（机械设计及理论专业论文）基于emplant的铁路集装箱结点站系统建模与仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前国外铁路集装箱办理站已向大型化、专业化、现代化的方向发展。为 适应铁路集装箱运量相对集中的特点，提高铁路集装箱运输效率，要加快调整 全路集装箱办理站布局，强化集装箱结点站建设，使其成为服务功能齐全、满 足多式联运和现代物流发展需要、具有先进水平的大型办理站。为适应铁路集 装箱快速增长的形势，国务院2 0 0 4 年1 月2 1 日审议通过的中长期铁路网规 划中提出了优化全路集装箱办理站布局，建设1 8 个铁路集装箱结点站的规划。 铁路集装箱结点站系统是一个复杂的随机服务系统，实际运营受随机因素 的影响，表现出离散、随机的特点，是一种典型的离散事件动态系统，这就决 定了铁路集装箱结点站系统的规划和设计的困难性。本文应用e m p l a n t 仿真软 件作为仿真平台，针对铁路集装箱结点站的数据资料开发了系统仿真模型。以 某结点站为例验证模型的正确性，对该铁路集装箱结点站进行仿真研究，其它 结点站可根据实际情况修改模型即可应用。通过仿真，可以为结点站的决策者 提供决策参考。本论文的研究内容主要有以下几个方面。 ( 1 ) 分析铁路集装箱结点站的存在问题，确定我国铁路集装箱结点站建设规 划要求。分析目前国内外对铁路集装箱结点站研究情况，应用系统仿真技术对 集装箱结点站进行分析。 ( 2 ) 对常用装卸机械进行分析比对，研究结点站的装卸机械设备选型，确定 适合结点站的装卸机械。应用仿真软件e m p l a n t 对装卸机械跨下布局进行研究， 确定最优布局。 ( 3 ) 根据集装箱结点站的性质和功能，分析铁路集装箱结点站流程和包含的 几个随机事件，确定合理作业流程和随机事件分布。以仿真软件e m p l a n t 为仿 真平台，建立仿真模型流程并划分模型结构模块，开发铁路集装箱结点站的仿 真模型。 ( 4 ) 整理某铁路集装箱结点站2 0 0 0 年数据，以该数据为输入数据，验证仿 真模型流程的准确性，对结点站进行评估，确定结点站2 0 0 0 年时存在的问题。 ( 5 ) 预测该结点站2 0 1 0 年的运量，分析数据运行仿真模型，观察仿真结果， 确定设备数量和配比是否可行。 关键词：铁路；集装箱；结点站；e m p l a n t ；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ef o r e i g nr a i l w a yc o n t a i n e r - h a n d l i n gs t a t i o nh a sa l r e a d yd e v e l o p e d t o w a r d sa l a r g e s c a l e d ，s p e c i a l i z e d a n dm o d e r n i z e dm o d e t o a d a p tt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e dr a i l w a yc o n t a i n e rt r a f f i cv o l u m ea n dt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr a i l w a yc o n t a i n e rt r a f f i cv o l u m e ，w es h o u l ds p e e du pt h e a d j u s t m e n to ft h eo v e r a l la r r a n g e m e n to ft h ew h o l er a i l w a yc o n t a i n e r - h a n d l i n g s t a t i o n s ，a n ds t r e n g l 【h e nt h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o n b u i l d ， f i n a l l yt om e e tt h en e e d so fm u l t i m o d e lt r a n s p o r t a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tn e e do f m o d e ml o g i s t i c s i no r d e rt ok c 印p a c ew i t ht h eq u i c k d e v e l o p m e n to fr a i l w a y c o n t a i n e rt r a f f i ci nt h e ”l o n g - t e r mp r o g r a mf o rt h er a i l w a yn e t w o r k ”d e l i b e r a t e do n j a n 2 1 2 0 0 4 t h es t a t ed e p a r t m e n th a v ep u tf o r w a r dap r o g r a mt o o p t i m i z et h e d i s t r i b u t i o no fa l l r a i l w a yc o n t a i n e r h a n d l i n gs t a t i o n s ， a n dt os e tu p18r a i l w a y c o n t a i n e rn o d es t a t i o n r a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o ni sac o m p l e xr a n d o ms e r v i c es y s t e m t h ea c t u a l o p e r a t i o ns h o w sd i s c r e t ea n dr a n d o mc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ei n f l u e n c eo fr a n d o m f a c t o r r a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o ni sak i n do fd i s c r e t ea f f a i r sd y n a m i cs t a t e s y s t e mo ft y p i c a lm o d e l ，t h i sd e c i d e st h ed i f f i c u l t yt h a tt h er a i l w a yc o n t a i n e rn o d e s t a t i o np l a n sa n dd e s i g n s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt od a t ai n f o r m a t i o no ft h er a i l w a y c o n t a i n e rn o d es t a t i o n ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n ge m - p l a n t s i m u l a t i o np l a t f o r ms o f t w a r e t a k es o m en o d es t a t i o na sa ne x a m p l et o v e r i f y a c c u r a c yo ft h em o d e l ，t h i sr a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o ni ss t u d i e db yu s i n gt h e s i m u l a t i o nm o d e l ，a n do t h e rn o d es t a t i o n sc a nm o d i f yt h em o d e la n da p p l yo nt h e b a s eo ft h em o d e l b yt h es i m u l a t i o n ，a n dd e c i s i o n m a k e r so ft h en o d es t a t i o nc a n r e a c had e c i s i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hc o n t e n t sm a i n l yh a v eaf e wa s p e c t sa s f o l l o w s ( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i se x i s t e n c eq u e s t i o no ft h er a i l w a yc o n t a i n e rn o d e s t a t i o n ，m a k es u r et h ec o n s t r u c t i o np l a n n i n gr e q u i r e m e n t so fr a i l w a yc o n t a i n e rn o d e s t a t i o ni nc h i n a r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h er a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o na th o m ea n d a b r o a dc u r r e n t l yi sa n a l y z e d ，u s i n gs y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t a i n e rn o d e s t a t i o ni sa n a l y z e d ( 2 ) o na n a l y s i sa n di n t e r c o m p a r i s o nt ot h ec o m m o nl o a d i n g u n l o a d i n gm a c h i n e r y , 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h es e l e c t i o no ft h el o a d i n g u n l o a d i n gm a c h i n e r yo fn o d es t a t i o ni ss t u d i e d ，t h e nm a k e s u r ew h i c hl o a d i n g u n l o a d i n gm a c h i n e r yi ss u i t a b l ef o rt h en o d es t a t i o n t h eu n d e r s p a nl a y o u t o ft h er a i l m o u n t e d g a n t r y c r a n ei sr e s e a r c h e db yu s i n ge m p l a n t s i m u l a t i o np l a t f o r ms o f t w a r e ，a n dt h es u p e r i o rl a y o u ti sm a k es u r e ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h en a t u r ea n df u n c t i o no fc o n t a i n e rn o d es t a t i o n ，t h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dt h es e v e r a lr a n d o me v e n t so ft h er a i l w a yc o n t a i n e ry a r d l o a d i n g u n l o a d i n gs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dr e a s o n a b l ew o r kf l o wa n dr a n d o me v e n t d i s t r i b u t i o na r em a k es u f e t h es i m u l a t i o nm o d e lp r o c e s si se s t a b l i s h e da n dt h em o d e l s t r u c t u r em o d u l ei sd i v i d e db yu s i n ge m p l a n ts i m u l a t i o np l a t f o r ms o f t w a r e ，a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lo fr a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o ni sd e s i g n e d ( 4 ) o nf i n i s h i n gt h ed a t ao fs o m er a i l w a yc o n t a i n e rn o d es t a t i o n i n2 0 0 0 ，t h e c o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o nm o d e lp r o c e s si sv e r i f i e db yu s i n gt h i sd a t aa si n p u td a t a ， t h i sn o d es t a t i o ni se v a l u a t e d ，a n dt h ee x i s t e n tp r o b l e mo ft h en o d es t a t i o ni n2 0 0 0i s f o u n d ( 5 ) o n f o r e c a s to f t r a n s p o r t a t i o nv o l u m eo ft h i s n o d es t a t i o ni n2 0 1 0 ，t h e s i m u l a t i o nm o d e li sr u no na n a l y s i st h ed a t a ，a n dt h es i m u l a t i o ns h o w sw h e t h e rt h e e q u i p m e n t sq u a n t i t ya n d r a t i oi sr e a s o n a b l eo rn o t k e y w o r d s ：r a i l w a y ；c o n t a i n e r ；n o d es t a t i o n ；e m p l a n t ；s i m u l a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 突破了以往经验算法，考虑了系统的随机性等复杂因素，应用e m p l a n t 软件作为仿真平台研究了铁路集装箱结点站系统问题。 2 应用e m p l a n t 仿真软件建立了铁路货场装卸机械系统的仿真模型，确定 了装卸机械跨下的合理布局。 3 ，以某铁路集装箱结点站为例，应用e m p l a n t 建立了其2 0 0 0 年和2 0 1 0 年 的系统仿真模型，并对2 0 0 0 年结点站进行评估，仿真数据与实际数据符合，验 证了所建模型的准确性，并找出了该结点站2 0 0 0 年运行存在问题。 4 应用仿真模型对某结点站2 0 1 0 年进行了预测仿真，预测设备配置符合要 求，可以投产使用，为决策者提供决策依据。 西南交通大学囱南爻逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后使用于授权书； 2 不保密留，使用于授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：司撇 日期：硼8 车1 垌f 咀 以 3 棚 簟 名。详f 签订师c l i 老 ： 导期 指日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 概述 随着世界贸易的一体化和我国经济的迅速发展，集装箱运输有了迅猛发展。 为了适应国民经济、对外贸易和现代物流发展的需要，优化交通运输结构，实 现各种运输资源合理配置，从根本上扭转我国铁路集装箱运输发展落后的局面， 大力发展铁路集装箱运输，以降低物流成本，减少能源消耗，更好的保护环境， 提速现代物流业发展。“十一五 期间，铁道部规划建设上海、北京、青岛、昆 明等1 8 个具有国际先进技术装备和管理水平的超大型集装箱结点站，这对提高 我国铁路集装箱运输效率、促进铁路集装箱运输适应多式联运和现代物流的发 展需要具有重要的战略意义，也是铁路集装箱运输跨越式发展迈出的重要一步。 因此，集装箱结点站的建设规划就有至关重要的作用。 1 1 2 我国铁路集装箱运输现状 ( 1 ) 近年来我国铁路集装箱运量现状 近1 0 年，我国铁路集装箱运输随着经济的发展也得到了快速发展，1 9 9 8 年 至2 0 0 4 年我国铁路集装箱运输完成统计情况如图1 - 1 所示，从图中可以看出， 1 9 9 8 - - 2 0 0 3 年间，集装箱发送量稳步增长，年均增长速度达1 6 ，然而2 0 0 3 2 0 0 4 年增长缓慢。2 0 0 4 年虽然全路完成集装箱发送量5 9 5 2 万t ，折合3 1 1 2 万t e u ，但仅比上年增长0 7 6 1 。 发 送 量 万 一 圈 d 1 9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 图1 119 9 8 - 2 0 0 4 年我国铁路集装箱发送量 o o 0 0 o o o o 嬲 加 垤 m 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 铁路集装箱运量和水运、公路等运量的增长速度比较，铁路集装箱运量的 增长速度落后于公路和水运，铁路集装箱运输市场占有率也有所下降，特别是 在港1 ：3 国际集装箱集疏运各种方式中，铁路仅占2 ，如图1 2 所示1 1 】o 图1 - 2 港口集装箱各种集疏运方式所占比例 ( 2 ) 我国铁路集装箱办理站情况 目前，全路共有集装箱办理站5 0 9 个，其中除2 个专门的集装箱办理站外， 其余的都是数量多、装卸设备落后、场地狭小、能力不配套、地区分布的不均 衡、难以满足运输需求的综合性货运站。铁路集装箱办理站的现状已经在一定 程度上限制了我国集装箱运输的发展。 1 1 3 我国铁路集装箱运输存在问题 任何运输方式的变革都必须给托运人和承运人带来实质上的利益并具有明 显的社会效益，能够适应市场的发展，才能从根本上促进该运输方式的发展。 而我国铁路集装箱运输面临的问题正恰恰反映了在这方面的弱点。 具体的来讲，铁路集装箱运输面临很多大的问题。 ( 1 ) 铁路集装箱运输体制方面存在问题 铁路集装箱运输自身的优势是f - j n f - 的服务，而铁路还没有摆脱1 日体制的 框架，使其安全可靠，简化货物包装，标准化程度高，便于开展联运业务等优 点不能实现，不利于现代管理。而现在我国的铁路集装箱运输服务体系不完善， 其中有多方面的原因，一是忽视了铁路与其它运输方式的联系，自成系统，封 闭式发展，导致了标准不统一、运输过程不能很好衔接等问题：二是缺乏服务 意识，铁路自身的配箱速度慢，运量少，达不到规模效应。另外现在经济发展 速度惊人，但铁路忽视了这些因素，在投资方面没有采取相应的对策，导致了 基础设施建设滞后、场站布局不合理、装卸设备落后。铁路集装箱运输不能保 证限期运到，很难中途查询集装箱位置，不能实时跟踪。 ( 2 ) 目前铁路集装箱办理站布局不合理 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 我国铁路目前对外公布的集装箱办理站有6 0 9 个，2 0 英尺箱办理站有4 2 4 个， 由于我国经济发展不平衡，以及路网的布局不合理，有4 5 的货源分布在上海、 北京、广州、郑州、成都、沈阳等6 个铁路局【到。分布不均使铁路集装箱运输效 率低，加大了集装箱的周转时间，造成了人员和机械的浪费，这不符合铁路从 粗放式经营向集约式经营的转变。 ( 3 ) 铁路集装箱办理站内部设施不适应现代企业管理 集装箱运输要求快速、准时，集装箱运量时间上波动性大，要求铁路有较 大的储备能力。目前，工艺设备落后，专业化程度低，不能适应集装箱运输发 展标准化、专业化的要求；信息化程度低，无法满足多式联运及现代物流发展 的要求；铁路集装箱运量主要集中在京广、京九、京沪、京哈、浙赣、陇海等 主要干线上，而这几条干线的能力利用率都在8 5 以上1 3 】。铁路集装箱运输主通 道的能力已处于紧张状态，亟待提高。 ( 4 ) 非铁路运输方式发展集装箱运输业务迅猛 运输市场上的竞争使得铁路集装箱运输方面自身的优势难以发挥。一方面， 沿海内贸集装箱的崛起，全国内贸集装箱运输从1 9 9 6 年开始其标准箱的吞吐量 外贸货运量9 0 是通过海上运输实现的，其中集装箱运量达到2 3 蜊4 j 。广深线的 国内和国际集装箱运量抵不过深圳港的吞吐量的零头，随着一些港口和船务公 司上岸揽货，服务水平的提高。另外，随着公路网的完善，公路运输以其方便、 快速、安全、门对门服务优势，把一些高附加值和一些时间要求紧的货物吸引 过去，比如电器等。 1 1 4 我国铁路集装箱结点站建设规划 ( 1 ) 近年我国铁路集装箱运输规划目标 铁道部在中长期铁路网规划和铁路“十一五 规划中提出，要对全路 集装箱办理站布局进行合理调整和分层次优化建设。有以下几个调整： 一要加强集装箱结点站的建设：铁道部规划在位于我国直辖市、主要省会 城市及港口城市的1 8 个点上海、北京、广州、天津、成都、昆明、重庆、 乌鲁木齐、兰州、哈尔滨、西安、郑州、武汉、沈阳、青岛、大连、宁波、深 圳，新建1 8 个集装箱结点站【1 1 ，这些集装箱结点站将被建成为具有先进水平的 特大型集装箱办理站，是全国和区域铁路的集装箱运输中心； 二要在原来的基础上，改建、扩建靠近省会城市、大型港口和主要内陆口 岸站的4 8 个大型集装箱专办站：为这些专办站配备必要的仓储、装卸、搬运等 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 设施设备和维护检修手段，使其成为地区铁路集装箱运输中心； 同时，对现有5 0 9 个集装箱办理站分阶段进行削减，保留1 2 2 个办理站， 并对其设备能力和基础设施进行相应的技术改造，使之成为吸纳、集散集装箱 货源的网点i 引。 。 规划的目标是，到2 0 2 0 年我国在特大型或大型办理站之间组织开行集装箱 班列，届时将形成以结点站为枢纽、专办站为结点，办理站为喂给的铁路集装 箱运输网络。 ( 射铁路集装箱结点站装卸搬运机械的选择 铁路集装箱结点站需要进行大量的集装箱和货物的装卸搬运作业，因此， 正确地选择装卸搬运机械、确定合理的装卸工艺、有效地组织装卸作业，是铁 路集装箱结点站生产建设中要解决的重要问题。铁路集装箱结点站装卸搬运机 械的配备，一方面要选择新型、高效、适用于作业要求的装卸机械，另一方面 也应该使装卸作业过程中尽量减少机械的无效操作次数和时间，力求使各装卸 工艺系统的各个作业环节协调配合，以提高机械的使用效率和利用率。 ( 3 ) 铁路集装箱结点站信息系统的建设 作为全路集装箱运输网络的重要节点的铁路集装箱结点站，应该建立完善 的信息管理系统。根据结点站的功能和业务特点，集装箱结点站管理信息系统 包括集装箱信息系统( c i s ) 、列车调度指挥系统f f d c s ) 和电子数据交换系统( e d i ) 子系统。通过对集装箱结点站计算机管理信息系统、无线数据通讯系统和视频 跟踪监控系统的综合建设，可以进一步提高结点站的服务效率和信息化水平， 实现铁路集装箱运输指挥智能化、营销社会化、管理现代化。 ( 4 ) 铁路集装箱结点站合理的规划设计 铁路集装箱结点站作为整个铁路集装箱运输网络的一个重要环节，对整个 运输网络的运行效率有直接的影响。集装箱结点站是一个复杂的随机服务系统， 从提高运行效率和降低营运成本的角度考虑，需要对结点站布局、设备配置及工 艺流程等做出科学有效的规划并进行决策，避免资金、人力和时间的浪费。 1 2 铁路集装箱结点站规划设计分析方法 铁路集装箱结点站作为整个铁路集装箱运输网络的一个重要环节，对整个 运输网络的运行效率有直接的影响。集装箱结点站是一个复杂的随机服务系统， 它有很多事件是随机分布的，如每天列车到达和发送集装箱数随机分布、到达 和发送列车时间间隔随机分布、外卡每天拉箱数和送箱数随机分布、每天拉箱 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和送箱外卡到达时间间隔随机分布、各个堆场上集装箱每天堆存量随机分布、 装卸机械每天装卸作业总量随机分布等。铁路集装箱结点站的作业流程也是相 当复杂，这些都决定了铁路集装箱结点站是一个典型的离散事件动态系统。 1 2 1 离散事件动态系统的建模和分析方法 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，简称为d e d s ( d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs 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，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1 9 】。铁路集装箱结 点站的“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 事件会改变铁路装卸线的状态及触发各种装卸运输机械工作，而装卸运输机械 工作又会改变堆场等的状态。事件持续传递和变换，演绎着铁路集装箱结点站 物流系统的动态行为。 正如连续系统一样，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。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。在 d e d s 的研究中，常把d e d s 的模型和分析区分为三个基本层次，即统计性能层 次、代数层次和逻辑层次。 1 2 2 模型和分析的统计性能层次 d e d s 模型和分析的统计性能层次，着眼于在性能层次上来研究随机情况下 d e d s 的各种平均性能及其优化，采用的主要数学工具包括排队论、摄动分析方 法等。下面介绍这两种常用的性能层次建模与分析的方法。 1 ) 排队网络方法。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。与d e d s 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d e d s 的过程性能。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1 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 ) 摄动分析方法。由哈佛大学何毓琦( y c h o ) 教授及合作者提出和发展的摄 动分析( p e r t u r b a t i o na n a l y s i s ，简称p a ) 方法，研究系统参数的变化对系统性能 指标的影响，以此对系统进行优化。其实质是排队网络分析方法和计算机仿真 方法的一个有机的结合。摄动分析方法简单、实用，易于为工程界接收。但实 际排队常难以满足确定性、相似性条件，且系统性能的估计不一定是无偏差的 或一致的。这阻碍了摄动分析方法的推广运用。 1 2 3d e d s 模型和分析的代数层次 d e d s 模型和分析的代数层次，着眼于在物理时间层次上来研究d e d s 的代 数特性和运动过程，采用的主要数学工具有极大代数方法等。极大代数法主要 研究的是系统的稳定性和周期性稳态问题。它的优点在于模型的线性形式易于 处理物理时间，理论体系严格完整，比较适合于串行生产线的d e d s 的建模和 分析。缺点是处理问题的范围较窄，当系统比较复杂时，系统模型的维数较大， 计算困难。 1 2 4d e d s 的模型和分析的逻辑层次 d e d s 的模型和分析的逻辑层次，着眼于在逻辑时间层次上来研究d e d s 中事件和状态的符号序列关系，采用的主要数学工具包括佩特里网、形式语言 自动机、马尔柯夫链等。p e t r 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、极大代数法比较起来，p e t r i 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 r 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 r 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。 1 2 5 铁路集装箱结点站的离散事件动态系统 铁路集装箱结点站系统是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。作为一个复杂的离散事件动态系统，铁路集装箱结点 站系统内部可分为许多子系统，这些子系统相互联系，相互制约，有机地组合 在起。整个系统主要有两个与外部发生关系的有形输入输出边界，集卡的输入 输出涉及到堆场边界，它与堆场系统直接发生关系；还有一个无形的输入输出 边界，即信息交换。它通过i n t e r n e t 或e d i 专线与铁路沟通。而系统内部各子系 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 统之问的输入输出，是在系列离散事件和各种随机因素的作用下，相互传递， 构成了整个铁路集装箱结点站的动态进程。 在铁路集装箱结点结点站系统里有多种动态实体在流动，既有有形实体， 又有无形实体，有形实体包括列车、集卡、进出口集装箱、门式起重机等；无 形实体有列车计划、装车计划、卸车计划、装卸设备状态信息等。有些动态实 体从站外部进来又出去，有些动态实体只在站内部子系统之间流动。这些动态 实体的流动触发了一系列的离散事件，改变着结点站内部各系统的状态。结点 站内部状态变化具有异步性、并发性和不确定性。列车到站时间间隔的不一致， 决定了系统内部状态变化的异步性；而列车的到达可触发结点站各子系统状态 同时变化，使结点站内部状态变化呈现并发性。 离散事件系统是在人为逻辑规则下运行的。铁路集装箱站有许多管理制度 和生产调度策略。这些制度、策略和规则把站内部各系统有机地统一起来，从 提高运行效率和降低营运成本为目标，高效地运作。铁路集装箱结点站系统是 典型的离散事件动态系统，既有线性和非线性的承上启下关系，又有并行的同 步制约关系，最主要的是外部影响因素太多，且很多部分是随机动态的。 1 3 国内外对铁路集装箱结点站系统仿真技术研究现状 铁路货运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。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。铁路集装箱运输作为铁路货运的主要方式，在 目前的公路运输逐渐占据陆运主要地位的形势下，应该积极发挥自身优势，积 极开展国内国际业务，实现与现代物流接轨，增强社会运输市场占有率。目前， 铁路集装箱结点站正在起步阶段，要发挥其在集装箱运输网络的作用，就要对 铁路集装箱结点站进行合理规划和设计l l o j 。 集装箱结点站是一个复杂的随机服务系统，从提高运行效率和降低营运成 本的角度考虑，需要对结点站布局、设备配置及工艺流程等做出科学有效的规划 并进行决策。目前对复杂随机服务系统进行研究的主要方式之一是系统仿真。 系统仿真技术是研究复杂系统的有效方法，是决策者用于复杂系统设计和操作 的最有力的工具。目前，仿真已经成为管理科学与运筹学领域应用最广泛的技 术手段之一。通过模拟和仿真选择合理的方案，避免资金、人力和时间的浪费。 对铁路集装箱结点站的系统仿真，具有重要的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 目前，国内外对集装箱系统的研究主要放在集装箱码头系统仿真模型的研 究，如应用仿真软件e m p l a n t 来对集装箱码头建立交通模型1 1 1j 和布局规划仿真 研刭1 2 l ；应用仿真软件w i t n e s s 建立一种新型的集装箱码头物流系统仿真模型 1 1 3 1 ；自动化集装箱码头的控制系统的结构设计1 1 4 1 等等。但是，国内外针对于铁 路集装箱系统的研究，尚不多见。国外对铁路的研究都未针对铁路集装箱系统 进行研究，如c h i n i 等【1 5 】建立了一个两种集装箱货场布局的自动化小车系统； r i c a r d o 等1 1 6 j 运用多标准决策分析( m c d a ) 方法对中央波尔托高速火车站进行 研究，而对与铁路站的研究少；y u 等【r 7 l 开发了一个显示铁路的效率和效力的多 活动网络d e a 模型，在同一框架中它代表生产和消费技术的结合。应用模型 可以仿真出乘客数量、服务效率、装卸机械搬运效率等，可以显示铁路操作的 真实性；a x i a n o 等1 1 8 】在铁路瓶颈的即时交通管理中用柔性时间表来评估，文中 探讨了柔性时间表的新概念作为一个有效的策略，改进不减少线能力使火车正 点到达，恢复在运转中出现的混乱；a z a d e h 等1 1 9 】用计算机模拟将d e a 和a h p 整合来研究铁路系统改进和最优化，这篇文章提出了一种为铁路系统改进和最 优化的多变量的分析和多决策分析的集成仿真，这种集成模型是与计算机仿真 结合的数据包络分析( d e a ) 和层次分析法( a h p ) 为基础。 目前国内有关铁路集装箱系统的仿真研究都只是放在集装箱货场部分，没 有涉及集装箱辅助箱场。程文明掣2 0 】【2 1 】将计算机动态模拟运用于铁路集装箱货 场的分析和研究，并将集装箱堆场各个环节抽象成数学模型，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，实现系统的动态模拟。吴晓等暇j 对铁路集装箱货场系统进行可视化仿真研究，从可视化的角度，分析和探讨铁路 集装箱货场仿真技术和实现方法。由于集装箱结点站的装卸机械、外卡、堆场、 道路等各种资源在整个结点站中是相互联系、相互制约的，把结点站整个系统 作为一个整体来研究才更能符合结点站的真实情况。 铁路集装箱结点站的规划牵涉到经济、技术、社会环境等多方面的因素， 且结点站的作业流程具有离散性、随机性的特点，使规划决策具有一定的复杂 性和难度。而离散系统仿真为各种各样的系统分析、战略研究、运筹规划和预 测决策提供了一个强有力的工具，因此，离散系统仿真便成为铁路集装箱结点 站辅助决策的有力工具。 1 4 本论文研究内容 集装箱结点站是一个复杂的随机服务系统，从提高运行效率和降低营运成 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 本的角度考虑，需要对结点站布局、设备配置及工艺流程等做出科学有效的规划 并进行决策。目前对复杂随机服务系统进行研究的主要方式之一是计算机模拟 和仿真。计算机仿真技术是研究复杂系统的有效方法，是决策者用于复杂系统 设计和操作的最有力的工具之一。目前，仿真已经成为管理科学与运筹学领域 应用最广泛的技术手段之一。通过模拟和仿真选择合理的方案，避免资金、人 力和时间的浪费。迄今为止，国内外对集装箱结点站的规划和工艺流程进行了 许多研究，如采用动画模拟和数字仿真手段来确定结点站布局、装卸设备配置、 装卸工艺流程选择等。 本论文以铁路集装箱结点站系统为研究对象，应用仿真软件e m p l a n t 对铁 路集装箱结点站系统进行分析、建模和仿真研究，建立铁路集装箱结点站系统 仿真模型，并对铁路集装箱结点站的规划、设计、分析、运营管理等方面进行 分析和研究，可以为决策提供参考，节约资金、人力和时间，重点研究以下几 个方面： 1 ) 根据铁路集装箱装卸机械作业的使用特点，从实用性、经济性、技术性 等多方面进行综合研究和比较，确定适合铁路集装箱结点站使用的主型装卸机 械型式，并找到结点站主型装卸机械作业区的合理平面布置形式。 2 ) 研究铁路集装箱结点站作业流程，应用仿真软件e m p l a n t ，建立合理的 铁路集装箱结点站的总体仿真模型。 3 ) 以某铁路集装箱结点站为例，验证模型的准确性。应用统计分析以及图 表显示工具来显示集装箱结点站的通过能力，装卸机械作业时间，装卸机械的 利用率，堆场利用率，内集卡的利用率，平均列车等待时间服务时间，内外卡 平均等待时间，等待队长等。对结果进行分析，找出已建结点站的问题所在， 为铁路集装箱结点站的改建和扩建提供依据。 4 ) 对某铁路集装箱结点站近期运量进行预测，运行模型，仿真出有关结果 数据，查看预测是否合理，为决策者提供参考，避免人力、财力和时间的浪费。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章铁路集装箱结点站运行系统及性能指标 2 1 铁路集装箱结点站基本术语 铁路集装箱结点站有以下的基本术语： 1 ) 集装箱结点, 弹i ( r a i l w a yn e t w o r kc o n t a i n e rf r e i g h ts t a t i o n ) 专业办理集装箱列车及枢纽内集装箱小运转列车到发和整列集装箱列车装 卸的路网性集装箱货运站。 2 ) 集装箱办理上d i ( r e g i o n a lc o n t a i n e rf r e i g h ts t a t i o n ) 专业办理集装箱列车及枢纽或地区内集装箱小运转列车到发和整列集装箱 列车装卸的地区性或区域性集装箱货运站。 3 ) 主箱场( l i n ec o n t a i n e ry a r d ) 在铁路装卸线范围内，可用装卸机械直接对铁路装卸线上的集装箱列车进 行集装箱装卸作业的箱场。 辅助箱场( a s s i s t a n tc o n t a i n e ry a r d ) 在铁路装卸线范围以外，需使用运输机械辅助，才能用装卸机械对铁路装 卸线沙锅的集装箱列车进行装卸作业的箱场。 5 ) t e u ( t w e n t y - f e e te q u i v a l e n tu n i t ) 以2 0 f t 集装箱为标准的集装箱换算单位。表示一个6 6 米( 2 0 英尺) 的国际标 准集装箱，一个1 3 米( 4 0 英尺) 的集装箱折合为2t e u ，两个3 3 米( 1 0 英尺) 的 集装箱折合为1t e u 。 6 ) 装卸作! 又( l o a d i n g - u n l o a d i n ga r e a ) 主箱场内专门进行集装箱装卸列车或集卡的作业区域。 装卸线有效长度内门式起重机作业覆盖范围或装卸线两侧各两排箱位正面 吊运机运机作业范围为一个装卸作业区。 7 1 箱位( c o n t a i n e rs e c t i o n ) 箱场内堆放集装箱的固定平面位置。 8 ) 箱位数( s l o tc a p a c i t y ) 箱场内按换算箱堆码占用箱位的数量。 9 ) 容箱数( n u m b e ro fc o n t a i nc o n t a i n e 0 箱场内按换算箱计算允许容纳的堆码箱数。 1 0 ) c e u ( c h i n ae q u i v a l e n tu n i t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 我国铁路运输集装箱的统计单位，表示一个铁路1 0 吨箱，1 0 个一吨箱折合 为1c e u ，2 个5 吨( 或6 吨) 箱折合为1c e u ，一个6 6 米( 2 0 英尺) 箱折合为2 个c e u ，一个1 3 米( 4 0 英尺1 箱折合为4c e u 。 1 1 ) 集卡( t r a c t o r t r u c k t r a i l e d ) 集装箱拖挂车( t r a c t o r t r u c k t r a i l e d ) ，俗称集卡，由拖头和拖架( 又称拖车) 两部分组成，拖头专职拖拉，拖架专职承载集装箱。在箱场上出现的集卡，有 的是结点站内部用于主箱场和辅助箱场之间运输集装箱，有的是从结点站外部 进来送箱或提箱的。为了区分，前者叫内部集卡( 简称内卡) ，后者叫外部集卡( 简 称外卡) 。 2 2 铁路集装箱结点站系统的性能评价指标 铁路集装箱结点站系统的性能是运用一整套统计指标，采用科学的统计调 查、整理和分析方法、通过对生产经营活动各种数量关系的研究，显示其发展 规律。统计工作对帮助铁路集装箱结点站管理者在认识、检查、监督、决策等 方面具有十分重要的意义。铁路集