（机械设计及理论专业论文）集装箱码头物流系统仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 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。集装箱码头，作为集装箱运输系统的枢纽，对 加强国内、国际间的贸易往来与提高集装箱运输系统的运输效率具有极其重 要的作用。本文结合教育部重点科技项目“基于无线局域网的集装箱堆场机 械调度与监控系统的研究”，对集装箱码头物流系统进行了深入的研究，揭示 了集装箱码头物流系统内部元素之间的关系，提出了增强港口生产能力的一 些新措旖。 本文首先回顾了国内外集装箱码头物流系统的研究动态，分析国内研究 中存在的一些问题，并结合集装箱码头物流系统的特点，提出采用面向对象 的方法对集装箱码头物流系统进行整体建模的思路，接着系统地分析了集装 箱码头的基本组成、布局、装卸工艺、作业特点及流程以及码头生产调度原 则。 在讲述了面向对象方法建模的一些理论基础后，深入研究了集装箱码头 物流系统的结构与子系统，建立了集装箱码头物流系统的对象层、特征层及 关系层。 根据集装箱码头物流系统模型，以实际码头的数据为原型，在对码头物 流系统进行合理的简化之后，借助现代离散事件动态系统仿真语言w i t n e s s ， 建立了集装箱码头物流系统的计算机仿真模型，它由外卡子模块、大门子模 块、堆场子模块、道路子模块、泊位子模块、水平运输子模块、船舶生成 子模块、码头作业计划制定子模块、性能参数子模块九个予模块组成。然 后利用码头的实际营运数据验证了仿真模型的可靠性。最后利用此模型对集 装箱码头进行机械配置分析及机械调度分析及确定码头最佳吞吐能力，为码 头生产管理提供了决策依据。 关键词：面向对象方法，集装箱码头，物流系统，仿真模型，w i t n e s s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c si sa no r g a n i cs y s t e m ，m a d eo 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 ha sc 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 d y a r dc r a n e s ，t r u c k s ，l a b o r s a n d c o m m u n i c a t i o n s ，i n al i m i t e d t e r m i n a ls p a c e b e c a u s eo ft h ef a s t d e v e l o p i n gg l o b a lc o n t a i n e r i z a t i o n m o s t o fc o n t a i n e r p o r t s a r e f a c i n gg r e a tc h a l l e n g e sa n dc h a n c e s c o m b i n e dw i t h m i n i s t r yo f e d u c a t i o n si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a lp r o j e c t “r e s e a r c h o nt h em a c h i n e r ya l l o c a t i o na n ds u p e r v i s i o ns y s t e mo fc o n t a i n e ry a r d sb a s e d o nw i r e l e s sl o c a l n e t w o r k s ”，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h et h e o r e t i c a lm e t h o d s o nt h es c h e d u l i n ga n ds i m u l a t i o no ft 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 ma n d p u t sf o r w a r ds o m e m e t h o d st oi m p r o v et h eo p e r a t i o n a l e f f i c i e n c yo f t n ss y s t e m 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 wo nt h ed o m e s t i ca n da b r o a d r e s e a r c h e so fc 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 m i s p r o v i d e d a n da n o b j e c t o r i e n t e da p p r o a c ht om o d e lt h ew h o l 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 i sp u tf o r w a r dt h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o n e n t s ，l 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 wo fc o n t a i n e rt e r m i n a l sa n dt 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 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 l p r i n c i p l e s o ft h e o 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 f t 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 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 cd i a g r a m a n d r e l a t i o n s h i pd i a g r a m ( c l a s sd i a g r a m ) a c c o r d i n g t ot h ef i n i s h e d s y s t e m m o d e lb a s e do na n o b j e c t o r i e n t e d a p p r o a c h a n dt h e p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，ac o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lo f 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 sm a d eb a s e do nt h es o f t w a r eo fw i t n e s s a n di sv a l i d a t e db yt h ed a t ao fa na c t u a lt e r m i n a la tl a s tt h em o d e li su s e dt o a n a l y z e t h em a c h i n e d e p l o y m e n t a n d s c h e d u l i n g a n d p r o v i d e s t h ed e c i s i o n s u p p o r tf o rt h et e r m i n a l sp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：o b j e c t o r i e n t e da p p r o a c h ，c o n t a i n e r t e r m i n a l ，l o g i s t i c ss y s t e m s i m u l a t i o nm o d e l ，w i t n e s s i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 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”。 集装箱码头物流系统是指在一定的码头空间里，由泊位、岸边起重机( 简 称岸桥) 、集装箱龙门起重机( 简称场桥) 、水平运输机械( 如集装箱拖挂车) 、 堆场、道路、大门、人员以及通信等若干相系制约的动态要素构成的具有特 定功能的有机整体。 由于港口集装箱码头在现代物流节点上提供了最少的间断和最大的增 值，其在现代国际贸易和运输系统中的战略地位正在逐步加强，并发挥日益 活跃的作用。根据2 0 0 3 年末和2 0 0 4 年初的预测，2 0 0 4 年南北航线上的贸易 量将增长2 8 ，2 0 0 5 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48 的增长，向西出口的太平洋航线贸易量将增长21 ：从欧 洲出口至美国的贸易量预计增长3 1 ，进口量增长28 i ”。 表1 1 全球东西航线贸易物流量( 万t e u ) 欧洲与北美之间北美与亚洲之间欧洲与亚洲 年份欧洲至北美至北美至亚洲至欧洲至亚洲至 北美欧洲亚洲北美亚洲亚洲 2 0 0 02 9 442 1 935 0 463 7 942 7 l03 8 93 2 0 0 13 0 2l2 2 205 1 903 8 302 7 373 9 64 2 0 0 23 1 162 2 825 4 373 9 262 8 034 1 19 2 0 0 33 2 902 3 845 8 l94 1 212 9 364 3 50 2 0 0 43 4 532 4 786 2 174 3 1 33 0 694 5 77 2 0 0 53 6 2 12 5 786 6 334 5 143 2 0 44 8 12 武汉理工大学硕士学位论文 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、东南亚与东北皿之间的集装箱贸易量。 从表1 1 、表1 2 中可看出，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。综合多方观点，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( 见图1 1 ) 。 艇 蜷 盼 烟7 秤 蜊 i i 图1 1未来2 0 年全球集装箱运量预测 处于集装箱运输业主导地位的各船公司不断开发并使用更大的集装箱 船，以便降低营运成本，增强竞争力，因为一艘6 0 0 0 t e u 船的单位运输成本 要比4 0 0 0 t e u 船降低2 0 。集装箱船的大型化不断发展，目前的目标是能够 2 武汉理工大学硕士学位论文 装载8 0 0 0 t e u 一1 0 0 0 0 t e u 的大型集装箱船。为了抵御采用大型集装箱船的风 险，进一步降低成本和扩展市场，各船公司都在进行联盟或兼并，并开辟环 球、钟摆航线，建立干支航线网络，尽量减少国际主干线上挂靠的节点( 枢 纽港) ，这就是当今国际航运业发展中的船舶大型化、营运联盟化、航线全球 化的趋势。 为了成为主干线上的集装箱枢纽港，我国大型集装箱码头必须有预见性 地在港口发展规模、航道和港口水域水深、作业设备尺度和性能、集疏运条 件等方面采取措施，以适应设想的大型船舶，而且越早具备作业大型船舶的 能力越利于挽留或吸引大型船舶的挂靠；另一方面，把港口系统内各成分有 机地联系起来，从系统化、集成化的角度出发去分析、研究和改进集装箱码 系统，对现有集装箱码头系统进行更加合理有效的规划与设计，从而有效地 和高效地满足集装箱运输的要求，这也是目前急需解决的问题，因而开展这 方面的研究势在必行，具有重大意义。 1 2 离散事件系统建模方法 现代集装箱码头系统的研究内容十分丰富，它包括码头系统布局优化、 预测码头吞吐量、制定运输调度计划、码头资源合理分配、传递和处理物流 信息等。 对集装箱码头系统的研究，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。例如r a d m i l o v i e 等【2 】和k o z a n p 悃排队论分析码头作业情 况，n o r i t a k e 和k i m u r a t 4 l 用此理论估计港口最佳规模，e t s u k on i s h i m u r a l 5 和 a k i oi m a i l 6 】分别采用遗传算法和拉格朗日松弛法对码头公共泊位的动态分配 进行了研究。ri p e t e r k o f s k y 等【7 】使用分支定界法对集装箱码头装卸设备的配 置进行了优化。 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码头系统的重要 3 武汉理工大学硕士学位论文 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 变化在模型中等到充分体现。 ( 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( 集装箱码头系统就是这样的系统) 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，避免了资金、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，因此开展集装箱码头系统仿真的研究具有很强的实际意义。 集装箱码头系统是典型的离散事件系统，对集装箱码头系统进行仿真， 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 有关集装箱码头系统的研究中，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，其主流是网络图和流程图。本小节先简单介绍基 本建模术语，然后分析几种典型的离散事件建模方法。 1 2 1 基本建模术语口胡 离散事件建模中要使用一套术语来描述模型：实体、属性、活动、状态、 事件、进程及队列。 其中实体是被仿真系统中可单独辨识和刻画的构成要素。在仿真建模人 员看来，实际系统就是由相互间存在一定关系的实体集合组成的，实体间相 互联系和作用产生系统特定的行为。属性是实体特征的描述，一般是实体所 拥有的全部特征的一个子集，用特征参数或变量表示。活动是实体在一段时 间内持续进行的活动或过程。状态是对实体活动的特征状况的划分，其表征 量称为状态变量。属性和行为相同或相近的实体可以用类来描述，这样做可 4 武汉理工大学硕士学位论文 以简化系统的组成和关系。 事件是导致系统状态产生变化的瞬间活动或行为。进程是一组按发生时 间排列的事件活动序列称为一个进程。队列是处于等待状态的实体序列。 下面考察活动、状态和事件三者间的联系。由于事件的发生会导致状态 的变化，实体的活动可以与一定的状态相对应，因此可以用事件来标识活动 的开始和结束。其间的关系如图卜2 所示，图中s 表示状态，a 表示活动，e 表示事件，p 表示进程。 s 1 2 2 网络图法 a le le 2a 2e 3e 4a 3 卜一 p l 图卜2 活动、状态、事件及进程 1 ) 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。 2 ) p e t r i 网方法p e t r i 网方法是由德国学者ca p e t r i 在1 9 6 2 年所提出 的。本质上，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 5 武汉理工大学硕士学位论文 力。和排队网络法比较起来，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， 以致在工程上难以有效应用。 1 2 3 流程图法 1 ) 实体流程图在离散事件系统中，实体可以分为两大类：l 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已广为人们所接受，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。 2 ) 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 r 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迸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。 3 ) 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，这釉建模过程十分类似 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 6 武汉理工大学硕士学位论文 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 3 仿真模型设计与实现 上小节介绍了几种离散事件系统模型的建模方法。为了能使模型能在计 算机上运行，需要将系统模型转换为仿真模型也称计算机模型( c o m p u t e r i z e d m o d e l ) ，这是从模型到计算机仿真的一个必不可少的步骤。 将系统模型转换为一个可以在计算机上运行的仿真模型，一般需要完成 三部分工作。 ( 1 ) 设计仿真策略，具体地说就是确定仿真模型的控制逻辑和仿真时钟 推进机制； ( 2 ) 构造仿真模型，即确定模型的具体活动； ( 3 ) 仿真程序设计与实现，即采用某种程序设计方法及语言，实现仿真 策略和仿真模型。 1 3 1 仿真策略 要将系统模型转换为计算机模型，首选要从总体上确定仿真模型的控制 逻辑和仿真时钟推进机制，即确定仿真策略。仿真策略是仿真模型的核心， 反映了仿真模型的本质，从根本上决定了仿真模型的结构。迄今为止，离散 事件也形成三种基本的仿真策略，分别是事件调度、活动扫描和进程交互。 其它仿真策略均是从这三种仿真策略为基础的。 1 3 1 1 事件调度法 事件调度法最早出现在1 9 6 3 年兰德公司的m a r k o w i t z 等人推出的 s i m s c r i p t 语言的时期版本中，它的基本思想是将事件例程作为仿真模型的 基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程。确定事 件都带有一个事件例程，用以处理事件发生后对实体状态所产生的影响，并 安排后续事件；条件事件调度不具有事件例程，对它的处理隐含在某一确定 事件的例程中。因此，事件调度法中所说的事件是指确定事件。 事件调度法体现了仿真时钟的推进机制，是将仿真时钟推进到下最早事 件的发生时刻，反映了离散事件系统状态仅在离散时刻点上发生变化的特点， 7 武汉理工大学硕士学位论文 这种时间推进方法为离散事件系统仿真策略所普遍采用，称为下一事件增量 法，简称事件增量法。 13 1 2 活动扫描法 活动扫描法最早出现在1 9 6 2 年b u x t o n 和l a s k i 发布的c s l 语言中。活 动扫描法与活动周期模型有较好的对应关系。它的基本思想是用各实体单元 的最小值推进仿真时钟；将时钟推进到一个新的时刻点后，按优先序执行可 激活实体的活动例程，使测试通过的事件得以发生并改变系统的状态和安排 确定事件的发生时间。因此，与事件调度法中的事件例程相当，活动例程是 活动扫描法的基本模型单元。 1 3 1 3 进程交互法 事件调度法和活动扫描法的基本模型单元分别是事件例程和活动例程， 这些例程都是针对事件而建立；进程交互法的基本模型单元是进程，最早发 布于1 9 6 1 年的g p s s 语言，是由i b m 公司的g o r d o n 等人研制的一种采用进程 交互法的仿真语言。它的基本思想是通过所有进程中时间值最小的无条件延 迟复活点来推进仿真时钟；当时钟推进到一个新的时刻点后，如果某一实体 在进程中解锁，就将该实体从当前复活点一直推进到下一次延迟发生为止。 1 32 仿真模型设计 确定了仿真策略之后，仅仅是明确了仿真模型的算法。在进行仿真程序 设计之前还需完成对仿真模型的详细设计，这是在仿真策略的指导之下进行 的。进行仿真模型设计时，还要考虑计算机实现的方便性和可行性。 不管采用哪种仿真策略，仿真模型都可分为三个层次进行设计： 层次l 一总控程序： 层次2 一基本模型单元的程序； 层次3 一公共子程序。 仿真模型的最高层是它的总控程序( 或执行机制) 。仿真模型的总控程序 负责安排下一事件的发生时间，并确保在下一事件发生的时候完成正确的活 动。也就是说第l 层对第2 层实施控制。采用g a s p 和e c s l 等仿真语言编程 实现仿真模型时，总控程序隐含在仿真语言的执行机制中；但是，如果仿真 程序设计语言采用f o r t r a n 等计算机通用语言，用户就要自己编写一段仿真 模型的总控程序。 武汉理工大学硕士学位论文 仿真模型的第2 层是基本模型单元，描述了事件与实体状态之间的影响 关系及实体问的相互作用关系，是建模者所关心的主要内容。采用不同的仿 真策略时，仿真模型的第2 层具有不同的构造，也就是说组成仿真模型的基 本单元各不相同。在事件调度法中，仿真模型的基本单元是事件例程，因此 其第2 层由一系列事件例程组成。在活动扫描法中，活动例程取代了事件例 程；而在进程交互法中，进程又取代了活动例程。进行仿真程序设计时，事 件例程、活动例程和进程被设计成相对独立的程序段，它们的执行受总控程 序控制，并且这些程序段之间也是由总控程序控制的。 仿真模型的第3 层是一组供第2 层使用的公共子程序，用于生成随机变 量、产生仿真结果报告、收集统计数据等用途。 1 3 3 仿真模型的计算机实现 前两小节介绍了仿真策略以及仿真模型的设计方法。然而，仿真模型的 形式是计算机程序，任何一个仿真模型最终都必须用某种计算机语言加以实 现。为了减少仿真用户在仿真模型实现中的编程工作量，研制出了各种各样 的事件系统仿真语言。这些仿真语言主要提供了对仿真模型第一和第三层的 支持，采用不同的仿真策略将仿真模型中的通用性活动组织起来，并用高级 程序设计语言加以实现，为用户提供了通用的建模和仿真执行框架。用户在 仿真语言的支持下，可以将主要精力集中在仿真模型中第二层次的工作，即 按照规定的形式建立事件例程、活动例程或进程的代码描述。 1 4 集装箱码头系统建模与仿真的研究动态 1 4 1 国外动态 仿真可能是最好的研究任何重要的实际系统的工具，特别是对于很复杂、 庞大的系统，因而仿真经常被推荐用来分析集装箱码头系统“1 。 1 9 8 7 年p a r k 和n o h 使用m o n t ec a r l 0 型仿真方法及s l a m 仿真语言为计 划港口通过能力”1 ：1 9 9 4 年l a i 和l a m 比较分析了几种不同的大型集装箱堆 场的堆场设备分配策略“；1 9 9 6 年r a m a n i 提出了仿真优于分析式排队理论 为港口码头建模的理由“；1 9 9 4 年h a y u t h 用离散事件仿真建立了一个港口 仿真器“。但是这些仿真模型或仿真器均对集装箱码头作了大量简化，不能 对拥有先进设备的现代化码头进行全面分析。 因而，研究者已经开始使用基于仿真软件的面向对象仿真，如1 9 9 8 年 9 武汉理工大学硕士学位论文 l u c a 使用m o d s i m ”“，m i c h a e l 使用g p s s h “，y u r i 使用p r o o f “5 及2 0 0 2 年 a a s h a b a y e k 使用w i t n e s s “”对集装箱码头进行仿真研究。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、统计 分析、二维或三维动画显示等功能。研究者不需要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来使用这些仿真语言，因而可 以将主要精力放在系统建模和系统分析上，这样既有利于提高仿真的效率， 更有利于提高仿真的质量。 除此之外，研究者也采用一些专用的仿真软件，将系统的建模仿真工作 交给软件完成，只需根据软件的提示输入一些的参数，软件就自动生成该系 统的仿真模型，如美国公司j w dg r o u p 开发了一个集装箱码头系统的仿真软 件包，用计算机仿真手段将场地规划和成熟的运作方式结合起来，运行程序 后可生成码头泊位利用率、船舶等待时间、设施和设备利用率、营运成本等 性能指标；还有，澳大利亚的r e a l t i m eb u s i n e s ss o l u t i o nr t y 公司推 出的港口码头运作仿真软件一x w i n d o w ，以集装箱码头等多种码头为仿真对 象，以二维图形方式对包括设备配置及调度、堆场规划等在内的一些问题进 行仿真”1 。 1 ，4 2 国内动态 在国内，1 9 9 6 年方修宁以规划一个大型枢纽港为例，介绍g p s s 语言在 用计算机模拟确定集装箱港口建设合理泊位个数中的应用”“；1 9 9 9 年鲁子爱 把港口生产视为随机排队服务系统，建立了模拟港口营运状况的计算机仿真 系统”“；1 9 9 9 年真虹利用v i s u a lb a s i c4 0 和图形生成软件a u t o c a p1 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，对集装箱码头前沿设备的合理调度方案作了深入的研究”“： 1 9 9 9 年邓晓云采用面向对象的语言a u d i t i o n 建立了集装箱码头装卸系统动画 模拟模型“”；2 0 0 2 年北京水运科学研究所的彭传圣等利用a u d i t i o n 开发了一 个集装箱码头的模拟系统”“，研究岸边集装箱起重机、堆场作业设备和拖挂 车的配置以及要达到一定的吞吐量港口码头的“瓶颈”位置等。 综合以上国内夕 研究动态可以发现，国内应用仿真来研究集装箱码头的 深度与广度与国外相比较，还有一些差距，尤其是在一些较复杂的集装箱码 头模型的开发工作方面做的工作比较少，主要是因为没有意识到仿真在集装 箱码头系统的营运管理中提供决策依据的重要作用。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本文的研究内容 针对港口集装箱系统的特点，本文对港口集装箱码头系统建模仿真的理 论方法及实现技术进行了研究，具体的研究内容如下： ( 1 ) 集装箱码头生产作业系统分析 在研究了集装箱码头的平面布局和装卸工艺、专用机械设备和作业特点 之后，着重分析了集装箱码头系统的进出口流程及生产调度原则。 ( 2 ) 基于面向对象方法的集装箱码头物流系统建模 在阐述了面向对象方法建模的一些基本理论后，根据集装箱码头系统的 组成与特点，采用面向对象方法建立其系统模型。 ( 3 ) 基于w i t n e s s 的集装箱码头物流系统的仿真模型 以所建的基于面向对象方法的集装箱码头系统模型为基础，采用仿真软 件w i t n e s s ，以某集装箱码头c t s 为原型，建立计算机仿真模型，并实现仿 真运行及动画显示。 ( 4 ) 集装箱码头仿真模型的验证与应用 利用某集装箱码头c t s 的历史数据，对仿真模型进行仿真实验，通过比 较实验结果与相关历史数据，确认仿真模型的可靠性。通过实例说明此仿真 模型在集装箱码头机械配置和调度分析及最佳吞吐能力确定中的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章集装箱码头生产作业系统分析 2 1 集装箱码头的平面布局与装卸工艺 集装箱码头由各种设施所组成。它是一个多环节而且又是相互平行的空 问作业系统，要求机械与机械之间相互配套，也要求集装箱码头要有一个合 理的平面布局，有机地把它们组织起来，使各项作业相互协调，形成一个完 整高效的作业系统。 2 1 1 集装箱码头的平面布局 集装箱码头平面布局根据作业功能的不同，一般可分为码头前沿、前方 堆场和堆场后部地带三个部分。具体的集装箱码头平面布局主要取决于当地 的条件和采用的集装箱装卸工艺类型。图2 - 1 是采用轮胎式龙门起重机系统 的集装箱码头平面布局图【1 9 】。 一戚。豳吼弱商二一 酉皇 图2 1 集装箱码头平面布置图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 中：l 一岸边集装箱装卸桥；2 一集装箱卡车；3 一轮胎式龙门起重 机；4 一加油站：5 一电力站；6 一货运站：7 一控制室；8 一维修车间；9 一门 房：1 0 一泊位；l l 一集装箱堆场。 1 ) 码头前沿( b e r t h a n da p r o n ) 码头前沿通常是指岸壁到堆场前的那块面积，包括停泊船舶的岸线、集 装箱装卸桥作业区域等部分。岸线的长度取决于船舶长度，即： 泊位长度= 集装箱船舶长度+ 泊位富裕长度 泊位前沿的水深取决于集装箱船舶的满载吃水深度。码头前沿的纵深取 决于集装箱船舶装卸桥的作业范围，可分为外伸部分、轨距部分和内伸部分。 一般码头前沿的纵深可取4 0 m 左右，但随着集装箱船舶大型化，与其相适应 的集装箱装卸桥跨距的加大，码头前沿的纵深在不断加大。 2 ) 堆场( y a r d ) 堆场是存放集装箱的场地，是集装箱码头主要占地区域。其功能是为了 保证集装箱装卸作业的连续性而设置的集装箱堆存场地，根据作业要求，又 可将集装箱堆场分为集装箱编组场( m a r s h a l i n gy a r d ) 和集装箱堆场( c o n t a i n e r y a r d l 。编组场用于f 临时性堆放待装船的集装箱或从船上卸下待转运的集装 箱；集装箱堆场用于集装箱的交接、保管，集装箱进入该场地一般堆存时间 较长。 3 ) 集装箱堆场后部地带 集装箱堆场后部地带设有货运站、指挥塔、检查桥( 大门) 、维修车间、 冷藏集装箱电源和其他设施等。 货运站即集装箱拆装箱库，用于货物散进或散出时码头拆装箱的货物堆 存和作业的场所；可位于码头的后方，也可将其设置在码头以外。 指挥塔又称控制塔，其职能是指挥和控制码头生产作业，码头的作业计 划和调度指挥设在这里，其位置一般设在能环视整个码头的地方。 大门又称检查桥、闸口，大门又是集装箱和集装箱货物的交接点，码头 内外责任的分界线。 维修车问对集装箱和集装箱搬运装卸设备进行裣查、维修和保养的场所， 一般设在不影响码头作业的后方。 冷藏集装箱是一种特殊集装箱，很多集装箱码头都设有专用的冷藏集装 箱堆场。 集装箱码头设有为船舶生产作业专用的变电所、供水、供油、通讯及靠 泊设施等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 集装箱码头装卸工艺 集装箱装卸工艺是指装卸集装箱的方法。集装箱装卸工艺决定码头装卸 机械配备、码头的装卸生产作业组织、劳动定额和劳动生产率。码头经济效 益综合评价也是以集装箱装卸工艺运行效果为基础的。集装箱装卸工艺一般 包含：集装箱船舶装卸工艺及集装箱堆场装卸工艺。 1 ) 集装箱船舶装卸工艺 集装箱船舶是专门用来载运集装箱的特种货船，分为两种类型：( 1 ) 吊 上吊下集装箱船舶；( 2 ) 开上开下集装箱船舶。前者是用岸上装卸桥装卸集 装箱上下船。后者是将集装箱放在挂车上，两者作为一个货物单元由拖车拖 上船或拖下船，挂车随集装箱一起运输。从营运上考虑，随着航线上集装箱 货流不断增长，滚装船舶将不断减少。这是因为吊装船舶运载能力比滚装船 舶运载能力更易于得到充分利用。 衡量集装箱船舶大小的参数有载重吨及载箱量。集装箱船舶按其发展阶 段和特征，习惯称谓第几代船，大体上的代表尺度如表2 - l 所示。 表2 - 1集装箱船发展代别及其典型参数“”。4 代别第一代第二代第三代第四代 l俗称前巴拿马型巴拿马型超巴拿马型 f 载箱! ( t e u ) 7 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 2 9 0 04 3 0 0 6 0 0 0 f全长( 米) 1 7 5o o2 2 5 0 02 5 852 7 52 0 3 1 80 0 l船壳( 米) 2 5o o2 9o o3 2 2 03 94 0 4 2 8 0 吃水( 米) 85 01 1 5 01 2 5 01 25 0 1 40 0 集装箱船舶装卸作业完全取决于集装箱船舶的类型。停泊滚装船舶的码 头前沿不需要装卸机械；对停泊“吊上吊下”船舶的码头，绝大多数采用装 卸桥。现代集装箱码头普遍采用集装箱装卸桥( 简称岸桥) 来装卸集装箱船 舶。目前，采用的岸桥额定起重量有3 05 t 、4 0 t 、5 0 t 、6 0 t 几种。随着第四代、 第五代集装箱船舶投入营运，岸桥的夕 伸距不断加长。 2 ) 集装箱堆场和车辆装卸工艺 由于集装箱运量的日益增长对集装箱堆场和车辆装卸要求越来越高，这 就要求工艺系统能合理使用堆场和提高装卸效率，扩大堆场的通过能力。目 前采用的集装箱堆场和车辆装卸工艺主要有如下几种典型的系统： 底盘车系统。底盘车系统的主要特点是集装箱在码头堆场的整个停留 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 期间均放置在底盘车( 俗称拖盘、拖车) 上。这种系统主要适用于：集装箱码 头的起步阶段( 这个时候，码头集装箱的通过量较小，场地大) ，特别是整箱 货比例较大的码头；船公司特别要求这种作业的码头，其陆路运输完全依赖 于高效的公路运输。 跨运车系统。跨运车系统中，由跨运车承担码头前沿与堆场之间的水 平运输，以及堆场的堆码和进出场集卡的装卸作业。由于跨运车系统存在岸 桥卸箱无须对位，而装箱时跨运车和岸桥需对位等原因，故该系统适用于进 口重箱量大，出口重箱量小的集装箱码头。 轮胎式龙门起重机系统。轮胎式龙门起重机系统采用岸桥承担船舶的 装卸作业，龙门吊承担堆场的装卸和堆码作业，而从码头前沿至堆场、堆场 内箱区间的水平运输由集卡完成。轮胎式龙门起重机系统适用于陆地面积较 小的码头。我国大部分集装箱码头采用这种工艺系统。 轨道式龙门起重机系统。轨道式龙门起重机系统和轮胎式龙门起重机 系统相比，堆场机械的跨距更大，堆高能力更强。轨道式龙门起重机系统适 用子场地面积有限，集装箱吞吐量较大的水陆联运码头。 跨运车一龙门起重机混合系统。跨运车一龙门起重机混合系统的主要 特点是进口集装箱的水平运输、堆码和交货装车由跨运车负责完成；出口箱 的货场与码头前沿之间的水平运输由集卡完成，货场的装卸和堆码由轨道式 龙门起重机完成。混合系统能充分发挥各种机械的特点，目前世界上已有不 少码头采用了这种方案( 如厦门海天集装箱码头有限公司) 。 各系统的主要性能指标之间的比较如表2 - 2 所示。 表2 - 2 集装箱装卸工艺系统比较p 5 底盘车跨运车轮胎式龙门轨道式龙门混合叉车正面吊运 系统系统起重机系统起重机系统 系统系统机系统 储存能力差好优优 由 好优 投资费用 差好好好优好优 工艺简单性优好差差 优优中 装卸效率优好 好好差 由 优 机动性优好 差差好优中 减轻箱损坏优差好好 好好好 降低维修费好 差好优好好 由 可扩张性优好 差差好好好 自动化适应性 差差好优差差好 与铁路接运差差 好优中好好 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 集装箱码头专用机械设备及其分类 集装箱码头专用机械设备通常可分为4 大类： ( 1 ) 岸边装卸机械：直接用于岸边集装箱船舶装卸的机械，包括集装箱 装卸桥、多用途门座起重机、多用途高架轮胎起重机。 岸边集装箱装卸桥( q u a yc r a n e - - q c ) ，俗称岸桥、桥吊、装卸桥，是集 装箱码头前沿集装箱船舶装卸作业的主要机型，也是集装箱码头最大型的、 价值最昂贵的装卸机械。 ( 2 ) 堆场装卸机械：用于堆场车辆装卸及堆码集装箱的机械，包括集装 箱龙门起重机、集装箱正面吊、集装箱侧面吊、集装箱叉车、轮胎起重机和 汽车起重机。 集装箱龙门起重机简称场桥，是集装箱码头堆场车辆装卸及堆码箱作业 的主要机型。按大车行走方式的不同，可分为轮胎式龙门起重机( r u b b e rt y r e d g a n t r y - - - r t g ) 和轨道式龙门起重机( r a i lm o u n t e dg a n t r y - - r m g ) 。轮胎式龙 门起重机机动灵活、通用性好。它不仅能前进、后退，而且还能左右转向9 0 度，可以由一个堆场转向另一个堆场进行作业。与轨道式龙门起重机相比， 运行平稳性较差，除了起重量以外，其他主要技术参数均小于轨道式龙门起 重机的相应参数。 轨道式龙门起重机定位能力强，较易实现全自动化装卸，是自动化集装 箱码头较理想的一种机械，与轮胎式龙门式起重机相比，它结构简单、稳定 性好、操作方便、安全可靠，不易发生货损和机损事故，易实现单机自动控 制。轨道龙门起重机在两轨间和外伸距内能“堆4 过5 ”或“堆5 过6 ”，堆 放8 1 5 行集装箱：在轨道上移动时，动作准确，事故很少。但它对地基要 求很高，所以至今大陆沿海港口的集装箱堆场很少使用轨道式龙门起重机。 ( 3 ) 水平运输机械；主要用于运输和搬运集装箱的机械，如牵挂车、跨 运车。 跨运车( s t r a d d l ec a r r i e r ) 可以承担码头前沿与堆场之间的集装箱水平运 输，以及堆场的堆码和进出场集集装箱拖车的装卸作业。但其堆高有限，水 平速度不高。 集装箱牵挂车( t r a c t o r t r a i l e r ) ，俗称集卡，是集装箱码头运输集装箱的 主要设备，它由牵引车和挂车两部分组成，根据其工艺要求通常采用单头半 挂形式，近几年某些大型集装箱码头为了提高作业效率，已开始采用多挂方 式，一台牵引车拖挂4 5 台挂车。在堆场上出现的集装箱牵挂车，有的是码 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 头内部的，有的是从码头外部进来送箱或提箱的，为了区分，通常把前者称 做内卡，后者称做外卡。 ( 4 ) 拆装箱机械：主要是指用于拆拼装集装箱内货物的小型叉车。 2 3 集装箱码头的作业