（机械设计及理论专业论文）集装箱码头铁路物流系统建模与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 集装箱运输作为一种先进的运输方式，已经成为当今世晃国与国、地区与 地区之间物资贸易与运输的主流。我国铁路自2 0 世纪7 0 年代以来大力开展集 装箱运输，投入了较多的技术、资金和设备，获得了良好的效益。但是也应该 看到，与世界集装箱运输业发达的国家和地区相比，在规模化、机械化、现代 化管理水平上，以及集装箱组织运输方式上，都还存在着较大差距。 随着我国与世界贸易迅速发展，港口集装箱吞吐量保持了高速增长，2 0 0 5 年，我国港口集装箱吞吐量已达到7 5 0 0 万标准箱。而另一方面集装箱贸易量不 断增长为集装箱港口集疏运建设带来新的挑战。由于在集装箱港口建设中对于 港口集疏运设施的建设往往不像码头水深和航道设施及集装箱装卸设备等受到 更多的重视，导致港口集疏运设施成为集装箱港口货流的瓶颈。据统计目前我 国港口集装箱运输主要依靠集装箱卡车，而铁路仅承担了港口集疏运量2 3 的份额。由此可见，发展港口铁路集装箱运输势在必行。 首先，本文对集装箱铁路运输枢纽进行了详细的分析，包括枢纽地区的铁 路集装箱结点站、办理站的设施、设备、作业流程、集装箱列车的运输方式以 及港口铁路的组成和装卸作业流程等。为后面建立理论模型和仿真模型提供了 现实依据。 其次，在广义随机p e t r i 网建模理论的基础上，将集装箱码头铁路物流系统 分为铁路装卸线、跨内堆场两个子系统，基于g s p n 分别建立了相应的理论模 型。同时，给出了g s p n 模型求解方法，以铁路装卸线子系统为例，求出了其 g s p n 模型实存状态稳定概率，并进行了理论模型的性能指标分析。 然后，介绍了w i t n c s s 仿真软件的基本元素，以及利用w i t i l e s s 仿真软件建 立码头整体仿真模型，同时对铁路装卸系统进行局部建模，以多种作业模式为 研究的主要内容，对整体和局部模型进行二维仿真。进行了模型的基本参数设 计、作业流程设计、单元模块设计，提出并定义了码头铁路装卸系统性能评价 指标。 最后，提出了四种集装箱码头铁路作业模式，及其仿真流程，并在一定的 仿真工况和仿真方案下，通过仿真试验，分析研究了这几种作业模式的优劣。 同时根据整体模型的仿真分析，选择最优的铁路作业模式方案，并给出了集卡 最佳配置数量。为集装箱码头铁路的规划和建设提供了有益的参考。 关键词：集装箱运输港口铁路g s p n 网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 a sa na d v a n c c dm o d eo “m s p o r t ，c o n t a i n e r t r a n s p o nh a sb e e nt h em a i nm o d e o ft r a d ea n dm a t e r i a l s r a n s p o nb e t w e e nn a t i o n sa 1 1 db e m e e nr e g i o n sj nt h ew o r l d s i n c e1 9 7 0 s ，c o n t a i n e r 妇n s p o nh a sb e e ng r e a n yd e v e l o p e di nc h i n e s er a i l r o a d ， w h i c hm o r et e c h n o l o g y ，c a p “a la n de q u i p m e n tw e r ei n v e s t e d ，a n d9 0 0 ds o d a la n d e c o n o m i cb e n e f j t sw e r ea c h i e v e d h o w e v e r ，w es h o u l da l s o o t ct h a tt h e r ea r eb 堙 g a p sc o m p a r c dw i t l lt l l ec o u n t r i e sa n dr e 百o n si nw h i c hm ew o r l dc o n t a i n e rt r a n s p o r t i sd e v e l o p e d ，i ns c a l e 、m e c h a i l i z a t i o n 、m o d e m i z e dm a i l a g e m e n tl e v e l 柚dt r a i i l s p o n m o d eo fc o n t 出n e ro r g a n i z a t i o n s 舢o n gw i t ht h er a p j dd e v e l o p m e n to fc h m e s ea i l dw o r l d s 仃a d e ，t h r o u g h p u to f p o r tc o n t a j n e rm a i n t a i nh i g h s p e e dg r o w m i n2 0 0 5 ，p o nc o n t a i n e ft h t o u g h p u t0 fo u f c o u n t r yh a sr e a c h e d7 5m j l l i o nt e u o nt h eo t i l e rh a l l d ，c o n t a j i l e r t r a d eg r o w i n g b m u g l l tn e wc h a 王l e n g e s f o rd e v e l 叩m e n to fc o n t a i n e rp o nt r a n s p o r t f o rt h e c o n s t 兀i c t j o no fp o r tt r a n s p o r tf a c i l i t yi s i g n o r e dj i lt t l ec o n t a i n e rp o nd e v e l o p m e n t w h i c hj sd 调电r c n tf r o mt h ep o n 、v a c e rd e p t h 、c h a n e lf a c i l 诳e sa l l dc o n t a i n e rh a n d 王i n 譬 e q u i p m e n t ，t h ep o nt r a n s p o r tf a c j l i t i e sh 弱b c c o m et h eb o t t l e n e c ko ft l l ec o n t a i n e r p o r tc a r g of i o w a c c o r d i i l gt os t a t i s t i c s ，c 蜥n e s ec u 玎e n tp o r tc o n t a i n e rt r a n s p o n m a i n l yd e p e n d so nc o n t a i e rt n i c k ，o n l y2p e r c e n tt o3p e r c c n t ss h a r e sa r e u n d e r t a k e nb yr a i l w a y s t l l u s ，i ti si m p e n t i v et od e v e l o pp o nr a i lc o n t a i n e rh 珊s p o n f jr s c ，t h i sa n i c l ea i l a l y z et t l ec o n t a i n e rr a i l t r a l l s p o r th u bi nd e t a i l ，i n c l u d i n gr a i l c o n t a i n e rn o d es t a t i o n si nh u br e g i o n ，t h ef 北i l i t i e s ， e q u i p m e n t ，o p c r a t i o n a l p r o c e d u r e s ，c o n t a i n 盯t r a i nt 舢s p o nm o d eo ft h es t a t i o n ，t h ec o m p o s i t i o no fp o r t 豫i l w a ya n dt h eh 觋d l i n gp f o c e s s ，a 1 1 do f ：f ：e ft h er e a l i s t i cb a s i sf o rt h ec r e a t i o no f m o d e l sa n ds i m u l a t i o nm o d e l si nf i l t u r e s e c o n d ，o nt l l eb a s i so fm o d e i i n gt h e o r yi ng e n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp c t r in c t s ，t h e l o 百s t i c ss y s t e mo fc o n t a i e rp o nr a i l w a yi sd j v i d e di l l t or a i lh a l l d l i n gl i n ea i l dy a r d ， a n db u i l d st h er e s p o n s i v et h e o t ym o d e l sr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h eg s p n ，t h e a n s w e r - a c q u i r e dm e t h o d so ft h eg s p nm o d e l sa r e 西v e n f o re x a m p l eo ft h e 朋d l w a y l i n eh 卸d l i n gs u b s y s t 咄s ，w ed e r i v et h es t a b l ep r o b a b i l i t yo fc x i s t e n c cp r o b a b i l i t y ， a n d a n a l y z et h ep e r f o 珊a n c ei l l d i c a t o r so ft h e o r c t i c a tm o d e l t h e n ，i n t m d u c et h eb a s i ce l e m e n t so fw i t i l e s ss i m u l a t i o ns o f l w a r ea l l du t i l i z e w i t n e s ss o f t w a r et oe s t a b l i s hp o no v e r a l ls i i i l u l a t i o nm o d e l s ，a tt h es 蛐et i m e ，t a k e t h em u l t i - o p e r a t i o n a lw a ya st h em a i c o n t e n t 柚db u i l dt h ep a r tm o d e lo ft h er a i l w a y h a i l d l i n gs y s t e ma 1 1 da c c o m p l i s ht h e 俯。一d j m e n s i o 弛ls i n l u l a t i o no fm ew h o l ea i l d p a r t i a lm o d e l d e s i g nb a s i cp 缸a m e t e r so fm o d e l ，0 p e r a t i o nn o w c e l lm o d u l e s ，a i l d 武汉理t 大学硕士学位论文 d e f j n e ds t a tp e 由m l a n c ep a r 锄e t e r ss ot h a tt h e s ee v a l u a t e dt h em o d e lp e r f 0 瑚a n c e f i n a l ly p r o p o s ef o u r 叩e r a t i o n a lm o d ea n ds i m u l a t i o np m c e s s e so fc o n t a i n e f p o r tr a i l w a y a l l di n ac c n a i ns i m u l a t e d n d i t i o na i l ds i m u l a t i o np l a l l ，m r o u 曲 s i m u l a t i o nt e s t i n 舀a n a l y z i ga n ds t u d y i n gi h em e r i t s o ft | l ev 甜i o u so p e r a t i o n a l m o d e s a n da tm es a m et i m e ，a c c o r d i n gt om es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h eo v e r a l l m o d e l ，c h o o s et h eb e s tp l 弛o f r a i l w a y 叩e r a t i o n a lm o d e l ，a i l dg i v et h eb e s ln u m b e r o fc o n t a i n e rt r i l c k a n do 彘rt h eb e n e f i d a lr e f 色r e n c c f o rt h e p l a n n i n g a n d c o n s t n l d i o no fc o n t “n e fp o nf a i l w a y - k e yw o r d ：c o n t a i n e rt r a n s p ( n ，p o nr a i l w a y ，g s p n ，w i t n e s s l l i 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 。1 1 集装箱运输业的发展 集装箱运输是现代交通运输发展的代表。运输经济性、安全可靠性、准时 性大大提高。对自然环境的影响小，并且其综合产业链长，影响范围大，对城 市发展作用显著。国内外研究表明，港口集装箱运输对区域经济的贡献是原油 的四倍左右、煤炭的二倍左右。正是由于集装箱运输的这一特征、以及其规模 化的发展，使其成为与港口吞吐量相当甚至更加重要的发展指标，得到各个港 口城市在发展上的重点支持，是城市经济贸易发展和功能提升的核心资源。 我国集装箱运输开始于2 0 世纪5 0 年代，但早期发展速度较慢。改革开放 以来，我国经济快速发展，对外贸易迅猛增长，集装箱运输需求逐年攀升，为 集装箱运输的发展创造了良好条件，使集装箱运输进入持续发展时期，1 9 8 0 一 1 9 9 0 年，全国集装箱运量从2 1 9 万t 增加到3 6 6 7 万t 。9 0 年代以来，随着国 民经济和对外贸易的持续增长，集装箱货源充足，市场容量迅速扩大，集装箱运 输进入高速发展时期。2 0 0 3 年，全国集装箱运输总量己达到3 7 7 5 2 万t ，与1 9 9 0 年相比，年均增长速度达到1 9 6 ，高于同期国民经济和外贸增长速度，也远高 于同期全国货运3 7 的增长速度。其中，铁路完成5 9 0 3 万t ，年均增长1 3 7 ： 公路完成1 6 8 4 8 万t ，年均增长2 5 1 ；水运完成1 5 0 0 1 万t ，年均增长1 8 6 。 我国集装箱运输呈现以下特点： 1 外贸集装箱运输高速增长 随着我国改革开放的不断深入和进出口贸易的强劲增长，国际集装箱运量 呈迅猛增长势头。集装箱海运量从1 9 8 0 年的1 - 9 万t e u 增加到1 9 9 0 年的1 5 2 万t e u ，年均增幅5 5 ；继而增加到2 0 0 0 年的9 6 8 万t e u ，年均增幅达2 0 。进 入2 1 世纪以来，年均增长速度约在1 6 3 左右，均超过全球集装箱运量增长速 度，2 0 0 3 年达到1 5 2 3 万t e u ，比2 0 0 2 年增长2 3 6 。2 0 0 4 年，我国港口集装箱 吞吐量完成6 1 5 0 万t e u ，同比增长2 6 4 “。( 见图1 一1 ) 据初步预测，2 0 0 5 年 集装箱吞吐量将达到7 5 0 0 万t e u 。2 0 1 0 年我国港口集装箱吞吐量将突破1 2 0 0 0 武汉理t 大学硕十学位论文 万t e u ，今后七年年平均增长速度可达到1 4 左右，外贸集装箱将突破8 5 0 0 万 t e u ，平均增长速度超过1 1 ”“。 摹梳! 蓐鞭u 图1 11 9 9 0 一2 0 0 4 年中国港口集装箱发展概况 2 内贸集装箱运输快速增长 随着经济的发展和产业结构的调整，国内贸易中高技术含量、高附加值的 货物交流日益增多，这对安全、及时、快速的运输服务提出了更高要求，件杂 货物集装化已成为货运发展的必然趋势，内贸集装箱运输方兴未艾，正在成为 交通运输发展的新增长点。近几年，铁路与内河集装箱运输同时出现了飞速发 展势头。铁路集装箱运量从1 9 9 5 年的2 2 9 3 万t 增加到2 0 0 0 年的3 8 5 5 万t ，年 均增长1 1 ；2 0 0 3 年铁路集装箱发送量达5 9 0 3 万t ，比2 0 0 2 年增加1 0 8 4 万t ， 增长2 2 5 ，比1 9 9 8 年翻了一倍。沿海港口内贸集装箱吞吐量由1 9 9 7 年的2 0 万t e u 增长到2 0 0 3 年的7 4 7 万t e u ，6 年增加了7 2 0 多万t e u ，年均增长8 3 。 2 0 0 3 年，全国主要港口内贸集装箱吞吐量完成8 2 0 8 万t e u ，较2 0 0 2 年增长了 2 9 ，占全国港口集装箱吞吐量的比重达1 7 。内贸集装箱运输正向大型化、专 业化、集约化、规模化方向发展，内贸集装箱运输的竞争力显著提高。 3 集装箱运输开始向多式联运和综合物流的方向发展 经过多年建设和发展，沿海港口已成为我国集装箱运输的主要集散点，集 疏运条件成为我国集装箱运输发展的关键环节之一。为此，我国集装箱港口的 发展十分重视配套建设，将连接港口的公路、铁路、内河航运乃至航空运输统 一纳入整个集装箱港口的建设规划中，积极开展集装箱多式联运业务，集装箱 疏运能力大大加强，并开始向综合物流方向发展”3 。 2 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 2 我国铁路货运状况以及港口铁路的发展 铁路在我国货物运输中的骨干地位，纵然有其必然性和可能性，但我国交 通发展以建立和完善全国统一的综合运输体系为目标，要充分发挥各种运输方 式的优势，形成相互衔接、互相补充、既有合作又有竞争、统一完整的交通体 系。因此，铁路虽然作为我国综合运输体系中的骨干，但是不可能也不应该垄 断、包办货物运输的所有领域，应与其他运输方式合理分工、有序竞争、联合 协作、协调发展。在我国货物运输中，铁路应正确定位、找准重点发展方向， 以便集中全力，利用有限的资金和能力，分层次、有重点地发挥铁路货运的独 特优势。 l 、铁路是中长途货运、省区间物资调运的骨干和主力，具有不可替代的 优势，是铁路货运巩固和发展的重点。 目前铁路货物平均运距达820 公里，是公路的l3 倍、内河航运的4 倍， 在运输的主要货类中，平均运距最长达34 o0 多公里：在26 个货类中有占 货运总量l 4 的17 个货类平均运距在10 00 公里以上：跨省市的货运量 也要占到铁路货运总量的2 3 以上。 2 、在国内运输中，铁路是大宗散货运输的骨干和主力，相当时期内其他 运输方式不能完全替代。 目前在铁路承运的货物中，能源、冶炼、建材等大宗物资占有相当大的比 重，仅钢煤木油四大类能源、原材料物资就占铁路货运总量的3 4 ，其中煤 炭运输一直占铁路货运量的4 成以上，全国煤炭产量的6 成以上由铁路调运。 3 、在联合运输中，铁路是港口集疏运系统的骨干，应在现有基础上进一 步提高铁路运输的比重。 港口不仅是我国对外开放的主要窗口，外贸进出口90 以上通过港口进 出，而且也是我国沿海地区能源等大宗散货调运的重要通道。港口作为多种运 输方式交汇的枢纽，对集疏运有着较强的依赖性。目前铁路在煤炭等大宗散货 的集疏运中起着重要的骨干作用，我国北方秦皇岛等五大煤炭中转港下海煤炭 运量已达2 亿吨以上，基本上由铁路集运；但在港口主要承担的集装箱吞吐量 中，铁路的骨干地位尚未奠定，目前我国港口集装箱吞吐量已达6 1 5 0 力te u ，虽然铁路也承担了内陆腹地相当箱源的集疏运，但在集装箱货物集疏运总 量中所占比重不大，仅及公路的l l6 ，据交通部为全面建设小康社会制定 的跨越式发展规划，到2o 2o 年全国沿海港口货物吞吐量将达40 亿吨，其 武汉理工大学硕士学位论文 中集装箱吞吐量可达1 7 亿teu ，年均增速都超过铁路货运的增长速度， 港口吞吐量的快速增长。为铁路货运的发展提供了有利条件。 4 、在货物运输中，铁路要把高端市场作为发展重点，大力提高集装箱运 输等比重，优化铁路货运结构 我国铁路由于长期执行计划经济模式，因此在经营战略、发展理念、企业 体制、营销机制等方面十分滞后，与竞争日趋激烈的运输市场很不适应，铁路 运输结构调整跟不上市场形势的变化也是其必然结果。铁路运输经营理念落后 主要表现在两个方面，一是偏重于运输业的低端市场：二是货类结构偏重大宗 散货，低运价、低回报率运输产品比重较大。因此，铁路货运结构长期处于较 低层次，结构调整进程缓慢。国际运输业发展历程和现代物流理论表明，货物 运输市场从纵向看，分为高、中、低三个层面：高端市场是运输代理业，中端 市场是仓储、运输保险业等，低端市场即是运输业本身。目前我国铁路货物运 输主要处于低端市场层次，对高中端市场尚未引起足够重视，这种状况迫切需 要从发展理念上尽快改变。此外，运输市场需求状况已有很大变化，除了传统 的能源、原材料等大宗散货之外，要求冷藏运输、集装箱运输、罐装运输等的 新型现代工农业产品日趋增多，而铁路运输在装卸设备、运输工具、运输质量、 送达时间等方面还很不适应，结构调整跟不上运输形势发展的要求。尤其是铁 路集装箱运输长期举步艰难，未能取得突破性进展，在货运量构成中不足3 ， 而可以作为集装箱的货源至少占货运总量的10 左右，随着国民经济发展和 产品结构的变化，集装箱运输需求越来越大，铁路货运本身又具备集装箱运输 的优势，关键在于组织领导、思想重视、系统配套、改进装备。铁道部现已把 加决集装箱运输发展作为实现跨越式发展的一项紧迫任务来抓，期望尽快能得 以落实，实现铁路集装箱运输的跨越式发展3 。以下是2 0 0 4 年铁路相关主要指 标完成情况： 4 武汉理_ 大学硕士学位论文 表1 12 0 0 4 年铁路相关主要指标完成情况 疆目单位批】年2 州年o瑾目位i 拍，年棚车k 一帙笛运* 设鲁贷运札罩平均丰引旦i i2 z 1 -】1 全田蛙略蕾业卫骚 - -t ) * 26，“，l 一霉帙蛄麓喜列车t 行速度 - - 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上来看，铁路货运在市场中所占比重却呈下降趋势。以盐田港为例，2 0 0 3 年港 口操作集装箱量超过5 0 0 万t e u ，而疏港铁路同期的货物运输量不到2 万t e u ， 绝大部分进出港口的货物都是通过公路运输分流。 由于国际货运量的9 0 以上是靠海运完成，因此港口在整个运输链中总是最 大量货物的集结点。疏港铁路作为港口重要的疏运方式之一，在港口建设规模 的不断扩大和现在化程度的日益提高，吞吐量的增长迅猛的大前提下，如果利 用现有铁路资源，优化配置，发挥其最大运能，以及深化铁路货运向现代物流 方向发展，成为迫在眉睫的问题。 港口铁路货运的计算机仿真研究，着力分析其运作过程，资源配置合理性， 以及寻找当前营运存在瓶颈。通过在计算机上对模型的模拟，预测物流吞吐量， 制定运输调度计划，促进资源的合理分配，传递和处理物流信息，实现整个生 产作业过程的可视化，评价方案的优劣，并对其进行方案修改，以避免资金、 人力和时间的浪费。它可以充分利用计算机的优点，尽可能多的考虑各种因素 对系统动态运作过程的影响，研究系统中变量之间的相互关系，以发现系统设 计中存在问题，为管理者提供决策依据。 同时，对港口铁路的仿真研究，可以为国有铁路改变传统货运观念，深化 体制改革，适应现代物流发展并向其转变提供有益参考和依据。 1 3 港口物流系统研究的国内外动态 1 3 1 离散事件动态系统建模及分析方法 港口物流系统是典型的离散事件动态系统。 离散事件动态系统，是在当今世界一大批高新技术发展的推动下形成和发 展起来的，本质上属于人造系统的范畴，简称为d e d s f d i s c r e t ee v e n td v l l a m i c s y s t e m s ) 。在这类系统中，对系统行为进程起决定作用的是一批离散事件，而不 是连续变量，所遵循的是一些人为规则，而不是物理学定律。离散事件是指d 功s 中发生在离散时刻的事件或行为，发生时刻取决于这一时刻前系统行为的深化 过程。港口的“船舶到达”和“船舶离开”就是一些典型的离散事件。在d e d s 中，一个离散事件的发生驱动系统状态发生变化，同时还会按照系统的运行规 6 武汉理工大学硕士学位论文 则在系统中激发新的离散事件，从而形成系统状态的演化过程。比如，“货车到 达”事件会改变装卸点的状态及触发各种装卸运输机械工作，而装卸运输机械 工作又会改变堆场、货车的状态。事件持续传递和变换，演绎着港口物流系统 的动态行为。由此可见，港口物流系统是典型的离散动态系统。 和连续系统一样，研究d e d s 需要建立模型，模型反映了系统主要行为特 征的变量与系统结构参数之间的一种关系。模型可采用数学方程、曲线、图表、 计算机程序等多种形式表征。基于系统的模型，可分析系统的行为性能及其与 系统结构和参数的关系，研究系统的控制和优化。不过，目前要对一个复杂的 离散事 牛动态系统建立比较完善的模型还是比较困难的汹3 。一般认为，d e d s 的模型定位于运筹学、系统与控制理论、人工智能与自然语言理解等多学科之 间的结合。 在d e d s 的研究中，常把d e d s 的模型和分析区分为三个基本层次，即统 计性能层次、代数层次和逻辑层次“。 d e d s 模型和分析的统计性能层次 d 功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。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。与d 皿s 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、平均作业时问等。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。由哈佛大学何毓琦阿c h o ) 教授及合作者提出和发展的摄 动分析( p e n u r b a t i o n a n a l y s i s ，简称p a ) 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。 7 武汉理工人学硕士学位论文 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。 d 印s 模型和分析的代数层次 d e d s 模型和分析的代数层次，着眼于在物理时间层次上来研究d e d s 的 代数特性和运动过程，采用的主要数学工具有极大代数方法等。 极大代数法是由g c 0 h e n 等人在1 9 8 5 年提出的，以极大代数为工具，将制 造系统视为确定性系统，根据系统的运行关系建立起一系列事件发生时间的状 念方程，分析其特征值，得出加工设备、运输设备的工作周期、利用率等指标。 极大代数法主要研究的是系统的稳定性和周期性稳态问题。它的优点在于模型 的线性形式易于处理物理时问，理论体系严格完整，比较适合于串行生产线的 d e d s 的建模和分析。缺点是处理问题的范围较窄，当系统比较复杂时，系统模 型的维数较大，计算困难。 d 印s 模型和分析的逻辑层次 d e d s 的模型和分析的逻辑层次，着眼于在逻辑时间层次上来研究d e d s 中事件和状态的符号序列关系，采用的主要数学工具包括佩特里网、形式语言 自动机、马尔柯夫链等。下面主要介绍一下p e 们网技术。 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 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 j 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。 1 3 2 国内外铁路集装箱运输研究动态 铁路货运作为现代物流链上的一个重要环节，对促进国民经济的发展举足 轻重。从中国的实际国情出发，铁路货运应当是交通运输的龙头企业。铁路货 运具有遍向全国的铁路网络和货场，其长途运输优势和大宗货物仓储能力是其 它任何交通运输业无法比拟的。疏港铁路作为港口附属设施，在目前的公路运 输逐渐占据陆运主要地位的形势下，应该积极发挥自身优势，依托港口大型物 流节点，积极开展国内国际业务，实现与现代物流接轨，增强社会运输市场占 武汉理j 二大学硕士学位论文 有率。就目前的实际情况而言，疏港铁路在承担港口货物运输上，具有很大的 潜力。因此，对港口铁路货物中转的系统仿真，具有重要的现实意义。 通过查阅大量文献资料了解到，目前，在发达国家从事集装箱码头系统模 拟模型开发的人员和公司很多，如加拿大的s a n d w e l li n c ，香港的c h i n a l 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 d1 0 9 i s t i c s 公 司等。但是，采用系统仿真的方法用于铁路运作的研究，还比较少见。国内目 前有关铁路的仿真研究，如铁道学报，由程文明等撰写的铁路集装箱场系统 模型及动态模拟论文，其中将计算机动态模拟运用于铁路集装箱场的分析和 研究，将集装箱场各个环节抽象成数学模型，然后随时间的变化，按照一定的 逻辑计算各种量值的变化。并采用离散事件系统仿真语言g p s s f 编制计算机模 拟程序，输入在系统模型中建立起来的各种数量和逻辑关系，实现系统的动态 模拟。最终模拟结果输出信息：1 ) 堆场每天进出箱数、利用状况、倒箱情况、 集装箱贮存量和贮存周期。2 ) 汽车等候时间、队长和频率。3 ) 装卸机械作业 量、作业时间、作业行程和装卸效率。论文最后提到，系统模拟可以为铁路集 装箱场的规划、设计、研究分析、装卸机械的选型及发展、运营管理、招标投 标和进行可行性研究等方面提供决策参考。同时要求注意的一点就是，系统模 拟必须有运营现场大量准确的统计数据，否则将影响模拟结果的可靠性和运营 决策的正确性。另外，k o z a n ( 1 9 9 7 ) 研究过利用火车疏运集装箱的码头的吞吐量。 他用启发式理论将火车分配给轨道，将起重机、叉车和跨运车分配给集装箱， 通过仿真分析不同运作模式对码头集装箱作业的影响。在k o z a n 的另一篇论文 中他用一批到达、多服务台排队模型对这些运作模式进行建模，讨论影响集装 箱码头运输效率的各种主要因素。 1 。4 论文的主要硕究内容 本论文将整个集装箱码头铁路物流系统作为一个整体，结合铁路集装箱装卸 作业的特点，分析了码头铁路集装箱中转操作流程以及系统中的主要随机过程， 对系统的仿真建模理论方法及理论建模过程作了详细的研究，并利用w i t n e s s 软件建立集装箱码头铁路物流系统的二维动画仿真，通过仿真数据分析各种因 素对铁路货运中转作业效率的影响，通过合理的作业模式和设备调度，提高整 个铁路货物装卸的作业效率。 1 集装箱码头铁路物流系统。介绍了铁路集装箱结点站、办理站的设施、 9 武汉理工大学硕士学位论文 设备、作业流程、集装箱列车的运输方式以及港口铁路的组成和装卸作业流程 等。 2 建立集装箱码头铁路物流系统理论模型。基于离散事件动态系统的研究 方法，运用广义随机p e t r i 网理论对铁路运作过程进行分析，建立相应的数学 模型。计算系统状态的稳态概率，并对码头铁路进行理论模型的性能指标分析。 3 集装箱码头铁路物流系统仿真模型开发。运用w i t n e s s 专业仿真软件， 对码头铁路的整个生产作业系统进行数字仿真并实现了二维的计算机动画模 拟，实时动态地显示集装箱码头铁路货物装卸操作过程，得到相应的生产性能 统计参数。 4 集装箱码头铁路物流系统仿真模型分析。在一定的仿真工况和仿真方案 下，对四种集装箱码头铁路作业模式进行仿真试验，分析研究了这几种作业模 式的优劣。同时对码头整体模型进行仿真分析，选择最优作业模式方案，并给 出集卡最佳配置数量。 1 0 武汉理上火学硕士学位论文 第2 章铁路集装箱运输 2 1 我国集装箱运量分布特征皿砌叩7 1 集装箱的货源主要依赖于经济水平、地区产业结构和对外贸易水平，目前 我国适箱货物总运量大体为1 0 亿吨左右。从地域分布情况看，我国适箱货物表 现为东多西少，南多北少的基本格局。东部地区经济较为发达，工业化程度较 高，产业结构多以轻工、纺织、机械、电子等为主，对外贸易发展较快，是我 国适箱货物的主要生产地。西部地区经济较为落后，工业化程度较低，资源开 发与输出是现阶段产业结构的主要特征，对外贸易绝对量较小，适箱货物产生 量较少。 目前我国集装箱运量为1 8 5 亿吨左右，适箱货物入箱率为1 8 左右，我国 集装箱运输分为国内、国际两套运输系统。 2 1 1 集装箱运量分布特征 1 ) 国际集装箱分布特征 我国国际集装箱运输，其运量增长幅度和流量流向总体上与经济发展和对 外贸易发展的地域结构密切相关，基本上是以沿海港口和陆地口岸为龙头，由 沿海逐步向内陆地区推进。其主要特征为： 第一，各地区国际集装箱运量比重差异较大，其中华东和华南地区国际集 装箱占国际总量的7 5 以上，西部地区仅为4 左右，这与地区经济发展水平相 一致。 第二，各地区国际集装箱集疏运的主要运输方式各不相同。在港口城市及 沿海地区公路所占比重较高，长江、珠江沿岸省份，内河水运占据较大比例。 对于华中、西南、西北等内陆地区。铁路的集疏运比重较高，这与各种运输方 式经济技术特征及作用相一致。从全国经由主要港口的国际集装箱集疏运方式 分析，公路是港口集装箱疏运的主要方式，占总量的7 7 左右，铁路仅占5 左 右，水运占1 8 左右。 2 ) 国内集装箱分布特征 武汉理工大学硕士学位论文 国内适箱货物运量公路占有较大比重，但由于多采用箱式货车运输，并没 有转化为集装箱运量，因而在国内集装箱运输统计中，铁路所占比重最高。1 9 9 9 年铁路集装箱运量占国内箱总量的8 3 ，因此铁路集装箱的运量分布基本可以代 表国内箱的运量分布。 从地区分布看，1 9 9 9 年东北地区铁路集装箱发送量占国内集装箱运量的 1 2 2 4 ，华北地区占1 8 3 1 ，华东地区占2 2 2 4 ，华中地区占2 4 1 2 ，西南地 区占1 2 8 5 ，西北地区占1 0 3 0 ，与国际箱偏集于华东、华南地区分布相比， 国内箱分布的地区差异相对较小，华东、华南地区分布不到5 0 。 2 1 2 集装箱运输流向特征 1 ) 国际集装箱运输流向特征 国际集装箱进出口是通过沿海和内陆口岸完成的。沿海和内河口岸主要由 大连、天津、青岛、上海、南京、厦门、广州、深圳等主要港口，2 0 0 0 年港口 国际集装箱吞吐量前1 0 位依次为上海、深圳、青岛、天津、广州、厦门、大连、 宁波、中山、和福州港。内陆口岸主要是看进出香港的深圳公路口岸，约占陆 路国际集装箱运输量的9 5 以上，其余通过阿拉山口、满洲里、二连浩特等口岸 的铁路大陆桥运输。从流向分析，东北地区主要依赖大陆桥和满洲里，华北地 区主要依赖天津、青岛港和二连浩特，华东地区主要依赖上海、青岛、厦门、 南京港，华中、西南地区主要依赖广州、深圳、湛江港，西北地区由于深处内 地，除向西的阿拉山口口岸外，主要通过广州、上海、天津港运输。由于目前 我国只有上海、深圳两个港口可以开行远洋航线，其它港口均为近洋航线，因 而，国际集装箱跨区域运输也占有一定的比重。 2 ) 国内集装箱运输流向特征 国内适箱货物主要源自经济发达、区域市场消费大的中心城市，流向相对 比较集中。铁路集装箱运量主要集中在上海、北京、广州、沈阳、郑州五个铁 路局，五个铁路局的集装箱到发量占铁路集装箱装箱量总量的2 3 。集疏运通道 主要集中在京广、京沪、京哈、浙赣、陇海等几大干线，主要流向是由南往北， 由东往西。绝大部分为大中型城市间的交流。汽车运输的国内箱的流向主要是 以铁路车站为中心，接运铁路的货物实现公铁门到门的运输。国内箱的水运流 向主要是沿长江、珠江及沿海。 1 2 武汉理上人学硕士学位论文 2 1 3 铁路集装箱运输特征 1 ) 运量集中 根据1 9 9 8 年铁路o d 统计资料，铁路集装箱运量主要集中在十几个大站上。 广州、成都、天津、上海、北京、乌鲁木齐、昆明、重庆、哈尔滨、兰州前1 0 大集装箱作业点，发送量占集装箱总量的3 0 3 3 ，到达量占总量的3 5 4 6 ，前 2 0 大集装箱作业点发送量占总量的4 2 8 3 ，到达量占总量的5 0 8 1 。5 5 个结 点发送量占总量的6 2 3 4 ，到达量占总量的7 1 1 3 ，结点间的交流量占4 5 7 1 。 2 ) 运距长 我国铁路集装箱平均运距一直维持在2 0 0 0 k m 左右，较全国货物平均运距 8 0 0 l 【1 1 1 长1