（控制科学与工程专业论文）大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现.pdf

大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 摘要 本次研究工作以大连大窑湾散粮码头为研究对象，对大型散粮码头的工艺流 程进行了调查和分析。在此基础之上，运用面向对象的系统分析方法，结合现代 计算机模拟技术，对大型散粮码头工艺计算机模拟系统的设计和实现进行了一定 的探索。 在设计和实现此模拟系统时，通过对散粮码头工艺系统机械设备的各种属性 进行调查和分析，把散粮码头工艺系统中的诸多机械设备进行抽象封装，将散粮 码头工艺系统归纳为有向运输网络，并在此基础上应用图论和运筹学中的知识和 算法进行建模。 为了使此模拟系统不受限于特定的码头工艺，而且考虑到散粮、矿石、煤炭等 散料码头工艺的相似性，在设计时充分考虑了此模拟系统对不同的码头工艺路线 的通用性及在码头工艺路线发生改变时的可扩展性。除此之外也考虑了散粮码头 的特殊规律性，尤其是对散粮特有的直取工艺和倒仓工艺进行了深入探讨。 运用此系统可较为准确地模拟散粮码头工艺系统的实际运营情况，为码头的 设计和管理提供辅助分析，从而达到优化码头工艺系统的设计和管理的目的。 关键词：散粮码头、系统分析、面向对象、计算机模拟 查型墼整里墨墨塑三苎生蔓垫堡垫墨竺塑堡生兰塞翌 a b s t r a c t b a s e do nm e t h o do f s y s t e ma n a l y s i s a n d t e c h n o l o g y o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，a f t e ra n a l y z i n gt h ea r to fab i gg r a i nb u l kt e r m i n a l d a y a o b a yg r a i nb u l kt e r m i n a lo fd a l i a n ，ar e s e a c hi sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e i t a n a l y s e s t h e g r a i nb u l k t e r m i n a lw i t ht h eo b j e c to r i e n t e d s y s t e m a n a l y s i sm e t h o d ，d e s i g n sa n de s t a b l i s h e sac o m d u t e ri m i t a t i o ns y s t e m w h e nd e s i g n sa n de s t a b l i s h e st h i ss y s t e m ，b a s e do nt h ea n a l y z eo f g r a i nb u l kt e r m i n a l ，i ta b s t r a c t st h ep r o p e r t yo fd i f f e r e n tk i n d so f m a c h i n e s ，a n de n c a p s u l a t e st h e mi n t on o d eo b j e c t s f r o mt h e s en o d e so b j e c t s i tc a nf o r man e t w o r k ，a n de s t a b l i s ht h em a t h m a t i cm o d e lo f t h e b u l k t e r m i n 0 1 f o ra p p l y i n gt h i ss y s t e mt od i f f e r e n tk i n do fb u l kt e r m i n a l ，s u c ha s c o a la n do r eb u l kt e r m i n a l ，i tm a k e st h i ss y s t e mp r o p a g a b l ea n de x t e n s i b l e a n di ta l s or e s e a c ht h e s p e c i a l a r t so fg r a i nb u l k t e r m i h a l ，s u c ha s e x c h a n g es t o c k p i l ea n dd i r e c tg e t b a s e do nt h i ss y s t e m ，a na s s i s t a n tf o rd e s i g n i n ga n dm a n a g i n go fb i g b u l kp o r t sa r tc a nb ed o n e a n dt h ep u r p o s ei st h a ti tc a nr e a c ht h ew h o l e s y s t e mo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b u i kt e r m i n a i 、s y s t e ma n a i y s is 、o b j e c to ri e n t e d 、c o m p u t e r s i m u i a t i o n 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 1 引言 1 1 问题的提出 当前，货物以散料方式运输、自动化装卸已经成为与集装箱互补的重要运输 方式。在各类港口系统中，散粮、矿石、散装水泥、煤炭等专业化泊位均可统称 为散料码头。当今世界上的散货运输，为提高装卸效率，减少船舶在港时间，改 善港口的经济效益，一直在追求码头的专业化与大型化。 近几年来，随着国民经济的迅猛发展，我国的各大钢铁企业已经开始从国外 大规模进口矿石，由于铁矿石出口地主要分布在南美、澳大利亚、南非、印度等 地，须经水路才能运至我国。此外，中国加入w t o 之后，为了与国际接轨，粮食、 水泥等货种也将主要以散料方式运输。但是当今世界的干散货运输的主力船型为 十万至二十万吨的大型散货船，我国原有的三万吨至五万吨的中小型码头，已经无 法满足散货进出口的需要l i “。为了适应航运的发展，国家在上海、宁波、青岛、 秦皇岛、大连等地重点建设了一批大型的专业化码头【3 j 【4 j ，其中比较有代表性的如 宁波北仑港矿石码头，秦皇岛港煤码头，以及大连北良港、大窑湾散粮码头等。 本课题便是针对大连大窑湾散粮码头的实际项目开展研究的。 随着码头规模的增大，其工艺系统变得愈加复杂。对于吨位较小、容量不大的 小型码头装卸系统，设计人员基本可以凭经验进行系统设计。但对于吨位、容量 较大、功能齐全的大型散粮码头，由于码头工艺的复杂性、不确定性和设计人员 自身经验的局限，不可能将极其复杂的码头运营情况及货主的各种特殊要求考虑 得非常周全。而且我国建设大型散粮码头的时间不长，缺乏大型码头的管理调度 的经验。在这种情况下，应用计算机模拟整个工艺的实际运营状况便成为一种行 之有效的方法。尽管通过计算机模拟得出的只是可行解或较佳解，但其结果经分 析研究后对工程设计人员和码头管理人员均有着十分重要的指导意义。本次研究 所要解决的主要问题就是通过计算机模拟码头工艺的实际运营情况，为码头工艺 设计和管理提供辅助分析。 1 2 国内外文献综述 上世纪七十年代，计算机模拟采用的思想是面向结构的系统分析方法论 ”，结 构化方法论把现实世界描绘为数据在信息系统中的流动，以及在数据流动过程中 数据向信息的转化。 上世纪八十年代中期，出现了一种称为信息建模的方法论【5 】。现在仍然是协助 信息系统开发的一种主要方法论。信息建模方法论信奉的理念是：好的工程是简 单的工程，它主要从信息角度开发系统而不像结构化方法论那样从功能角度考虑 问题。客观世界被描述成数据和数据属性及其相互关系。和结构化方法论一样信 息建模方法论也是严格( 结构化) 的、可重复的、可测量的、自动的。这个方法 论主要集中于从信息角度进行分析和设计。 信息建模的方法论使用的解决问题的策略和结构化方法不同，因为两者有本 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与蜜现 者的差别在于处理功能和信息的策赂不同。结构他方法论主张从功能入手。信息 建模方法论主张从信息或数据功能入手。两者都认为需要功能和数据。 对于码头工艺系统来说，以上两种方法主要以整个模拟系统的数据和功能为 分柝对象，应用计冀枫将熬个系统的物质、能量的滚动过程进行模拟，厥编制出 静程序静邋用性较差，登难于维护，一虽系统静实际请况有所交纯，就需要对模 拟程序进行较大的改动，甚至重新进行系统分析，重新编制程序。而编制程序的 避疆是极其繁琐的，普逶熬码头工艺设诗人员不熬悉绽程序的进程，缀难对程 序进行修改。如粜专门聘请优秀的专业程序设计人员，不仅程序的维护邋程比较 繁琐，而且对程序设计人员来说，对码头正艺不了解、不熟悉戟成了编制程序的 爨大獐碍，霾魏，翠麓戆穰毅程黟豹遥弱缝较差。 近些年来，蕈中耩的系统分攒思路面向对象鲍系统分亳斥方法论使我们攘 鸯了一个强大的系统分析工其嘲。藏向对象的分轿和设计方法论出现在八十年代中 后期，面向对象的方法解决问题的思路是从对象角度入手n 而不掾传统方法和结 擒纯方法鄄撵从功髓入手，或象偿怠工程角发那样从信息焦度入季。 面向对象技术有八个概念，这八个概念构成了砸向对象技术的基础。 ( 1 ) 通用组织方法。用于协助组织信息系统模型以及最终编写的软件。 ( 2 ) 抽象。抽象是忽酶同题域的无关部分两集中考虑关键部分翡原划。 ( 3 ) 瓣装或售息隐藏。指软 牟瓣组成部分( 模块、予稷彦、方法等) 黢该稳互 独立或者豫藏设计的细节。在系统分析中系统分析员把问题与分解为小 的封装单元。这然封装单元决定最终成为软件模块。 ( 4 ) 继承。表示相似性质的机制。 ( 5 ) 多态。一般表示瑟有多群形态酌熊力。 淄息透售。越是舔岛对象瓣方法中对象之闻耀互联系戆方法。 ( 7 ) 关联。它能将信息系统的备部分甄相联系起来。 ( 8 ) 熨用。表示同一对象或功能的重复利用。 通过邋八个概念f 5 l ，我们能够建立一个完整的信息系统模型。在教货码头的计 算机模拟系统中采用面向对象的系统分析设计方法，能够极大的提高系统的通用 憾与用户友妊性。并显在系绞发叟改变懿时候不耀被大静调整，只要添攘毅的对 象兢功能模块，便可形成新的模拟程序。无论对予码头工艺设计人员还怒系统分 丰厅与编制人员来说都是较为容易的。由于系统的对象与功能进行了封装，则对于 绞蹋者来说，系统静珐藐与实瑗蠡鼋形残过程是透爨煞撵l ，换言之，臻户不必理会这 些功能是如何形成的。从而降低了难度，方便了工程设计人员使用。 2 1 3 本文的研究思路及研究工作 针对以上所述各项问题，提出本文的研究思路如下 1 、分析港口来船规律，建立来船排队服务模型，为码头工艺系统的分析提供 接近真实的外部模拟输入。 2 、通过分析散粮码头工艺系统，将系统中的诸多机械设备进行抽象，并将抽 象的对象进行归类。 3 、将散粮码头工艺系统归纳为有向运输网络，并在此基础上进行建模。 4 、编制较为通用的模拟程序，主要包括以下四个部分 ( 1 ) 来船模拟部分 ( 2 ) 设备封装部分 ( 3 ) 路径搜索部分 ( 4 ) 数值模拟部分 5 、对编制好的程序进行调试 6 、总结系统分析、设计过程中的优缺点 7 、总结散粮模拟系统的编程规律 在开发工具的选择上，为便于面向对象技术的实现并且保证模拟过程的效率 和速度，决定采用m sv c + + 6 0 。码头工艺系统设备的数据需存入数据库中，考虑 其数据量的规模在数千条左右，采用a c c e s s 桌面数据库即可这也是大多数单 位龊常用的数据库系统。 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 2 散粮装卸码头工艺系统的系统分析 2 1 散粮装卸码头工艺系统的需求分析 一般而言，实现高度自动化装卸的散料码头是一个十分复杂的服务系统，而码 头工艺在整个系统中起着至关重要的作用。这就要求码头工艺不仅要满足设计要 求，而且要有较强的适应能力。在设计过程中，设计人员对码头工作程序及码头 工艺需要有非常丰富的经验，才能在设计中做到统筹兼顾。既能满足码头的设计 要求，又能够尽量节省建设投资，降低码头经营费用。 目前，散料码头的系统工艺随着规模的增大变得愈加复杂，对于小型码头、容 量不大的装卸系统，设计人员基本可以凭经验判断，其结果也是最可靠的，但对 于吨位、容量较大、功能齐全的大型散料码头，由于码头工艺的复杂性与不确定 性与设计人员自身的局限，不可能将极其复杂的码头运营及货主的各种特殊要求 考虑得非常周全。另一方面，我国建设的大型散料码头时间不长，刚刚有了一定 的实践。缺乏大型码头的管理调度的经验。在这种情况下，应用计算机模拟整个 工艺的实际运营状况便成为一种行之有效的方法。尽管经过计算机模拟得出的只 是可行解或较佳解，但其结果经分析研究后对工程设计人员和码头管理人员均有 着十分重要的指导意义。 2 1 1 工程设计人员的功能需求 对码头工艺系统的工程设计人员来说，迫切需要解决的问题有如下两个： ( 1 ) 现有的已设计好的码头工艺系统能否满足工作需求。 ( 2 ) 设计码头工艺系统时，如何找出码头工艺系统中的关键设备，以便在设计时根 据需要决定加大关键设备的安全系数。 2 1 2 码头管理人员的功能需求 对码头管理人员来说，需要解决的问题主要是找出码头工艺系统中关键设备， 以便重点安排人员进行维护。 2 2 散粮码头的总体结构分析 从整体上来看，散料码头实质上是一个十分复杂的排队服务系统。根据排队论 的观点，到港船舶可视为顾客，港口可视为服务机构( 对船舶进行装卸作业的机 构1 。由于船舶到港具有随机性，使之与供船舶装卸作业用的码头泊位和供船舶待 泊排队用的锚地一起构成了港口的随机服务系统。根据该系统的基本特征一输入 过程( 船舶到达) 、服务机构和排队规则，可建立数学排队模型。 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 2 2 1 船舶到达 国内外大量统计资料表明，大多数港口的船舶到达服从泊松分布，在t 时段内 到达n 艘船的概率为 p n ( t ) ：粤二一，( n - o ，1 ，2 ，) ( 2 - 1 ) 玎! 式中： 一船舶平均到港率，即单位时间内( n n n - - n ) 平均到港的船舶数。 2 2 2 服务机构 港口服务机构由码头泊位和配套设施组成，服务能力取决于港口泊位数( 可同 时被装卸的船舶数) 和各泊位的装卸能力，船舶从靠泊作业到离开泊位的总占用 泊位时间反映了泊位的装卸能力。船舶占用泊位时间受到气候条件、船舶装卸货 i 勿_ t r 、泊位装卸效率的波动、港口存贮货物量和集疏运能力的变化等许多因素凹 影响而具有随机性，其分布规律一般为e r l a n g 分布，即船舶占用泊位时间为t 的 概率为： 、女一l f x ( t ) = 蚰琴等鲁e 七m ( 2 2 ) 式中： u 一泊位装卸能力，即每泊位每天的装卸船数； k - - e r l a n g 分布的阶数。 2 2 3 排队规则 港口服务系统中待泊船舶的排队一般符合等待制，且排队长度无限制。具体地 说就是：船舶到港后，若有空闲泊位就停靠，不等待特定泊位；若港口所有泊位都 被占用，就按先后次序排队，并且当船舶足够多时，不论排队多长也不中途离港 9 1 。这一过程可用下图描述 图2 1 散粮码头排队模型图 f i g u r e 2 1g r a i nb u l kp o r tq u e u em o d e l 6 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 2 3 散粮码头工艺系统分析 码头工艺结构作为港口系统的核心，实质上是一个有起点、有终点的有向运输 网络体系。码头运输网络体系是由码头、装卸设备、运输设备、堆存场地、铁路、 公路等设施组成。为了便于分析，将以上所提到的所有设施统一抽象为点，称为 工艺单元( 以下简称为单元) 。单元间的连接关系抽象为有序对，称为边。由于码 头工艺单元的连接关系是有向的，因此，边是有向边。单元集v 与边集e 构成了 有向图g 。 定义一：在有向图g = ( v ，e ) 中，设，其中是边的两个端点。则称交替序 列为连接与的工艺路径( 以下简称路径) 。与分别称为路径的起点与终点， 边的数目称为路径的长度。当时，这条路称为回路。当一条路从出发，不经过 其它单元，又回到，则称该回路为自回路。 定义二：在图中，如果从单元到单元之间存在一条路径，则称单元与是 连通的。否则，则称与是不连通的。如果与v 中所有单元都不连通，则称是 孤立单元。 根据以上定义给出码头工艺模拟模型有向图的几个主要特点： ( 1 ) 在码头工艺有向图中，如果起点与终点之间有一条路径，那么，该条路经 所经过的节点必不重复。 ( 2 ) 在码头工艺有向图中，必不存在孤立顶点。 ( 3 ) 在码头工艺有向图中，必不存在自回路。 以上规则给出了码头工艺结构的基本特征。 2 4 与散粮相关的特殊问题分析 2 4 1 倒仓分析 粮食与一般货物的一个重要区别是，粮食作为植物种子，是能进行一定生命活 动的生物体，其中一项重要的生命活动就是呼吸。粮食的呼吸在粮食的存储中有 很重要的影响，因为成千上万吨的粮食堆放在一起，呼吸会放出大量的热，而粮食 在一定的温度和湿度条件下就会发芽或者霉变。 因此，在散粮码头的运作中，经常需要把堆存超过一定时间的粮食从一个仓库 通过工艺设备倒到另一个仓库中，通过粮食在设备上传输的过程，将蓄积的热量 散发掉，从而延长粮食保存的时间，这个过程称为倒仓。 在码头工艺的设计过程中，倒仓是必须考虑的问题。设计的码头工艺的运输能 力，不单要考虑实际来船的卸货量，还得计入倒仓所占的工作时间和设备能力，才 能保证码头能力的充裕。在寻找工艺系统关键设备时，倒仓所占的工作时问也要 计算在内。以大窑湾散粮码头为例，其倒仓工艺路线如下图所示： 大型散艳码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 2 4 2 直取分析 同只贷 匡卜j 出 货 工 艺 i 路 6 线 由 图2 2 倒仓工艺路线示意图 f i g u r e 2 2e x c h a n g es t o c k p i l ep a t h 随着国家粮食政策的放开，粮食市场开始活跃起来，吸引了大量中小投资者。 对于这些中小投资者来说，时间是最宝贵的，只有快速反应才能适应不断变化的 市场需求。因此，这类货主的货物卸下之后往往不需要在仓库储藏就直接从铁路 出货运输到市场上销售，这个从码头直接到铁路的运输过程称为直取。 对煤、水泥、矿石而言，这类项目投资大、周期长，企业往往与港口有长期的 合作关系，货到后通常在仓库储藏一段时间后按固定的计划出货。因此，在散货码 头中，只有散粮码头才涉及直取问题。 直取时，由于跳过了仓库存储的环节，直接从码头到铁路，采用特殊的工艺路 线，对设备工作时间的影响必须特殊考虑。以大窑湾散粮码头为例，其直取工艺路 线如下图所示： 图2 3 直取工艺路线示意图 f i g u r e 2 3d i r e c tg e tp a t h 8 线鱼坚 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 3 散粮码头装卸工艺模拟系统设计 3 1 系统设计原则 根据本系统应用的特点，在设计、开发系统时应该遵循以下原则： 1 ) 可靠性和正确性 整个模拟系统首先是一个可正常运行的系统，而且模拟得到的结果应有一定 的可信度，从而为码头工艺的设计和管理维护提供参考。 2 ) 封装性和透明性 在实现时对系统的对象与功能进行封装，使其对于使用者来说，系统的功能 与实践的形成过程是透明的换言之，用户不必理会这些功能是如何形成的。从 而降低难度，方便工程设计人员使用。 3 ) 易用性和直观性 由于模拟系统的用户主要是非计算机专业的工程技术人员和管理人员，系统的 界面应易于操作，输出结果应明白直观，易于理解。 4 ) 通用性和可扩展性 模拟系统不应受限于特定的码头工艺，在设计时应考虑对不同的码头工艺路 线的通用性及在码头工艺路线发生改变时的可扩展性。而且由于散粮、矿石、散 装水泥、煤炭等散料码头工艺具有一定的相似性，应考虑在更高的层次上的通用 性。 5 ) 技术先进性 在保证前面各项原则的基础上，尽可能应用图论和运筹学中的成果，采用先进 的算法，提高系统的工作效率。 3 2 模拟系统的总体设计 如前所述，散粮码头可看作是一个十分复杂的排队服务系统。其功能结构如下 图所示： 码头 ，匝丑一 匿卜 区丑一 图3 1 散粮码头排队模型图 f i g u r e 3 1g r a i nb u l kp o r tq u e u em o d e l 9 ? 一一查型墼垫里兰薹塑三茎生兰塑堡型墨鉴塑堡生兰窭墨 上面的结构可归结为一个m e k y n ( 泊松输入，e r l a n g 服务时间，n 个服务站1 的排队模型，但对于散粮码头来说，由于码头工艺的高度专业化与大型化( 例如：在 北良港，同是散粮，就分为玉米码头，j 、麦码头，玉米码头又分为玉米进口码头玉 米出口码头；而且来船的吨位一般都在5 万吨级左右) 同一码头多个泊位同时装 卸的概率很小，对长时间平均统计结果的影响几乎可以忽略，而考虑多个泊位同 时装卸时的相互影响又会造成实现起来过于复杂，为避免不必要的麻烦，便于编 程实现，将图一的模型简化成如下所示的m e k l ( 泊松输入，e r l a a g 服务时间，单 个服务站) 的模型： l 来船l _ = = jo 0 c 一 匦亟圃 图3 2 散粮码头排队模型简化图 f i g u r e 3 2r e d u c t e dg r a i nb u l kp o r tq u e u em o d e l 根据以上模型设计模拟系统的总体结构如下 数值樱拟 瞄h 嚣嫠h 引 i 模拟r 叫调度r _ 1 工艺f 图3 3 模拟系统的总体结构图 f i g u r e 3 ，3m a i nf r a m e w o r ko fs i m u l a t i o ns y s t e m 其中，来船模拟模块是根据来船概率分布随机生成年来船情况，船舶调度 模块是根据一定的排队规则对船舶进行调度，码头工艺模块是模拟货物在码头运 输网络中的流动，输入输出模块是对用户提供的交互界面。 下面几节对以上几个模块分别作了详细的描述。 3 3 来船模拟模块设计 在来船模拟上，为保证模拟系统的通用性和可扩展性，并不直接将来船服从何 种概率分布作进模拟软件，而是从数据库中读取来船数目和来船船型的概率分布， 雨将数据库的接口做成对用户开放。这样用户在来船的概率分布的选择上就有较 大的自由度，可根据码头具体情况和历年的经验数据输入符合实际情况的概率分 布。由此可设计来船模拟模块的结构如下图： l o 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 冈 丽1u 界面i 囤 北祷怄 l 塞詹t 目卜刊：_ ，= 叫a 船矗ll 竺! 图3 4 来船模拟模块结构图 f i g u r e 3 4f r a m e w o r ko fs h i pc o m es i m u l a t i o nm o d u l e 3 4 船舶调度模块设计 如前所述，港口服务系统中待泊船舶可看作是一长度无限制的队列。当船舶到 港后，若有空闲泊位就停靠；若港口泊位被占用，就按先后次序排队，并且不论排 队多长也不中途离港。船舶的调度可简化为从这一队列中按顺序选择下一待卸货 的船只。 另外对于每一条船来说，被选中后的工作过程可分为进港，卸货，离港三个 部分，而且先后的两条船的进出港过程不能重叠，即只有上一条船离港之后，下一 条船才能进港。 根据以上情况，设计船舶调度模块的结构如下图 ； 一l l 梗报卜一船舱等特卧尊j 卜_ l 进港h l 瞳h 离瞧r l 桓块l l 一li 图3 5 船舶调度模块结构图 f i g u r e 3 5f r a m e w o r ko fs h i po p e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d u l e 3 5 码头工艺模块设计 3 5 1 码头工艺结构模型的形成一静态设计 码头工艺结构作为港口系统的核心，实质上是一个有起点、有终点的有向运 输网络体系。由于设计时，运输方向的起点与终点固定，因此可以通过穷举工艺 的所有路径来建立系统结构模型。 一匿愿 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 码头工艺结构形成的过程如下图 用户 界面 形成 码头工 艺运输 髓络围 鸾举工 艺的所 有路径 图3 6 码头工艺结构模型形成过程图 f i g u r e 3 6e s t a b l i s ht h ef o r ta r tm o d e l 通过系统的输入界面，用户把码头工艺的节点信息输入数据库，形成码头工艺 运输网络图。再应用搜索算法。通过穷举所有工艺流程建立码头工艺结构的结构 模型，即码头工艺的工艺路径表，并在此基础上对码头工艺过程进行动态模拟。 3 5 2 码头工艺路径的选择一动态设计 在前面形成的码头工艺结构模型的基础上，可以开展对码头工艺过程的动态 模拟。 码头工艺过程是一个物资在码头工艺运输网络中流动的过程：船上卸下的货 物从码头通过运输设备流到仓库，再根据出货计划运到铁路。在这个码头 仓库 铁路的物资流动过程中，同时伴随着控制信息的逆向流动。由于铁路是对社会开放 的公共设施，除了货运还有客运等其他业务，因此具有最高的优先权，由铁路的货 运计划( 通过用户界面输入数据库) 就决定了仓库的出货计划，由此决定了仓库在任 一时刻的剩余容量。而码头为了提高仓库的工作效率，总是选择与来船载货量最接 近的仓库进行卸货，因此仓库的剩余容量又决定了工艺路线的选择，这个过程如 下图所示： 3 6 直取设计 图3 7 码头工作流程示意图 f i g u r e 3 7p o r t f o r kf l o wc h a r t 在船舶工作进港结束时，要根据该批货的堆存期来安排铁路的出货计划，若堆 1 2 黼区瓣囡 查翌墼墨曼苎茎塑三茎生簦! ! 堡垫量篓塑堡生兰壅墨 存期为零，则认为该批货要进行直取。直取过程与前述的码头工作流程最大的区别 在于货物不经仓库存储直接运输到铁路，而且由设立直取的目的为了是保证货主 能在第一时间发货，因此直取有着最高的优先级，即一旦直取开始，所有的机械设 备全部停止，正在进行的出货计划顺延，然后选取特殊的直取工艺路线直接出货。 一直等到直取结束，再恢复原来的出货计划。直取过程与一般码头工作流程的区别 如下图所示： 3 7 倒仓设计 图3 8 直取工作流程示意图 f i g u r e 3 8d i r e c tg e tw o r kf l o wc h a n 与直取相反，倒仓的优先级是最低的，只有码头没有船工作，并且铁路也没有 出货的空闲时间才用来倒仓。并且倒仓必须满足空间和时间两个条件才能启动，即 仓库的剩余容量必须大于一定的阈值才可能进行倒仓，粮食的存储时间也必须大 于一定的阈值才有必要进行倒仓。 在倒仓进行的过程中，一旦有船到来要卸货或者按照计划应该进行出货，倒仓 马上中断，将倒仓工艺路线的设备让出进行卸货或出货，一直等到下一个空闲时 段才继续进行。倒仓的工作过程如下图所示： + 婴一圆 一1 “ “l 图3 9 倒仓工作流程示意图 f i g u r e 39e x c h a n g es t o c k p i l ew o r kf l o w c h a r t 3 8 输入输出模块设计 在数据的输入输出上，为了方便用户，采用数据库存储输入数据和输出结果。 这样，用户既可以用模拟系统本身的输入输出界面，也可以用数据库自带的界面 目r垦军 回画 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 设计如下图所示： 图3 1 0 输入输出模块结构图 f i g u r e 3 1 0f r a m e w o r ko fi n p u t o u t p u tm o d u l e 1 4 匹 圈崮 i。l r。j。1 日 蓠 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 4 散粮码头装卸工艺模拟系统实现 散粮码头装卸工艺系统的通用模拟模型的建立可分以下七个步骤： ( 1 ) 对一些比较有代表性的码头工艺进行系统分析，将抽象出的各种对象进行系 统封装，并对所封装的对象进行归类，同时研究所有对象的功能与属性。 ( 2 ) 应用图论的理论对码头进行整体分析，将码头工艺结构抽象成一个有起点、 有终点的有向运输网络体系。 ( 3 ) 通过穷举工艺的所有路径来建立系统结构模型。 ( 4 ) 研究船舶的到港状况随即时间变化的规律，建立来船次序表。 ( 5 ) 研究各种特定码头的运行规则体系规律，模拟码头的运行过程。 ( 6 ) 建立标准的数据输入、输出。 在以上六个步骤中，建立码头工艺结构通用模型是整个模拟系统的基础。最 终得到的模拟程序的主界面如下图： 图4 1 模拟程序主界面 f i g u r e 4 1m a i ni n t e r f a c eo fs i m u l a t i o np r o g r a m 大型数粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 4 1 对象封装 码头运输网络体系由码头、装卸和运输设备、堆存场地、铁路等设施组成。将 抽象出的各种对象进行系统封装，只研究对应对象的相关功能与属性。 4 1 1 机械信息的封装 装卸和运输设备包括抓船机、皮带机、装车楼等多种机械，它们的工作原理各 不相同，但对码头运输网络来说这些机械都可抽象成网络的节点，其共同属性包 括工作速度、额定功率和工作效率等。 其中由于在卸货的开始阶段货源充足，能达到满负荷工作：一段时间后由于货 源不足不能达到满负荷；在卸货的结束阶段，由于货源接近枯竭，工作效率下降得 很快。因此工作效率随工作时间的变化如下图所示： 前期中期后期 图4 2 机械工作效率示意图 由此工作效率可细分为前期效率、中期效率、后期效率。 机械设备的属性可通过软件中的输入界面录入数据库，模拟时从数据库中读 出生成对象。其输入界面和数据库定义如下： 输入界面 图4 3 机械设备属性输入界面 f i g u r e 4 3i n p u ti n t e r f a c eo fm a c h i n ep r o p e r t y s 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与鬟现 数据库定义 表4 i 机械信息表 t a b l e 4 1m a c h i n ei n f o f i n a t i o n1 h b l e 字段名数据类型含义 机械编号数字 机械名称文本 机械类别数字 工作速度数字 前期工作效率数字 中期工作效率数字 后期工作效率数字 功率 数字 4 1 2 码头信息的封装 码头是船舶上货物运输的终点，也是码头工艺系统的起点，在后面形成码头工 艺运输网络时将它作为一个特殊的工艺单元来看待，其主要属性为码头可停泊的 船舶的最小吨位和最大吨位。 输入界面： 数据库定义 图4 4 码头属性输入界面 f i g u r e 4 4i n p u ti n t e r f a c eo fp o r tp r o p e r t y s 表4 2 码头信息表 t a b l e 4 2p o r ti n f o r m a t i o n1 h b l e 字段名数据类型含义 码头编号 数字 码头名称 文本 最小吨位数字 最大吨位 数字 4 1 3 仓库信息的封装 仓库是粮食临时中转存放的地方。从船上卸下的粮食通过一定的工艺路径进 入仓库，在仓库存放一定时间后，再根据计划从仓库通过一定的工艺路径运到火 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 车站，发往目的地。 仓库的容量是其最重要的属性。 仓库的的属性可通过软件中的输入界面录入数据库，模拟时从数据库中读出 生成对象。其输入界面和数据库定义如下： 输入界面 数据库定义 图4 5 仓库属性输入界面 f i g u r e 4 5i n p u ti n t e r f a c eo fw a r e h o u s ep r o p e r t y s 表4 3 仓库信息表 1 h b l e 4 3w a r e h o u s ei n f o r m a t i o nt 曲l e 字段名数据类型含义 仓库编号数字 仓库名称文本 容量数字 4 1 4 铁路信息的封装 从船上卸下的货物最终通过铁路发往目的地。由于铁路是对社会开放的公共 设施，除了货运还有客运等其他业务，因此具有最高的优先权，即码头的货运计划 一经制定，就不可更改。 其属性包括车厢节数、车厢容量、工作效率和装车速度等。 铁路的属性可通过软件中的输入界面录入数据库，模拟时从数据库中读出生 成对象。其输入界面和数据库定义如下： 输入界面： 图4 6 铁路属性输入界面 f i g u r e 4 6i n p u ti n t e r f a c eo fr a il w a yp r o p e r t y s 1 8 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 数据库定义 表4 4 铁路信息表 t a b t e 4 4r a i l w a yi n f o r m a t i o nt a b l e 字段名 数据类型 含义 序号数字 名称文本 车厢节数数字 车厢容量数字 装车速度 数字 工作效率数字 4 2 形成码头工艺运输网络 码头工艺运输网络体系是由码头、装卸设备、运输设备、堆存场地、铁路等设 施组成。为了便于分析，将以上所提到的所有设施统一抽象为节点，称为工艺单 元。节点间的连接关系通过工艺单元的后续工艺属性实现。由此可形成码头工艺 运输网络。 在此运输网络中，可形成多条可能的工艺路径。卸货时，工艺路径的起点是码 头，终点是仓库。装车出货，工艺路径的起点是仓库，终点是铁路。 工艺单元的属性包括工艺类别、后续工艺、后续工艺距离、流程起点标志、流 程终点标志和功率等。 工艺单元的属性可通过软件中的输入界面录入数据库，模拟时从数据库中读 出生成对象。其输入界面和数据库定义如下： 输入界面 数据库定义 图4 7 工艺单元属性输入界面 f i g u r e 4 7i n p u ti n t e r f a c eo fw o r ku n i tp r o p e r t y s 1 9 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设汁与实现 表4 5 工艺单元表 t a b l e 4 5w o r ku n i ti n f o r m a t i o nt a b l e 字段名数据类型含义 工艺编号 数字 工艺名称 文本 工艺类别数字 后续工艺1数字 后续工艺2数字 后续工艺3数字 后续工艺4数字 后续工艺5数字 流程起点 数字 流程终点数字 后续工艺距离1数字 后续工艺距离2 数字 后续工艺距离3 数字 后续工艺距离4数字 后续工艺距离5数字 功率数字 4 3 搜索工艺路径 在前面形成的码头工艺运输网络中，可形成多条可能的工艺路径。现在通过 搜索穷举工艺的所有路径来建立系统结构模型，以此作为对码头工艺进行模拟的 基础。 码头工艺结构作为港口系统的核心，实质上是一个有起点、有终点的有向运输 网络体系。由于设计时，运输路径的起点与终点固定，因此可以用带回溯的深度 优先算法将这些工艺路径一一求出。 固固固 图4 8 带回溯的深度优先算法 f i g u r e 4 8d s fa l g o r i t h m 2 0 奎型墼垫塑兰茎塑三苎盐兰垫堡型墨垄塑堡生皇塞堡 具体的搜索方法如下： ( 1 ) 在工艺单元节点数组中选取一个起点标志为真的节点i 作为搜索当前节点，对 所有以i 为起点的路径开始搜索： ( 2 ) 从当前节点的后续节点中任取一节点作为当前节点： ( 3 ) 检查当前节点终点标志是否为真： 若为真，则已经搜索到一条工艺路径，转到步骤( 4 ) 处理 否则重复步骤( 2 ) ，直到搜索到终点标志为真的节点为止： ( 4 ) 将搜索到的路径存入结果路径表中，回溯到上一节点； ( 5 ) 检查当前节点起点标志是否为真： 若为真，则已回溯到起点，转到步骤( 6 ) 处理； 否则转到步骤( 2 ) 继续搜索； ( 6 ) 检查工艺单元节点数组中是否还有起点标志为真的节点 若还有转到步骤( 1 ) 继续搜索； 否则整个搜索过程结束。 该算法的流程如下图所示 图4 9 工艺路径搜索算法流程图 f i g u r e 4 9p l o wc h a r to fp a t hs e a r c h i n g a l g o r i t h m 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 搜索得到的结果路径存入数据库供下一步模拟时选择使用。 其数据库定义如下： 表4 6 路径结果表 t i b l e 4 6p a t hr e s u l tt a b l e 字段名数据类型含义 路径编号 数字 路径长度 数字 路径物理长度 数字 路径总功率数字 路径起点单元编号数字 路径终点单元编号数字 工艺单元编号1数字 工艺单元编号2 数字 工艺单元编号4 9数字 工艺单元编号5 0 数字 4 4 船舶到港模拟 船舶到港的状况受各种因素的影响，可根据船舶到港状况随时间变化的统计 规律，即来船数量统计表和来船船型统计表来随机生成一年3 6 5 天的船舶到港次 序。 4 4 1 来船数量统计表 一年中每天来船的数量应符合一定的概率分布。为使软件具有更大的通用性， 将此概率分布设计成由用户输入。用户可根据港口的具体情况输入适当的概率分 布。 其输入界面和数据库定义如下： 输入界面： 图4 1 0 来船数量统计信息输入界面 f i g u r e 4 1 0 i n p u ti n t e r f a c eo fs h i pc o u n ts t a t i s t i ci n f o r m a t i o n 2 2 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 数据库定义 表4 7 来船数量统计表 t a b l e 4 7s h i pc o u n ts t a t is t i ci n f o r m a t i o n t a b l e 宁段名敞据类型晗义 晦日来船数量敞字 阪生概率敝字 4 4 2 来船船型统计表 来船的船型也应符合一定的概率分布。为使软件具有更大的通用性，将此概 率分布设计成由用户输入。用户可根据港口的具体情况输入适当的概率分布。 其输入界面和数据库定义如下 输入界面： 图4 11 来船船型统计信息输入界面 数据库定义 表4 8 来船船型统计表 t a b l e 4 8s h i p t y p es t a t i s t i ci n f o r m a t i o nt a b l e 字段名数据类型含义 船型编号数字 吨位数字 所占来船数比例数字 航道运行速度数字 进港时间数字 离港时间数字 大型散粮码头装卸工艺计算机模拟系统的设计与实现 4 4 3 来船次序表的生成 由每天来船数量的概率分布生成每天来船数量的方法如下 图4 1 2 来船数量概率分布图 f i g u r e 4 1 2s h i pc o u n tp r o b a b i l i t yd i s t r i b u