（系统工程专业论文）保税港区海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 保税港区是设立在港口和与之相连区域的特定的海关监管区域，是目前我国对外开 放层次最高的特殊经济功能区。海关卡口是在进出保税港区的路网上设立的实施海关监 管作业的检查站，其区域包括海关卡口的匝道及附近区域的道路及交叉路口，物流、交 通情况都相对复杂，仿真建模难度较大并且效率偏低。同时，海关监管条件下的卡口检 查效率直接影响到港区的交通情况，其资源的配置情况进而会影响整个保税港区的运作 效率。因此，本研究关注于海关卡口区域的仿真建模问题及资源配置优化问题。 针对保税港区海关卡口区域的建模问题，从海关监管、交通特征及排队网络分析出 发建立了其离散事件仿真模型。并针对建模的可重构性要求，结合对车辆服务台选择和 排队控制过程的分析，提炼出实体控制规则，并在此基础上提出了实时适应资源组织形 式改变的面向服务的实体控制模型。同时，提出并开发了基于a r e n a 仿真软件的实体控 制解决方案。最后，通过实验进行方案分析和比较，验证了本方法的有效性。 针对卡口优化配置问题提出了模糊仿真优化的方法。首先，建立了保税港区运作的 基于排队网络的离散仿真模型。然后，从运输作业方和投资方两个角度建立了海关卡口 配置的多目标优化的数学模型。结合模糊决策理论，引入解的满意度和决策者对目标的 偏好，将问题转换为求解b e l l m a n z a d e h 最优解。最后，运用仿真模型与启发式算法相 结合的仿真优化方法求解。结合对中国北方的某保税港区的实例研究，对港区单次物流 作业时间和投资成本进行了优化，达到了消除资源配置冗余的效果。 针对商业仿真软件自带仿真优化工具灵活性不强的问题，本文进行了a r e n a 仿真软 件与启发式优化算法相结合的优化方法的研究，旨在提高仿真优化对应用问题的适应 性。首先，介绍了基于启发式算法的仿真优化基本原理。然后，通过分析a r e n a 模型的 运行流程及启发式算法的运行流程，提出了在v c + + 。n e t2 0 0 5 平台下a r e n a 模型对象与 启发式算法交互的解决方案。最后，通过基于排队网络的仿真模型进行了实例验证，结 果表明方案是有效的。 关键词：海关卡t ：l ；可重构建模；仿真优化；模糊决策；启发式算法 保税港区海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究 r e s e a r c ho nr e c o n f i g u r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o no n c u s t o m sc h e c k p o s ti nf r e e - t r a d e - p o r t - a r e a a b s t r a c t af r e e t r a d e p o r t a r e ao rc a l l e db o n d e dp o r tz o n ei sb e i n gw i d e l yu s e di nt h e i n t e r n a t i o n a lt r a d e a n di t so p e r m i o nm o d ei ss i m i l a rt ot h a to ff r e et r a d ez o n e i i lc h i n a , f r e e - t r a d e p o r t a r e ai ss t i l li nt h ef l e d g i n gs t a g e d u et ot h ed e m a n do fc u s t o m ss u p e r v i s i o n ， c u s t o m sc h e c k p o s t sa r es e to nt h er o a dn e t w o r ki nf t p at oi m p l e m e n ts u p e r v i s i o n t h e c h e c k p o s ta r e ai n c l u d e st h el a n e s ，r o a da n di n t e r s e c t i o nn e a r b y ，a n dt h el o g i s t i c sa n dt r a f f i c o p e r a t i o ni nt h ea r e aa r er e l a t i v e l yc o m p l e x a tt h es a m et i m e ，t h ec h e c ke f f i c i e n c yi nc u s t o m s c h e c k p o s tw i l la f f e c tt h et r a f f i ci nf t p ag r e a t l y ，f u r t h e rt o a f f e c tt h er u n n i n ge f f i c i e n c yo f w h o l ef t p a s o ，o u rr e s e a r c hf o c u s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l i n ga n dr e s o u r s ec o n f i g u r m i o n o p t i m i z a t i o ni nc u s t o m sc h e c k p o s t a r e a f o rm o d e l i n gc u s t o m sc h e c k p o s ta r e ao nf r e et r a d ep o r ta r e a ，ad i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n m o d e lw a sb u i l tb yt h ea n a l y s i so nq u e u i n gn e t w o r k ，c h a r a c t e r i s t i e so fc u s t o m ss u p e r v i s i o n a n dt r a f f i cf l o w t om e e tt h ed e m a n d so fr e c o n f i g u r a t i o nm o d e l i n g ，c o n t r o lr u l e sw e r e e x t r a c t e db yt h ea n a l y s i so nv e h i c l ec o n t r o l l i n gp r o c e s si ns e r v e rc h o o s i n ga n dq u e u i n g p r o c e s s a n das e r v i c e o r i e n t e de n t i t yc o n t r o lm o d e lw a sp r e s e n t e dw h i c hc a na d a p tt ot h e c h a n g e sw i t hr e s o u r c e sc o m b i n a t i o ni nr e a lt i m e t h e n ，as o l u t i o nf o re n t i t yc o n t r o l l i n gw a s p r o p o s e da n dd e v e l o p e dw i t ha r e n as i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t f i n a l l y ，t h ee f f e c t o ft h e p r o p o s e dm e t h o di sv e i l f l e dw i t hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t f o ro p t i m i z i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fc u s t o m sc h e c k p o s t sf o r t h ec u s t o m ss u p e r v i s i o no n t h ef r e e 仃a d ep o r ta r e a ( f t p a ) ，af u z z ys i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt h eo p t i m a l c o n f i g u r a t i o no fc h e c k p o s t si sp r o p o s e d a tt h ef i r s t ad i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e d o nq u e u i n gt h e o r yw a sb u i l tt h r o u g ht h ea n a l y s i so fl o g i s t i c so p e r m i o na n dt r a f f i cf l o wi n f t p a a n dam a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rm i n i m u mo p e r a t i o n c y c l et i m ea n df e a s i b l eu t i l i z a t i o no ft h ec h e c k p o s t s w i t ht h ef u z z yd e c i s i o nt h e o r y ，t h e d e g r e eo fs a t i s f a c t i o n 、析t l ls o l u t i o n sa n di m p o r t a n c ew e i g h tf o ro b j e c t i v e sw e r ea d o p t e dt o t r a n s f e r r i n gt h em u l t i p l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi n t o ap r o c e s ss e a r c h i n gf o ra b e l l m a n z a d e ho p t i m a ls o l u t i o n t h e n ，t h es i m u l m i o no p t i m i z a t i o nm e t h o dc o m b i n e d h e u r i s t i ca l g o r i t h mw a sd e s i g n e dt os o l v et h i sp r o b l e m f i n a l l y ，a na c t u a lc a s es t u d yw a s i l l u s t r a t e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dm e t h o d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h eo p t i m a ls o l u t i o n c a nr e d u c er e d u n d a n c yi nc h e c k p o s tl a n e si ne f f e c t 一i i 大连理工大学硕士学位论文 m o s tc o m m e r c i a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eh a v ei n t e g r a t e ds i m u l a t i o nt 0 0 1 a st h es i m u l a t i o n s o f t w a r ew i d e l yu s e d ，i tp u s h e sf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o no p t i m i z a t i o ng r e a t l y b u tt h es i m u l a t i o nt o o lu s u a l l yg o o da tg e n e r m i t y a tt h es a t n et i m e ，i ta l w a y ss h o r tf o r f l e x i b i l i t y ，a n dc a n td e s i g nf o ras p e c i a lp r o b l e m s o ，i nt h ee n d ，t h er e s e a r c hf o c u s e d o nt h e i n t e r o p e r a t i o nb e t w e e na r e n aa n dh e u r i s t i c sa l g o r i t h m s ，t oi m p r o v et h es u i t a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t yo fo p t i m i z m i o nb a s e do nc o m m e r c i a ls i m u l m i o ns o f t w a r e b ya n a l y z et h er u nf l o w o fa r e n am o d e la n dh e u r i s t i c sa l g o r i t h m s ，as o l u t i o nc a l l i n gt h ea r e n am f c t y p el i b r a r y0 1 1 t h ep l a t f o 册v c 十+ n e t2 0 0 5i sp r o p o s e d a tt h el a s t t h em e t h o di sc a r r i e do u tw i t ha s i m u l m i o nm o d e lb a s e dq u e u i n gn e t w o r kt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo fp r o p o s e ds o l u t i o n k e yw o r d s ：c u s t o m sc h e c k p o s t ；r e c o n f j g u r a t l o nm o d e t i n g ；s i m u t a t i o no p t i m i z a t i o n ； f u z z yd e c i s i o n ；h e u r i s t i c sa t g o r i t h m s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：塑掣年月鱼日 嘲孕年竺月旦日 大连理工大学硕七学位论文 1绪论 1 1 背景和意义 1 。1 1 问题的提出 保税港是借鉴国际上自由贸易港的经验，经国务院批准，设立在港口作业区和与之 相连的特定的海关监管区域内，它具有口岸、物流、加工等功能，可享受保税区、保税 物流园区和出口加工区相关优惠政策。保税港区集保税区、保税物流园区和出口加工区 政策优势和港口区位优势于一体。国外货物进入保税港区保税，国内货物进入保税港区 退税，货物在区内交易不征增值税和消费税。保税港区的政策是按照自由港基本原则设 计的，体现了港区一体化的基本思路和向自由贸易区转型的基本方向。 保税港的设立始于2 0 0 5 年批准上海洋山保税港区，尚属于新生事务，作为具有中 国特色的自由港，是目前我国对外开放层次最高、政策最优惠、功能最齐全、区位优势 最明显的特殊经济功能区。 保税港区主要划分为海关监管、港口作业、仓储及加工物流三大功能区。而海关卡 口区域是海关实施监管的重要组成部分，是保税港区与外部区域的重要连接点，进出保 税港区的货物都必须经过海关卡口办理报税或退税手续。因而，保税港区的海关卡口区 域的检查效率直接影响到港区内外其他系统的作业情况，卡口的通过能力不足将会成为 整个系统的一个瓶颈因素。同时，港区存在多个海关卡口区域，分布在海关围网上。卡 口资源的配置及卡口之间的资源协调对于港区的整个运作情况也存在较大影响。因此， 提高海关卡口区域的通行能力，加强卡口之间协调运作能力是提高整个保税港区运作效 率的重要途径。 保税港区运作系统属于复杂的离散事件系统，用传统的解析方法难以获得最优解或 满意解。因此，系统采用了直观有效的分析方法离散事件仿真，为港区的规划决策 提供支持。传统的仿真建模能提供模拟场景的真实再现，但建立的模型缺乏柔性和通用 性，面对大型的仿真建模及需求的调整，往往会因为重复建模导致建模效率偏低。这个 问题在保税港区卡口区域的建模上显得尤为突出，这主要是因为一方面，港区的各海关 卡口区域功能及网络拓扑结构相似，需要尽可能的提高模型的可重用性，另一方面，海 关卡口的进出通道的分配策略需要灵活应对用户的调整，需要提高模型的柔性。 在模型具有较好的柔性和通用性基础上，针对提高海关卡口区域的通行能力，需要 合理配置卡口资源及提高卡口之间的协调运作能力。而建立的仿真模型仅是对问题的直 保税港区海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究 观描述，仿真运行只能提供一定条件下的可行方案，它并不能给出问题的最优解或满意 解。因此需要对港区内的卡口区域资源配置进行优化。 1 1 2 课题的研究意义 我国保税港的发展自2 0 0 5 年开始起步，目前还是一个新生事物，处于起步阶段。其未 来的规划、建设、运作和管理还有许多需要不断探索的问题。保税港区是一个多成分、多 层次、复杂的物流系统。我们引入了离散事件仿真模拟技术引入到保税港区的建模中。其 课题意义表现为： ( 1 ) 对于类似的大范围作业管理及规划问题，建立的仿真模型不仅需要满足其逼真、 直观、有效的特性，更需要模型具备较好的柔性、通用性，能有效的支持系统资源的合理 配置及优化。因此，我们引入可重构建模技术来提高建模效率。这样，不仅可以使模型具 备较好的通用性及适应性，同时可以使仿真模型具备更好的结构层次，提高模型的可维护 性，大大提高建模开发效率。 ( 2 ) 在保税港区的运作过程中，仅仅从一个较宏观的层面考虑其物流、交通问题都 是不够的。如何对保税港区的物流运作和交通组织进行规划，如何合理地配置保税港区域 内的资源，合理的制定集疏运规则和围网监管方式，而海关卡口的通行能力通过仿真被验 证为影响港区物流、交通运作的瓶颈因素。因此，如何实施最优化的海关卡口资源配置及 卡口之间的协调运作能力，是提高港口生产作业能力最为有效和直接的途径。海关卡口资 源的优化问题是典型的非线性整数规划问题，属于n p h a r d 问题。同时，优化的进行是在一 个规模较大的、具有较强实际运作能力的仿真模型上，这是仿真优化领域中的一个难点、 热点问题。 ( 3 ) 由于仿真优化的问题具有不同的特质，问题的优化方案也将不尽相同。现在的 商业仿真软件大多自带有仿真优化工具，但其通用性太强，无法针对具体的问题进行有效 的调整。因此，开发自己的仿真优化工具或者软件就显得尤为必要。这部分的研究意义在 于既能充分发挥商业仿真软件其通用、易用及可视化等强大的建模能力。同时又能兼顾特 定问题的本身，选取合适的算法及流程，实现对问题的最合理解决。同时，目前国内外相 关文献、文档均很少涉及相关实现技术，这对相关研究者将有一个好的借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 1 1 3 仿真模型重用研究现状 ( 1 ) 仿真模型重用方法 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 重用是指对象的一次构建，多次应用。仿真模型重用方法是研究支持仿真模型在多个 仿真应用中重用的方法或技术途径。仿真模型重用与仿真框架重用不同，后者由于具有明 确的接口语法和功能语义，重用相对比较容易。仿真模型重用最大的不同在于模型是对现 实系统的抽象，不同的应用问题可能要求不同的抽象。这种抽象的多样性给建模人员建立 能够支持多个应用的模型造成了困难。一般意义上的重用有两种实现思路，一种是分解， 一种是泛化。分解思路是将待重用构件降低到尽可能小的规模，以充分解决专门的问题为 佳。在解决更大问题时通过将大问题分解为小问题，拼装小问题的求解构件，从而得到大 问题的解决方案。泛化思路是指通过抽象和参数化等技术，使一个构件具备尽可能求解多 问题的能力。在面对新问题时，可将该构件向问题空间投影或实例化来解决。在软件工程 领域，模块化和组件化技术通常被用于分解重用；面向对象和设计模式通常被用于对问题 求解构件进行抽象，以使其充分通用，属于泛化重用的范畴。 实现仿真领域的模型重用一般是基于二者混合的，即在泛化的同时进行分解，在分解 的基础上进行泛化。根据侧重的不同及其相关的共同特征，可将当前的仿真模型重用方法 粗略地分为下面几大类。 基于统一建模仿真语言的重用 建模仿真语言本身属于仿真框架重用的范畴。统一建模仿真语言( u n i f i e dm o d e l i n g s i m u l a t i o nl a n g u a g e ，u m s l ) 不同于一般的建模仿真语言，其特点在于具有充分的表达能 力和平台无关性，u m s l 试图基于这两点来提高仿真模型的重用性。现实系统一般是复杂 的，涉及多个学科，并且是连续与离散混合的。充分的表达能力使得u m s l 能够描述系统 多个学科领域的特征，能够对系统的离散特征和连续特征进行一致描述。平台无关性来源 于u m s l 语言本身对底层计算平台的抽象，使得复杂系统的描述可以不受限于特定的计 算仿真平台，能够跨平台使用。u m s l 的分解重用性体现在仿真语言本身上( 分解为一个 个独立的语言元素，并基于元素的拼装来构建仿真模型) ，泛化重用性体现在仿真语言本 身的平台无关性上。基于u m s l 的重用方法存在的主要问题是不支持各已有异构模型的 重用，对模型脱离当前应用重用于其他应用所需的情景信息缺乏规范化描述。仿真参考标 记语言( s i m u l a t i o nr e f e r e n c em a r k u pl a n g u a g e ，s r m l ) t 、仿真建模语言( s i m u l a t i o n m o d e l i n gl a l l g u a g e ，s m l ) t 2 1 、m o d e l i c a 3 】均是目前比较热点的u m s l 。 基于标准化模型规范模型库技术的重用 基于标准化模型规范是一种先进的模型重用方法。模型规范为可重用模型规定了统 一的结构、行为以及情景表示方式，而不限制模型的描述语言及计算平台，可用于可重用 模型库的构建。模型规范的标准化和开放性使得模型库中的模型可以在更广阔的范围内 重用。目前各种技术与应用领域内均有基于标准化模型规范的模型重用研究与实践，典 保税港区海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究 型的如仿真互操作标准化组织所支持的基本对象模型( b a s eo b j e c tm o d e l ，b o m ) 4 、 d e v s ( d i s c r e t ee v e n ts y s t e ms p e c i f i c a t i o n s ) 团体所支持的系统实体结构和模型库技术 ( s y s t e me n t i t ys t r u c t u r e m o d e lb a s e ，s e s m b ) t 5 1 、e s a 所推行的仿真模型可移植性标准 ( s i m u l a t i o nm o d e lp o r t a b i l i t ys t a n d a r d s ，s m p s m p 2 ) t 6 1 。 基于元模型的可重用仿真模型表示方法研究 当前用于表示仿真模型的方法包括程序设计语言表示、仿真语言表示和通用建模语 言表示三种，这三种仿真模型表示方法在满足可重用仿真模型表示需求方面均存在不足， 为此王维平等【7 】又提出了基于元模型的仿真模型表示方法，给出了元模型表示规范的设 计策略。元模型表示方法较好地克服了现有方法存在的不足，可满足模型重用对模型表示 的需求。 元模型是模型的模型，是关于如何建立模型、模型的语义以及模型之间如何集成和互 操作等信息的描述，是对某一特定领域建模环境的规范定义，它定义了该领域的语法和语 义，能够表示该领域内的所有系统。元模型比模型的抽象程度高，能够较好地解决模型集 成中的问题。 基于元模型的表示仍然属于通用建模语言表示的范畴，与已有通用建模语言表示不 同的是基于明确的元模型设计仿真模型通用建模语言。在元模型的设计上，充分考虑各 种已有模型的集成需求，使其成为已有建模技术、建模工具和建模语言等的集成基础，将 该元模型称作公共元模型( c o m m o nm e t am o d e l ，c m m ) 。 公共元模型支持各已有建模语言、建模工具、建模技术和应用领域，其中的核心观点 是元建模技术和元模型映射技术。元建模将实现各相关元模型与公共元模型的语法一致 性，元模型映射的目的是实现元模型语义的对应，从而进行模型变换、代码生成等工作。 基于组件的仿真模型重用 组件是指可重复调用的软件块，它把维护及操作某一类信息的程序集中在一起独立 成块。一个组件具有若干接口，每个接口代表组件的某个属性和方法，其他组件或应用 系统通过设置这些属性和方法进行特定的逻辑处理。目前有三种标准可供选择【8 j c o m d c o m ：以微软的c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 模型为基础，其组件可以由 任何w i n d o w s 语言来编写，诸如v b 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 、c 、c + + 、j a v a ，并可在任何 w i n d o w s 平台上运行。 c o r b a ：其组件可由c 、c + + 、j a v a 、s m a l lt a l k 及a d a 语言编写，具体使用哪种 语言，取决于c o r b a 的实现版本。c o r b a 组件可以在w i n d o w s 、u n i x 及其它多种平台 上运行，采用的标准为i i o p ( i n t e m e ti n t e r o r bp r o t o c 0 1 ) 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 j a v a b e a n s ：以j a v a s o f lj a v a b e a n s 的定义为基础，其组件由j a v a 语言编写，并可在 任何j a v a 平台上执行。它采用多变的沟通机制，包括j a v ar m i ( r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n ) 及i i o p ，因而大大扩展了其适用范围。 基于组件的软件设计对传统的软件设计产生了较大的影响：将软件开发看成一个组 装过程，在软件组件的指导下寻找可重用组件( 或开发一些新组件) 并进行系统组装。在 系统仿真领域，随着被仿真系统的日益复杂，仿真应用开发的工作量也成倍增加，完全 从头开发一个仿真系统的工作效率越来越低，模型与仿真结果的可靠性与准确性也更难 以得到保证。采用基于组件的软件设计方法，可以将已有的各种仿真应用组装起来建立 大型仿真系统，是克服复杂大型系统仿真面临的困难的有效途径，已经越来越受到人们 的重视。 张耀鸿，罗雪山等【8 1 从分布离散事件仿真的特点出发，结合基于组件的软件设计思 想，建立了仿真组件模型规范，提出了一种分布仿真算法，并开发了相应的仿真环境。 该方法适合对大型、复杂系统进行建模和仿真，能有效地支持模型重用。仿真环境具有 较好的灵活性和扩展性。戴晓明，冯瑞等1 6 2 j 提出了基于组件技术的设计方法，给出了基 于组件技术的离散事件动态系统通用的模型接口及原型实现，开发了类似m a t l a b 的离散 事件动态系统仿真环境该仿真工具通过拖放创建模型，连线建立模型间逻辑联系，并在炼 钢连铸车间物流仿真中得到了运用。任雪峰，龚光红1 9 】根据仿真应用系统的需求，由计 算机程序将已有的仿真资源自动组装成可以直接加入仿真系统参与仿真的应用程序，并 介绍了网络适配器的思想及在a s tc g f 系统中仿真应用自动化组装工具的实现技术。 基于服务的仿真模型重用 在w 3 c 中给出服务定义是：“服务提供者完成一组工作，为服务使用者交付所需 的最终结果。最终结果通常会使使用者的状态发生变化，但也可能使提供者的状态改变， 或者双方都产生变化 。在面向服务架构中，服务( s e r v i c e ) 是封装成用于业务流程的 可重用组件。它提供信息或简化业务数据从一个有效的、一致的状态向另一个状态的转 变【1 0 1 。 用于实现特定服务的流程并不重要，只要它响应服务请求者的命令并为服务请求者 提供高质量的服务就可以了。通过定义的通信协议，可以调用服务来强调互操作性和位 置透明性。一个服务表现为一个软件组件，因为从服务请求者的角度来看，它看起来就 像是一个自包含的函数。然而，实际上服务的实现可能包括在一个企业内部的不同计算 机上或者许多业务合作伙伴拥有的计算机上执行的很多步骤。就封装的软件而言，服务 可能是一个组件，也可能不是一个组件。如同类对象，请求者应用程序能够将服务看作 是一个整体。 保税港灭海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究 服务一般具有两个部分，一部分是接口部分，另一部分是实现部分。接口部分定义 了服务使用者和服务提供者间进行程序访问的契约。服务接口必须包含服务的i d 、服 务详尽的输入输出数据以及数据在服务中的作用和目的等信息。服务的实现部分包含了 服务的作用或商业逻辑等信息。服务的实现部分对于服务的使用者是在“暗箱”中进行 的，使用者也没有必要知道服务实现的具体做法。 服务具有以下几个特点： 从服务使用者的角度来说，服务强调使用但不拥有，实现t务使用者和服务拥 有者的权责分离，可以为使用者提供更好的更灵活选择余地。 从使用方式的角度来说，服务强调遵循开放标准，屏蔽资源的异构性，支持更充 分地利用i n t e m e t 范围内的应用资源，实现更大范围内的应用资源共享。 从建立应用系统的角度来说，服务适于支持构造松耦合的应用通过组合己有的服 务可以方便快捷地构造跨越组织边界的业务应用。 由于服务的新颖性，目前基于服务的仿真模型重用研究在国内外比较少。主要有 e mk a n a c i l o 等【6 5 】【6 6 】提出的基于d s o l 开源仿真环境提出的用于铁路规划和有轨电车 调度评估的面向服务的仿真组件库方法等。 基于统一仿真环境的重用 仿真模型在其开发所处的建模仿真环境内重用一般是比较容易的，实际上各个仿真 环境都宣称支持模型重用，大多仿真环境应用部门也都在一定程度上基于统一的仿真环 境，实践着基于重用的仿真开发。 如r o c k w e l l 公司的a r e n a ，b r o o k s 公司的a u t o m o d ，p r o m o d e l 公司的p r o m o d e l ， c a c i 公司的s i m p r o c e s s 和l a n n e r 公司w i t n e s s 的等性能均比较好，此外还有e x t e n d 、 s i m p l e + + 和t a y l o r 也是比较常用的仿真工具。其中，a r e n a 是美国s y s t e mm o d e l i n g 公司于1 9 9 3 年开始研制开发的新一代可视化通用交互集成仿真环境。基于 s i m a n c i n e m a 发展起来的a r e n a ，很好地解决了计算机仿真与可视化技术的有机集 成，兼备高级仿真器( s i m u l a t o r s ) 易用性和专用仿真语言柔性( f l e x i b i l i t y ) 的优点，并且还 可以与通用过程语言编写的程序连接运行。a r e n a 具有建模和调试分析功能强大、支持 二次开发、界面友好，对系统要求低等几个突出特点。可以说，s y s t e mm o d e l i n g 公司 推出a r e n a l 0 0 版，代表了现代计算机仿真软件的最新水平【l l j 【l 2 。 从上述模型重用方法总体上来看，已有的关于仿真模型重用的理论研究为理解仿真 模型重用、实施仿真模型重用、进一步深入研究仿真模型重用提供了很好的基础。前三 种方法：基于统一仿真建模语言、基于标准化模型规范模型库技术以及基于元模型可重 用方法都属于通用建模语言表示的范畴。突出面临的问题是缺乏统一的规范及概念框 人连理工人学硕士学位论文 架，目前在大规模实践中应用很少。而从软件工程方面出发的面向对象的重构技术，如 基于组件、服务等重用技术应用则比较广泛。并且随着现代仿真技术的发展，商业仿真 软件在通用性建模上的发展也是不断完善，其提供的仿真环境就给予重用建模极大的支 持。因此，在实际上应用也比较广泛。 ( 2 ) 离散事件系统可重构建模 可重构仿真建模技术一般而言开始产生于制造企业，该方法能够最大程度上较少建 模复杂度，实现快速仿真建模。制造企业由于面临着市场环境快速多变和产品更新换代 加快的竞争压力，当传统的制造系统已经不能适应这种复杂的制造环境，因此产生了可 重构制造系统【1 3 】【1 4 】的研究。可重构制造单元是可重构制造系统的重要组成部分，它强调 根据市场需求的变化，利用业务流程的相似性原理动态选择资源，形成新的生产组织单 元。仿真技术是实现从传统制造向可预测制造转变的一种新方法、新模式，可以有效地 提高生产决策水平。可重构制造单元更注重通过自身构件的变化和重构来适应生产的变 化，描述可重构制造单元的模型必须具有高度的重用性和扩展性【l5 】【l 酬，当制造单元发生 变化时能够快速、方便地反应这一变化【l 。 而近年来，基于商业仿真软件环境中可重构研究应用则比较广泛。如王国新等1 6 3 i 基于e m p l a n t 的生产系统层次化、模块化控制仿真模型；s aa l i 等脚j 在a r e n a 仿真环 境设计的基于知识的建模方法；e mk a n a c i l o 等【6 5 】【6 6 】基于d s o l 开源仿真环境提出的用 于铁路规划和有轨电车调度评估的面向服务的仿真组件库方法等。 从上述的辨析中，可以看出，可重构技术的应用是达到模型可重用的一种方法，强 调的是模型应对仿真资源组合变化的支持。重构实际上是仿真资源、要素的重构，从而 满足资源要素数量及要素之间的配比等方面灵活性的要求。同时，目前的可重构建模研 究主要在生产制造领域，而在物流及交通领域基本很少涉及。而在实际的物流、交通系 统中，要素的配置往往是灵活多变的。并且也不可能针对不同的要素配置方案，建立相 应的仿真模型，这样势必使建模的效率低下。因此，研究仿真模型的可重构方法，对于 提高仿真建模效率，同时对于模型的使用者来说，能方便快捷的搜寻最合理的要素配置 方案。因此，这方面的研究不仅在建模方法学上存在理论指导意义，在实际的应用中， 能极大的加快建模的速度，具有重要的实用价值。 1 1 4 仿真优化研究现状 仿真优化方法研究的是基于仿真的目标优化问题，具有很强的工程背景，现己成为 国际上系统仿真和运筹学等领域共同关注的热点和前沿课题，尤其是在离散事件动态系 统领域。随着计算机技术、人工智能和数学分析方法的发展，仿真优化的研究取得了一 保税港区海关卡口区域可重构仿真建模与优化研究 定进展。仿真模型优化技术拓宽了优化技术的应用领域，使其更易于对具有大量随机的 参数的系统的组合优化问题进行规划，例如机械制造、医疗、运输业等。 仿真优化方法可归纳为基于梯度的方法、随机优化方法、响应曲面法、启发式方法 和统计方法等5 类以及这些方法的混合。 启发式方法是仿真优化方法中最新研究的热点。启发式方法一般指对解空间不断进 行探索和改进的直接搜索方法，如模拟退火( s a ) 、进化计算( e c ) ，禁忌搜索( t s ) ，粒子群 ( p s o ) ，巢分区( n p ) 和单纯形方法( s m ) 等。 ( 1 ) 禁忌搜索算法( t s ) 禁忌搜索思想最早是i 掴g l o v e r 1 8 锄】在1 9 8 6 年提出它属于确定性的迭代优化算法，主 要针对一般下降算法的缺点而出现的。一般的下降算法在搜索到一个局部最优解时，就 会自动停止，而禁忌搜索采用禁忌策略尽量避免已搜索过的对象，从而保证了对不同的 搜索路径的探索，因此禁忌搜索算法克服了传统的搜索算法易于陷入局部最优的缺陷， 是求解组合优化问题的少有的有效算法之一，已在诸多组合优化领域表现出强大的寻优 能力，如资源规划、通讯、生产调度、机器学习等领域。 禁忌搜索( t a b us e a r c h 或t a b o os e a r c h ，简称t s ) 算法是一种全局邻域搜索算法，模 拟人类具有记忆功能的寻优特征，t s 算法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌 准则来避免迂回搜索，进而保证多样化的有效探索以最终实现全局优化。禁忌搜索算法 的寻优过程从一个初始解开始，通过迭代逼近邻域中的最优解。每一步迭代在t s 过程中 称为“移动”，为了防止t s 的搜索过程返回已经访问过的局部最优点，将已经实现了的移 动的逆移动存储在t a b u 表中。在t s 搜索的迭代过程中，t a b u 表会禁止一些有价值的移动， 这时若解禁某个移动将会使其目标函数值有非常大的下降。所以在优化过程中t s 又为每 一个t a b u 表设置了一个释放准则，满足释放准则的移动将从t a b u 表中释放。 ( 2 ) 粒子群算法( p s o ) 粒子群算法由社会心理学博士j a m e sk e n n e d y 和电子工程学博士r u s s e l le b e r h a r t 1 2 1 1 于1 9 9 5 年提出的一种演化计算技术。其核心思想是对生物社会性行为的模拟。最初 粒子群算法是用来模拟鸟群捕食的过程，假设一群鸟在捕食，其中的一只发现了食物， 则其他一些鸟会跟随这只鸟飞向食物处，而另一些会去寻找更好的食物源。在捕食的整 个过程中，鸟会利用自身的经验和群体的信息来寻找食物。粒子群算法从鸟群的这种行 为得到启示，并将其用于优化问题的求解。 粒子群算法分为两个版本，全局版和局部版。粒子群算法白提出以来，以操作简单， 收敛速度快，解的质量高而引起人们关注。在局部版的粒子群算法，领域的类型对算法 大连理工大学硕士学位论文 的寻优特性有极大的影响，不同的问题需要不同的拓扑结构。如环形拓扑，随机环形拓 扑，轮形拓扑，随机轮形拓扑等。 仿真优化技术更易于对具有大量随机参数系统的组合优化问题进行规划。k o c h e l ， n i e l a n d e r ( 2 0 0 5 ) 运用仿真优化技术研究了多目标的库存建模问题【2 引。a n g e l i s ，f e l i e i ，和 e ta 1 ( 2 0 0 3 ) 在针对医疗救助中心的服务机构，运用仿真优化技术管理质量进行规划1 2 引。 j i n ，r e n ，h i g u c h i ，a n de ta l ( 1 9 9 9 ) 运用仿真优化技术，对集装箱港口码头前沿作业的装 卸机械及码头泊位分配等资源分配问题进行规划【2 4 1 1 2 5 1 。p a u l 与c h a n e v ( 1 9 9 8 ) 运用遗传 算法作为仿真优化方法的优化算法，并与现有的仿真模型相结合【2 酬。 随着仿真优化理论研究与应用的深入和逐步完善，许多学者和公司将优化算法与在 仿真软件相结合，甚至将它们有机集成，进而开发了许多仿真优化软件，使用者也不必 过分了解深奥的算法理论，因而便于工程应用。譬如，h a v l i k 等1 27 j 利用f o r t r a n 语言开 发了用于多类动态系统仿真优化的m o p s i c m 软件，并采用g a s p i v 仿真语言。b e n g u 等【2 8 】开发称为s i m o p t 的仿真优化软件，该软件可较高效地自动搜索由仿真建模的复杂 问题的优化解。b e h cr 等【2 9 】开发了轴对称放射结构电磁性能计算的仿真优化软件s r s r 。 目前，许多公司基于软计算方法( s o f tc o m p u t i n g ) t 3 u j 开发了仿真优化软件，譬如 p r o m o d e l 公司( w w w p r o m o d e l c o r n ) 基于g a 开发的s i mr u n n e r ( p r o m o d e l ) 软件、 a u t o s i m u l a t i o n 公司( w w w a u t o s i m c o m ) 基