（机械电子工程专业论文）集装箱码头布局方案及作业系统的仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着集装箱码头规模的扩大，港口装卸系统向大型化、高速化、自动化、 信息化方向发展，以进一步提高码头生产效率和服务水平。集装箱码头的建 设投资大、周期长，其规划和设计牵涉技术、经济、社会环境等多方面的因 素，同时由于码头的船舶装卸作业具有离散、随机及动态性的特点，给码头 布局及其设备配置的科学决策带来一定的难度。 近年来，离散事件系统仿真技术已成为计算机科学与其它技术科学领域 中研究和开发的热点，其应用也越来越广泛。本文阐明了对集装箱码头布局 规划方案进行仿真分析的现实意义，在对国内外离散事件系统仿真技术在码 头布局规划中的研究及应用情况进行综述的基础上，结合“基于虚拟现实的 集装箱码头工艺系统仿真及优化研究”课题，系统地分析了集装箱码头的装 卸搬运作业系统的结构组成、装卸工艺、物流过程及码头布局规划的要求， 并针对集装箱码头布局设计方案的仿真中，建模工作量巨大的特点，在分析 码头生产工艺和参数化设计特点的基础上，以仿真软件e5 f i p l a n t 为工具， 提出了仿真参数化的研究思路，且对其中的关键性技术人机交互对仿真过 程的控制进行了研究，在此基础上建立了集装箱码头布局规划的离散事件系 统动态仿真模型，并对e m p l a n t 进行二次开发，实现了布局方案的参数化仿 真。首先应用该模型对已建上海某集装箱码头的装卸作业过程进行仿真，并 通过输出数据中主要技术参数和实际数据的对比分析，对模型进行了验证。 应用建立的模型可对一定范围内集装箱码头多种布局方案的装卸作业 过程进行仿真，得到初始方案仿真运行的定量结果，如各泊位年吞吐量、岸 桥利用率、船舶在港停时和栈桥车流量等技术参数。并通过各方案输出参数 中主要技术指标的比较分析，选出较优的布局设计方案。并以上海外高桥五 期港区工程为依托开展应用研究，得到了布局方案运行性能的预测结果，其 研究成果可以使设计者和决策者在设计期间便能了解到码头布局和投产后 运行的性能和效率，实现对方案的深入了解和分析，可以避免设计中的失误。 同时通过对方案的比选，选择较优的方案，从而提高设计质量。 关键词：集装箱码头、布局方案、作业系统、e m p 1 a n t 、参数化 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n d i n gs i z eo fc o n t a i n e rt e r m i n a l s ，l o a d i n g u n l o a d i n gs y s t e m o ft h ep o r t sa r eb e c o m i n g1 a r g e s c a l e ，h i 曲s p e e d ，a u t o m a t i ca n di n f o r m a t i o n a l ， i no r d e rt ou p g r a d ef i u r t h e rt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n dt h el e v e lo fs e r v i c e s t h ec o n s t r u c t i o no fp o r tc o n t a i n e rt e r m i n a ln e e d sm a n yi n v e s t m e n t s ，a n dt h e 1 i f 色c y c l ei sl o n g ，m o r e o v er i t sp l a n n i n ga n dd e s i g n i n gr e l a t e st om a n ya s p e c t s ， s u c ha s t e c h n o l o g y ，e c o n o m y ， s o c i a le n v i r o n m e n t ，e t c a tt h es a m et i m e ， s h i p p i n go p e r a t i o no ft h eq u a yi sd i s c r e t e ，s t o c h a s t i ca n dd y n a m i c t h u si ti s d i m c u l tt om a k ead e c i s i o ns c i e m i f i c a l l yo nt h e1 a y o u to ft h et e r m i n a la n dt h e e q u i p m e n ts t a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h ed i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y h a sa l r e a d yb e c o m et h ef b c u so ft h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gi n c o n l p u t e r s c i e n c ea n do t h e r t e c h n 0 1 0 9 i c a l f i e l d s i t sa p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r e e x t e n s i v et h ed e s c r i p t i o ns e t sf b r t ht h er e a l i t ys i g n i f l c a t i o no ft h es i m u l a t i o nt o t h el a y o u to fc o n t a i n e rt e r m i n a l o nt h eb a s eo ft h es t u d yo na n da p p l i c a t i o nf b r t h ed i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef o r e i g na n d c j v i l ， a n dc o m b i n i n gw i t ht h e p r o j e c t t h a ti sn a m e d “t h es i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o ns t u d yo fc o n t a i n e rt e r m i n a l s1 0 a d i n g u n l o a d i n gc r a f tb a s e do n v i r t u a lr e a 】i t y ”，t h eo p e r a f i n gs y s t e m ，l o g i s t i c sc o u r s ea n dt h er e q u i r e m e n to n t h e1 a y o u to fc o n t a i n e rt e r m i n a la r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t ot h ep r o b l e mo f t h em o d e l i n gb e i n gd i 壤c u l ti nt h et i m ea n de m c i e n c yw i t h i ns i m u l a t i o nt ot h e 1 a y o u to ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a l ，t h er o u t i n eo fs i m u l a t i o np a r a m e t e r i z a t i o ni ss e t f b r t ha c c o r d i n gt ot h ef 色a t u r e so ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a lp r o c u r ec r a f ta n dt h e p a r a m e t e rd e s i g n a n dt h ek e yt e c h n i q u eh o wg u ic o m r 0 1 st h ep r o c e s so f s i m u l a t i o ni ss t u d i e da l s o t h ed i s c r e t ee v e n td v n a m i cs v s t e m sm o d e lo ft h e l a y o u to nc o n t a i n e rt e r m i n a lb ym e a n so fs o f t w a r en a m e de m p l a n ti ss e tu p t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f e m - p l a n t i s c o m p l e t e s ot h ep a r a m e t e r s i m u l a t i o no ft h e1 a y o u ta l s oc a nc o m et r u e t h eo p e r a t i n gc o u r s eo fas h a n g h a i p o r tc o n t a i n e rt e r m i n a ii ss i m u l a t e db ym e a n so ft h em o d e l t h em a i n l yo u t p u t i i 武汉理工大学硕士学位论文 t e c h n l c a lp a r a m e t e r si sc o m p a r e dw i t hr e a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e nt h ee x a c t n e s so f m o d e li sv e “f i e da l s o t od i f f e r e n td e s i g np l a n1 a y o u to p e r a t i o nc o u r s e ，m e i rs i m u l a t i o nr e s u l t s c a nb eg o ti nt h ec o n n n e ，s u c ha st h r o u g h p u t ，t h ec r a n ee f f i c i e n c y t h eb e t t e r p l a nc a nb es e l e c t e dt h r o u g ht h er e s u l t s a tl a s tt h ee x a m p l ea b o u tt h e1 a y o u t s i m u l a t i o np r o j e c to ff i f t h s h a n g h a ip o r t s c o n t a i n e rt e r m i n a l ，w h i c hm a k e d e s i g n e ra n dp o l i c ym a k e rk n o wt h eq u a y ss t r u c t u r ea n dt h ep e r f b r m a n c ea n d e f n c i e n c yf r o mt h eo p e r a t i o no ft h eq u a ya n dt h ef h u l t sc a nb ea v o i d e di nt h e d e s i g n t h eb e t t e rp l a nc a nb ea l s os e l e c t e dt h r o u g hc o m p a r i n gw i t hd i f f e r e n t p l a nr e s u l t i th e l p st oi m p r o v ed e s i g n i n gq u a l i t ya n ds h o r t e nt h ed e s i g np e “o d k e yw o r d s ：c o n t a i n e rt e r m i n a l ，l a y o u ts c h e m e s ，o p e r a t i o ns y s t e m ，e m p l a n t p a r a m e t “c i i i 第1 章绪论 1 1 课题的背景、目的和意义 随着集装箱码头规模的扩大，港口装卸系统向大型化、高速化、自动化、 信息化方向发展，以进一步提高码头生产效率和服务水平。集装箱码头的建 设投资大、周期长，其规划和设计牵涉技术、经济、社会环境等多方面的因 素，同时由于码头的船舶装卸作业具有离散、随机及动态性的特点，因此给 码头布局及其设备配置的科学决策带来一定的难度。 近年来，离散事件系统仿真已成为计算机科学与其它技术科学领域中研 究和开发的热点，其应用也越来越广泛。本文结合“基于虚拟现实的集装 箱物流系统仿真及智能优化研究”课题，通过离散事件系统仿真技术对集装 箱码头装卸作业过程的分析，将离散事件系统仿真技术应用到集装箱码头的 布局规划设计中。运用离散事件系统仿真软件e m p l a n t ，建立了集装箱码头 作业过程的动态仿真模型，该模型可对同类的一定范围内的集装箱码头布局 方案的作业过程进行仿真。首先应用该模型对已建的上海港某集装箱码头的 装卸作业过程进行仿真，并通过输出数据中主要技术参数和实际数据的对比 分析，对模型进行了验证。然后以拟建的上海外高桥五期( 以下简称外五) 港区工程为依托开展研究，对集装箱码头布局规划的多种设计方案进行仿真 运行，运行后输出的生产结果使设计者和决策者在设计期间便能了解到码头 投产后运行的性能和效率，实现对方案的深入了解和分析。 本课题应用离散事件系统仿真技术，对集装箱码头布局规划方案进行仿 真，并考虑泊位数、栈桥数量、码头宽度、岸桥及集卡配备数量等因素变化 对作业过程及码头通过能力的影响进行了分析研究，为了完成集装箱码头布 局方案的比选，仿真模型应保证能够进行多种参数配置下的方案仿真。每个 布局方案中的仿真参数是不完全相同的，如果每一个方案都建立一个仿真模 型，建模的工作量是巨大的。为此在分析码头生产工艺特点的基础上，利用参 数化设计手段丌发了可以动态配置生成仿真方案的集装箱码头仿真模型，通 过人机交互界面输入不同参数，生成多种仿真方案，然后对不同码头布局方 案进行仿真、试验，实现方案的比选。 武汉理工大学硕士学位论文 通过系统仿真对备选方案投产后的运行性能进行预测，检验方案的技术 可行性，了解系统的生产瓶颈，并可针对方案存在的问题，动态地调节备选 方案的输入，考察码头布局及设备配置等参数改变后的效果，避免设计中的 失误，同时针对仿真结果反映的问题，对设计方案进行改进，从而提高设计 质量，缩短码头的设计周期。 1 2 离散事件系统仿真建模的研究现状 集装箱码头作业系统主要由泊位、岸边集装箱起重机( 简称岸桥) 、集 装箱龙门起重机( 简称场桥) 、水平运输机械( 如集装箱拖挂车等) 、堆场、 道路、闸口等若干单元组成。船舶出入港口以及集装箱在港内的装卸、运输、 堆放等活动构成了系统的状态，单元的工作和空闲构成了整个系统的离散事 件。各单元的运作由码头中心控制室调度管理，整个系统在大量的高新技术 支持下高速运转”。 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 ( d i s c r e t ee v e n t d y n a m i cs 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 e d s 中发生在离散时刻的事件或行为，发生时刻取决于这 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，“船舶到达”事件会改变泊位的状态及触发各种 装卸运输机械工作，而装卸运输机械工作又会改变堆场、闸口的状态。事件 持续传递和变换，演绎着港口作业系统的动态行为。由此可见，港口集装箱 作业系统是典型的离散事件动态系统。 正如连续系统一样，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“1 。 近些年来，研究人员对d e d s 的建模、分析等方面的研究取得了很大进 2 武汉理工大学硕士学位论文 展，开发了很多新的建模技术。概括地讲，这些建模方法可分为两大类：形 式化建模技术和非形式化建模技术。 1 2 1 形式化建模技术 所谓形式化建模技术是只采用大量的数学工具，通过状态方程对系统进 行描述和分析，包括排队网络法、摄动分析方法等。 d e d s 模型和分析的统计性能方法，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 e d 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，可以分析港口作业系统的生产率、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0 “。 2 ) 摄动分析方法。由哈佛大学何毓琦( y c h o ) 教授及合作者提出和发展 的摄动分析( p e r t 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。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差的或一致的。这阻碍了摄动分析方法的推广运用。“”1 。 1 2 2 非形式化建模技术 近些年来，随着计算机技术的不断发展，人们越来越希望借助计算机技 亟堡垄三盔堂堡主堂焦堡壅 术对系统进行分析，因而出现了非形式化建模方法，非形式化建模技术是指 采用图形符号或语言描述等较贴近人们思维习惯的方式对系统进行描述和 分析，这种分析主要借助计算机程序实现。 活动循环图( 又称a c d 图) 认为系统中的每一个实体都按各自的方式 循环地发生变化，而在这一循环中只有两种状态一一静止状态和活动状态， 这两种状态交替出现，活动循环图以图形方式，直观地显示系统。通过系统 中的状态变化，有利于理解和分析。但对于较复杂的系统，活动循环图十分 繁杂。 流程图法一直是计算机程序设计时所用的系统的模型，它通过信息的传 递和转移来描述系统。这种方法主要是用来做程序设计，对系统的状态缺乏 直接的描述。 面向对象技术最初是由一组面向对象程序设计概念发展起来的，这种技 术如分解、抽象、递阶等特性非常适用于复杂问题的求解。例如，张江平“ ( 2 0 0 1 ) 使用面向对象技术建立了飞控系统领域的系统建模仿真环境。 面向对象( o b j e c t o r i e n t e dm o d e l l i n g ) 的建模技术，和其他几种建 模技术相比，建模较灵活，使用方便，且其特性较适应于复杂问题的求解。 由于集装箱码头的作业系统是一个典型的离散事件动态系统，本文综合考虑 了离散事件动态系统的几种建模技术的特点，确定在对集装箱码头的作业系 统的仿真研究中采用面向对象的建模方式0 ”。 1 3 离散事件系统仿真技术在集装箱码头设计中的应用 作为国际运输链与物流链的重要环节，集装箱运输业在现代物流业的发 展中起着不可替代的作用，一些发达国家甚至将其作为体现本国物流综合竞 争力的重要标志。集装箱运输业不仅是国民经济的基础，同时也为国内外经 济、贸易的发展做出了巨大的贡献。进入全球物流时代以后，现代集装箱码 头已经从纯粹的运输中心( 运输+ 转运+ 储存) 发展成为配送中心( 运输十转 运+ 储存+ 拆装箱+ 仓储管理+ 加工) ，再发展为如今的综合物流中心( 运输+ 转运+ 储存+ 拆装箱+ 仓储管理+ 加工+ 信息处理) “”。现在集装箱码头已经成 为一个集商品流、资金流、技术流、信息流于一体的物流中心。 凭借规模化的集散能力，集装箱码头最有可能成为整个物流链的枢纽和 4 亟区垄三盔堂堡主主焦坠銮 增值服务中心。集装箱码头是国际贸易中心的服务基地和货物物流的分配中 心，是货物和航运业的信息中心。集装箱码头通常位于经济、贸易、金融、 信息较发达的城市，为综合物流的发展提供了有力支撑。“。”“ 物流技术和计算机仿真技术的结合逐渐成为研究港口规划和管理决策 的重要手段。1 9 9 8 年在香港召开的9 8 亚洲港口研讨会上，计算机仿真技术 在港口物流规划研究中的应用已成为一个引人注目的研讨问题。迄今为止， 国内外利用计算机仿真软件对港口装卸设备和物流工艺规划过程作了许多 研究工作，一般是采用数字仿真的手段，用于确定合理泊位利用率、装卸设 备资源的合理配置、装卸工艺流程的选择等。“3 “” 在集装箱码头布局设计中，主要是确定码头泊位的泊位数量、码头前沿 宽度、堆场的大小及布局、装卸搬运机械的性能参数及数量等，这主要取决 于进港船舶的船型、装载量和船舶进港的密度等。 在集装箱码头布局设计过程中，一般首先根据经验提出初始方案，然后 对它们进行技术、经济及社会效益的评价，比较后选取较好的方案。应用系 统仿真技术，可以建立集装箱码头作业系统的离散系统仿真模型，通过模型 进行系统作业过程的仿真，得到初始方案作业过程仿真的定量结果，如码头 吞吐量、泊位利用率、船舶平均等待时间、船舶平均服务时间等港口营运参 数，作为布局规划方案选取的依据“”。同时，系统仿真过程中允许改变输 入参数，即通过对方案的调整来预测系统改变后的运行性能。采用离散系统 仿真的方法可使设计中未确认的及无法预测的问题在仿真过程中被描述出 来，从而降低由于设计不合理给企业带来的风险和损失，避免实际应用中人 力、物力的浪费。 国内外同类研究及其应用概况 一个集装箱码头的作业效率与泊位、岸线长度、岸桥、堆场面积、场桥 等昂贵资源的有效使用、合理分配与计划有关。这些资源中每一项在集装箱 码头互锁的生产作业中都起着不可缺少的作用。 泊位是一个码头的必需资源。因而，当船舶较多时，合理的分配泊位可 减少船舶的耽搁。在国内，鲁子爱( 1 9 9 9 ) 把港口生产系统视为随机服务系统， 建立了模拟港口营运状况的计算机仿真系统。仿真的输出为港口吞吐量、船 舶的平均等待时间、平均服务时间和平均排队长度等港口营运参数。仿真模 型中，船舶占用泊位时间根据船舶装卸量、码头泊位装卸效率、气候影响等 亟区垄三盔堂堡主堂焦盗塞 条件计算确定“”。国外的n a m k c 等 “7 1 ( 2 0 0 2 ) 为韩国釜山g a m m a n 集装 箱港口评估今后发展方案，设计了四类仿真场景，采用不同作业策略，优化 港口泊位和岸桥数量大小。汪锋“( 2 0 0 3 ) 应用w i t n e s s 仿真软件建立某集 装箱码头仿真模型，研究了在一定吞吐量情况下配备合理泊位数和在一定的 泊位数的情况下，岸边起重机的合理调度问题，指出了应根据不同的船泊到 港密度安排合理的调度方式。 岸桥是码头装卸船舶的专用机械，码头作业时，岸桥的如何分配和调度 直接影响着泊位的使用率。真虹( 1 9 9 9 ) 通过仿真证明，岸桥集中作业时，平 均单船作业时间最短，但泊位利用率低。因此，当船舶到港密度较小或码头 服务能力较强时，岸桥集中作业时和均匀分配方式相比，更有助于减少船舶 在港逗留时间。仿真结果显示，采用自动调配作业方式( 即在仿真作业过程 中，空闲泊位上的设备自动调配到作业泊位参与装卸) 时，设备利用率最高， 船舶等待时问和等待队长最短“”。国外，d a g a n z o ( 1 9 8 9 ) 采用整数规划模型 和一个简单的分配策略，分析岸桥的作业效率，计算在高峰期泊位的最大吞 吐量，解决静态岸桥调配问题，达到了减少船舶待泊费用的目的。 p e t e r k o f s k y 和d a g a n z o ( 1 9 9 0 ) 认为这是个并行工作的岸桥的“开放的程序 站”调配问题。建立整数规划模型来减少船舶待泊费用，并采用分支和跳跃 方法来获得优化结果“”1 。c h e n gy o n gl e o n g “( 2 0 0 0 ) 用a u t o m o d 离散事 件仿真软件分机了两个车辆配置仿真模型，研究了配置调度策略对船舶装卸 作业服务时间的影响。杨静蕾“”( 2 0 0 3 ) 以上海港外高桥集装箱码头为例， 构建了一个包括锚地、泊位、桥吊、龙门吊和集卡的动态多级排队网络，运 用仿真技术来描述集装箱码头装卸系统，通过对系统输出指标的分析，得出 了外高桥集装箱码头的最优机械配比和最优的桥吊台数。 堆场是码头最复杂的部分，因为进出集装箱在那同时进行装卸。堆场的 资源调配在很大程度上决定了码头的效率。对于堆场的运作有两个主要的研 究方向：集装箱区域的划分( 堆放策略) 和堆场设备调度。堆放策略是非常关 键的，它决定了在每个堆放区的工作量。张新艳( 2 0 0 2 ) 在她的博士论文中， 忽略场桥的影响，用基于生物进化策略对堆场上集装箱运送顺序进行优化， 实现了基于生物进化策略的港口集装箱物流子系统的优化“3 1 。 t a l e b i b r a h ij i 】j ( 1 9 9 3 ) 2 4 1 和d ec a s t i l h o 和d a g a n z o ( 1 9 9 3 ) 2 5 1 分另0 比 较了进口箱和出口箱在不同堆放策略下所需的堆场面积并得出了工作量。 6 亟堡垄工盔堂堡圭堂垡迨塞 k i m ( 1 9 9 4 ) 1 ，k i m 和p a r k ( 1 9 9 8 ) “”，k i m ( 1 9 9 8 ) “”研究了多种数学算法和 费用模型以寻找在不同标准的堆放策略。 对于场桥分配和计划的研究，国内外的相关文献不多。l a i 和l a m ( 1 9 9 4 ) 使用仿真来比较堆场设备在不同调度策略下的吞吐量、设备使用率、等待时 间“”1 。k i m ( 1 9 9 9 ) 通过将整个过程作为一个复杂的整数规划来建模减小了集 装箱堆场起重机的起动和运行时间。”1 。张楚谦( 音译) ( 2 0 0 0 ) 用整数规划模 型来研究轮胎式起重机的配置问题，以减少堆场工作的延迟，并通过拉格朗 放松启发式理论来获得接近最佳解决方案“”。 也有些文献同时考虑到几项对集装箱码头通过能力影响较大的因素。 k o z a n 和p r e s t o n ( 1 9 9 9 ) 使用整数规划决定优化的堆放策略和相应的堆场起 重机分配，以减少用于装卸某一艘船的所有起重机的最大工作时间“”。 b a l l i s 和a b a c o u m k i n ( 1 9 9 6 ) 建立了一个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。他们使用这个模型来评价一个码头的堆场设计、设 备数量、集卡到达、运行规则“”。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”。 k a ph w a nk i m ，k iy o u n gk i m ( 1 9 9 9 ) 讨论了集装箱码头在出口操作时 龙门吊的最优路径问题。模型的目标是集卡行走路径最短，在求解模开始时 又进一步把模型分解为两个子模型：第一个子模型为一般的运输问题模型， 它解决了从各个倍位送至各个桥吊的集装箱数量；第二个子模型为特殊最优 路径模型，不仅要求出龙门吊最优访问顺序，还要求得在各节点的操作量“。 e b r ukb is h ，t h i n y i nl e o n g ( 2 0 0 1 ) 等详细讨论码头在集装箱进口操 作时，集卡的最优路径问题。此问题即为从每个访问节点中选择一个最优的 子节点，建立数学模型的目标是使集卡总行走路径最短，所以又称为 “s c h e d u l i n ga n dl o c a t i o np r o b l e m ”。它不仅解决了集卡最优路径问题， 而且也解决了进口集装箱在堆场上的箱位安排问题。”1 。 我国的郝旭运用目标规划优化方法，在码头的投资规划期，采用了综合 成本模型来确定港机的合理投资规模：在营运期，通过拟合模型中的参数， 建立设备完好率、港枧拥有量和设备最佳出勤台数三者之间的函数关系式， 来计算港机的最佳拥有量。可以解决有关集装箱码头装卸机械的优化配置方 面的问题，来减少设备的闲置量，有效地控制码头的营运成本，为码头的经 7 亟堡垄三盔主堡圭堂焦迨塞 营管理提供决策的依据”1 。 此外，武汉理工大学近年来对集装箱码头的相关问题也进行了一些研 究，比如基于w i t n e s s 仿真软件的全自动空箱堆场的机械配置和协调性问题 的研究，运用排队网络来研究整个码头的机械配置和集卡调度问题，基于摄 动分析法和马尔可夫链的柔性靠泊问题等“”4 ”。基于e m p l a n t 仿真软件的集 装箱码头的机械配置的问题等等h 2 1 ”。 从前面的相关文献分析可知，当前国内外已有不少学者对集装箱码头方 面进行了仿真研究，但在绝大部分研究中都针对机械配置和调度优化问题， 较少针对集装箱码头布局规划问题，而且目前尚无在对集装箱码头布局设计 仿真研究中，能实现人机交互控制方案的输入和输出，具有参数化仿真应用 的案例。 1 4 本文主要内容及结构 1 4 1 课题研究的主要内容 1 ) 集装箱码头作业系统动态建模。根据集装箱码头装卸系统的作业流 程，利用强大的离散系统建模软件e m p l a n t 开发出集装箱码头动态仿真模 型，动态仿真模型包含四大子模块：洎位子模块、道口子模块、堆场子模块、 统计子模块。 2 ) 人机交互参数化仿真的实现。针对集装箱码头布局设计方案的仿真中， 建模工作量巨大的特点，为此在分析码头生产工艺和参数化设计的特点的基 础上，在e m p l a n t 基础上二次开发，实现了布局方案的人机交互参数化仿真。 3 ) 模型的可靠性检验。通过该模型对已建的上海某集装箱码头作业系统 进行仿真，仿真后所得到的主要输出参数如集装箱吞吐量、船舶平均在港时 间、岸桥平均利用率等和实际数据相比较，用以验证仿真模型的可靠性。 4 ) 集装箱码头生产系统仿真的实现。通过改变仿真模型中人机交互界面 中的输入参数，可动态实现集装箱码头多种布局方案的仿真运行。本文以外 五作为应用实例，对其多种布局方案的作业过程进行仿真，得到各方案作业 过程仿真的定量结果，如泊位利用率、码头吞吐量、船舶的平均等待时间和 平均服务时间等港口营运参数等。又通过对其中主要技术参数的分析，实现 方案的比选。 8 基达垄三盔堂堡主堂丝鲨塞 1 4 2 论文的结构 全文分为六章，第一章，主要介绍课题的背景、目的、意义；离散事件 系统仿真技术的发展动态以及它们在集装箱码头布局规划设计中的应用：论 文的主要内容及结构框架。第二章，介绍了集装箱码头组成，包括集装箱码 头的基本硬件设施、集装箱码头机械设备、装卸工艺和作业特点；分析了集 装箱码头的主要性能参数指标。第三章，介绍了离散事件系统仿真软件 e m p l a n t 特点和主要单元，根据集装箱码头和e m p l a n t 的特点，建立了参 数化的集装箱码头动态仿真模型，该模型可对同类的多种情况下的集装箱码 头作业过程进行仿真。第四章，本章针对集装箱码头布局设计方案的仿真中， 建模工作量巨大的特点，为此在分析码头生产工艺和参数化设计特点的基础 上，在e m p l a n t 基础上二次开发，实现了布局方案的参数化仿真。第五章， 对上海某集装箱码头的作业过程进行仿真，通过输出数据和实际参数的对比 分析，验证了仿真模型的正确性。第六章，对上海港外五期码头多种布局设 计方案的作业过程进行仿真，并对输出参数进行整理，得出相关统计数据。 通过对其中主要技术参数的分析，实现方案的比选。第七章，对全文总结和 展望。 9 第2 章集装箱码头作业系统及其性能指标分析 2 1 集装箱码头的组成 集装箱码头的基本组成主要分为硬件设旌、装卸搬运设备以及控制和管 理系统等。主要设旌包括： 2 1 1 集装箱码头的基本硬件设施 集装箱码头具备的主要硬件设施如下“”： ( 1 ) 泊位( b e r t h ) ，是指在港内为了进行装卸，给船舶停泊靠岸，并有 一定长度岸壁( q u a y ) 的地方。船舶靠、离泊时，所需的岸壁线的有效长度一 般为船舶长度的1 2 倍。 ( 2 ) 码头前沿( w h a r f s u r f a c e ) ，是指前沿码头岸壁线，从码头岸壁到堆 场这一部分的码头面积。 ( 3 ) 堆场( y a r d ) ，是指集装箱码头内，所有堆存集装箱的场地。 ( 4 ) 集装箱货运站( c o n t a i n e rf r e i 曲ts t a t i o n c f s ) ，主要用于装、拆 箱作业，一般建于码头后方，靠近码头外公路或铁路的区域。 ( 5 ) 控制室( c o n t r o lt o w e r ) ，般设置在办公楼的最高层，以便于看到 整个码头上各作业现场的地方。 ( 6 ) 检查口( g a t eh o u s e ) ，俗称道口( 检查桥、闸口、大门等) ，是集装 箱码头的出入口。 此外，还有集装箱维修车间、加油站、电力站等。 2 1 2 集装箱码头的装卸搬运设备 集装箱码头的装卸机械主要分为岸边装卸机械、水平运输机械和场地装 卸机械，下面就不同的装卸机械类型做介绍“”。 1 ) 岸边装卸机械 较为常见的是集装箱装卸桥和多用途门座起重机。 ( 1 ) 集装箱装卸桥 集装箱装卸桥( q u a yc r a n e o c ) 简称岸桥，是集装箱码头装卸集装箱 l o 武汉理工大学硕士学位论文 的专用机械，也是集装箱码头最大型的、价值最昂贵的装卸机械。岸桥沿一 定的轨道行走，它主要由带行走机构的门架、拉杆和臂架等几部分组成，臂 架的主要作用是承受装卸桥小车的重量，小车带有升降机构，驱动集装箱吊 具和集装箱。 ( 2 ) 多用途门座起重机 多用途门座起重机是为了适应船舶混装运输的需要而发展起来的。它可 按不同的需要，配装不同的装卸工具( 例如：集装箱专用吊具、吊钩、抓斗 等) ，可进行集装箱、件杂货、重大件、散货的装卸作业，是多用途码头的 一种理想的作业机型。多用途门座起重机的自重较轻，轮压较低，对码头的 负荷要求低。 2 ) 水平运输机械 主要包括集装箱牵挂车、集装箱跨运车。水平运输机械在集装箱码头的 主要任务是：集装箱装卸桥与前方堆场之间的装卸与搬运；前方堆场与后方 堆场之间的装卸和搬运；后方堆场与货运站之间的装卸和搬运。 ( 1 ) 集装箱牵挂车 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，拖带集装箱进行码头内或公 路上的运输。 ( 2 ) 集装箱跨运车 跨运车( s t r a d d l ec a r r ie 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。 3 ) 场地装卸机械 场地装卸机械主要承担货物在场地堆码作业，包括：集装箱叉车、集装 箱龙门起重机等。 ( 1 ) 集装箱叉车 集装箱叉车是集装箱码头常见的装卸机械，主要用于吞吐量不大的综合 性码头进行集装箱的装卸、堆码、短距离搬运，是一种多功能机械。集装箱 叉车机动灵活、通用性好、应用广泛、造价低廉，但作业时回转半径大、堆 场面积利用率低。 ( 2 ) 集装箱龙门起重机 蓝迟堡：! 盔兰堡主堂丝迨銮 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 v 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、通用性强。它不仅能前进、后退，而且还设有转向装置， 通过轮子的9 06 旋转，能从一个箱区转移到另一个箱区进行作业。轨道式龙 门起重机在固定轨道上运行，一般比轮胎式龙门起重机大，堆垛层高，自身 定位能力较强，较易实现全自动化装卸。 2 2 集装箱码头的装卸工艺 所谓装卸工艺，是指港口装卸和搬运货物的方法和程序，按照一定的操 作过程，根据港口的条件，针对不同的货物、运输工具和装卸设备，以合理 和经济的原则来安排装卸和搬运作业。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。集装箱装卸工艺一 般包括：集装箱船舶装卸工艺、集装箱堆场和车辆装卸工艺”。 2 2 1 集装箱船舶装卸工艺 集装箱船舶装卸作业完全取决于集装箱船舶的类型，现代集装箱码头， 普遍采用集装箱装卸桥来装卸集装箱船舶。由于岸桥可沿码头岸线行走，泊 位平均配置的台数可减少，从而充分利用机械并减少投资。目前，采用的岸 桥额定起重量有3 0 5 t 、4 0 t 、5 0 t 、6 0 t 等几种。随着第四代、第五代集装 箱船舶投入营运，岸桥的外伸距不断加长“”。 2 2 2 集装箱堆场和车辆装卸工艺 目前采用的集装箱堆场和车辆装卸工艺主要有龙门起重机系统、跨运车 系统、叉车系统和混合系统。龙门起重机系统按龙门起重机大车行走方式的 不同，可将其分为轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机系统“”。 ( 1 ) 轮胎式龙门起重机系统 这种系统装卸船由集装箱装卸桥完成，轮胎式龙门起重机承担堆场堆码 和装卸车作业，水平搬运则由集装箱拖挂车完成。轮胎式龙门起重机系统的 优点是：可以有效地利用堆场，设备操作相对简单，设备维修和管理技术成 1 2 亟堡望三盔堂塑堂垡迨塞 熟。其缺点是：相对跨运车系统，灵活性不够，提箱作业比较困难，有时需 倒箱作业。轮胎式龙门起重机，均采用内燃动力系统，设备维修量及能源消 耗较大。 ( 2 ) 轨道式龙门起重机系统 这种系统装卸船由集装箱装卸桥完成，轨道式龙门起重机承担堆场堆码 和装卸车作业，水平搬运则由集装箱拖挂车完成。此系统的优点是：堆场机 械的跨距更大，堆高能力更强，机械结构相对简单，较易维修，作业可靠， 电力驱动，可采用计算机控制，易于实现作业自动化。其缺点是：由于只能 沿轨道运行，机动性差。 ( 3 ) 跨运车系统 跨运车系统中，由岸边集装箱起重机将集装箱从船上卸到码头前沿地面 上，装卸桥跨下或后伸臂范围内，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。此装卸工艺的特点是岸边 集装箱起重机和跨运车作业各自独立、互不影响。跨运车机动灵活、水平运 输与堆场作业设备合二为一、作业环节少、装卸成本低。它的缺点是堆场利 用率低，跨运车装卸效率不高，价格较贵，维修费用大。 ( 4 ) 叉车系统 该系统码头前沿采用装卸桥装卸船舶，码头与前沿堆场间水平运输、堆 场堆码箱和装卸车由叉车承担。本系统的优点：叉车通用性强可适用多种作 业：相对大型机械，叉车价格便宜，初始投资少，装卸成本低。其缺点是： 单机作业效率较低；由于绝大多数4 0 英尺集装箱不设叉槽，叉车不能作业， 作业范围受到限制；叉车对堆场和路面要求高。 ( 5 ) 混合系统 一些集装箱码头从经济性和装卸效率的角度出发，结合自身情况，采用 混合系统装卸工艺，其主要特点是：采用集装箱装卸桥装卸船；进口 集装箱的水平搬运，堆场堆码集装箱和装卸车作业由跨运车完成；出口 集装箱堆场到码头前沿水平搬运，由拖挂车承担，堆场堆码集装箱及装卸车 作业由轨道式龙门起重机完成。 混合系统装卸工艺能够充分发挥各类系统装卸工艺的优点，扬长避短， 使整个系统更加合理和不断完善。采用混合系统装卸工艺必须具备高质量、 高效运作的集装箱码头系统和管理系统。 武汉理工大学硕士学位论文 我国集装箱码头装卸工艺方式比较单一，装卸船作业几乎全部是吊上吊 下方式，即：采用岸边集装箱起重机进行装卸船作业。集装箱水平运输采用 集装箱拖挂车或集装箱跨运车，堆场作业采用轮胎式集装箱龙门起重机或者 集装箱跨运车。本文所研究的是码头作业系统。采用的工艺流程是：岸桥承 担船舶的装卸作业，轮胎式龙门起重机( 下面简称为场桥) 承担堆场内集装 箱的装卸和堆码作业，而从码头前沿至堆场、堆场内箱区间的水平运输由内 卡( 指在港口内运行的集卡) 来完成“”。如图2 1 所示： 图2 1集装箱码头的装卸工艺流程图 2 3 集装箱码头的作业特点 集装箱码头装卸生产的主要特点是”