（交通运输规划与管理专业论文）虚拟港口实习基地系统的建设与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 港口是水陆运输的枢纽在整个交通运输体系中占有举足轻重的地位。同时 港口生产又是一个复杂的作业系统。在这种社会化的集体劳动，装卸、运输机 械系统的运转能否协调一致，是决定港口生产作业能否顺利进行的关键。 生产调度工作在港口生产中占据十分重要的地位。与此同时，港口的生产 调度又是一项复杂的管理工作，会受到各方面因素的影响。对于从事港口指挥 调度相关专业教学的大专院校来说，港口装卸调度也历来都是教学的重点和难 点。只有书本上学到的知识，而不具备实践经验是很难胜任这一工作的。为此， 各大专院校都会组织学生到相关港口进行生产实习。然而，近些年来，由于各 方面条件的限制，生产实习的局限性也越来越暴露出来。 虚拟港口实习基地系统是指通过计算机技术开发出相关的软件，通过软件 来模拟学生在生产实习中遇到的各种情况，考察学生解决这些情况的实际能力。 本文提出了建立虚拟港口实习基地的构想，希望能够开发出相关的软件， 来帮助学生达到或接近参加生产实习的效果。本文主要对虚拟港口实习基地系 统的主要功能进行了分析，建立了港口生产作业模型，并对港口生产调度方法 等一些与港口企业生产密切相关的内容进行了一定的研究，并以此为依据提出 了相关软件设计的方法。 虚拟港口实习基地系统作为代替生产的主要手段，首先应该能够生成港口 生产作业模型，体现出港口生产作业复杂性和随机性的特点，为学生提供一个 虚拟实习的平台。然后为学生进行生产调度指挥提供一系列的帮助。最后对学 生的调度水平做出合理的评价。 港口生产作业模型主要是以我国某沿海港口作为基本原型，并在此基础上 进行一定程度的修改。在仔细分析了港口生产过程后，将港口及其生产作业系 统划分成一系列的子系统，在此基础上建立了港口的生产作业模型。 软件系统主要是采用目前非常流行的前台程序与数据库相结合的方式。分 别采用d e l p h i 和a c c e s s 作为开发工具，以上述港口生产作业模型为依据，进 行软件系统的设计和开发。 关键字：虚拟港口实习基地，调度，港口 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o ti sn o t o n l y a h i n g e b e t w e e n w a t e r a g e a n d l a n d w a y b u ta l s ob a s i c e s t a b l i s h m e n to fs o c i a l p o r tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt r a n s p o r ts y s t e m p o r t o p e r a t i o ni sac o m p l i c a t e dw o r ks y s t e m , w h i c hn e e d s b o t hs t r i c tw o r k - d i v i d i n ga n d h i g h l y c o l l a b o r a t i o n i nt h i ss o c i a l i z e dc o l l e c t i v i t yl a b o r w h e t h e rh a sag o o d c o l l a b o r a t i o nb e t w e e nl o a da n du n l o a da n dt r a n s p o r tt h a ti sak e yi ne f f i c i e n tp r o c e s s o f p o r t w o r k s c h e d u l i n gp l a y si m p o r t a n tr o l ei np o r tw o r k , w h i c hi s ag u a r a n t e ei ne f f i c i e n t p r o c e s s o f p o r tw o r k a n da f f e c t sb e n e f i to f p o r tc o m p a n i e s b e s i d e s ，s c h e d u l i n gi sa c o m p l i c a t e dm a n a g e m e n t w o r ka n da f f e c t e db ym a n yf a c t o r s t ot r a i n i n gi n s t i t u t i o n s a n d c o l l e g e s ，s c h e d u l i n g i si m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ta ta l lt i m e s o n ew h o o n l ym a s t e r s t h ek n o w l e d g ef r o mb o o k sw i t h o u t e x p e r i e n c e i sn o t c o m p e t e n t f o r s c h e d u l i n g w o r k s o ，c o l l e g e sh a v et oo r g a n i z ew o r kp r a c t i c ef o r s t u d e n t si nh o l i d a y h o w c v e r l i m i t e d b ym a n y f a c t o r sr e c e n t l y , t h es h o r t c o m i n go fw o r k p m c t i n ee m e r g e s m o r ea n dm o r e v i r t u a lp o r tp r a c t i c eb a s e m e n ts y s t e mi sc o m p u t e rs o f t w a r e ，w h i c hs i m u l a t e sa l l k i n d so f t h i n g st h a ts t u d e n t sm e e ti np r a c t i c ea n dh e l p s t u d e n mi m p r o v e c a p a c i t yo f s c h e d u l i n g 做a r t i c l eb r i n gf o r w a r da s s u m eo nb u i l d i n gu pv i r t u a p o r tp r a c t i c eb a s e m e n t s y s t e ma n dd e s i g nc o m p u t e rp r o g r a mt oh e l ps t u d e n t si m p r o v ee x p e r i e n c e t h i s a r t i c l ea n a l y s e sm a i n l yf u n c t i o n so fv i r t u a lp o r tp r a c t i c eb a s e m e n ts y s t e ma n db u i l d u pp o r tw o r km o d e lf i r s t l y , m a k ear e s e a r c ho f f t h ew a yo fs c h e d u l i n g , a n db r i n g f o r w a r dt h ed e s i g n w a y o fs o f t w a r e a sas u b s t i t u t eo fp r a c t i c e s v i r t u a lp o r tp r a c t i c eb a s e m e n ts y s t e m 啪p r o d u c e t h ep o r tw o r km o d e l ，b yw h i c hs h o w st h ec o m p l i c a t i o no fp o r tw o r k i tp r o v i d e sa c h a n c ef o rs t u d e n t st ot a k ep a r ti nt h ev i r t u a lp r a c t i c ea n dh e l ps t u d e n t st os c h e d u l e i np o r tw o r k a tl a s t ，i tc a n e v a l u a t e t h es c h e d u l i n g l e v e lo fs t u d e n t s p o r tw o r km o d e lb u i l du pb a s e do nap o r ti no u tc o u n t r y a f t e ra n a l y z i n gt h e p r o c e s so fp o r tw o r k ，t h i sa r t i c l ed i v i d e sp o r ts y s t e mi n t o as e r i e so fs u b s y s t e m a c c o r d i n g t ot h ee f f e c to nw o r ka n db r i n g sf o r w a r dt h e e v a l u a t i n gw a yo n s c h e d u l i n g s o f t w a r ei n c l u d e st h em a i n l yp r o g r a ma n dd a t a b a s e d e l p h ia n da c c e s sa r e k e yw o r d ：s c h e d u l i n g ，v i r t u a lp o r tp r a c t i c eb a s e m e n ts y s t e m ，p o r t u 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 交通运输是国民经济体系的重要组成部分，也是国民经济中特殊的生产部 门。港口是水陆运输的枢纽，是社会的基础设施，同时还是国家综合运输体系 中的重要的予系统。 港口生产过程是一个既有严密分工，又有高度协作的复杂的作业系统。由 于港口装卸生产活动是多工种、多环节的联合作业，因此不仅涉及到装卸工人、 机械司机、库场管理和理货人员、机电修理工人和生产调度指挥人员等港口企 业内部人员，而且还与港口企业外部的车、船、货有关人员以及物资部门、海 关、商检、引水、燃料供应等人员有密切关系。在这种社会化的集体劳动，装 卸、运输机械系统的运转能否协调一致，是决定港口生产作业能否顺利进行的 关键。 港口生产过程具有高度的连续性和相互依赖性。由于港口生产是多工种、 多环节的联合作业。一个装卸生产过程，包括了多个装卸工序和生产环节，所 以要求各装卸工序在空间和时间上应相互衔接，具有连续不断作业的能力。港 口生产活动的各个环节彼此之间相互依赖，一个环节出现问题，往往会影响到 整个港口生产活动的开展。因此，在港口生产过程中，对其进行合理、有效的 指挥调度，以保证港口生产的连续、均衡、高效的进行，就显得尤为重要。 1 2 港口装卸调度 港口装卸调度在港口生产中占据十分重要的地位，船舶在港装卸作业是港 口装卸作业的主要的过程。在港船舶装卸作业的组织是单船作业过程的核心， 是缩短船舶在港停泊时间的关键，是完成装卸任务的保障。在港船舶装卸作业 组织的好坏直接影响到港口企业的经济效益。因而在港船舶装卸作业的组织是 实现港口作业“优质、高效、安全、低耗”的必由之路。与此同时，船舶在港 的装卸作业的组织对于港口的管理、调度人员来说也是一项具有一定难度的工 作。装卸作业会受到港口、人员、工具、天气等等各个方面因素的影响，如何 才能快速、准确的组织好船舶在港的装卸作业是摆在港口管理、调度人员面前 武汉理工大学硕士学位论文 的一项十分棘手的课题。 由于港口的生产作业过程是一个复杂的系统，系统中的各个因素相互影响、 相互制约；只有系统中每个环节都顺利进行，整个系统才能正常运转；任何一 个环节出现问题都可能使整个系统陷入瘫痪。所以作为整个港口生产活动的一 个重要组成部分港口装卸调度就需要站在全局的高度上去考虑问题，这就要 求港口调度的人员，不仅要精通调度知识，而且对于港口中其他生产活动的作 业流程、操作工艺也要有所了解，只有这样在进行调度指挥时，才能保证与港 口中的其他生产环节相互协调，确保整个港口生产作业的顺利进行。 对于从事港口指挥调度人员的培训机构和相关专业教学的大专院校来说， 港口装卸调度历来都是教学的重点和难点。港口装卸调度人员需要熟悉港口各 个生产环节的情况，而且由于港口生产中突发事件较多，因此装卸调度人员还 应该具备一定的应变能力以便对突发事件进行及时、正确、有效的处理。显然， 仅仅依靠书本上学到的知识，而不具备实践经验的毕业生是很难胜任港口装卸 调度这一工作的。为此，各大专院校都想尽办法来给即将走上工作岗位的学生 们提供更多的实践机会，以便使他们对整个港口的生产过程有一个更加深刻、 全面的认识。带领学生利用假期的时间到相关港口进行生产实习就是一个经常 采用的办法。 1 3 生产实习的不足之处 生产实习是学生在大学学习中的重点实践环节，是培养学生动手能力的重 要方面。尤其是管理专业的学生有别于其他工科专业，学生不仅需要了解企业 生产、经营、技术、劳资、财务、组织等全面的情况，还要熟悉管理岗位的实 际工作、各部门相互之间的关系及制约作用，而且应该直接参与生产调度等具 体管理工作。因此，生产实习对于帮助学生消化、吸收从课本学来的知识并将 这些知识运用到实际工作中去是十分有益的。可以说，生产实习在一定程度上 确实起到了这样的作用。通过生产实习，学生可以将从课堂中学到的知识与实 际工作联系起来，学生开阔了眼界，增长了知识，为以后的学习起到了很好的 促进作用。 然而，近年来，随着学校组织的生产实习活动的日益深入，它的一些不足 之处也越来越充分的暴露出来了。在当前的市场经济条件下，企业追求生产和 2 嚣汉理工丈学疆士举穰论交 工作效率，不可能花费太薰的时间和精力来全心全意地培养与其兼系不大的在 校学嫩。目前传统的、到企业实习的做法学擞鼹能走马观花、了解皮毛，无法 参与察际的管理工作，难| ；2 l 达到实习的目的。传统的实习方法存擞以下问题； l 、实露薅霹短，实习效聚不理想。学雯凝短短足月匏孵阕蠹怒全瑟了解秘 掌撵潦霜生产经营管理蕉零终法楚难疆镀翳羽。 2 、在市场经济条件下，企业某些关键部门的情况属商业机密，不可能对外 泄漏学生无法接触到宥凝内容，无法了解不同管理方法所产生的结果，实习 目的潍以充分达到。 3 、企韭是实际生产龆门，扶安全生产及本襄效益出发，苓霹缝涎学生壹接 参与港躁奎产誊瑾活动。 4 、赛习基趣建设豳滚。交通运输专业实习地点是管理水平鞍商的海港，本 校地处我国中部，与海港躐隔较远，很难与海港长期保持密切的联系，为港口 提供相荧服务。 5 、实习经费少，学生参血珏生产实习平均负担器予元以上，毽藏簿位学生实 霉经夔寝委元，经菸嚣穗貔学生难鞋承受。 麓怒基于上述靛种斡暇豳，越来越多的老师认识到，抟统意义上的生产实 习在当1 i 旷的形式下其作用融经变的越来越小了，而且也为企业、学嫩两方面都 带来了定的压力和影响。然而对于管理专业的学生来说，了解众北生产、经 营、技术、组织等方面的情况，熟悉管理岗位的塞际工作、各部门帽置之间的 关系发露滋佟霉，叉是专分鬟要懿。嚣茈，魏秘聚爨涯迂学生了熬熬| 实嚣工终 串翡囊舞情瑷，又最大纯鼢降低生产实习遭穰巾所遇到豹匿难帮麟矮，成为每 个管蠼专业的老师所面临的个棘手的问题。 1 4 建立虚拟港口实习基地的构想 纛羧港霜实嚣基建愚掺逶过舞发程关斡软梅，来模蘩学生凌黧产实瑟孛逐 戮懿番耱傍况，考察学墅辩决这些情提酌实鼯貔力，获丽使学生农一台计算机 面前就能达到和真正的燮产燕习相同或相近的散果。 建艇虚拟实习基地不仪可以有效地解决蒎燕际生产实习中遇剿的困难和麻 烦，1 l 茸熙学生还可以直接参与虚拟管理，检骏囊已的管理水平学缴在初步掌 攫生产诡度譬理基本方法豹蒸疆上，透过警纛疼擎瓣捡验，了解农调度孛应考 3 武汉理工太学硕士学位论文 虑哪些因素，自己在哪些方面考虑不周及其产生的后果，从而可大大提高学生 的动手能力和发现问题及解决问题的能力，而且还可降低实习经费，减轻学生 经济负担，也可解决今后远程教学中学生实践环节难以解决的问题。因此r 该 项目的建设与研究极具现实意义，并具很大的推广价值。 1 5 本文的研究内容和目标 鉴于模拟技术在教学中的巨大作用以及学生去企业生产实习所遇到的实际 困难，本文旨在利用目前常见的面向对象的程序开发工具和数据库开发工具， 以国内具有代表性的港口为原型，并根据教学需要作相应修改，来建立我校交 通运输专业虚拟生产实习基地系统。其具体如下： i 、港口生产调度管理系统 该系统以调度为核心，计划、货商、劳资、工艺、技术设备、物资、库场、 财会等部门管理工作为辅，设定不同的初始状态后，学生即可参与以调度为主 的管理活动。该部分的难点在于如何实现上述各环节之间的联动关系，以及学 生制订调度计划后，港口装卸生产出现异常( 需要设定包括人员、机械、船舶 装卸、库场堆放、出库等故障) 时，各工作环节如何做出不同反应，真实反映 港口生产实际。 2 、港口生产调度管理评估系统 学生参与港口生产调度后，其调度管理水平如何，哪些因素没有考虑以及 产生的后果需要有一个评价和总结，找出存在的问题，有助于提高学生的调度 和管理水平，港口生产调度管理评估系统建立的目的就在于此。关键问题是确 定能充分反映调度管理水平的指标评价体系，以及最佳调度方案。 1 6 本章小结 本章简述了生产实习对于管理类专业学生的重要作用以及目前学生在生产 实习中遇到的困难，提出了运用虚拟现实技术建立虚拟实习基地来解决这一困 难的构想。最后提出了本文的研究内容和目标。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章港口建模理论 2 1 系统理论 系统是按照某些规律结合起来，互相作用，互相依存的要素的集合或总和。 虽然这个定义足以全面地概括了静态系统的情况。但是，我们还是要注重那些 相互作用，而且随时阃发生变化的动态系统的情况。一个系统内有一些确定的 事物( 或目标) ，每个事物都包含着一些有效的特征。系统中各事物之间还会发 生相互作用，从而引起系统内部发生变化。我们称系统中每个确定的事物为实 体。实体分为实质的和抽象的实体两种。实体所包含的有效的特征被称为属性。 我们称系统内部发生的任何状态变化过程为活动。而事件是指某一时刻( 瞬时 点) 发生的事情，它决定了活动的开始或结束，如图2 - 1 所示。该图所示的处 理过程，是一个有序时间的事件序列，并可包括几个活动。我们把在某一个指 定时间段内，由存在于系统内的实体、属性和活动组成的整体成为系统状态。 系统模拟就是利用系统状态变化来研究系统的进展的。 过程。 活动。 达到事件服务事件 的开始 服务事件离开事件 的结束 间 图2 i 事件、活动和过程的关系 系统经常受到系统以外因素的影响，而使实体、属性引起系统的变化。而 系统的行为( 活动) 的变化，也足以影响系统内实体、属性的变化，也可能会 发生并不作用于系统本身的变化。这些发生于系统外部的影响，被称为系统环 境的变化。显然，系统环境是不包括在系统内的其他实体的。把一个由若干实 体组成的集合，分成若干个子集，如系统和环境。这就确定了系统与环境的界 限，进行系统分析是十分重要的步骤，同时也是比较困难的工作。 2 1 1 连续系统和离散系统 连续系统和离散系统响应环境变化的方式是各不相同的。例如，在飞机系 5 武汉理工大学硕士学位论文 统( 连续系统) 中，机身航向的变化是平滑地发生的。我们把这种主要是发生 平滑变化的系统称为连续系统。相反，在港口系统中的变化是断续地发生的， 如船舶到港、装卸货物结束、船舶离港。我们就把主要是断续或间断地变化的 系统称为离散系统。其实，现实社会中并不存在发生的变化完全是连续或者完 全是离散的系统。例如，飞机系统在调节飞行高度时就是断续地发生变化的， 而港口系统中皮带运输机械是在连续运行的。对多数系统来说，如果系统中有 一种形式的变化占优势或主导地位，则能以此为根据，把该系统划为连续系统 或是离散系统。 此外，即使本身就是一个连续系统，有时为了系统研究的方便，也可以把 它转而设计成个离散系统。由此可见，一个系统存在着既可以这样表达为一 个连续系统，也可以那样表达为一个离散系统的二重性问题。二重性揭示了一 个重要的观点，就是在模拟研究中，描述一个系统时，并非完全按照系统本身 的自然特征进行分类，而是可以根据研究目标来确定系统模型的类型。必须指 出，虽然对如何表达一个特定的系统并没有特殊的规则。但是，一般可以规定 即所确定的系统不应该比研究目标所需要的或本身具有的模型更复杂，并应该 具有一定的精度。 连续系统一般表达为可微函数组成的微分方程( 或偏微分方程) 或及其方 程组。一般的物理和工程闯题中大多数是连续系统。企业管理、社会经济系统、 港口系统多数表达为离散系统。 2 1 2 确定型系统和随机型系统 在确定型系统中，一个新的系统状态是由先前的状态和活动来确定的。 换句话说，一个确定型系统的发生是由响应一个给定的活动决定的，从一个状 态到另一个状态实现确定型的方式。这类系统如图2 2 所示。图中q 是活动a 之前的系统状态，而s 是活动a 出现之后的系统状态。 图2 2 确定型系统 6 图2 - 3 随机型系统 武汉理工大学硕士学位论文 随机型系统包含一个使其从一个状态转变到另一个状态的随机交量。在该 情况中，概率是己知的或能确定的。图2 - 3 所示随机型系统，s ，和s ：是在状态 写响应活动a 以后，系统可能进入的两个状态。因此，一个随机型系统就意味 着，即使当前的状态和活动是已知的，下一个状态也是不能明白地表示的，但 是可以确定的。 一项活动具有随机性，意味着这项活动与系统环境有密切关系。如果发生 的活动是随机活动，而执行这项活动的真实结果，在任何时候都是不能预知的。 那么，就把这项活动看成是系统环境的一部分。随机活动可以用概率分布形式 加以描述和度量。 2 2 计算机模拟 客观世界中的物理现象和物理系统通常可以用数学方程来描述。例如我们 熟悉的“质量、弹性阻尼”机械运动系统的动态过程和“电感电容一 一电阻”电路的动态过程，都可以用二阶微分方程来描述；又如控制面板上的 各种开关按钮的操作顺序及其相互之间的约束关系，控制面板上各种信号指示 灯的明暗顺序及其相互之间的约束关系，都可用逻辑关系式来描述。也就是说 客观世界中任何连续系统、离散事件系统或连续离散事件混合系统在一般情况 下都可以建立数学模型。 简单来说，模拟又称仿真( si m u l a ti o n ) 是建立相应物理系统的数学模型 在计算机上解算的过程。数学模型是模拟的基础，只有建立正确的数学模型和 采集正确有效的数据，才能得到正确的模拟结果，模拟才有意义和价值。 2 2 1 计算机模拟技术的发展 计算机模拟技术起源于五十年代，最初应用于军事领域。但是随着计算机 技术的发展及其应用水平的提高，以及由于服务和生产系统复杂性不断增大、 生命周期不断缩短、性能要求又越来越高，系统规划和营运部门经常面临要及 时做出有关系统的科学决策的形势发展预测，计算机模拟技术得到了广泛的应 用和快速的发展。 九十年代以前，受计算机技术及计算机模拟支撑软件发展的制约，计算机 模拟模型绝大部分是数值模型。数值模拟的数据结果比较抽象，不易被理解， 7 武汉理工大学硕士学位论文 其模拟过程是一个按照一定规则运行的“黑箱”，开发者也不能确信其确定的那 些与系统运行时间历程相联系的规则是否完全与用户的要求相一致，这使得计 算机模拟技术和模拟结果被理解和接受的程度受到限制。 八十年代末，计算机模拟技术由数值模拟发展到了动画模拟阶段。计算机 动画模拟技术虽然以数值模拟技术为基础，但其克服了数值模拟的缺点，以直 观的图形信息显示系统的动态过程，不但适合人的视觉观察，而且容易被理解， 其在系统动态描述、可视干涉、模拟真实感、模拟可靠性、模拟结果检验和确 认中具有明显的优势。计算机动画仿真技术迸一步推动了计算机模拟技术的应 用与普及，并在此基础上形成了目前应用非常广泛的虚拟现实技术。 虚拟现实v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是由高速计算机系统创建的一种令人感到 身i 临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图 像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等 多门科学，将计算机处理的数字化信息变为人所能感受的具有各种表现形式的 多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为做出动态 的交互反应。传统的仿真技术很少研究人感知模型的仿真，无法模拟人对外界 环境的感知( 听觉、视觉、触觉) ，而虚拟现实带来了人机交互的新概念和新方 法，计算机模拟外界环境对人的感官刺激已经成为可能。虚拟现实依托的学科 高度综合化，是现代仿真技术的高级发展和突破，它不仅涉及计算机、人工智 能、电子、通信、数学、力学、热学、声学、光学、机械学和生理学等自然科 学和技术科学，而且与美学、心理学和社会学等密切相关，它是现代科学技术 的高度集中。 2 2 2 计算机模拟技术在教学中的应用 计算机模拟技术的应用范围十分广泛，其中一个重要的应用领域就是辅助 学校教学及解决大中专院校学生的生产实习问题。 传统的教学方法是“老师讲、学生录”的方式，教学效果比较差。因为人 类接受知识的过程是一种多通道综合作用的过程。这些通道主要有感觉通道， 包括视觉、听觉、触觉、平衡感觉、嗅觉和味觉；运动通道，包括手、眼、足、 身体和语言；思维通道，包括大脑的记忆、分析、联想和决策。传统的教学方 法只利用了较少的通道，如视觉、听觉等，因此教学效率不高。 运用计算机模拟和虚拟现实技术来进行教学是一种利用多通道综合作用的 8 武汉理工大学硕士学位论文 教学方法。学生置身于虚拟环境中，可以充分调动感觉通道、运动通道和思维 通道的学习机能，接受知识的效率明显提高。心理学家对采用仿真教学和一般 教学的学生进行比较试验。结果显示采用仿真技术教学能使学生记忆约7 0 的 内容，而传统教学方式，学生只能记忆约3 0 的内容。此外，模拟教学系统是 一种能够充分发挥学生创造意识的环境。学生可以在没有教师的情况下自发学 习，并可以反复进行，有助于深化、记忆知识。 2 3 港口生产系统分析 港口的生产系统随根据各港的实际情况而各不相同，但是一般可以简化成 图2 - 4 所示的结构。货物由陆路到达港口，由理货部门指定堆放货物的地点( 仓 库) ，待装运该货物的船舶到达港口后，由调度部门安排泊位。然后由专门的装 卸作业班组，利用装卸机械完成货物的装船。一旦装船结束，经过简单地办证 手续，船舶即可离港。然而，港口不同于工厂，它有逆向作业，即船舶载货到 泊停泊码头卸货船舶离港( 也可能再装货后离港) 。 图2 4 港口系统 从上图可以看出，在港口生产系统中变化是断续地发生的，如船舶到港、 装卸货物、船舶离港都是间断的发生的。虽然在港口系统中也存在一些连续变 化的系统，如皮带运输机械系统。但是间断发生的变化，仍然在港口生产系统 中占据主导的地位，所以我们可以将港口生产系统视为离散系统。 港口生产系统中除具备离散系统的性质外，同时也具备随机型系统的相关 性质。例如，在港口生产系统中，当服务设施( 泊位) 空闲时，船舶就直接接 受服务。而当服务设施繁忙时( 已有船舶停靠在泊位) ，船舶就去排队等待。一 般来说，为船舶服务所必需的服务时间也是随机变化的。到达船舶的等待时间， 这一状态变量也不能确定地由“某一船舶到港”这一活动之前有几艘船舶在系 9 武汉理工大学硕士学位论文 统中而计算确定。所以，我们可以将港口生产系统视为随机型系统。 综上所述，港口生产系统同时具备离散系统和随机型系统的相关特征，所 以港口生产系统是离散一随机型系统。 2 4 港口生产系统的模拟方法 2 4 1 应用蒙特卡洛法实现港口系统的模拟 蒙特卡洛法是一种根据随机抽样的均值来解决数学问题的数值方法。为了 比较完整地理解蒙特卡洛法，有必要提到冯诺依曼和斯坦尼斯拉夫乌拉姆 在第二次世界大战期间的工作。正当物理学家们在l o s a l a m o s 科学实验室为核 子的活动感到迷惑不解的时候，这两位数学家已建立了核防护问题的数学模型， 即俄罗斯赌盘的解法。冯诺依曼为这个秘密工作起了一个名字，叫“m o n t e c a r l o ”。蒙特卡洛法实际上是研究机会的规律，它成功地用于中子扩散问题， 这一应用扩大了模拟的应用领域。而今，模拟已经是一个重要的运筹学技术。 使用俄罗斯赌盘转数字点或产生随机数，蒙特卡洛法可以解决物理实验做不到， 而且也不可能用一个精确的数学公式( 模型) 建立的概率问题。它是根据抽样 技术进行模拟。它不是从现实目标中进行抽样，而是从它的一个理论分布上进 行抽样。蒙特卡洛法根据已确定的变量确定其概率分布，然后再根据随机数对 这个分布进行抽样。所以，实际上一组( 一个序列) 随机数就产生了一组与现 实目标( 已确认的变量) 有相同分布特征的数值。最后以该组数值的算术平均 值，作为其相应的变量的估计值。 2 4 2 蒙特卡洛法的理论基础 对于离散型随机变量可以用蒙特卡洛法来模拟它。假如我们要寻找所研究 的某个量的值为a 。为此选择这样一个随机变量x ，它的数学期望等于a ；有 e ( x ) = a - 实际上是这样处理的：计算( 模拟) 随机变量的几个可能值y ，求它们的 算术平均值 x 2 善茁肛； 并且取x 作为未知数a 的估计二( 近似值) ； a a = x ： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 所以，为了应用蒙特卡洛法，必须会模拟随机变量。此处，要求模拟离散型随 机变量x ，也就是对指定的已知分布，计算它的可能值的序列篙0 = 1 ，2 ，3 ，) 。 引入记号：r 是在( o ，1 ) 区间中均匀分布的随机变量，r j 0 = i ，2 ，3 ，“) 是随 机数，即r 的可能值它可表示为r ，；0 = 1 ，2 ，3 ，) 。 为了模拟指定的分布的离散随机变量如下： x ：五z 2x 3 。 l 。 p lp p ，p ，p ： 对此应当有： 把o f 轴上的( 0 ，1 ) 区间分成n 个部分区间： ( 0 p 。) 对应的随机变量值为五 ：( p ，p ：+ p ，) 对应的随机变量值为z ： ( p 。+ p ； + 只一。，1 ) 对应的随机变量值为l 选择随机数，( 可以随机数表或由计算机子程序产生) 。若，落入部 分区间，那么模拟的随机变量取可能的值是嚣，如图2 - 5 所示； x 1x 2x 。 ( 0 ，p ，) ( p 。，p ：+ p ，) ( p ，+ p ：+ + 见。，1 ) o j l 一上上l 叶r 图2 - 5 模拟指定分布随机变量 例如，模拟离散随机变量x 的六个可能值，已知分布如下： i x ；21 01 8 。 p ；o 2 2o 1 7o 6 l 1 ”p 2p 2 p o 武汉理工大学硕士学位论文 解：( 1 ) 在o r 轴上定坐标为0 2 2 ：o 2 2 + 0 1 7 = 0 3 9 的两点处，把区间( o ，1 ) 分成三个部分：，1 0 ，0 2 2 ) ，：们2 2 ，o 3 9 ) ，( 0 3 9 ，1 ) ，如 图2 - 6 所示 ( 2 ) 从随机数表中选六个随机数i ! i ! ! i! ! i 为：o 3 l 、0 1 8 、o 9 0 、o - 0 6 、o 9 6 、 o a l o 2 2 ? 。3 93 1 0 8 6 。 随机数r ，= 0 3 1 落入区间 ，中。因 图厶6 此所模拟的随机变量取可能值z 。= 1 0 。随机数，：= o 1 8 落入区间a 。中。因此所 模拟的随机变量取可能值五= 2 。依次类推，我们可模拟六个可能值为 1 0 ，2 ，1 8 ，2 ，1 8 ，1 8 。则x = ( 1 0 + 2 + 1 8 + 2 + 1 8 + 1 8 ) 6 = 1 1 3 3 。而x 的理论期望为 e ( x ) = 2 x 0 2 2 + 1 0 x 0 1 7 + 1 8 x 0 6 1 = 1 3 1 2 。显然把x 作为随机变量x 的估计是不合 适的。x 与e ( x ) 的差距较大。原因是这六个随机数组成的序列不很均匀。它与 指定分布有较大的差距。其中小于o 2 2 的随机数有2 个，占3 3 ( o 3 3 ) ，超过 了0 2 2 ；大于0 3 9 的随机数有3 个，占5 0 ( 0 5 0 ) ，低于0 6 1 。指定分布与随 机数序列比例( r ，) 的对比表如表2 - 1 所示。所以这个估计肯定低于期望值。如 果要使估计接近理论期望，比较方便且有效的办法是增加序列内随机数的个数。 从而使随机数序列比例接近指定的分析，但这样就要增加模拟次数。 x1 01 8 po _ 2 20 1 7o 6 1 尺， 0 3 3 30 1 6 70 5 0 0 表2 - 1 随机数序列比例 2 4 3 随机数生成 随机数在计算机模拟中占有重要的地位，它是模拟系统中一切随机事件的 产生条件。蒙特卡洛法模拟的第一步就是要产生随机事件，而随机事件是由随 机数序列产生的。在一些运筹学或统计学书籍上可以找到随机数表，供手工模 拟计算使用。但是随机数表不能满足计算机产生随机数需要。因此引出了需要 用数学公式来产生一个随机数序列问题。 用数学公式产生的随机数必须是由前一个随机数决定的，所以肯定不是随 机的。因为真正的随机数是独立的，即后一个随机数不受前一个随机数的影响， 武汉理工大学硕士学位论文 是无关的。为此我们把用数学公式产生的随机数称为“伪随机数”。但是统计学 的观点认为：只要真随机数序列能通过的统计检验，伪随机数序列也能同样通 过的话，则可以认为这样的伪随机数序列是可以使用的。 2 4 3 1 随机数发生器 随机数发生器是产生某种随机变量数值的装置，比如各类手动的摇奖机就 是产生【o ，9 】之间均匀分布随机变量数值的随机数发生器，一个平衡的掷子应 该是产生【1 ，6 】之间均匀分布随机变量数值的随机变量数值的随机数发生器。 随机数发生器还有机械的、电子的、数表式的等等。进入计算机时代后，利用 计算机来产生各类随机变量数值显然是更加方便和快捷的。利用计算机来产生 各类随机变量数值就是要编制合适的程序来完成这一工作。目前最常用的是产 生【0 ，1 ) 之间均匀分布随机数的程序，我们称此程序为随机数发生器。 我们研究和利用产生【o ，1 】之间均匀分布随机数的随机数发生器不仅仅因 为这类随机数应用的广泛性，而是因为在应用计算机来产生所有其他各类随机 变量时，都要以随机数发生器产生的e o ，1 1 之间均匀分布随机数为基础而计算 得来。因此要产生其他各类随机变量，必须首先要产生【o ，1 ) 之间均匀分布随 机数的随机数发生器。 既然随机数发生器具有这么大的作用，那么它的质量和功能就十分重要了。 一般情况下我们对随机数发生器有如下的基本要求： 1 、随机数发生器产生的随机数必须是 o ，1 ) 之间均匀分布的，可以等于0 ， 但不能等于1 。 2 、随机数发生器产生的随机数必须具备独立同分布( i i d ) 的性质，也就 是产生的所有随机数应具有一个分布，而且相互之间又是独立的，不相关的。 3 、随机数发生器可以多次产生相同的随机数列，又可以产生不同的随机数 列。这一点对于程序的调试十分重要，因为在调试同一个程序时，我们总是希 望使用同一个随机数列，以便观察输出结果是否正确。而在具体模拟实验中， 我们又希望使用不同的随机数以便得到实验的统计结果。 4 、随机数发生器所产生的随机数列应具有足够长的( 重复) 周期。因为常 用的随机数发生器所产生的随机数列仅是一种具有周期性质的重复的随机数 列，我们仅能要求这个周期应尽可能的大，以便满足系统模拟过程对大量随机 数的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 5 、随机数发生器产生随机数的速度应该很快，以便加快模拟的速度，进而 满足实时控制的要求。 6 、随机数发生器所需要占用的内存要小。随机数发生器一旦被调用就要常 驻内存，因此显然所占用内存是越小越好。 2 4 3 2 常见的随机数发生器 随机数不仅是模拟技术中需要，许多日常活动和研究工作中都需要随机数。 因此对于产生随机数方法的研究已有较长的历史，随之也就出现了许多各式各 样的方法。其中最简单的方法可能就是仍硬币，按其正、反面的随机性来模拟 某个过程。在出现了机械式、电子式发生器后，又有了具有一定规模的随机数 表，人们只要在随机数表上闭上眼睛点一下就可以找到一个随机数。但是凡此 种种方法都不能满足计算机模拟的要求，因为至少在速度和数量上都满足不了 模拟的要求。所以在计算机飞速发展之前，模拟技术发展得非常缓慢。计算机 模拟使用的随机数只有用计算机来产生才能满足其要求，下面介绍几种常用的 随机数发生器的计算机方法。 1 、平方取中法 平方取中法是最可直观理解的一种产生伪随机数的方法。所谓伪随机数就 是说它并不是真正意义上的随机数。而通过计算机程序所产生的随机数都是伪 随机数。平方取中法是将一个四位数平方后得到一个八位数，取中间四位数为 第一个随机数，然后再对已经得到的四位数平方，再取中间的四位数为第二个 随机数，以此类推。 例： 石。= 5 2 3 4x ：= 2 7 3 9 4 7 5 6 x = 3 9 4 7五：= 1 5 5 7 8 8 0 9 x ：= 5 7 8 8 平方取中法易于退化，而且均匀分布的差异显著。因此这种方法现在应 用的不多。 2 、线性同余式发生器 可以满足对随机数发生器的种种要求，目前应用最广泛的随机数发生器 是线性同余式发生器。这个名称是由于此发生器的算法采用的是一种线性同余 公式。一个顺序的整数列z ，z ，是由下面的循环公式给出： z 。= ( a z h + c ) ( m o d m ) 1 4 武汉理【：大学硕士学位论文 其中：a ，r 是常数； 。 z 。是任意数；z ，。是随机数种子： m 是随机数发生器的模； 为了得到【o ，1 】之间的随机数u 。( i = 1 ，2 ，) ，通常采用下式计算： z ； u ，2 i r o o d 用来表示求模运算，由于这种模运算具有一些特性，使同余数法也就 具有了同样的特性。为了了解同余数法的这些特性，下面将举例分析一下这些 特性是如何影响随机数的产生的。 对于上述的模运算来讲，当 a = 0 a ( m o d m 、= 0 a = i a ( m o d m l = 1 a = 2 a ( m o d m l = 2 a = m - 1 a ( m o d m 、= m - 1 a = ma ( m o d m 、= 0 a = m + i a ( m o dm ) = 1 a = 2 m a ( m o d m l = 0 可见，当a 在0 和m 1 之间时，模运算值也是从0 到m 1 。而当a 等于 或大于m ，小于2 m 时模运算的值又重新从0 到m 1 重复一次。当a 的数值 在增加时，模运算的值又一次重复。因此，经过模运算得出的数列是具有循环 特性的，其周期近似等于m 。由此看来，只有当模数m 相当大时，数列才可能 具有随机的特点。从这一点来看，线形同余式所得的数列在实质上仅是一个具 有周期性质的重复数列。此外由于模运算的最后结果不可能等于模数m ，因此 由上述计算随机数的公式计算出来的随机数“。就不会等于1 。这就是说由线性 同余式发生器产生的随机数是不会为1 的，它产生的随机数的范围是 o ，1 ) 。 由上面可知，计算机随机数发生器产生的随机数是一个具有一定周期的循 环数列，从这个意义上说，计算机产生的随机数是一个伪随机数，它必须经过 检验才能使用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 3 随机数发生器的检验 通过上述内容，我们了解到随机数发生器的基本原理及其存在的问题，对 于随机数发生器必须要进行检验。随机数发生器常用的检验方法可分为两类： 1 、经验检验 检验一个随机数发生器最直接的办法是用它来产生一组随机数，然后对这 些随机数进行统计检验，看其与独立同分布i i d u ( 0 ，1 ) 随机变量的接近程度 如何。这就相当于拟合优度检验，它可以采用如下的方法： ( 1 ) k - s 检验 f 2 ) x 2 检验 ( 3 ) 序列检验：这是用于对数列中数据相关性的一种多维检验形式，可对随 机数列进行d 维均匀分布的检验。多维检验是对独立性更全面的检验。 ( 4 ) 积累检验：这是对数列中数据独立性的另一种检验形式，它首先判断数 列中连续上升或连续下降数据的个数，然后通过分析这种上升或下降趋势的程 度来检验数列的独立性。所以又可分为递增( r u nu p ) 检验和递减( r u nd o w n ) 检验两类。 2 、理论检验 理论检验是以随机数发生器的计算公式为基础，利用相关学科的知识来进 行分析和判定。理论检验就不需要运用被检验的随机数发生器产生任何随机数。 它常采用分析常数m 、a 和c 的方法，判断某个随机数发生器的性能。理论检 验的结论是对整个发生器的，而不是像经验检验那样，仅仅适合于所检验的数 据。 用于检验一个随机数发生器的方法很多，其复杂的程度及其功能都还处于 发展阶段。关于哪一种方法最好，是不是理论检验就一定比经验检验好，也一 直在争论着。实际上，某一种检验并不能明确地告诉你哪个发生器就是好。通 常建议对随机数发生器进行与其用途相适应的检验。 2 5 本章小结 本章主要介绍了系统理论和计算机模拟理论，为建立港