（交通运输规划与管理专业论文）基于EXTEND的集装箱港口运输系统仿真研究.pdf

上海海事大学硕士论文 】0 0 8 0 3 2 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 摘要 集装箱港口运输系统是一个复杂巨系统，涉及集装箱腹地、集装箱集疏运、集装 箱港口、海运航线、船舶等诸多要素。论文立足集装箱港口，分析影响集装箱港口运 输系统的因素，采用面向对象的离散系统仿真建模方法，依托e x t e n d 系统仿真软件， 建立了包括集装箱生成模块、港口航线航班资源模块、集装箱运输路径选择模块、集 装箱运输系统统计模块等模块的集装箱港口运输系统模型，自然呈现了集装箱在各可 能路径上的分布形成过程。该模型按照货主路径选择原则建立，满足货主的运输时间 要求，并且综合考虑集装箱的运输费用以及运输时间成本，最终为货主选取最合理路 径进行集装箱运输。 本文依托江苏省苏南地区的集装箱运输系统，建立集装箱港口运输系统仿真模 型，通过调节模型参数设置，改变系统各因素，模拟在不同的港口航线航班密度、港 口费收水平、航线海运运费以及公路运输费用等各种因素水平下，各地区集装箱运输 的配流模式。然后，通过分析仿真数据，研究在各种不同的港口因素条件下集装箱港 口运输系统的运行状况，以及这些因素各自对集装箱运输系统的影响程度。 同时，本文运用仿真模型进行了一系列政策试验：如提高港口航线航班密度、大 力发展沿江内支线、调节港口航线海运费、调节港口费收等，运行仿真模型得到这些 措施如何影响腹地集装箱运输系统，从而了解一系列措施对于港口发展的作用和影 响。 采用系统建模的仿真方法，依托e x t e n d 系统仿真软件，按照货主选择路径的原 则建立的集装箱运输系统仿真模型，可以作为交通运输系统规划以及战略决策的支持 手段。通过建立合理的仿真模型，并恰当设置各项参数，运行模型，便可得到在相应 的规划和政策条件下，各条可能路径上的集装箱箱量以及各个港口对于腹地集装箱的 吸引力，为决策者提供辅助决策的依据。 关键词：集装箱运输系统，路径选择，计算机仿真 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 a b s t r a c t c o n t a i n e rp o r tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi so n ec o m p l i c a t e dh u g es y s t e m ，w h i c h i n v o l v e sc o n t a i n e rh i n t e r l a n d 。c o l l e c t & d r e d g et r a n s p o r t a t i o n 。c o n t a i n e rp o r t ， s h i p p i n gl i n e ，c o n t a i n e rv e s s e l ，e t c t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec o n t a i n e rp o r tt o a n a l y z et h ef a c t o ri n f l u e n c i n gc o n t a i n e rp o r tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i ta d o p t st h e f a c i n gt a r g e ts i m u l a t i o nm o d e l i n gm e t h o do fd i s c r e t es y s t e m ，r e l i e so ns i m u l a t i o n s o f t w a r eo fe x t e n d 。a n dh a ss e tu pam o d e lt h a ti n c l u d et h ec o n t a i n e rp r o d u c i n g m o d u l e ，m o d u l eo fs h i p p i n gl i n er e s o u r c e si np o r t ，r o u t e s e l e c tm o d u l e ，t h es t a t i s t i c m o d u l ei nc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，e t c i th a sa p p e a r e dn a t u r a l l yt h a tt h e f o r m i n gp r o c e s so ft h ec o n t a i n e rd i s t r i b u t i o no ne v e r yp o s s i b l er o u t e t h i sm o d e li s s e tu pa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et om a i n t e n a n c eo w n e r sb e n e f i t i th a sm e tt h e o w n e r st r a n s p o r t a t i o nt i m er e q u i r e m e n t ，a n dh a sc o n s i d e r e df r e i g h t o ft h e c o n t a i n e ra n dt r a n s p o r t a t i o nt i m ec o s ts y n t h e t i c a l l y f i n a l l yc h o o s et h em o s t r a t i o n a lr o u t ef o ro w n e r sc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n t h i sp a p e rr e l i e so nt h ec o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o no fs o u t hj i a n g s up r o v i n c e i t s e tu ps i m u l a t i o nm o d e l ，a n dc h a n g e st h ep a r a m e t e r so ft h es i m u l a t i o ns y s t e mt o a l t e rs o m ef a c t o r s b ys i m u l a t i o nt h ed i s t r i b u t i o n so fc o n t a i n e r so ne v e r yp o s s i b l e r o u t ea r ep r e s e n t e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e rs e t 【i n g ss u c ha sv a r i e so fs h i p p i n g l i n es e x i n g ，k i n d so fp o r te x p e n s ec h a r g el e v e l s ，f r e i g h tc h a r g e sa n df r e i g h t so f h i g h w a y , e t c t h e n ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，i m p a c 【o nc o n t a i n e rp o r t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo fd i f f e r e n tp o r tf a c t o r sa n di n f l u e n c ed e g r e e o fe a c hf a c t o rt o t h ec o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma r eb o t hi n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ru s e st h es i m u l a t i o nm o d e lt oc a r r yo nas e r i e so fp o l i c y t e s t s ：s u c ha sa d j u s t i n gp o r ts h i pl i n ed e n s i t y , e n l a r g i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h e b r a n c h - s h i p p i n g - l i n ed e v e l o p m e n t ，r e g u l a t i n gp o r tc h a r g e ，r e g u l a t i n gs h i p p i n g c h a r g ee t c h i n t e r l a n d sc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nm o d e su n d e re a c hm e a s u r ea r e 2 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 p r e s e n t e db ys i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c e sa n df u n c t i o n st ot h ep o r t so fe a c hm e a s u r e a r ec l e a r l yt a k e no n r e l y i n go ns y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ee x t e n d ，a d o p t i n gt h es i m u l a t i o n m e t h o d ，c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mm o d e lb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h e o w n e r 。sr o u t es e l e c t i o nc a nb er e g a r d e da st h ed e c i s i o n - m a k i n gm e a n so ft h e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mp l a n n i n ga n dt h es t r a t e g i cp o l i c y t h r o u g hb u i l d i n gr a t i o n a l s i m u l a t i o nm o d e la n ds e t t i n ge a c hp a r a m e t e ra p p r o p r i a t e l y , r u n n i n gt h em o d e l ，t h e c o n t a i n e ra m o u n to fe a c hl i n ea n dt h ea t t r a c t i o no fe a c hp o r tt ot h eh i n t e r l a n du n d e r c o r r e s p o n d i n gp l a n n i n ga n dp o l i c yc o n d i t i o na r eg a i n e dw h i c hc a no f f e rt h eb a s i so f d e c i s i o nt op o l i c y m a k e r h u a n gf a n g ( t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g & m a n a g e m e n t ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r s h i x i n k e y w o r d ：c o n t a i n e r t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，r o u t es e l e c t i o n ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：堑日期：兰业乡 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：龃导师签名：邈日期：兰丝! z ：弓作者签名：盈：盏导师签名：煎翌丕日期：兰! ! z ：， 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 1 1 问题的提出 第一章引言 随着集装箱集疏运系统不断完善，各港口经济腹地不断向深处延伸，诸多潜在的 集装箱箱源以及其带来的巨大经济效益刺激着各个港口以及港口所在的地方政府。为 了满足经济腹地的需求以及抓住集装箱港口发展的大好时机，各港口均加大港口建设 力度并积极推出各种优惠政策以吸引集装箱货源，导致集装箱港口间尤其是集装箱港 口原本密集区域的港口间出现对集装箱货源的无序竞争，内耗巨大。长此以往，区域 内集装箱港口不能形成具有竞争实力的集装箱港口群体，并导致本区域集装箱运输不 畅，物流成本高，影响区域经济发展。因此，区域内集装箱港口迫切需要在系统思想 的指导下科学规划和发展。 如何科学地规划和发展港口，势必需要对该区域的集装箱运输系统的形成有充分 的认识，了解影响港口腹地集装箱流向的主要因素并清楚这些因素如何影响集装箱流 向等。本文旨在探寻侧重于分析处于区域集装箱运输系统中的多个港口发展的有效方 法。 集装箱港口运输系统以港口为落脚点，涉及箱源地至目的地的公路、铁路、内河 运输以及海上运输等多种运输方式和港口装卸堆存等多种运输环节，是一个复杂的运 输网络系统。而本文所指的集装箱港口运输系统是指同一区域存在多个集装箱港口节 点的集装箱运输系统，该系统的集装箱腹地属于港口群型腹地( 如江苏省集装箱运输 系统，该系统内存在诸多集装箱港口) ，系统内某城市产生的集装箱，可以选择多个 港口运输，相应地，引起内陆运输路径选择多样化，多个港口与诸多路径构成十分复 杂的集装箱运输系统网络。 传统上这些问题均采用解析法解决，但由于解析法过于拘泥于数学抽象，偏于复 杂，缺少直观性，难于理解。人们面对抽象的假想数学模型，很难获得系统的真实感 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 受，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，而在实际系统中，特别是复杂的离散事件系统( 集装箱港口运输网络系统就是 尤为复杂的系统) ，往往受很多随机因素的影响，从而给分析带来很大的误差。 面对多港口集装箱运输系统的复杂性以及解析法所存在的局限性，本文试图采用 仿真手段来分析研究多港口集装箱运输系统。 相比之下，系统仿真优化则具有解析法无法拥有的优点，如下： ( 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得 到充分体现。 ( 3 ) 可以帮助系统优化。系统仿真是一种闻接的优化方法，对于多目标、多因 素、多层次的系统( 集装箱运输系统即是这样的系统) 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。 ( 4 ) 在没有实际系统的情况下，把需要规划的集装箱运输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。 1 2 文献综述 1 2 1 集装箱运输系统研究综述 港口网络集装箱运输系统一般以解析法来分析优化。1 9 9 9 年龚东彬采用多种预 测方法对华南地区内的集装箱水运量、内河集装箱运量、各港口的集装箱直接吞吐量 进行预测并进行运量分配，根据预测数据进行感性分析，对华南地区港口的功能和地 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 位进行定位。19 9 9 年吕庆颖等将港口纳入一个完整的运输体系，运用h o p f i e l d 人 工神经网络智能方法来解决以系统总运输成本最低为目标，以集装箱运输量为约束的 离散且非线性优化问题，最终得到集装箱干线港1 3 规划【2 】。2 0 0 0 年霍红运用经济学 中的博弈论理论建立运输网络系统优化问题的船东一货主博弈论模型，并用遗传算法 求解该大规模的二层约束优化模型，为港口群中干线港与支线港迸行定位并合理规划 运输网络，以及为某个港1 3 未来发展进行宏观规划【3 】。2 0 0 3 年高鸿丽运用聚类分析 的原理和方法对长江三角洲港口群进行分类，并提出了定位建议，为港口分类和布局 提供了值得参考的方法【4 j 。2 0 0 4 年胡明对港1 ：3 进行全面分析后运用聚类分析法，提 出对港1 3 功能定位的指标结构，最终对港1 3 功能定位嘲。 港口网络集装箱运输系统优化，运用最广泛的方法则是以港口群的经济腹地集装 箱生成量预测为基础，采用运输系统网络模型优化。这种网络优化主要包括港口配流 和网络费用计算两个过程，首先根据集装箱生成节点和港口节点的分布，确定每一个 生成节点到每一个港口节点全部可能的集装箱运输路径，并核算出每条运输路径所发 生的各项单位网络费用；然后，根据用户最优原则，运用负指数分布函数给各条路径 分配运量，得到每一个生成节点到各个港口节点的运输路径上的运量；在理论计算的 基础上，综合考虑某地区外贸集装箱运输的实际路径和方式、枢纽港各港口通过能力 的约束以及形成能力的时间和周期、陆路和水路集疏运所占比例等因素，预测各布局 方案的枢纽港和主要近洋支线港的集装箱吞吐量，这是一个不断反馈调整的动态过 程。 在港口网络集装箱运输系统模型基础上，要对网络流进行优化或进行配流，以寻 求各箱源地集装箱生成量在港1 3 群中各港口的最优或合理的分配。一般而言，针对各 种网络的不同特性，对网络流有很多线性和非线性的优化方法，较为常见的有最短路 径法、最小费用最大流法等。我们发现，实际的集装箱运输路径选择虽然要受运输路 径综合费用的影响，但其并不完全遵循最短路径或最小费用的原则。货主对原来运输 路径的习惯和偏好，港口的竞争优势和劣势，班轮航线和航班密度，以及口岸的服务 等等也是十分重要的影响因素。因此，运输系统网络模型优化方法存在一定的弊端和 局限性。 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 1 2 2 集装箱港口系统建模与仿真的研究综述 仿真可能是最好的研究复杂系统的工具，尤其是对于很庞大的复杂系统，因而仿 真经常被推荐用来分析集装箱码头系统【2 0 1 。计算机仿真作为港口规划设计的辅助手 段，已被国外一些咨询公司与规划设计部门所采用。在我国一些大型投标项目中，也 将计算机模拟仿真作为投标者投标的内容之一。 计算机仿真非常适合求解无法或很难建立数学模型的复杂系统。通过分析抽象和 数学描述，建立计算机仿真模型，运行该模型，观察模型的运转情况，从而得到各种 不同条件下的实际系统运转情况。因此，计算机模拟模型就象一个“实验室”，为我 们提供所需要的“实验”数据。 ( 1 ) 国外研究综述 1 9 7 3 年c r e t o n ，j p ：运用g p s s 优化设计集装箱码头，主要研究港口码头进出口 箱物流，所建模型为含有排队系统的静态、离散随机模型【2 9 】；19 8 7 年p a r k 和n o h 使用蒙特卡罗型仿真方法及s l a m 仿真语言为港口设计通过能力【2 1 】；1 9 9 3 年德国的 s t e e n k e nd 等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，该仿 真系统实现了多种不同设计路径的模拟【3 0 】；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【2 2 】；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【2 4 】；1 9 9 6 年r a m a n i 提出仿真手段优于分析式排队理论为港1 3 码头 建模的理由刚；1 9 9 6 年希腊的b a l l i s a 等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，并运用该模型来评价码头的堆场设计、设备数量、集卡到达、 运行规则等【3 1 l ；2 0 0 2 年荷兰的v e e k e h p m 和o t t j e sj a 在鹿特丹港e l 扩建时，提 出计算机仿真模型设计，对码头从初始研究到未来的营运提供决策支持【3 2 】。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，并且仅局限于单个港口码头； 后来，研究者开始使用基于面向对象的仿真软件仿真，如1 9 9 8 年l u c a 使用 m o d s i m 2 5 1 ，m i c h a e l 使用g p s s h 2 6 y u r i 使用p r o o f 2 7 ，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 2 8 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 功能口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 4 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 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。 研究者也采用专用的仿真软件，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 d g 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【16 】；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 n r t y 公司推出的港口码头运作仿真软件- 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【4 0 】。 ( 2 ) 国内研究综述 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1 3 建设合理泊位个数中的应用1 4 1 j ；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1 3 营运状况的计算机仿真系统【4 2 l ；1 9 9 9 年真虹 教授利用v i s u a lb a s i c 4 0 和图形生成软件a u t o c a d l 4 ，开发了可用于港1 3 生产调 度的决策支持系统和评价港1 3 生产调度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 a u d i t i o n 软件建立了集装箱码头装卸系统动画模拟模型叫；2 0 0 0 年李智、姚驻斌、 张望兴通过n 维正实空间上的神经网络算法对港口运输的最佳运输路线迸行优化计 算，仿真结果证明基于神经网络的优化计算方法对于其他的数学规划是可行的，开辟 了港口运输优化求解的新途径嘲；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嗍，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：2 0 0 3 年孙 昌言、钱俊龙运用计算机仿真手段对水路运输系统进行仿真和优化分析，探讨系统稳 定状态的判别方法和模拟精度的统计分析，该项研究对各类运输系统的优化分析和优 化设计有很大的启发删；2 0 0 4 年陈伟运用离散时间仿真理论，采用事件调度法的仿 真策略，利用流程图法建立港1 ：3 拖轮作业过程的仿真模型，其创新点在于采用演化策 略来构成优化算法【3 5 。 综上，仿真方法在集装箱运输业的运用已经相当普遍，国内外应用仿真来研究集 海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 装箱码头系统已有一定的深度与广度。但是主要用于单个的集装箱码头系统，其研究 内容主要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 理分配以及传递和处理物流信息等对集装箱码头系统影响的研究。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，没有突出发挥仿真在集装箱码头系统 的营运管理中可提供决策依据的重要作用。将仿真的方法运用于以港口为立足点的集 装箱港口运输系统研究分析中，并对港口科学规划提出决策依据的研究，作者未查到 参考文献。 1 。3 仿真建模方法和仿真软件e x t e n d 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。多港口集装箱运 输系统是一个复杂系统，对该系统进行仿真，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，然而在有关集装箱港口运输系统的研究中，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。本论文尝试使用离散系 统建模的方法来进行有关集装箱运输系统的分析建模。 本文所采用的e x t e n d 系统仿真软件是面向对象的通用仿真平台，可为不同层 次的建模者提供多种工具，用这些工具可以高效地建立精准、可信、有用的模型。 e x t e n d 的设计方式能够使仿真项目中从建模、校验、确认到建立用户界面的每一 步简化、方便。系统工具的开发者可以使用e ) 汀e n d 内嵌的编译语言m o d l ( 类c 语言) 来创建可以重复使用的建模模块。所有这些都是在自成一体的集成环境中完成 的，不需要外部接口、编译器和代码产生器。e x t e n d 的使用实效性较好，应用领 域已经涵盖电子、机械、钢铁、物流、交通等领域。 e x t e n d 包含了当代仿真软件必须包含的特色：可以重复使用的建模模块、终 端用户界面开发工具、灵活的自定义报告图表生成机制和与其他应用系统集成的方 法。此外，e x t e n d 包含一个基于消息传递的仿真引擎，提供一种迅速的模型运行 机制和灵活建模机制。e ) 盯e n d 软件用户可以通过拖拉的方法创建完全交互式的界 面模块，这些可以被保存到自己创建的模块库中，可以在将来任何建模的过程中重复 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 使用。e x t e n d 提供了6 0 0 多个系统函数可以实现数据库、e x c e l 和其他数据源的 集成，若充分利用w i n d o w s 操作系统的资源，e x t e n d 则可以和d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 代码链接。 e x t e n d 具有形象的动画和有效的调试工具，建模者易调试、确认模型。也使 得e x t e n d 模型极具透明性，建模者能清楚地了解到模型是怎样运行的。 e x t e n d 软件具有其他软件不可比拟的对于复杂系统的逻辑和机理的分析能 力。基于多个港口的集装箱运输系统是一个巨系统，它包括多个港口以及相应的多个 集装箱生成节点，集装箱的运输方式可以有水路、公路和铁路，形成了非常庞大的集 装箱运输通道网络；但它不仅是一个巨系统，还是一个复杂的巨系统，其中集装箱运 输路径的选择就是一个极其复杂的逻辑，而分析和优化复杂系统是e ) 汀e n d 软件所 擅长的。鉴于此，本文选择e x t e n d 软件作为仿真建模的工具，来尝试对多港1 ：3 集 装箱运输系统作仿真研究。 1 4 主要内容 本文主要分为以下几部分： 第一部分：综述集装箱港1 ：3 运输系统规划领域的研究方法以及仿真方法在集装箱 运输领域的运用情况，阐述将仿真手段运用于集装箱港口运输系统规划研究的目的、 意义，并介绍本文仿真所依托的e ) 盯e n d 软件。 第二部分：对影响集装箱港口运输系统的因素进行简单分析，并依托江苏省苏南 地区集装箱运输系统，研究集装箱港口系统的形成机制和结构，为建立复杂系统的仿 真模型奠定基础。 第三部分：以江苏省集装箱运输系统为分析案例，运用e ) 盯e n d 软件建立包括 多个模块的多港口集装箱运输系统仿真模型，自然呈现集装箱从货源生成地到集装箱 出运港口的整个流动过程，并分析该模型的有效性。 第四部分：分析影响集装箱选择港口的主要因素，并为港口规划发展提出决策支 持。按照货主选择路径原则建立仿真模型，模拟集装箱流，统计各港口的集装箱吞吐 量；并通过改变各种参数，模拟各种不同港口规划方案下，了解集装箱的运输模式变 7 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 化趋势以及集装箱运输系统内港口状态的变化情况，从而提出集装箱港口的规划建 议，系统地分析立足于港口的集装箱运输系统运作模式并对系统中的港口进行科学规 划提供决策依据。 8 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 第二章集装箱港口运输系统分析 2 1 集装箱港口运输系统分析 在集装箱港口运输系统中涉及到三方利益群体：货主、船方、港口。对于货主来 说，关键的是货物在要求的时间内以尽量少的运输费用和港口费用完成运输，当然同 时货主十分注重货物运输服务的质量( 即货物的完好性、运输的即时性、便利性) ， 这是货主选择港口和船方的主要依据。 而港e l 和船方( 即航运企业) 是服务于货主的，他们必须首先满足货主要求的条 件，然后最大化各自的利润，并保证自身的竞争实力。为达到目标，港口以及船方均 努力使单位运输成本降低，从而产生对于规模经济的追求，即要求远洋船舶大型化。 但是这却要求有足够的货量，而为了能够满足载货量的要求，就得有足够的时间聚集 货物，那么就会导致货主的等船时间加长，而货主等船时间加长又会导致货物的流失： 然而如果航线航班过密，缩短货主等船时间，但是无法聚集足够的货物，航运企业的 利润空间将受影响。因此港口航线的大小以及港口航线航班的密度等设置就显得至关 重要，均将影响集装箱港口运输系统。 班轮航线在很大程度上与港口的网络布局有密切的关系，如果港口网络过于分 散，就会导致货物集中程度降低，港口挂靠航线减少，降低了运输的即时性。或者船 公司为了承揽更多的货物，挂靠较多的港口，即影响了船舶营运的经济效果，又延长 了货物运输时间。因此港口网络布局的合理规划对于货主的经济性有着重要作用。 港口规模足够大，对货主的运输就越便利，港口的信誉就越高，就能够吸引更多 的货物，进而就越能够吸引更多的船舶挂靠港口。船舶越多，港口的航线就越多，航 班就越密集，从而就越有利于货主选择运输船舶和缩短交货期，因而吸引更多的货物。 如此良性循环，对港口大型化提出更进一步的要求。港口、货主、船舶三者之问相互 促进发展的良性循环，是水运经济内在的经济规律，也是港口布局和网络规划所必须 9 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 遵循的。 为了适应船舶大型化的发展趋势，大型专业化港口应运而生。然而对于港口来说， 在同一港口群中，因运量和自然条件等因素的限制，不可能每个港口都建造大型泊位， 也没有这个必要。货源有限，就会出现港口生产设施闲置的现象，难以收回投资的有 效回报。 2 1 1 港口航线 当今全球航运界涌动着一股联营的浪潮，日本的m o l 与美国的a p l ，香港的 o o c l 与荷兰的n e d l l o y d 等等，不一而足，这种“合纵连横”的趋势极大地影响着 港口的布局和发展，由此带来的航线分布将会成为未来港口规划的一个重要因素。 随着外贸货物的快速增长，不断要求船舶大型化，没有哪个港口敢说它对船舶的 这种大型化的趋势可以起决定性作用，因为港1 3 仅仅是这种趋势的体现。更难的是， 许多港口不得不在双重不确定情况下做出决策：一是未来船只的大小，二是航线分布。 能否成为主要航线的重要停靠港，己成为港口规划中一个至关重要的因素。在这种情 况下，港口的规划己经不再是传统意义上的区域界定，而成为一项风险性更大的投资。 同时，港口的航线航班是货主是否选择该港口的重要影响因素。港口码头泊位、 装卸机械以及后方堆场等条件都已经具备相当的通过能力，如果港口没有相应的航线 航班，货主仍不会选择这个港口，将造成港口设施的资源浪费。在港口费收等条件均 属合理范围时，随着港口航班航线密度的加大，船舶班期频繁，那么港口的集装箱腹 地将会扩大并且对腹地集装箱箱源的吸引力增加，港口集装箱吞吐总量增加。本文将 运用仿真模型模拟集装箱港口运输系统随港口航线航班变化而产生的变化。 港口航线海运费在集装箱运输费用中占相当的比重，因此港口航线海运费的高低 尤其是远洋运输海运费的高低对于货主选择集装箱运输港口存在极大的影响。 2 1 2 港口费收和港口装卸效率 港口费收与集装箱港口运输系统中的航运企业、港口企业以及货主企业均息息相 关。首先，港口费收目前主要以码头包干费出现，码头包干费在集装箱运输成本中占 相当比重，尤其在短途运输中的比重更大。因此在能够满足货主对于集装箱的运输要 1 0 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 求时，港口码头包干费的高低会影响货主对集装箱港口的选择。其次，港口费收和港 口装卸效率的高低在一定程度上影响航运公司的利润空间，港口费收偏高将致使航运 公司的利润空间缩小；装卸效率低，则会加长航运公司的船舶在港时间，每航次的时 间加长，航次减少，营运利润降低。港口费收以及港口装卸效率的高低都将影响航运 公司决定是否在该港口挂靠，从而影响到港口航线航班密度，又间接地影响集装箱港 口对于货源地吸引力。 2 1 3 其它因素 港口腹地经济的发展是港口发展的源动力。港口发展若没有强有力的经济腹地作 支撑，那么盲目地大力发展港口将是一句空谈。集装箱生成的基础是国民经济的发展， 产生的最直接原因则是外向型经济的发展及对外贸易的发展。集装箱生成量的大小则 是由贸易结构、进出口商品构成以及集装箱管理水平( 箱化率、空重箱比例、重箱载 重量) 的高低所决定。集装箱港口的腹地经济的发展速度、产业结构、进出口贸易结 构等均直接影响到集装箱港口的箱源生成量。 集装箱港口的集疏运系统是否畅通、便利，并具有经济性也影响到腹地生成的集 装箱箱源是否选择该港口的重要影响因素，因此港口具有畅通、便利的集疏运系统也 是评价港口具有竞争力的一项重要指标。 港口口岸服务关系到港口的服务效率和质量以及服务的信誉，便捷、快速、高效 的服务对货主选择集装箱运输路径以及口岸时存在较大的影响，从而影响集装箱港口 运输系统。 集装箱港口运输系统是一个复杂巨系统，其中各项因素和对象相互之间的影响关 系错综复杂，本文将使用仿真模拟的手段来尝试研究在各因素水平下集装箱港口运输 系统的状态。 2 2 集装箱港口运输系统网络结构 为描绘集装箱港口运输网络系统，我们需要选取货源节点、运输节点以及网络的 边，即货物的运输路径和运输方式。 上海海事大学硕士论文基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 为了便于对所建集装箱港口运输系统进行有效性以及灵敏度分析，本模型将依托 江苏省集装箱港口运输系统来进行集装箱港口运输系统的仿真研究。江苏省处于长三 角地区，港口密集，集装箱运输发达，同时紧邻上海港，其集装箱运输系统的分析研 究极具意义。 以江苏省集装箱运输系统作为集装箱港口运输系统的分析案例，用仿真方法来对 各种规划方案进行仿真模拟，分析仿真结果，考证仿真手段对于复杂的集装箱港口运 输系统分析研究的可靠和实用性，并辅助性地为江苏省港口规划提出规划建议。 2 2 1 集装箱货源节点的选取 江苏省2 0 0 0 年一2 0 0 5 年主要的集装箱生成地区在苏南地区。2 0 0 0 年一2 0 0 5 年 苏南地区集装箱生成量及所占比例如下图： 表2 - 1 苏南地区集装箱生成量及所占比例( 单位：t e u ) 2 0 0 0 2 0 0 5 集装箱生成量占江苏省比例 地区 城市 2 0 0 02 0 0 12 0 0 32 0 0 52 0 0 02 0 0 12 0 0 32 0 0 5 南京甯尿 2 5 4 8 6 02 6 3 0 3 84 4 4 1 4 36 4 2 3 1 71 6 5 1 4 7 1 3 o 1 2 8 苏州 3 4 4 1 0 54 0 5 2 3 56 4 5 4 1 79 3 4 3 2 22 2 2 2 2 7 1 8 9 1 7 7 常熟5 7 3 7 15 9 1 0 31 1 2 0 1 31 9 3 1 5 53 7 3 3 3 3 3 2 张家港 6 8 7 2 68 4 3 6 32 7 2 0 2 94 0 4 6 1 84 4 4 7 8 0 9 7 苏州 吴江 4 2 5 1 05 6 2 0 71 5 0 1 6 12 7 5 5 4 62 7 3 1 4 4 6 3 太仓 3 8 1 9 14 8 7 0 81 1 6 0 4 02 1 6 7 4 92 5 2 7 3 4 4 1 昆山1 2 5 1 7 51 6 9 5 4 43 2 6 4 0 84 5 3 2 1 48 1 9 5 9 6 9 8 合计9 3 0 9 3 81 0 8 6 1 9 82 0 6 6 2 1 l 2 4 7 7 6 0 4 6 0 1 6 0 7 6 0 6 6 0 7 无锡1 5 9 7 0 91 7 5 2 4 7 2 4 2 7 9 43 3 7 1 4 81 0 3 9 8 7 1 6 8 江阴4 7 9 8 8 6 9 7 9 41 8 6 1 2 43 9 1 7 5 63 1 3 9 5 4 5 9 无锡 宜兴 8 9 0 41 1 2 0 92 4 3 1 43 8 5 8 1 30 6 0 6 0 7 1 1 合计 2 1 6 6 0 12 5 6 2 5 04 5 3 2 3 21 1 1 4 7 1 71 4 0 1 4 3 1 3 2 1 3 8 镇江 4 8 2 3 95 0 0 3 41 0 9 1 0 01 6 7 4 8 1 23 1 2 8 3 2 3 7 镇江 丹阳 7 5 7 58 6 1 21 8 0 1 54 5 1 7 9 5o 5 o 5 0 5 0 4 合计 5 5 8 1 45 8 6 4 61 2 7 1 1 52 1 2 6 6 0 73 6 3 3 3 7 4 1 常州 常州 1 0 1 1 8 31 2 0 2 2 82 1 2 4 4 33 1 5 6 1 46 5 6 7 6 2 5 9 苏南合计1 3 0 4 5 3 6 1 5 2 1 3 2 2 2 8 5 9 0 0 16 6 7 6 8 5 9 8 4 2 8 5 0 8 3 7 8 1 9 上海海事大学硕士论文 基于e x t e n d 的集装箱港口运输系统仿真研究 从上表中可以看出，白1 9 9 9 年到2 0 0 3 年，苏南五地市占江苏省集装箱生成量的 8 0 以上，2 0 0 3 年甚至达到8 3 7 。五地市之中，南京、镇江、苏州、无锡、常州五 个地级市和张家港、昆山两个县级市等七地的集装箱生成量均超过2 0 万，其中 苏州地区箱量最大，2 0 0 3 年达到2 0 6 万t e u ，占江苏省的6 0 6 ；其次为无锡、南 京，二者箱量差不多，2 0 0 3 年在4 4 4 5 万t e u 之间，各占江苏省的1 3 1 4 ；再次是 常州，2 0 0 3 年生成量为2 1 万t e u ，最低的是镇江，2 0 0 3 年生成量为1 2 7 万t e u 。 另外江苏省集装箱发展速度较快、且集装箱生成量超过1 0 万t e u 年的地区为 镇江、常熟、江阴、吴江和太仓，2 0 0 3 年的生成量占全省的2 0 左右；在苏北地区 集装箱生成量较少，总量仅占全省总量的比例仅为1 1 左右。 模型根据粒度控制原则，选取集装箱生成量较大，占江苏省主要集装箱生成地 区城市作为集装箱货源节点，忽略集装箱生成量较小、集装箱发展速度