【自动化码头设计与仿真研究的国内外文献综述6100字】

自动化码头设计与仿真研究的国内外文献综述1.1自动化码头发展历程自1993年集装箱自动化码头在欧洲“横空出世”以来，短短的28年间，集装箱码头的自动化技术日趋成熟，已成为全球各大港口的发展方向。目前，全球已建成34个自动化集装箱码头。从码头的工艺模式、运输作业技术的先进性等角度，全球自动化集装箱码头的发展历程可大致分为四个阶段，见表2-1。自动化集装箱码头最早出现在欧洲。1993年世界上第一座自动化集装箱码头荷兰鹿特丹港ECT码头建成，它采用半自动化岸桥进行集装箱装卸作业，并使用了全自动化堆场轨道吊RMG，内燃机驱动式AGV，是第一代自动化集装箱码头的典型代表。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11荷兰鹿特丹港ECT码头第二代自动化集装箱码头以德国汉堡港CTA码头为代表，其创新使用双箱双小车岸桥，并对AGV动力系统进行改进，大幅提高作业效率。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12德国汉堡HHLA-CTA码头第三代自动化集装箱码头代表是同样位于荷兰鹿特丹港的EUROMAX码头，其应用了第二代大型双箱双小车岸桥技术和定位更为精准的AGV小车。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13荷兰鹿特丹EUROMAX码头2016年建成的厦门远海自动化码头是我国首个全自动集装箱码头，它也是第四代自动化集装箱码头。厦门远海码头采用3台自动化双小车岸桥、16台自动化轨道吊、18台自动导航运载车和8台自动化转运平台。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14厦门远海自动化码头虽然我国自动化码头建设起步较晚，但是随着“一带一路”建设大力推进，港口作为“海上丝绸之路”战略版图上的重要环节，自动化码头成为港口建设的重要产业领域和重点发展方向。除厦门自动化码头外，洋山港四期自动化集装箱码头、青岛港自动化集装箱码头、广州港南沙港区自动化集装箱码头在我国自动化集装箱码头建设中也是值得借鉴的模板。洋山港自动化集装箱码头拥有7个集装箱泊位，设计通过能力400万标准箱，是全球最大的自动化码头；青岛港自动化集装箱码头打造了亚洲首个集装箱全自动化码头，设计效率达到每小时40自然箱，减少人工约70%，提升作业效率约30%；广州港南沙港区作为粤港澳大湾区首个全自动化码头，量身定制了全球首例“单小车自动化岸桥、无人驾驶IGV”的作业模式。近年来苏州港集团太仓港、黄骅港等港口也纷纷走上了自动化码头建设道路，我国自动化码头建设进入发展的快车道。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11全球自动化集装箱码头的发展历程阶段代表性码头运营时间特点第一代荷兰鹿特丹港ECT码头1993年码头工艺模式：采用单小车半自动岸桥+AGV（自动导引运输车）水平运输AGV技术：AGV为内燃机液压驱动，行驶线路为固定的圆形路线第二代德国汉堡港CTA码头2002年码头工艺模式：采用双小车半自动岸桥+AGV+ARMG（自动化轨道吊）水平运输AGV技术：AGV为柴油发电机电力驱动（后升级为动力电池供电），能耗高、污染大，行驶路线不固定，调控复杂第三代荷兰鹿特丹港EUROMAX码头2008年码头工艺模式：采用第二代双小车半自动岸桥+AGV+ARMG水平运输AGV技术：AGV为柴油发电机电力驱动，能耗高、污染大第四代厦门远海码头青岛前湾码头上海洋山四期码头2016年码头工艺模式：双小车半自动岸+AGV+ARMG+AGV伴侣水平运输AGV技术：AGV采用锂电池电力驱动，绿色环保，但面临电池续航充电问题。其中，洋山四期码头AGV采用先进的无线跳频导航技术，自由灵活，但成本较高1.2仿真概述根据国际标准化组织（ISO）标准中《数据处理词汇》这部分的名词解释，“模拟”（Emulation）与“仿真”（Simulation）两词含义大致可以理解为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统，以至于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。目前“模拟”和“仿真”两者所包含的内容都归于“仿真”的范畴，用“Simulation”来表示。仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义，综合国内外仿真学界对仿真和系统仿真的研究归纳，可做如下定义：仿真（Simulation）是指通过建立一个具有系统真实的关键性特征、行为以及功能的模型来表征真实或抽象系统、事务或者流程，并通过实验来模拟分析该系统的关键特征；系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。仿真在20世纪初以得到初步的应用，到了40、50年代随着航空、航天技术的发展而逐渐推动了仿真技术的进步，之后到了60年代，由于计算机技术的进步，为仿真技术的进一步发展奠定了坚实的基础。截止至目前为止，仿真技术的发展已经非常成熟，已有很多成熟的仿真硬件和仿真软件可供使用，更是可以利用计算机编程技术，针对自身仿真系统的特点，搭建仿真平台，使仿真实验更能反映真实系统情况。仿真实验的一般方法如下：（1）分析系统核心特征系统一般包括以下几个要素：实体、属性、活动、事件以及状态变量。其中，实体一个真实系统中的主体对象，例如集装箱码头作业系统中的岸桥、场桥、集卡等实体；属性用来描述实体特征，例如集卡是属于空闲状态还是繁忙状态，岸桥处于空闲状态还是作业状态；活动用来描述实体的行为，例如岸桥装卸作业、集卡的水平运输等；状态变量是指系统中的所有变量的集合，例如集装箱码头系统中所有的集卡数量、所有的集装箱数量等。分析确定系统的核心特征是仿真构建的第一步。（2）仿真模型布局构建通过输入参数来构建仿真模型的基本布局，例如集装箱码头仿真系统的岸线长度、泊位数量、箱区数量、岸桥数量等参数。（3）设备控制逻辑设计在一个仿真系统中，需要确定设备的核心控制逻辑，即设备按照什么样的规律来模拟现实中的系统情况。例如在集装箱码头仿真系统中，场桥作业的控制逻辑为首先接收装卸任务，然后判断任务判断作业集装箱所在箱位，找到目标贝位后移动至该目标位置，判断集卡是否到达作业位置，然后进行装卸作业。（4）确定模型的输入参数即仿真实验时系统各核心特征的取值情况。（5）仿真的校核验证在正式进行仿真实验前，需要对仿真模型进行预热实验，使仿真模型运行稳定后再进行正式的仿真实验。（6）输出仿真结果并进行数据分析仿真实验的目的是为了分析一个系统的关键性指标是否可以满足生产作业要求，对仿真结束后的数据进行分析，以得到分析结果，确定仿真目标是否完成。计算机仿真的基础是以仿真软件实现的仿真模型；仿真研究的许多活动总是要通过仿真软件来实现；计算机仿真在一系列仿真试验中的作用，也要通过仿真软件发挥作用。随着技术的发展，目前有很多成熟的仿真软件，不同的软件的特点不同，其对比如表2-2所示：表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12常用仿真软件汇总表序号软件厂商特点应用领域1Flexsim美国FlexSim面向对象建模、仿真速度快、3D图形显示、开放性接口航空、政府、工程、运输等2PlantSimulation西门子交互式建模仿真界面、丰富的分布函数、多形式接口项目规划、物流仿真和优化制造厂、生产系统和工艺过程等3Witness英国LannerGroupLtd.灵活的输入、输出方式汽车制造行业、电子制造行业等4Arena美国RockwellAutomation可视化的柔性建模、提供专门的输入输出分析器制造业、物流业、系统行能评价等如表所示，常见的四种仿真软件每种都具有自身的特点，根据本文所研究的以色列海法新港自动化集装箱码头生产作业能力仿真分析问题的特点，本文选择了PlantSimulation来进行仿真实验。1.3国内外研究成果全球集装箱运输市场规模的急剧扩张和集装箱船舶大型化趋势的不断发展,对现代集装箱港口的规划建设和运营管理提出了更高的要求。传统地通过提高装卸效率、规模扩张等方式,粗放式地增加港口通过能力的方法,将逐渐无法满足新时期下集装箱港口的发展需求,亟需研究制约集装箱港口发展的瓶颈环节,针对性地研究满足新时期要求的集装箱港口的规划建设理论和运营管理方法。这也符合“智慧港口”的发展趋势。现在国内外许多学者借助仿真技术来助力“智慧港口”的建设【2】。仿真推演广泛应用于自动化集装箱码头的通过能力计算、布局规划、生产策略和调度规则【3】。史飞等人【4】使用仿真的方法,对一种采用低架桥系统进行集装箱转接的新型自动化码头的运作性能进行了分析。针对港口未来期望平均24h完成单只超巴拿马型船舶的卸船作业,首先计算得到该自动化集装箱码头内部各种装卸设备的数量,并确定了码头的总体布局,在此基础上对该码头的卸船作业流程进行了模拟,得到平均卸船作业时间约为17.75h,结果表明该新型自动化集装箱码头的作业性能能够满足所设定的港口吞吐量。在自动化码头水平运输方面，夏孟珏,张晓华,秦曌【5】等学者根据自动化码头水平运输的特点,结合道路交通流理论,设计了一种基于跟驰换道模型的交通控制方法,解决自动化码头常见垂直岸线布局设计情况下的水平运输的控制问题。此方法处理了自动化码头水平运输中的避碰和死锁问题,基于多智能体的分布式架构保证了模型实现的便捷性和有效性。实例仿真验证了此控制方法有实际应用价值。在闸口通行能力方面，郑天奇【6】认为港区交通量的增长和交通密度的增加,集装箱码头闸口作为港区车辆集中、交通汇集的关键区域,将不可避免的成为港区内部拥堵的瓶颈,为了缓解闸口的拥堵问题,越来越多的港区选择设置集卡停车缓冲区。他基于系统仿真理论,深入剖析集装箱码头作业系统的作业流程及特点,构建集装箱码头大门作业系统仿真模型,为研究不同到港规律下闸口及缓冲区的合理规模提供模型基础；全面分析和评价集装箱闸口和缓冲区的运营情况,提出港区大门极限通过能力及缓冲区内集卡数量保证率的概念；最后以北方某集装箱港区的实际调研数据作为模型的输入参数,仿真模拟多种闸口组合情况下,每小时到港集卡数量与缓冲区合理规模之间的关系,深入挖掘仿真数据,分析仿真结果,并对仿真输出结果进行数据拟合。经过分析研究，得出在闸口规模确定的前提下,每小时到港集卡的数量和缓冲区的合理规模之间存在指数分布的关系。廖二全【7】等三位学者通过仿真软件FlexTerm平台,以青岛自动化集装箱码头为研究对象,建立了仿真建模,得出了仿真统计数据及分析结论.并以岸边集装箱装卸桥,LAGV,堆场条数为主要研究对象进行了仿真实验,从码头通过能力,设备利用率,设备等待时间,堆场堆存量,排队长度等多个技术指标评估并优化装卸工艺系统布置方案。尤悦，何红弟【8】结合针对上海港口集装箱堆场交通拥堵日益严重的现状,基于交通流理论和VISSIM微观仿真软件,对港口集装箱堆场的交通流进行研究.根据交通流的理论基础,将集卡港区装卸作业与公交停靠模式进行类比,建立港口集装箱堆场的交通流模型.在上海港区实地调研数据的基础上,对建立的交通模型进行验证.通过VISSIM仿真软件对港口集装箱堆场交通流进行模拟,对比港区需求作业下不同交通量影响下的交通宏观基本图.通过控制闸口通道数量的策略探讨路网交通流的变化情况.针对仿真模拟结果,提出改进措施:采用智能组织可变闸口通道数量,改变闸口道路缓冲区长度,熨平高峰作业需求车辆.该研究为改善区域道路交通和港口集疏运状况提供决策支撑。张清波【9】等以国内某传统集装箱码头为例,提出2种向自动化码头改造升级的码头布局及装卸工艺,并通过仿真软件WITNESS进行仿真建模,输出仿真数据。根据仿真数据,对码头水平运输设备的数量配比进行仿真分析,并从堆场年通过能力,堆场作业能力,码头管理以及能耗成本4个方面对提出的两种工艺进行评估,选出一种较优工艺。Kozan【10】讨论了多模型状态下的，各因素对集装箱港口整体工作效率的影响，其主要目标是减少集装箱在整个流程中的处理和运输时间。Gambardella等人【11】讨论装卸船舶流程时间与场桥和岸桥的数量调度关系，以及各设备间的协同调度，并通过仿真结果表明合理的设备调度可以使得各设备间的工作冲突和集卡队列的等待时间得到减少。Park和Kim【12】研究了对于泊位与岸桥的整体规划模型，其内容包括对于泊位选择的近似优化，以及对于泊位的岸桥指派计划。Li和Vairaktarakis【13】提出并解决了固定集卡数量条件下，集装箱装卸流程时间的最小化问题,对于单岸桥下的该问题，提出了几种最优化算法和启发式算法，并通过计算机仿真检验。对于多岸桥下的该问题，并未给出解法，但是分析了其复杂性。此外，国内外学者对于大量的集装箱港口设备配置问题采用计算机语言或者特定仿真软件进行建模研究。一般采用动态仿真技术和面向对象的建模方法，来确定合理的资源配置。Veeke【14】等针对集装箱货物运输问题提出一种面向对象的仿真模型，并将其应用于鹿特丹港，实体包括：集装箱、集装箱港口和搬运集装箱的工具，AGV、自动化搬运车辆和多拖带系。Kindler【15】主要研究了船舶卸箱的仿真，他使用SIMULA语言和面向对象的方法。Tahar和Hussain【16】使用ARENA软件对马来西亚的巴生港进行了仿真建模分析，Merkuryev【17】【18】等人对里加港的码头作业进行建模，Lee等人【19】从供应链的角度对集装箱港口终端进行建模。此外还有Chen等人【20】和Kozan【21】也都是通过ARENA这一软件平台来实现对集装箱港口作业布置规划和工作流程进行计算机仿真。其他计算机建模方法还包括Legato和Mazza【22】使用VisualSLAM，Shabayek和Yeung【23】，以及Martinez【24】等人使用仿真软件Witness。另外GPSS/H也被广泛使用，包括Pachakis和Kiremidjian【25】和Dragović【26】【27】等。国内许多学者也将仿真方法和软件应用于实际研究中。田颖辉【28】将虚拟现实技术、机械设计技术与港口的布局规划方法结合起来，系统分析集装箱港口布局的特点及需求，提出集装箱港口虚拟仿真软件CTSS的开发思路，并对实现的关键技术进行分析，建立了运动学模型，以Vega为基础，进行二次开发实现了对布局规划方案的仿真过程的实时参数输入、结果输出等控制。郑鑫【29】运用Flexsim创构建了以物流搬运费用最小、非物流关联程度最大及地基改造成本最小为目标的多目标规划模型，并选择遗传算法进行模型求解，对堆场的布局进行了优化。参考文献[1]百度百科[2]王芳.应用仿真推演技术助力"智慧港口"建设[J].中国港口,2019,320(02):71-73.[3]杨小明,宓为建,陶其钧.自动化集装箱码头设计与仿真[M].上海科学技术出版社,2016.[4]史飞,张新艳,赵启元.新型自动化集装箱码头的仿真分析[J].机械与电子,2008(12):57-61.[5]夏孟珏,张晓华,秦曌,等.基于跟驰换道模型的自动化码头水平运输控制方法[C]//第七届全国机械工程博士论坛论文集.2015.[6]郑天奇.集装箱港区闸口及缓冲区合理规模仿真研究[D].大连理工大学,2018.[7]廖二全,高天佑,余建夫.自动化集装箱码头装卸工艺方案的建模仿真研究[J].港工技术,2018,055(005):45-48.[8]尤悦,何红弟.基于VISSIM仿真的港口集装箱堆场交通流研究[J].计算机应用与软件,2018,35(11):61-65.[9]张清波,匡家喜,张雨婷,等.传统集装箱码头向自动化码头改造仿真分析[J].水运工程,2017,05(No.144):147-151+165.[10]KozanE(2000)Optimizingcontainertransfersatmultimodalterminals.MathematicalandComputerModelling31：235–243.[11]GambardellaLM,MastrolilliM,RizzoliAE,ZaffalonM(2001)Anoptimizationmethodologyforintermodalterminalmanagement.JournalofIntelligentManufacturing12：521–534.[12]ParkY-M,KimKH(2003)Aschedulingmethodforberthandquaycranes.OR.Spectrum25：1–23.[13]LiC-L,VairaktarakisGL(2001)Loadingandunloadingoperationsincontainerterminals.TechnicalMemorandum745,CaseWesternReserveUniversity,WeatherheadSchoolofManagement,DepartmentofOperations.[14]VeekeHPM,OttjesJA.Agenericsimulationmodelforsystemsofcontainerterminals[A].In：ModelingandSimulation2002.16thEuropeanSimulationMulticonference2002[C].ESM2002,SCSEurope,SanDiego,CA,USA.581-587.[15]KindlerE.Simulationofcontainerunloadingfromships：anexampleofmulti-levelmodeling[J].ASUNewsletter,ASU,Sweden.1996,23(3)24-31.[16]Tahar,M.R.,Hussain,K.(2000)SimulationandanalysisfortheKelangContainerTerminaloperations,Logistics,InformationManagement13(1),p.14-20.[17]Merkuryev,Y.,Tolujew,J.,Blumel,E.,Novitsky,L.,GintersE.,Viktorova,E.,Merkuryeva,G.Pronins,P.(1998)AmodellingandsimulationmethodologyformanagingtheRigaHarbourcontainerterminal,Simulation71(2),p.84-95.[18]Merkuryeva,G.,Merkuryev,Y.,Tolujev,J.(2000)Computersimulationandmetamodellingoflogisticsprocessesatacontainerterminal,StudiesinInformaticsandControl9(1),p.53-59.[19]Lee,T.W.,Park,N.K.,Lee,D.W.(2003)AsimulationstudyforthelogisticsplanningofacontainerterminalinviewofSCM,MaritimePolicy&Management30(3),p.243-54.[20]B.,Chen,T.,Lee,Y.C.,Lim,S.Y.,Cho,K.S.,Lee,J.Y.(2006)AstudyonimprovementofcalculationsystemofoptimalthroughputperberthinKoreacontainerterminal,FinalReportforMOMAF,RepublicofKorea.[21]Kozan,E.(2006)Optimumcapacityforintermodalcontainerterminals,TransportationPlanningand