吐量在未来十年将有 更快的增长，天津港集装箱码头的发展将面临着新的机遇和挑战。新形势下，天 津港集装箱码头的规划与建设具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内集装箱码头的仿真有资源配置和作业环节，资源配置集中在配置比例的 优化比例。作业环节包括作业管理和作业部门的布局。 林敦清、陶其钧( 2 0 0 1 ) 给出了桥吊数量的“量能 配备法，即根据码头岸线长 度、各代集装箱船舶长度，确定码头能够停靠的各种船型组合，然后分析确定每 种船型允许开工的作业线，从而得到码头集装箱桥吊配备数量以确定码头的通过 量，最后再分别计算出龙门吊、集卡的操作量，得到龙门吊、集卡的配备数量。 李冠声、丁以中等( 2 0 0 2 ) 以上海外高桥港区为背景，研究集装箱码头的吞吐能 第1 章绪论 力与装卸设备优化问题。 郝聚民、纪卓尚( 2 0 0 2 ) 介绍出口集装箱堆场优化，提出混合顺序堆场作业的概 念，在图搜索技术和模式识别理论的基础上，建立随机条件下的混合顺序作业堆场 倍位作业模型。 真虹、沙梅等( 2 0 0 0 ) 针对上海外高桥四期码头专门研发的装卸工艺仿真系统， 就是为了给集装箱码头工艺方案设计提供解决方案。沙梅( 2 0 0 3 ) 拟用离散系统仿真 对集装箱码头的工艺系统设计进行建模与仿真研究。 在国内，东南大学在2 0 世纪9 0 年代中后期进行的城市交通网络研究、城市 交通实时模糊控制研究，提出了单路口交通实时模糊控制方法。另外，还采用动 态微观仿真方法研究了路段通行能力，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规 则的相互关系及对通行能力的影响，从微观角度出发建立了仿真模型。 上海海运学院的真虹教授根据并行工程的理论，利用v i s u a lb a s i c4 0 和图形 生成软件a u t o c a d1 4 0 开发了可用于港口生产调度d d s 和评价港口生产调度c e 改造原则的动态图形仿真系统，通过程序运行结果和一些实际的港口的调度方案 进行比较，对集装箱码头的合理调度方案作了深入的研究。该系统主要的研究工 作集中在港口码头的前沿，对于港口码头的堆场部分作了简化。 1 2 2 国外研究现状 国外对集装箱码头的仿真研究主要集中在作业环节与装卸作业系统，从资源 配置、运营管理、作业过程角度进行研究。 对于堆场作业环节，波兰的a m b o r s k i k ( 1 9 8 4 ) 对堆场存储区的运作进行仿真， 实现堆场车辆移动的最优化，已达到服务时间最短的目的。采用的是数字仿真的 方法。 韩国k i mk a ph w a n , l e ek e u n gm o 和h w a n gh a r k ( 2 0 0 3 ) 研究集装箱码头堆场 按顺序接收和运送，即关于堆场与道口环节的运营问题，提出动力学模型。该模 型研究在可预先知道所有要到达卡车静态顺序的基础上进行，对于新进入卡车的 动态位置，提出一种基于学习理论的方法来产生决策规则。 关于路径问题的研究，文献大多数集中于对自动牵引车( a g v ) 的调度和路 径优化研究。j j m e v e r s 等( 1 9 9 6 ) 采用交通控制仿真模型描述大规模a g v s 的 基于w i t n e s s 集装箱码头道路交通系统仿真分析 交通控制问题。德国的s t e e n k e nd 等( 19 9 3 ) 运用启发式算法研究跨运车在集装箱码 头的运输路径安排问题，仿真系统可以模拟不同的路径设计。希腊的b a l l i s a 等 ( 1 9 9 6 ) 建立了包括由于设备不匹配而引起的交通堵塞和延迟的仿真模型。 t a l e b i b r a h i m i 、c a s t i l h o 和d a g a n z o 分别比较了进1 ：3 箱和出口箱在不同堆放策略下 所需的堆场面积并得出了工作量。i o m 和p a r k 研究了多种数学算法和费用模型以 寻找在不同标准下的堆放策略。对于场桥分配和计划的研究，“和l a m 比较分析 了集中不同的大型集装箱堆场的堆场设备分配策略。i r d m 通过将整个过程作为一 个复杂的整数规划来建模，减小了集装箱堆场起重机的起动和运行时间。张楚谦 用整数规划模型来研究轮胎式起重机的配置问题，以减少堆场工作的延迟，并通 过拉格朗放松启发式理论来获得接近最佳解决方案。 国外采用的主要的仿真技术方法有p e t r i 网、计算机建模与仿真、解析模型与 - 仿真。 对集装箱码头这样一个复杂的离散事件动态系统的认识和研究有一个深化的 过程。过去，由于理论和方法手段的制约，人们主要是针对码头内某些局部问题 单独抽取出来做研究和分析，比如，船舶靠泊分析、岸边机械配置与调度、水平 运输机械配置与调度、闸口的排队问题、装卸船路径优化等，另外由于集装箱堆 场问题复杂，人们往往简化或避开它。所以，尽管以前的研究和分析成果对集装 箱码头的规划设计和管理起到了一定的促进作用，但是这些研究成果缺乏对整个 集装箱码头装卸系统全面、深入、系统的描述，各部分研究内容缺乏有机的联系， 研究缺乏清晰的层次构架，很少考虑并发、异步和不确定性等复杂系统的特征。 总之，不是以一个随机、动态的系统处理方式来研究整个集装箱码头装卸系统的 运作过程。随着离散事件动态系统理论的日趋完善和计算机软件的高速发展，尤 其是面向对象编程方法的出现，为我们解决复杂的离散事件动态系统研究问题提 供了新手段。 1 3 研究内容和目标 集装箱码头是一个复杂的离散事件动态系统，就有动态性、随机性、异步性 的特点，针对码头作业特点，采用离散事件仿真理论，基于集装箱码头物流作业 流程建立仿真模型，采用面向事件的仿真方法，基于w q q v e s s 仿真软件，对天津 第1 章绪论 港集装箱码头道路交通系统进行仿真。最后应用交通流理论，对仿真结果进行分 析，提出天津港集装箱码头道路交通系统优化策略，从而提高集装箱码头作业效 率，为天津港集装箱码头的规划与管理提供意见与建议。论文的技术路线如图1 1 。 没有 对集 装箱 码头 整个 系统 进行 仿真 分析 交 通 流 理 论 存在问爵一 文献综述 集装箱码头作业系统 天津港集装箱码头 道路交通系统仿真模型 头系统参 天津港集装箱码头 道路交通系统仿真结果 码头道路交通系统优化 天津港集装箱码头系统优化结果 结论 输入界面 输出界面 图1 1 技术路线 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a ls c h e d u l e 离 散 事 件 动 态 系 统 仿 真 面 向 对 象 仿 真 技 术 本文从控制码头交通流的目标出发，采用理论分析和计算机仿真相结合的方 法，对集装箱码头交通系统进行研究，找到集装箱码头交通系统内部元素之间的 关系，通过分析影响码头路网交通流的主要因素，以及集卡调度和路径优化的新 方法，提出提高港口生产能力的一些新措施，最终提出有效的控制策略。 最后通过收集天津港集装箱码头生产作业的历史数据，完成数据的统计分析。 建立了基于系统仿真理论的集装箱码头道路运输系统的系统模型，得出了控制码 头路网系统交通流的优化策略。从宏观的角度来描述整个路网的交通特性，提出 基于w i t n e s s 集装箱码头道路交通系统仿真分析 码头交通优化控制的新策略和新方法。 1 4 研究意义 集装箱港口的建设是一个复杂的系统工程，现代化的港口将不是一个简单的 货物装卸和换装场所，而是国际物流链上的一个重要环节【3 1 。而集装箱港口的规划 建设是一个具有战略性、系统性和科学性的重要工作。只有将这些工作落到实处， 才能使集装箱港口在未来的国际物流网络中关键作用得以发挥，是我国的国内经 济更快的发展，提高我国在国家贸易中的地位，增强我国进出口产品的国际竞争 力【2 1 。搞好集装箱港口的科学性建设有非常重要的意义。 天津港作为我国最大的港口之一，将发展成为北方国际航运中心，集装箱吞 吐量在未来将有更快的增长。同时，作为建设北方航运中心的重要载体，天津港 对加快航运中心的建设汽车重要的作用，特别是集装箱进出口业务，更是具有重 要意义。加快北方国际航运中心建设的若干意见以及资金支持措施等相关 政策文件的出台，更是增加了港口建设与规划的紧迫性，同时也提供了港口发展 的优势条件。 天津港集装箱码头的发展将面临着新的机遇和挑战。新形势下，做好天津港 集装箱码头的科学规划与建设，将天津港集装箱码头建设成为具有更高层次、更 高水平的码头，具有十分重要的意义。 第2 章集装箱码头作业系统分析 第2 章集装箱码头作业系统分析 为了更加有效地控制或设计模型，就要对系统进行理解和建模。模型是系统 种表示，是系统的内在联系及它与外界关系的一种描述。建立正确的系统模 能更清晰地放映系统实体的特征和系统的运作规律。对集装箱码头作业系统 分析，建立港口集装箱码头作业系统的模型是建立仿真模型，进行系统仿真 础。在进行仿真时，首先应该对仿真对象进行描述，清晰地界定研究系统的 、功能、范围等，对于港口集装箱码头系统进行仿真，应该明确集装箱码头 本设施、码头系统划分、作业流程等。 集装箱码头基本组成 港口集装箱码头的基本设施可以分为硬件设施与设备和软件设施，硬件设施 包括泊位、码头前沿、堆场、进出口大门、集装箱货运站、控制室等【4 1 。 泊位，是指在港内船舶进行装卸船作业所停靠的地点，有一定的水深要求， 顺岸式布置与垂直于岸边的布置。 码头前沿，从码头岸壁到集装箱堆场的之间的面积，布置有装卸车道，用于 的装卸作业和集装箱卡车的走行。 ( 3 ) 堆场，码头内部用于堆存集装箱的场地，分为普通箱堆场、冷冻箱堆场、空 箱堆场和特种箱堆场等，内部布置有车道，用于堆场集装箱的装卸和集装箱卡车 的走行，占整个码头的大部分面积。 ( 4 ) 进出口大门，是集装箱进出口的大门，完成进出口集装箱的核对与检验。 ( 5 ) 集装箱货运站，是进行集装箱的拆装箱以及拼箱的地点，可以在码头内部， 也可以在码头外部，外部集装箱货运站靠近公路或铁路终点处。 ( 6 ) 控制室，一般设在办公楼最高层，便于看到整个码头的作业情况。 在集装箱码头物流作业系统中还包括港外集疏运系统，港外集疏运系统所包 含的基础设施有公路、码头铁路等。 集装箱码头的硬件设备主要包括集装箱、内部集装箱卡车( 简称内卡) 、外部 集装箱卡车( 简称外卡) 、集装箱装卸设备( 分为岸边集装箱装卸设备、堆场装卸 设备、集装箱货运站装卸设备) 、跨运车等。 基于w i t n e s s 软件的集装箱码头道路交通系统仿真分析 ( 1 ) 内部集装箱卡车完成的是码头前沿到堆场之间的集装箱运输，跨运车也可以 完成这一作业； ( 2 ) 外部集装箱卡车完成的是堆场到码头大门之间以及码头大门到集装箱货运站 之间的集装箱的运输，进行送箱和提箱作业； ( 3 ) 岸边装卸设备，用于集装箱船舶的装卸作业，包括集装箱装卸桥( 俗称岸桥、 岸调、装卸桥) 、多用途轮胎起重机等； ( 4 ) 堆场装卸设备：用于堆场集装箱装卸和集装箱堆码，包括集装箱龙门起重机 ( 俗称场桥) 、集装箱正面吊、集装箱叉车、轮胎起重机等。 ( 5 ) 集装箱货运站装卸设备：集装箱正面吊、轮胎起重机、集装箱叉车等，另外 集装箱货运站还配置了拆装箱设备等。 ( 6 ) 跨运车既可以进行码头前沿到堆场之间的集装箱运输作业，也可以在堆场内 进行集装箱装卸作业和堆场堆码作业，但其速度没有集装箱卡车快，堆垛高度也 有限。 集装箱卡车是集装箱码头运输集装箱的主要设备，岸边装卸设备、堆场装卸 设备、集装箱货运站装卸设备分别完成船舶、堆场、货运站的集装箱装卸作业， 它们是集装箱码头物流作业系统的重要的动态组成部分，是码头各种物流作业得 以实现的关键的硬件设备。 集装箱码头的软件设施是指控制和管理系统，实现码头的作业计划的编制与实 施；信息控制系统对码头作业信息进行收集、储存、跟踪，并将信息传递到码头 的各个作业部门，发出相应的指令。在现代的码头作业系统中，控制与管理系统 越来越重要。 在对集装箱码头作业系统进行仿真时，把集装箱码头的各组成部分看作实体， 这时又可将码头的基本组成部分分为动态实体和静态实体，动态实体有：船舶计 划、船舶、集卡、装卸设备、港外集疏运系统；静态实体主要是指码头的基础设 施。实体在仿真部分将做具体阐述。 2 2 集装箱码头作业系统 2 2 1 集装箱码头作业系统结构 集装箱码头是一个复杂的离散事件动态系统，具有随机、动态性等特点。集 第2 章集装箱码头作业系统分析 装箱码头系统的动态实体主要包括作业计划、船舶、集卡、集装箱，动态实体的 动作触发整个码头系统的动态进程。随机性主要体现在码头前沿船舶的到达时间 间隔、装卸时间，堆场集装箱卡车的到达时间间隔、装卸时间等等，随机性又导 致码头各部分作业的异步性。 集装箱码头又是一个复杂的物流系统，涉及到物流学中的各种复杂问题。根 据在物流系统中的功能，集装箱码头物流系统可分为多个子系统【4 】【5 】： ( 1 ) 泊位系统，完成船舶靠离，船舶的到达触发该系统的运作； ( 2 ) 船舶装卸系统，完成装船、卸船作业，船舶与集卡的到发共同触发该系 统的运作； ( 3 ) 堆场系统，包括进口箱堆场、出口箱堆场、空箱堆场系统、冷藏箱堆场 等，完成集装箱的储存与集疏，同时也是码头道路交通系统中道路的主要通过地 点； ( 4 ) 闸口系统，完成码头进出口集装箱的检验登记与进出，衔接着码头与外 部运输系统，外部集装箱卡到发触发该系统的运作； ( 5 ) 道路交通系统，连接码头内部各个子系统，完成码头内部集装箱的集疏 运，当其它系统运作时，将触发道路交通系统中集装箱卡车的运行； ( 6 ) 码头作业控制系统，根据具体的作业计划，控制整个码头的运营。 根据集装箱在码头内部的流向，我们将集装箱流动的主要流经地点分为两部 分：输入输出部分和码头内部集疏运部分。输入输出部分是指码头前沿和码头外 部集装箱集疏运输方式，如海运、铁路、公路等，包含了泊位系统和闸口系统， 它们是触发整个码头系统动态运作的端口。码头内部集疏运部分是码头物流系统 的主体部分，包含了装卸系统、堆场系统、道路交通系统等，系统之间相互衔接、 相互影响。码头各子系统是一个相互联系的有机整体，单独对某一系统进行研究 是不全面的。建立整个码头物流系统的模型，系统地分析影响码头物流系统效率 的因素是十分有必要的。码头集装箱进出口作业流程和各子系统关系如图2 1 。 a 口。嚅一2暑苦奢趸il星皇-笛运iiou忑雪山 辖求做8螺髅熠杈留捌水留瓣群球g誊铎叫孑li一粥 第2 章集装箱码头作业系统分析 2 2 2 集装箱码头作业流程 在码头集装箱作业过程中，计划起着十分重要的作用，包括船舶计划和码头 计划。船舶计划包括码头预计到离港时间、预靠泊位、进口仓单、船舶配积载图、 集装箱清单等；码头计划包括装卸设备安排计划、堆场箱位计划、装卸船顺序计 划等，一般根据船舶计划以及进出口货物进行计划。船舶计划与码头计划是进行 集装箱进出口作业的基础。具体的作业流程1 6 j 如下。 ( 1 ) 集装箱码头进口作业流程 集装箱船舶进入码头，在预设的泊位进行靠泊。在船舶进港之前，码头根据船 舶计划安排了相应的码头前沿装卸设备以及进口箱堆场箱位，并根据船舶配积载 图制定卸船顺序。在船舶到达港口完成集装箱的卸船进港后，收货人需要申请提 箱，提箱需要在前一天就进行申请，才能进行提箱。 船舶靠泊后，按照卸船顺序开始进行卸船作业，并由集装箱内卡运达指定箱位， 完成船舶的卸船计划；集装箱达到目的港堆场，集装箱码头根据提箱申请安排堆 场装卸设备，进行堆场装卸作业。港外派发外卡到堆场内进行提箱，当到达进出 港大门时领取小票，到达堆场，场内工作人员指挥集卡到指定箱位进行装箱，出 港大门处对集装箱进行核对正确后，出港通过各种集疏运方式运至收货人指定目 的地。这就是整个集装箱码头进口作业流程，如图2 2 。 基于w i t n e s s 软件的集装箱码头道路交通系统仿真分析 泊位、靠泊时间 卸船机械安排 堆场箱位安排 开始提箱申请 船舶计划 ll 派发外卡 船舶靠泊 l 进出口大门打票 卸船作业 i 外卡进入堆场 面百h 笺h 、蕊 卸船结束ii 集卡装箱出场 图2 2 集装箱码头进口作业流程 f i g 2 2c o n t a i n e rt e r m i n a li m p o r tp r o c e s sf l o w 大门验箱 集疏运系统 ( 2 ) 集装箱码头出口作业流程 船公司或代理发送船舶计划到集装箱码头，说明存在出口集装箱以及船舶靠 泊时间。集装箱码头根据申请安排堆场箱位，重箱在装船前1 到4 天运至堆场， 等待装船。同时制定装船顺序单、安排装船机械，船舶靠泊后，进行装船。 出口集装箱通过集疏运系统运至港口大门，对集装箱进行检验并领取小票； 外卡进入堆场，根据堆场工作人员指挥到指定地点交箱，集装箱在堆场等待装船； 船舶到达后，内卡到集装箱堆场装箱运至码头前沿，码头前沿装卸设备进行装船， 装船结束，船舶离港。 第2 章集装箱码头作业系统分析 图2 3 集装箱码头出口作业流程 f i g 2 3c o n t a i n e rt e r m i n a le x p o r tp r o c e s sf l o w 2 2 3 集装箱码头系统特性 集装箱码头是一个复杂的离散事件动态系统，它的系统状态只在离散时间点 上发生变化，并且离散时间定一般是随机的。对于某些状态只在一些时间点上由 于某种随机事件的驱动而发生变化，作为典型的离散事件动态系统，港口集装箱 码头系统具有随机、动态性、异步性等特点。 ( 1 ) 随机性。 随机性主要是指船舶到港的时间间隔与集疏运卡车的到达的时间间隔是随机 的，也就是说集装箱船舶触发卸船集装箱进场作业的时间是随机的，外卡进港到 场提箱的时间是随机的；集疏运卡车到港进场作业的时间间隔是随机的，船舶到 港触发集装箱出场装船作业的时间也是随机的。 ( 2 ) 动态性。 基于w i t n e s s 软件的集装箱码头道路交通系统仿真分析 集装箱码头系统的动态实体有船舶、车辆、装卸设备、集装箱、作业计划。 动态实体的流动触发离散时间的发生，改变系统的状态，实现整个系统的运作， 呈现动态性。船舶动态实体的流动主要是船舶的靠泊和离泊，可以触发装船作业 和卸船作业，改变码头前沿装卸与道路交通系统状态的变化以及堆场装卸与道路 交通系统的状态，呈现时间上和空间上的动态性。车辆动态实体在整个码头道路 交通系统中流动，触发进出口大门系统、装卸系统运作，改变港口各子系统路段 的交通流量，是主要的仿真分析参数；装卸设备动态实体完成装卸任务，衔接码 头与堆场之间，港外与堆场之间的集装箱流动，集装箱动态实体是集卡的运输的 对象，主要随着集卡的流动而动，并在堆场内进行缓存。动态的作业计划控制着 集装箱码头系统的运作，是进行各种物流技术的基础，反过来又会根据集装箱进 出口要求和码头子系统作业的实际情况进行实时的变动。集装箱码头系统的动态 性是重要的性质，系统、全面地对动态实体流动路径、方式进行分析，是进行动 态仿真的基础。 ( 3 ) 异步性。 提箱、堆场装卸、交箱、装卸船作业、集疏运卡车作业时间是随机的，决定 了系统内部状态变化的异步性。不同的动态实体将触发不同的事件发生，改变子 系统的状态。但由于触发事件的随机性，系统内部状态改变具有异步性，集装箱 码头系统呈现动态的运作。这种异步性也决定了码头道路交通系统中交通流量的 组合，可以由不同时间开始的卸船作业、装船作业、提箱作业、交箱作业所引发 的集卡数量的变化，更加真实地反映了港口集装箱进出口作业动态流程。码头集 装箱系统的异步性的进行码头道路交通系统仿真的关键条件。 集装箱码头系统是一个复杂的离散事件动态系统，它的随机性、动态性、异 步性相互关联，相互影响，是进行仿真的基础，使港口集装箱码头系统仿真具有 可行性。 2 3 集装箱码头作业系统仿真可行性分析 集装箱码头系统是一个离散事件动态系统。对于离散事件动态系统的仿真， 已经形成了系统、完善的仿真理论与仿真方法。面向对象的仿真方法，p e t r i 网络 仿真模型为离散事件动态系统的仿真奠定基础。离散事件动态系统仿真首先对那 第2 章集装箱码头作业系统分析 些只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生的系统建立数学模型或概念 模型，然后在数学模型或概念模型的基础上建立仿真模型，最后在计算机上进行 编程，应用仿真算法进行编程仿真。仿真模型可以包括方程函数公式，也可以是 流程图或网络图，对于抽象的离散事件动态系统只能有图形来表示，p c t r i 网就是 其中之一。p c t r i 网是一种以图形形式研究系统组织结构和动态特性的理论，可以 满足系统的不确定性、异步性、动态性的要求，并且图形描述清晰易懂，便于仿 真的建立。因此针对集装箱码头系统的特点，本文采用了p c t r i 网对其进行描述。 离散事件动态系统仿真理论与方法适合集装箱码头系统的特点，集装箱码头系统 仿真具有可行性。 基于w i t n e s s 软件的集装箱码头道路交通系统仿真分析 第3 章集装箱码头道路交通系统仿真模型 3 1 离散事件动态系统仿真理论 3 1 1 离散事件动态系统概念 对离散事件动态系统进行仿真时，对其定义的基本组成要素【7 】包括：实体、属 性、状态、事件、活动、进程。 实体是指构成系统的各组成部分，是系统的研究对象，分为临时实体和永久 实体；临时实体也称动态实体，是系统中活动的部分，可以有一个系统运动到另 一个系统，或者衔接系统间的功能，并与系统中的其他实体相互作用，改变自身 及系统的状态：永久实体也称静态实体，是系统中的固定部分，永久地停留于系 统，为临时实体提供服务或提供资源。 在集装箱码头系统中，动态实体包括船舶、集装箱卡车、集装箱、装卸设备、 作业计划，动态实体的活动见2 3 2 节。静态实体包括泊位，为船舶靠港和装卸提 场所资源；码头道路，为集装箱卡车的运行提供载体。堆场箱位，为集装箱的存 储提供场所；进出口大门，完成集装箱卡车的进出港活动。港外集疏运方式，起 到集装箱的集运与疏运作用。集装箱码头静态实体为动态实体服务，为其提供发 挥作用的场地资源。 属性，是指每个实体所具有的特征，用来描述和表示实体。如在码头系统中 船舶的到达时间间隔的分布。道路交通系统中交叉路口处的通过优先级，码头进 出口大门的拥挤程度等； 状态是系统的状态，指的是在某一时间，整个系统内部各实体属性的集合。 当在事件的驱动下，在仿真结束前不断的执行事件，系统处于运作中，系统的状 态也在不断的变化。状态是离散事件动态系统仿真的研究对象，是仿真的数字输 出，通过状态可以判断系统存在的问题： 事件是指引起系统状态发生变化的行为，它是在某一时间点上的瞬时行为。 触发系统进入运作状态，驱动系统内各子程序的运行，引起系统的状态变化。离 散事件动态系统可以看作是由事件驱动的： 活动是指实体在两个事件之间保持某一状态的的持续过程，活动的开始与结 第3 章集装箱码头道路交通系统仿真模型 束都是由事件引起的。仿真可以将系统的活动过程直观地表现出来，以便发现系 统仿真存在的不合理之处以及仿真结果的分析； 进程，是和某些事体相关联的事件和活动所组成的，一个进程描述了它所包 括的事件及活动间的相互逻辑关系和时序关系。在码头系统中，船舶靠泊、卸船、 集装箱运至堆场的进口集装箱卸船作业流程就是一个进程。 离散事件动态系统仿真首先对那些只在一些时间点上由于某种随机事件的驱 动而发生的系统建立数学模型或概念模型，然后在数学模型或概念模型的基础上 建立仿真模型，最后在计算机上进行编程，应用仿真算法进行编程仿真。离散事 件系统仿真就是建立离散事件系统的仿真模型，并在计算机上运转这个模型，从 而获得模型的行为以便对系统进行分析与设计。在系统仿真过程中要根据随机发 生的离散事件、系统中主要实体的流程以及时间的推进，按照系统的运行过程来 建立仿真模型【8 1 。 离散系统仿真程序包括以下几个部分m 】：状态变量，时钟变量，事件表，仿 真时钟，统计计数器，初始化子程序，调度子程序，事件子程序，统计报告子程 序，随机数发生器，主控制程序。 状态变量：事件发生过程中，用于记录各时刻系统的状态； 始终变量，事件发生过程中，记录当前时刻的仿真时间值； 统计计数器：用于记录仿真过程中系统属性的统计信息； 统计报告子系统：将统计计数器随记录的值进行计算，输出可以标志系统性 能的统计值。 随机数发生器：由于离散事件动态系统存在很多随机的事件，随机数发生器 是可以产生一定随机分布的随机数的一组子程序。 事件表：按照时间顺序记录离散事件系统中的所有将要发生的事件，对于已 发生事件通过调度子程序从事件表中删除； 仿真时钟，是用来设置仿真时间的变量。在离散事件系统仿真中，时间间隔 不是均匀变化的，而是从一个事件的发生时刻直接跳到另一个事件的发生时刻， 因此仿真时钟的时间是随机的，取决于当前状态的变化和事件的发生条件是否满 足。仿真时钟时间的时间设定是由时钟推进子程序完成的； 基于w i t n e s s 软件的集装箱码头道路交通系统仿真分析 时钟推进子程序，在事件表中确定最早事件发生时刻，再将仿真时钟推进到 该事件发生的时刻的一个子程序； 调度子程序：将仿真过程中将要发生的事件调入事件表中，在事件开始执行 时，又将其从事件表中删除。事件的执行通过时间子程序进行。 事件子程序：事件表中的每一个事件都对应着一个子程序，当仿真时钟时刻 推进到要发生事件的时刻时，就转入事件子程序运行该事件即活动，同时更新系 统状态，产生新的事件。 主程序：用于控制时钟推进子程序、事件子程序、调度子程序的仿真总控制程 序。 3 1 2 仿真策略 在离散事件系统仿真过程中，如何调用下一个事件被称为仿真策略【7 - 9 1 。离散 事件动态系统仿真策略是一种系统运行的推进方法，即如何调用事件，触发程序 改变修改系统状态。包括基于事件的事件调度法，基于活动的活动扫描法、基于 进程的进程交互活动法。事件调度法是以事件发生的时间为主线的仿真策略，通 过对时间的控制，选择最早发生事件，当该事件处理完以后，再调用另一事件； 活动扫描法是以活动发生的状态条件为主线的仿真策略，对活动进行扫描，首先 判断活动的时间是否满足，在判断活动发生的其他条件是否满足，当条件都满足 时，活动发生，如此循环，直到仿真结束；进程交互活动法是以实体的行为过程 为主线的仿真策略，是对系统的实体和活动同时进行操作，将事件表分为当前事 件表和将来事件表，对活动进行扫描，将事件中的实体移入到当前事件表中，并 判断各种条件是否满足，按照事件与活动的逻辑关系推进实体相关的进程。 离散事件动态系统中最基本组成部分即为事件，系统状态的变化也是事件引 起的。事