（机械设计及理论专业论文）集装箱码头物流系统动态性能分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代物流被西方经济学家和企业界称为继劳动力、自然资源之后的“第 三利润源泉”、“降低成本的宝库”、“企业发展的战略手段”，将在我国经济 发展中起着越来越重要的作用。它主要包括：港口码头、仓储经营等硬件联 运设施的物流业务和基于海运、陆运、空运等运输的物流业务，由于国际货 运量的9 0 以上是靠海运完成，港口在整个运输链中总是最大的货物集结 点。 集装箱码头是连接水陆的交通运输枢纽，是一个国家的重要资源，是对 外贸易的门户，它对于区域经济的发展具有举足轻重的作用。集装箱码头物 流系统是指在一定的集装箱码头空间里，由集装箱、船舶、装卸搬运机械、 泊位、堆场、道路、人员以及通信联系等若干相互制约的动态要素构成的有 机整体。 针对港口集装箱物流系统的特点，本文对港口集装箱物流系统仿真及建 模理论与方法进行了研究。 首先介绍了国内外集装箱码头物流系统的组成以及计算机模拟技术在 集装箱码头的实现与发展，系统地介绍了集装箱码头物流系统的基本组成， 港口的布局、特点，现代化港口装卸工艺模式的发展，并对集装箱码头的生 产作业流程作了详细说明，分析了港口物流系统发展中存在的主要问题。 其次，论文以排队网络理论，对集装箱码头的些稳态指标作了数学描 述，最后利用事件调度法对集装箱码头这一离散系统的船舶到、离港的排队 模型进行事件处理。 在模拟模型的开发过程中，分别从总体设计、船舶调度管理、前沿装卸 作业等几个方面对集装箱码头物流系统进行建模。并借助w i t n e s s 仿真软 件，对集装箱码头前沿的岸边集装箱起重机调度方式以及船舶沿岸线靠泊两 种方案进行了计算机仿真，并通过对仿真结果的统计分析，得出了可供集装 箱码头实际操作用的参考结论。 关键词：集装箱码头物流系统，动态仿真，数学规划法，w i t n e s s 仿真软件 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d e r nl o g i s t i c si sc a l l e da st h et h i r db e n e f i th e a d s p r i n g ，t h et r e a s u r yt o r e d u c ec o s ta n dt h es t r a t e g e t i cm e a n sf o re n t e r p r i s ed e v e l o p m e n tb yw e s t e r n e c o n o m i s t sa n de n t e r p r i s e r s i tw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e e c o n o m i c a l d e v e l o p m e n t o fo u r c o u n t r y i tm a i n l y i n c l u d e st h e l o g i s t i c s o p e r a t i o nb a s e do nt r a n s p o r tf a c i l i t i e s s u c ha sp o r tt e r m i n a l sa n ds t o r a g ew o r k a n do n t r a n s p o r t a t i o n o fo c e a n t r a n s p o r t a t i o n ，l a n d c a r r i a g e a n d a i r - f e r r y b e c a u s e9 0 o ft h ei n t e r n a t i o n a lf r e i g h ti sf i n i s h e db yo c e a nt r a n s p o r t a t i o n ，t h e p o r t i s a l w a y st h eb i g g e s tf r e i g h t c o n c e n t r a t i o no ft h ew h o l et r a n s p o r t a t i o n c h a i n c o n t a i n e rt e r m i n a l sa r et h et r a n s p o r t a t i o nh i n g el i n k i n go c e a na n dl a n d ，a n i m p o r t a n t r e s o u r c eo fo n ec o u n t r y , ad o o rt of o r e i g nt r a d ea n dh a v eak e yr o l et o t h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i c te c o n o m y c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e mi sa n o r g a n i cs y s t e m ，m a d e o fi n t e r a c t i v ea n d d y n a m i cc o m p o n e n t s ，s u c h a s c o n t a i n e r s ，s h i p s ，b e r t h s ，y a r d s ，t r a c k s ，q u a y c r a n e sa n dy a r dc r a n e s ，t r u c k s ， l a b o r sa n dc o m m u n i c a t i o n s ，i nal i m i t e dt e r m i n a ls p a c e a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o r tc o n t a i n e r l o g i s t i c ss y s t e m t h i s p a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h et h e o r i e sa n dm e t h o d s f o rt h ep o r tc o n t a i n e rl o g i s t i c s s y s t e ms i m u l a t i o na n dm o d e l i n g a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a l l o g i s t i c ss y s t e mi n d o m e s t i ca n do v e r s e a sa n dt h er e a l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e d t h e nt h ep a p e rp r e s e n t s s y s t e m i c a l l yt h eb a s i cc o m p o s i t i o no f t h ec o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e m ， t h e l a y o u t a n dc h a r a c t e r i s t i c so fp o r ta n dt h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r np o r t l o a d i n ga n du n l o a d i n gt e c h n i c sm o d e i ta l s oe x p l a i n si nd e t a i lt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so f t h ec o n t a i n e rt e r m i n a la n d a n a l y z e st h em a i np r o b l e m se x i s t i n gi nt h e d e v e l o p m e n to fp o r tl o g i s t i cs y s t e m s e c o n d l yt h ep a p e rd e s c r i b e sm a t h e m a t i c a l l yt h es t e a d yi n d e xf o rc o n t a i n e r t e r m i n a l sb a s e do nt h et h e o r yo f q u e u en e t w o r k sa n dt h e nd e a l sw i t ht h ee v e n t s o ft h eq u e u em o d e l so fv e s s e la r r i v i n ga n dl e a v i n gi nt h i sd i s p e r s es y s t e mu s i n g i i 重坚里三查兰堡主堂篁笙兰 ， t h ee v e n ts c h e d u l i n gm e t h o d i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs i m u l a t i o nm o d e l ，t h ep a p e r m o d e l st h e c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i cs y s t e mf r o mt h ea s p e c t so ft h ew h o l ed e s i g n ，v e s s e l s c h e d u l i n gm a n a g e m e n ta n df r o n t w a r dl o a d i n ga n du n l o a d i n g w o r kb a s e do n t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew i t n e s s ，t w os c h e m e so ft h eq u a yc o n t a i n e rc r a n e s s c h e d u l i n gw a y sa n dv e s s e lb e r t h i n gw a y sa r e s i m u l a t e d a c c o r d i n gt o t h e s t a t i s t i c sa n a l y z i n go ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s o m ec o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e df o r t h er e f e r e n c eo f t h er e a lo p e r a t i o no f t h ec o n t a i n e rt e r m i n a l k e y w o r d s ：c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c ss y s t e m ，d y n a m i cs i m u l a t i o n m a t h e m a t i c s p r o g r a m m i n g ，w i t n e s s s i m u l a t i o ns o f t w a r e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于教育部重点科技项目“基于无线局域网的集装箱堆场机械 调度与监控系统研究”。 1 1 2 集装箱码头物流业的发展 随着全球经济一体化的发展，生产力水平的提高和零库存、柔性化制造 等现代经营管理方式的广泛应用，企业竞争由生产性领域转到了非生产领域， 物流业已经从企业内部转移并扩大到了相互联系、分工协作的整个产业链， 物流活动逐步从生产、交易和消费过程中分化出来，成为专业化的新型经济 活动。尤其在贸易自由化、跨国生产和全球制造体系形成、信息网络和电子 商务等新技术和新商业模式的应用等三大因素的有力地推动下，现代物流特 别是国际物流得到了迅速发展。 作为国际运输链与物流链的重要环节，集装箱运输业在现代物流业的发 展中起着不可替代的作用，些发达国家甚至将其作为体现本国物流综合竞 争力的重要标志。集装箱运输业不仅是国民经济的基础，同时也为国内外经 济、贸易的发展作出巨大的贡献。进入全球物流时代以后，现代集装箱码头 己从纯粹的运输中心( 运输+ 转运+ 储存) 发展成为配送中心( 运输+ 转运+ 储 存+ 拆装箱+ 仓储管理+ 加工) ，再发展为如今的综合物流中心( 运输+ 转运+ 储存+ 拆装箱+ 仓储管理+ 加工+ 信息处理) 。现在集装箱码头已经成为一个集 商品流、资金流、技术流、信息流、人才流于一体物流中心。“。 凭借规模化的集散能力，集装箱码头最有可能成为整个物流链的枢纽和 增值服务中心。据估计世界贸易的9 0 以上是通过海运方式实现的。集装箱 码头物流是海洋运输的起点与终点，是海陆货物运输的重要节点，在整个运 输链中是货物最大的集散地。集装箱码头是国际贸易中的服务基地和货物物 流的分配中心，是货物和航运业的信息中心。集装箱码头地理位置得天独厚， 通常是经济、贸易、金融、信息较为发达的城市，为综合物流的大量生成与 发展提供了有利支撑。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 世界集装箱贸易船运物流量的分析 根据2 0 0 1 年末和2 0 0 2 年初的预测，2 0 0 2 年南北航线上的贸易量将增长 2 8 ，2 0 0 3 年将会达到4 9 ：从亚洲到美国向东的太平洋航线贸易量预计 有4 8 的增长，向西出口的太平洋航线贸易量将增长2 1 ；从欧洲出口到 美国的贸易量预计增长3 1 ，进口量增长2 8 1 。 表1 1 为全球东西航线集装箱的贸易量预测，其中包括欧洲与北美之 间，欧洲与亚洲( 东西亚、东北亚、中亚) 之间、北美与亚洲之间的集装箱 贸易量。表1 2 为全球南北航线集装箱的贸易量预测，其中包括欧洲与太平 洋之间、欧洲与非洲之间、欧洲与中美南美洲之间、北美与中南美之间、亚 洲与太平洋之间、东南亚与东北亚之间的集装箱贸易量。 表1 1 全球东西航线贸易集装箱物流量( 万t e u ) 欧洲和北美之间北美与亚洲之间欧洲和亚洲之间 年分 欧洲至北美北美至欧洲北美至亚洲亚洲至北美欧洲至亚洲亚洲至欧洲 2 0 0 02 9 4 42 1 9 35 0 4 63 7 9 42 7 1 o3 8 9 3 2 0 0 13 0 2 12 2 2 o5 1 9 _ 03 8 3 o2 7 373 9 6 4 2 0 0 23 1 1 62 2 8 ，25 4 3 73 9 2 62 8 034 1 1 9 2 0 0 33 2 9 02 3 8 45 8 1 94 1 2 12 9 364 3 5 o 2 0 0 43 4 532 4 7 86 2 17柏1 33 0 6 94 5 7 7 2 0 0 53 6 2 12 5 786 6 3 34 5 143 2 0 44 8 12 表l 一2 全球南北航线贸易集装箱物流量预测( 7 5t e u ) 东北亚和东南亚洲和大洋欧洲和大洋欧洲和非洲北美和中南美欧洲和中南美 亚之间洲之间洲之间之间之间之间 年份 东北亚东南亚亚洲 走萍洲欧洲到大洋洲欧2 l l | 到非洲到北美到中南美欧洲到中南美 到东南到东北到大 到皿洲大洋洲到欧洲非洲欧洲中南美到北美中南美到欧洲 亚亚洋洲 2 0 0 01 6 1 11 9 255 2 79 2 02 352 351 1 4 51 8 181 4 3 11 5 1 29 8 11 4 7 2 2 0 0 11 6 1 21 9 675 349 502 362 4 21 1 671 8 171 4 491 5 5 89 9 01 4 9 7 2 0 0 21 6 4 92 0 3 55 4 99 5 92 4 02 4 51 2 0 41 8 5 31 4 8 41 6 2 91 0 161 5 5 4 2 0 0 31 7 3 02 1 5 95 7 59 992 4 82 5 41 2 6 31 9 1 51 5 4 71 7 3 41 0 6 41 6 35 2 0 0 41 8 l02 2 8 35 9 91 0 4 42 5 62 6 _ 31 3 131 9 6 21 6 1 01 8 3 91 1 1 01 7 08 2 0 0 51 8 9 22 4 126 251 0 9 12 632 781 3 6 42 0 091 6 771 9 4 71 1 5 71 7 8 2 2 武汉理工大学硕士学位论文 从表1 一l 、表卜一2 中可以看出，不管是东、西航线还是南、北航线2 0 0 0 2 0 0 5 年集装箱运量均呈上升趋势。全球集装箱运量在未来2 0 年中将以每年 6 左右的规模增长。 1 1 4 物流业的发展给港口带来新的压力和挑战 当前国际物流业发展已经进入一个新时代。世界贸易一体化和信息技术 的广泛应用，使物流服务业呈现新的发展势头，特别是我国加入世界贸易组 织，给物流业带来新的发展机遇，由于国际贸易的增长，使通过港口的货物 物流问题有很大的增长，物流结构也向集装箱化和高附加值方面调整。与物 流业高速发展态势相比较，港口对发展物流业的重视程度不高，开展物流增 值服务进展十分缓慢，港口面临物流服务市场竞争目趋激烈。物流业发展将 给港口带来更多的压力和挑战”。港口面临的压力和挑战主要体现在： 1 ) 物流服务市场竞争日趋激烈给港口带来新的竞争压力。物流服务市场 竞争已出现一些新的变化，物流服务形成了以运输企业、物流中介服务企业、 生产制造企业三分天下的局面。航运企业以其雄厚的资本实力和贸易运输网 络，通过扩展陆上物流运输，开展“门到门”的物流服务，已经成为国际物 流服务业的主导力量。其他如铁路、公路、航空运输企业也利用各自优势， 积极扩展业务，发展网络运输，以保持自身的市场竞争的优势。货运代理等 物流中介服务行业利用自身掌握和熟悉物流服务全过程的特殊优势，拓展功 能和延伸服务，积极参与物流增值服务。一些有规模的制造企业特别是跨国 公司和大集团不愿放弃物流服务部分的利润，也纷纷建立自己的物流中心， 参与物流市场竞争。物流服务业市场的竞争，使参与竞争者对港口拥有了较 大的自主选择权，由于大部分港口参与物流服务市场竞争的程度不够，使港 口在物流服务市场竞争处于被动地位，从而导致港口运输市场竞争的加剧。 2 ) 传统港口物流装卸服务业盈利水平将逐步降低。传统上讲，港口提供 的物流服务主要是港口货物堆存和装卸。由于物流服务业发展，使整个物流 服务过程成本费用大大降低，物流成本在物流终极点的货物价格中总成本的 比重也随之降低，物流服务业总体盈利水平不断下降。作为物流服务的主要 承担者一货物承运人( 包括船公司、陆运企业等) ，必然要通过减少和降低物 流节点的服务费用来维持自身盈利水平，这就迫使港口降低物流装卸服务费 用。使港口在整个物流过程中费用比重降低。港口不得不通过降低成本和提 高物流服务效率来维持，港口经营将日趋困难。 3 ) 港口物流服务软硬件设施对港口发展的制约。世界贸易中物流服务总 3 武汉理工大学硕士学位论文 体成本水平的降低需要通过船舶大型化、快捷化方式来解决。这也对港口提 出新的难题。只有少数拥有大型泊位、先进的物流服务和管理技术的港口才 能适应航运企业的要求。这种局面使国际港口装卸运输集中度越来越高，只 有少数港口可以成为区域性的枢纽港，大部分港口只能成为支线港和喂给港。 在这场枢纽港地位竞争中，哪个港口首先拥有大型深水泊位并具有先进的物 流服务装备和物流管理技术，这个港口就会成为港口物流服务竞争中的优胜 者。 4 ) 加速物流业发展的配送中心建设对港口自由化贸易的要求。物流配送 中心发展很快，在一些主要港口都建有规模巨大的配送中心。配送中心的功 能是提供货物包装及再包装、贴签、装配、分拔、开发票和增值税管理等项 服务。配送中心利用完善的信息通信网络，为物流服务企业和货主提供货物 状态和存贮信息，配送中心建立对港v i 运输环境和港口口岸政策提出苛刻要 求，建设自由港区或保税港区成为港口发展的必然选择。 5 ) 港口经营结构和服务策略发生变化。由于物流业发展使港口功能定位 发生变化，即由传统的货物装卸、储存发展为典型的物流配送服务，港口内 部经营结构必须调整，建立完善的港口物流管理系统，提高港口物流服务效 率，完善物流服务功能，降低服务成本，是港口必须解决的问题。为了实现 物流费用降低和装卸成本的下降，港口必须调整经营策略，拓宽服务领域， 通过物流增值服务保证港口经营的效益。 1 1 5 我国港口物流业存在的问题 中国在如此激烈竞争的环境下也正在加快集装箱贸易发展的脚步，如 2 0 0 2 年全国港口完成吞吐量2 6 8 亿吨，比上一年增长了l l7 ，其中国际集 装箱吞吐量达到3 7 0 0 万t e u 。上海港、深圳港集装箱吞吐量分别突破8 6 1 万和7 6 1 万t e u ，双双跻身世界集装箱大港前1 0 强。到2 0 0 2 年1 2 月底， 上海港的全年货物吞吐量突破2 6 亿吨，继上海、广州、宁波港之后，2 0 0 2 年天津、青岛、秦皇岛、大连港货物吞吐量均过亿吨。 尽管我国在集装箱港口建设和水上运输上有了长足发展，但我们不应该 忽视存在的问题： 1 ) 港口功能不全，布局及结构不合理，港口功能扩展滞后于经济发展的 需求等是中国港口建设面临的首要问题。港口物流中心的建设在国外已有近 3 0 年的历史，我国还处于初始阶段。目前尚未建成一批有影响的集装箱国际 中转枢纽港。中国沿海不少港口多为支线港，存在总体规模小，港口水深不 4 武汉理工大学硕士学位论文 足等问题。为适应国际集装箱大型化和国民经济发展的趋势，今后需加强总 布局规划，建成一批布局合理、功能先进的国际集装箱枢纽港。 2 ) 除少数大型港口外，计算机管理水平不高，装卸效率较低。近年来集 装箱运输电子数据交换( e d i ) 系统虽有提高和完善，但仍未普及，也不规 范。由于港口及其相关行业和部门的信息系统缺乏统一的技术标准和规范的 数据传递格式，信息系统互不兼容，部门之间的信息难以共享，另外软件信 息技术与外部网络衔接等方面仍存在较多问题，致使沿海港口信息技术的应 用和服务滞后，不适应集装箱码头计算机应用、通信网络、数据标准化三者 结合的发展趋势，难以满足港口发展的需求，与现代物流业的需求相距甚远。 3 ) 现代物流成本在美国、日本仅占全国g d p 的1 0 左右，而我国约占 2 0 左右，差距很大。我国以港口企业为中心向港口物流企业发展还处在初 始阶段，成本问题仍是港口研究的一个大问题。 4 ) 基础设施能力不足。如大部分港口是基于简易改造投入营运，装卸机 械效率低和装卸工艺尚不完善等原因抑制了码头的发展。 为了促进我国物流业的发展，急需对港口物流进行更加有效合理的规划 与设计，以最大限度的节约成本，发挥码头的作业能力，从而在激烈的国际 物流竞争中占据一席之地。因此，对集装箱码头进行深入研究势在必行。 1 2 计算机模拟语言的发展以及在港口中的应用 1 2 1 计算机模拟语言的发展 模拟就是通过对系统模型的实验，以研究一个存在的或者正在设计中的 问题的方法。计算机模拟可以综合考虑随机的或动态变化的各因素对系统动 态动作过程的影响以及剖析系统的运行过程，预测和分析过程的合理性，找 出系统的“瓶颈”，为优化系统的各个环节提供依据，最终达到提高系统整体 性能和效益的目的。 计算机模拟技术起源于5 0 年代，最初应用于军事领域。有关模拟语言的 发展大致可以经历了以下三个阶段”“： 1 ) 1 9 5 5 - - 1 9 6 5 年。通用仿真程序g s p ，通用仿真语言g p s s ，s i m u l a 和 g a s p 奠定了目前使用的仿真软件的基础。 2 ) 1 9 6 6 1 9 7 8 年，产生了第二代仿真语言，它们是g p s s l i 、i 和n g p s s 以及s i m s c r i p ti i ，p l u s 和s i m u l a 6 7 。其特点是功能强大，如s i m s c r i p t i l 提出了进程概念和加进了连续仿真的功能，g p s s 增加了链接用户写的 武汉理工大学硕士学位论文 f o r t p 3 n 和p l 1 子进程的功能。在n g p s s 语言中还加入了图形处理功能。 3 ) 1 9 7 9 年至今，发展特点和趋势可以归结为： 向连续、离散、混合仿真语言发展，如美国s y s t e m sm o d e l i n g 公司的 s i m a n 混合仿真分析语言，英国的l a n n e r 公司的w i t n e s s 2 0 0 1 。 向多种程序结构发展，如s i m a n 语言支持面向事件、面向事件和面向 进程的模块结构，并允许用户用f o r t r a n 编写各种非标准“事件”子程序， 以实现网络、离散事件和连续模型之间的组合。 向综合化、一体化方向发展。如加拿大的g e s t 仿真语言中引入专家系 统，以帮助建模、选择算法、分析和判断结果等；美国的t e s s 系统通过数据 库系统，将仿真模型建立、仿真实验以及输出分析等组成一个有机的完整系 统。此外，还产生了些面向专门技术领域的软件。 与通用计算机语言相比较，计算机模拟专用语言提供了大部分建立模拟 模型所需要的手段，如随机数的发生、模拟时间推进、从事件表中确定下一 个事件并将其置于合适的程序模块控制之下等等；更自然的描述模型的方法： 运行过程中的动态存储配置功能：程序的可读性进一步加强。可视化交互模 拟技术应用使得开发动画模拟模型成为可能。 本论文选择l a n n e r 公司开发的功能强大的面向对象的仿真软件w i t n e s s 作为仿真语言。对集装箱码头物流系统进行动态仿真。 1 2 2 计算机模拟技术在港口中的应用 港口码头系统具有下列特点：由船舶、堆场、货物集疏运等子系统组成， 某一子系统的高效率无助系统效率的提高，某一子系统的低效率又会影响系 统效率的发挥；船舶、货物集疏运工具的到港时间具有很大的随机性；码头 作业受气候条件制约：船舶、泊位、设备及人员的情况随时问变化；货源组 成结构及数量也随时间变化；码头的堆场、环境受一定的条件制约。这些特 点决定了港口码头系统是个受多个随机因素影响、动态行为复杂且难以建立 数学模型的系统。因此，在港口码头系统的规划设计和营运管理方面，计算 机模拟技术成为提供决策信息的有效手段，应用也越来越普遍。 1 ) 国外计算机模拟技术在港口系统上的应用。目前，一些发达国家己相 当普遍的将计算机仿真应用于码头作业情况模拟( 如美国的洛杉矶集装箱码 头、荷兰阿姆斯特丹集装箱码头、韩国釜山港集装箱码头) 。其中荷兰阿姆斯 特丹c e r e sp a r a g o nt e r m i n a l ( c p t ) 集装箱码头。，去年投入使用c p t 是第 一个采用将大型集装箱船舶导入挖入式港池，从船舶两边使用多台岸边集装 6 武汉理工大学硕士学位论文 箱起重机同时装卸集装箱的方式的码头。由于考虑到大型船舶回旋水域的需 要，挖入式港池所在位置把码头的堆场分成了堆场容量极不相称的北区和南 区，位于其北侧岸线上的岸边集装箱起重机作业的大部分集装箱，只得通过 经由港池端部陆域的通道运输存放到南区堆场上。在码头规划和布置方案选 择时，港池端部陆域的交通是重点研究的问题之一，美国j o r d a nw o o d m a n d o b s o n ( j w d ) 公司利用计算机模拟评估了交通条件，考虑了码头前沿、堆场以 及大门作业对该处交通的影响，确认了合理的布置方案。通过仿真研究港口 系统的运行条件和管理方式对装卸作业的影响，成功地预测和分析作业过程 的合理性，找出系统的“瓶颈”，最终达到提高系统整体性能和效益的目的。 目前，在发达国家从事港口码头系统模拟模型开发的人员和公司很多1 ， 如香港的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 eo fs h i p p i n ge c o n o m i c sa n d l o g i s t i c s 公司等。 从国外公开发表的文献来看，计算机模拟技术在集装箱港口中的应用大 致可以分为以下几类： 用排队理论和遗传算法对船舶的到港情况进行模拟分析，从而为港口的 投资提供决策依据，并讨论泊位动态分布对港口工作效率影响“”“”1 。 对到港船舶的装卸箱过程进行模拟，研究了岸边集装箱起重机调度问 题，同时通过模拟还可以帮助制定堆场计划以减少翻箱率“”“。 对集装箱的卸箱进场和出口装船进行模拟，对堆场内的交通情况进行分 析，讨论了港口交通工具配备问题以及自动化小车的应用问题“6 “。 对集装箱在堆场内的堆放情况进行模拟，分析了对于迸口箱和出口箱的 处理策略问题，主要讨论了集装箱在堆场内的堆放策略以提高堆场的利用率 的问题3 ： 对整个集装箱港口进行模拟分析，讨论了在新的作业方法或者管理模式下 集装箱港口通过能力的问题；为集装箱港口的一些计划的制定提供决策支持； 对集装箱在港口内部的运输过程进行合理物流规划；对港口的作业流程的优化 以及港口设备的合理计划：通过模拟对新港口的管理方法进行分析等“”“1 。 2 ) 国内计算机模拟技术在港口系统上的应用。尽管我国集装箱码头装卸 效率不断提高，但码头布局、泊位能力、设备的数量以及先进性、操作人员 的熟练程度等一些不容忽视的问题仍然存在。在这种情况下，国内也开始利 用计算机对集装箱码头实施动态仿真，交通部水运科学研究所针对国内集装 箱码头船舶作业效率受码头内交通堵塞影响的情况利用计算机动画模拟技术 进行了研究。研究内容包括集装箱码头营运条件、码头管理方式、码头内交 7 武汉理工大学硕士学位论文 通流分布以及码头作业效率之间的相互关系。开发的集装箱码头模拟模型， 以集疏运和船舶到离港为边界，包括了码头内的各项管理和作业过程、除了 研究总的交通量在码头内分布外，还研究了不同码头状态下，设定的统计时 间间隔，各交叉道口和交通道路上平均交通流量和最大交通流量沿不同方向 的分布。 天津大学的剐社安教授，提出了利用循环网络模拟方法将排队论、网络 计划技术、计算机模拟技术结合起来，对港口的营运过程进行模拟，从而得 到港口泊位、仓库等的利用情况；对具体的装卸工艺进行模拟，可以得出合 理的调度方案“。“。 上海海运学院的真虹教授，根据并行工程的理论，v i s u a lb a s i c4 0 和图 形生成软件h u t o c a d t 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前沿，对于港口码头的堆场部分作了简化“。 综上可以看出，国内有关计算机模拟技术在港口中的应用虽然取得了一 定的成果，与发达国家相比仍存在相当的差距，主要体现在我国多数港口的 计算机应用仅停留在数据处理阶段”。有些港口虽然正在进行管理信息系统 的开发，如：交通部组织的四港( 上海港、宁波港、天津港和青岛港) 开发 e d i 的示范性工程也陆续验收、投入试用，但是港口计算机的应用尚未上升 到港口生产调度、决策支持的层次。经调查，目前我国港口的计算机应用仅 限于生产数据的后处理和港务局与装卸公司之间生产进度的数据传递。 1 3 离散事件动态系统及建模分析方法 港口物流系统是典型的离散事件动态系统，既有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，且相当一部分是 随机动态的。离散事件动态系统模拟方法把整个系统而不是系统的各个环节、 各个组成部分作为研究对象，这就适应了系统的动态性和变化性，更体现出 了系统的本质特征。港口的状态不是每时每刻都在变化的，而是当某一事件 发生，如船舶靠泊，或外部集装箱卡车装运完出港，这时整个港口的系统状 态才发生变化，无疑这正是离散系统的特征。再有，离散事件动态系统模拟 方法是面向过程的，它的建模方法更接近于客观事实，这样就更容易做到准 确有效，更易于分析研究，摆脱了其它定量方法高深繁杂的理论公式、推导 武汉理工大学硕士学位论文 假设、概念抽象等。所以离散事件动态系统的模拟方法无疑是港口物流系统 研究的有效方法。下面针对离散事件动态系统作一些简要的介绍： 1 3 1 离散事件动态系统( d is c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m s 以 下简称d e d s ) d e d s 是由离散事件驱动，并由离散事件按照一定运行规则相互作用，来 导致状态演化的一类动态系统。d e d s 具有两个基本的特点，第一，d e d s 的系 统属性表现为由离散事件驱动；第二，d e d s 的人造属性表现为基于人为的运 行规则”“。 和连续变量动态系统一样，d e d s 的研究同样需要建立模型，用来反映系 统主要行为特征的变量与系统结构参数间的关系。模型采用多种形式来进行 表征，包括数学方程、映射、数据集合、曲线、图表、计算机程序和语言描 述等。基于系统模型，可分析系统的行为性能及其与系统结构和参数的关系， 可进而研究系统的控制和优化。 1 3 2d e d s 的建模和分析方法 对于d e d s 建模和分析方法，可从不同的角度进行分类： 1 ) 基于时间层面的分类d e d s 的物理时间层面的方法是一种可时序化 的方法，特点是模型中可赋时，并能分析系统行为的时序化过程。物理时间 层面方法包括排队网络方法、摄动分析方法、极大极小代数方法、有限递归 过程方法、通信序贯过程方法和仿真方法等。d e d s 的逻辑时间层面的方法是 一种不可时序化的方法，特点是模型中不可赋时，只能反映和分析表征系统 行为的符号的顺序关系。逻辑时间层面的方法包括有限自动机形式语言方法 和佩特里网方法等。 2 ) 基于问题层面的分类d e d s 的逻辑层面的方法，用于研究以符号顺序 关系问题的建模、分析和控制，包括有限自动机形式语言方法、佩特里网方 法等。d e d s 的代数层面的方法，用于研究确定性时序化问题建模和分析，包 括极大极小代数方法、有限递归过程方法、通信序贯过程方法等。d e d s 的统 计性能层面的方法，用于研究不确定系统性能与优化问题的建模和分析，包 括排队网络方法、摄动分析方法等。 3 ) 基于模型属性层面的分类d e d s 的确定性层面的方法包括佩特里网 方法、极大极小代数方法、有限递归过程方法、通信序贯过程方法和有限自 动机形式语言方法等。d e d s 的随机性层面的方法包括排队网络方法、摄动 9 武汉理工大学硕士学位论文 分析方法和仿真方法等。前类方法只能处理结构和参数为确定性的系统， 后一类方法可处理结构和参数为不确定性的系统。 需要指出，上述分类并不是绝对的和固定不变的。表l 一3 中列出了上述 三种分类方式。 表l 一3d e d s 建模和分析方法的分类 可时序化不可时序化 逻辑层次 f 有限自动机形式语言方法 佩特里网方法 代数层次极大极小代数方法 排队网络方法 性能层次 摄动分析方法 仿真方法 随机性一一确定性 1 3 。3 常用的d e d s 的建模和分析方法 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 0 1 b e r g 首次将排队网络理论用于d e d s 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。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。通过排队网络模型，可以分析港口物流系统的生产率、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。 2 ) 摄动分析方法( p e r t u r b a t i o na n a l y s i s ，简称p a ) 是由哈佛大学何毓 琦( y c h o ) 教授及合作者提出和发展的，该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。它继承了排队网络分析方法可以分析系统统 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 计性能的优点，但可避免排队网络分析方法中通常要求缓冲器容量为无限和 随机服务时间为指数分布等的苛刻限制条件。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的或一致的。这阻碍了摄动分析方法的推广运用。 3 ) 佩特里网( p e t r in e t ) ，简称p n ，是由德国学者c a p e t r i 在1 9 6 2 年 所提出的。本质上，p e t r j 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。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 网模型已不局限于那 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，以致在工程上难以有效应用。 1 4 本学位论文的主要研究内容 在阅读了大量的有关集装箱码头规划与设计以及计算机仿真等方面的文 献之后，本论文将整个集装箱码头物流系统作为一个整体，并结合集装箱码 头的特点，对码头动态系统的仿真建模理论方法及建模过程作了详细的研究， 从而为码头营运人员提供管理、决策依据。 集装箱码头物流系统。为了进一步加深读者对集装箱码头的认识，本文 首先介绍了集装箱码头物流业的发展，集装箱码头物流系统的构成，船舶装 卸工艺的选择以及码头的进、出口业务流程。 ( 1 ) 集装箱码头的仿真建模理论。利用数学规划法对整个集装箱码头的 物流系统进行系统建模，将数学规划法的理论基础排队网络理论和集装箱码 头的计算机仿真结合起来，对集装箱码头前沿的机械调度以及船舶的靠泊形 式进行研究。 ( 2 ) 集装箱码头物流系统仿真。本文利用专用的数字仿真软件w i t n e s s 对集装箱码头进行了二维的动态仿真，模拟过程从船舶到港开始，直至船舶 作业完成离开。最后在统计输出界面动态显示统计输出结果。 ( 3 ) 统计指标及数据分析。统计招标包括船舶总艘次、最长队列、船舶 平均等待时间、船舶平均作业时间、泊位利用率、岸边集装箱起重机平均利 用率、集卡利用率和每米岸线吞吐量。根据到港船型分布以及船舶到港时间 间隔的分布改变，输出统计结果的变化规律，分析得出仿真结论。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章港口物流系统及性能分析 2 1 港口物流系统的基本组成 现代港口已经成为一个集商品流、资金流、技术流、信息流、人才流于 一体物流中心。集装箱码头由数个相互关联的物流过程构成，通过结合系统 内集装箱的流动过程( 如箭头所示) 来说明港口物流系统的组成( 如图2 1 所示) 。 一 堆 场 内 部 作 业 过 程 一 图2 1 集装箱码头物流系统的组成 2 2 港口的组成 港口一般由港口水域、码头和陆域设施组成。 2 2 1 港口水域 一 集 装 箱 直 提 过 程 v 其主要包括锚地、航道、船舶调头水域和码头前水域，还有导航、助航 标志等设施。 锚地指在水域中指定地点专供船舶停泊及供船舶进行水上装卸作业区 域。 航道是保证船舶沿着足够宽度、足够水深的路线进出港口的水域。 船舶掉头水域是供船舶掉头用的水域面积，也称回旋水域，一般需求要 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 直径为1 5 3 倍船长的圆面积。 码头前水域也称为港池，是供船舶靠离码头和装卸货物用的毗邻码头的 水域。 导航、助航标志主要有灯塔，其射程一般为1 0 2 5 nm i l e ，是船舶接近 陆岸的主要标志。防波堤堤头、险礁以及指示锚地边界一般用灯桩，其射程 需求要在2 7 nm i l e 。 2 2 2 码头( t e r m i n a l ) 码头是停靠船舶、上下旅客和装卸货物的场所。码头前沿线是水域和陆 域交接的地域，是港口生产活动的中心。构成码头岸线的码头建筑物是一切 港口不可缺少的建筑物。 泊位( b e r t h ) ，是指停靠集装箱船舶，进行集装箱装卸的场所，它占有 一定的岸壁线长度。船舶靠、离泊时，所需的岸壁线的有效长度一般为船舶 长度的l 。2 倍。集装箱专用码头的泊位长度，系根据泊位上所停靠的集装箱 船的长度而定。集装箱泊位的纵深度( 宽度) 的确定，一般应考虑以下几个 主要因素： 1 ) 集装箱船的到港密度； 2 ) 集装箱船的载箱数量； 3 ) 码头上所采用的装卸工艺方式； 4 )