基于Flexsim集裝箱碼頭裝卸系統的仿真*

于 蒙 王少梅 肖 峰

武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063

基于Flexsim集裝箱碼頭裝卸系統的仿真*

于 蒙 王少梅 肖 峰

武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063

結合虛擬現實技術、計算機仿真技術、機械設計技術，分析集裝箱碼頭裝卸系統虛擬環境的模型，利用三維離散事件仿真軟件Flexsim建立集裝箱碼頭裝卸作業仿真模型，為生產管理者提供視覺上的決策支持，利用其核心機制——任務序列驅動設備模型，實現裝卸作業過程的三維動態仿真。

仿真 Flexsim 虛擬現實 集裝箱碼頭 裝卸作業

目前對復雜的港口集裝箱碼頭裝卸工藝進行有效規劃的一個重要方法就是仿真。在設計新的碼頭設施或對原有的碼頭設施進行改造之前，把港口集裝箱碼頭裝卸系統模型轉換成仿真模型，通過運行模型，港口管理者可對幾種不同的裝卸工藝方案進行預演，選擇最合理的方案，從而避免了資金、人力和時間的浪費。迄今為止，國內外利用仿真技術對港口裝卸工藝規劃過程進行了許多研究工作，但大多采用的是針對離散系統的數字仿真或二維仿真的手段［1-3］。

將虛擬環境技術與離散系統仿真技術相結合，是解決復雜港口集裝箱裝卸系統規劃設計和管理決策的先進和有效的手段。

Flexsim是一種離散事件仿真軟件程序，用于系統建模，這些系統根據特定事件發生的結果在離散時間點改變狀態，同時Flexsim軟件還有良好的三維顯示，解決了以往離散事件仿真軟件中真實感不強的缺點。借助Flexsim仿真軟件來構建集裝箱碼頭的裝卸作業的仿真模型，為生產管理者提供視覺上的決策支持。

1 建模

集裝箱碼頭的裝卸搬運設備主要有：岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）、輪胎式／軌道式龍門起重機（簡稱場橋）、集裝箱拖掛車（簡稱集卡）等。岸橋承擔船舶的裝卸作業，場橋承擔堆場的裝卸和堆碼作業，而從碼頭前沿至堆場、堆場內箱區間的水平運輸由集裝箱拖掛車來完成。卸船過程為：岸橋從船上把集裝箱卸到集卡上，集卡把集裝箱運到堆場，場橋再把集裝箱堆放到堆場上；裝船過程與之相反。見圖1。

圖1 集裝箱裝卸結構示意圖

1．1 幾何建模

對港口集裝箱碼頭裝卸系統進行仿真，需要建立的景物模型主要分為三類。

1）背景類。主要是天空的模擬。相應于各種不同的天氣狀況，視景仿真需要建立各種模型。采用分形技術建立背景，能形成非常逼真的天空場景圖像，但其速度較慢，往往達不到仿真實時性的要求。在本系統中，背景的快速生成用簡單的平面（天空平面）和二次曲面，并引入隨機的紋理函數，以模擬天空景物的濃淡和透明效果，從而形成各種三維逼真的天空。

2）近景類。包括裝卸橋附近的地面、集裝箱堆場等。近景需要具體的細節描述，是仿真的主要處理對象。近景可以分為地景和地物兩類。

（1）地形。近年來，為產生自然界中的地形，建模方面已取得很大的進展，然而具有真實感而又具有高效率的模型尚未完善，實時應用中往往存在真實感與高效的矛盾。在視景仿真中，為了獲得具有逼真的地貌特征的地形，例如為了能體現出巖石效果，首先必須獲取與地形有關的輪廓數據（如地形網），然后用紋理技術、隨機建模技術來對地形網格進行真實感處理，從而得到逼真的地形景象。

（2）地物。地物為一些自然景觀和人造景觀。人造景物如房子等往往用多邊形模型來進行描述。

3）集裝箱裝卸系統模型。指裝卸橋的小車、吊具、集裝箱等目標?？梢圆捎枚噙呅文Ｐ突蛘邊的Ｐ蛠磉M行描述。

本系統三維模型是在3DMAX下建立的，然后導入Flexsim仿真軟件。為了提高模型的逼真度，可以給幾何模型的表面加上各種材質，然后設定光照條件就可以看到更加光滑真實的模型。為了增加模型的質感，增強模型的特征，可以給幾何模型的表面貼上各種紋理圖案，從而使模型變得更加生動真實。

1．2 模型的層次表示（圖形數據庫）

集裝箱碼頭裝卸仿真系統中幾何模型采用分層表示法（hierarchical structure），這種層次結構使得對三維世界的描述變得清晰而直觀。根據父物體和子物體之間存在的樹狀邏輯關系，建立樹狀層次結構。實時處理時根據模型的層次結構，建立相應層次處理關系?？梢酝瓿梢幌盗械膶哟翁幚砟K，每一模塊根據模型層次關系，執行一定的功能［2］。

圖2 集裝箱碼頭裝卸系統模型的層次結構

對于集裝箱船舶，它的模型層次結構見圖2 a），船的場景圖結構中，船由船頭、船尾、船身、艙蓋板、駕駛室等組成，駕駛室與船身相連，所以將駕駛室作為船身的子節點。

圖2 b）給出的岸橋的層次結構中，岸橋由大車行走機構、門框、前大梁、后大梁、小車、司機室、吊具等組成，由于門框、前大梁、后大梁、小車、司機室隨大車運行機構的運動而運動，所以把大車運行機構作為門框、前大梁、后大梁、小車、司機室的父節點，同樣，吊具隨小車和司機室運動而運動，所以把小車和司機室作為吊具的父節點。

圖2 c）給出的是場橋的幾何模型層次結構。其中，場橋由大車行走機構、大梁、底梁、腿柱、小車、司機室、吊具等組成，由于大梁、底梁、腿柱、小車、司機室隨大車運行機構的運動而運動，所以把大車運行機構作為大梁、底梁、腿柱、小車、司機室的父節點，同樣，吊具隨小車和司機室運動而運動，所以把小車和司機室作為吊具的父節點。

圖2 d）所示的集卡模型的層次結構中，拖掛車由牽引車和半掛車組成，牽引車由駕駛室、底盤、牽引鞍座組成，底盤由后橋、車輪、懸掛系統組成，由于半掛車通過牽引鞍座與牽引車連接，隨牽引鞍座的運動而運動，所以將牽引鞍座作為半掛車的父節點。

1．3 運動學建模

在港口集裝箱碼頭裝卸系統中，對三維場景中的運動實體，包括岸橋、場橋、船舶、集卡等各種港口機械設備，需要進行運動學建模，這是因為掌握港口機械設備的運動特性可使仿真效果更加符合實際生產的情況，因此有必要研究這些設備的運動學模型，為實時仿真提供理論依據。建模主要涉及到岸橋進行裝卸作業時吊具的擺動，小車的啟動和制動等。對于集裝箱裝卸橋的不同工作過程也分別進行了仿真，包括單程工作循環和往復操作循環。

在建立幾何模型的同時，預先根據實體的運動規律對其設定運動限制，從而提高實體運動學建模的效率。調用initkinematics命令，初始化運動數據，保存類似起始位置和實體轉角等所需要完成的動作的數據。初始化運動后，就可以用addkinematic命令（添加運動命令）給出實體后繼的行進／旋轉操作。

2基于Flexsim仿真模型的建立

2．1 基于Flexsim仿真的對象層次結構

面向對象建模仿真技術的一個優點是類與類之間可以有繼承關系，對象的繼承性提供了更大的柔性來擴展自己的對象，即衍生出新的對象。在Flexsim中，可以充分利用繼承性來開發自己的對象，Flexsim本身的庫對象是高度抽象化的，具有很強的通用性，幾乎涵蓋了仿真中可能遇到的所有對象。這些對象之間有一定的繼承關系，他們之間存在著邏輯關系。

將對象庫中的對象分為兩種，其中一種是從FixedResource中派生下來的，另一種是TaskExecuter中派生下來的。從FixedResource中派生來的對象有一個共同的特點，其本身是不會運動的，他們的作用只是產生或消除物件、存儲物件、加工物件等等；從TaskExecuter中派生的對象，其本身是可以運動的，其作用是將物件從一個地點運送到另一個地點［4］。

當現有的庫對象不能滿足用戶的需要時，用戶就需要創建自己的對象。對于集裝箱碼頭仿真模型中所用到的裝卸設備模型，如岸橋、場橋、集卡等都是筆者所在課題組創建的，并實現了相應的集裝箱碼頭設備庫，其中每種設備都可以通過人機交互實時修改相關的技術參數。

2．2 任務序列

任務序列是Flexsim仿真軟件中的核心機制。各種復雜仿真的實現很大程度取決于怎樣實現任務序列。任務序列是由TaskExecuter執行的一組命令序列。這里TaskExecuter涵蓋了所有派生其他的動態對象，如Operators，Transpoters，Crane，ASRSvehicle，Robots，Elevators以及其他可運動的對象。圖3表示一個任務序列，該任務序列有多個任務組成。常用的任務序列有：TASKTYPE TRAVEL、TASKTYPE LOAD、TASKTYPE UNLOAD、TASKTYPE TRAVELTOLOC等。

圖3 一個任務序列

2．3對象Dispatcher及任務序列的分配規則

Dispatcher用來控制一組Transporter或Operator。任務序列從一個靜態對象發送到Dispatcher，然后Dispatcher來調配這些任務序列分配給與其輸出端口相連的動態對象。動態對象接收到任務序列后執行相應的命令序列［4］。

Dispatcher對象的功能就是將任務序列進行隊列存儲和發送任務序列。根據用戶建模的邏輯，任務序列可以被排隊等待或是立即傳送到相應的對象。Dispatcher的參數設置對話框只有兩項，當接收到一個任務序列時，調用Pass To函數。顧名思義，該函數將任務序列發送給接收對象；如果該函數返回值是0，即該任務序列不能被立即分配，則根據QueueStrategy定義的規則將任務序列放入隊列中等候。QueueStrategy函數返回任務序列的相關值，然后根據優先級來確定任務序列在隊列中的位置。高優先級的任務序列放在隊列的前面，低優先級的放在隊列的后面。如果優先級相同，則根據隊列的先進先出（FIFO）原則來處理。任務序列的優先級可根據需要動態的改變。

當將隊列中的任務序列進行排序時，Dispatcher執行隊列策略函數，遍歷取得已有任務序列的優先級值，與最新的任務序列優先級值比較，根據比較的結果重新進行隊列排序。

在Flexsim對象層次中，Dispatcher是所有TaskExecuter的父類，這也就是說所有的TaskExecuter也是Dispatcher。這就意味著Operator或Transporter也可以擔當Dispatcher的角色來分配任務序列，或者是自己執行任務序列。

2．4 集裝箱碼頭裝卸過程的仿真模型

集裝箱碼頭裝卸過程的仿真模型關系見圖4。

圖4 集裝箱碼頭裝卸過程的仿真模型關系圖

Source船和Source堆場是船和堆場輸入條件，即箱量的產生，產生的規律根據對歷史資料的統計。船和堆場都是在用Rack來構建的，用于存放箱子，它們之間可以互為輸入輸出，即船上的箱子可以運往堆場，反之亦然。Source和Rack都是從FixedResource中派生來的對象，在仿真過程中它們是不動的，但是它們是控制集裝箱的產生和流向。對于服務于船和堆場的設備：集卡、岸橋、場橋——這些從TaskExecuter中派生來的對象，每種設備都由一個Dispatch來動態調度分配任務的，而Dispatch是實現裝卸仿真的核心，其驅動機制是任務序列（Task Sequences）規則［5］。

3 集裝箱裝卸過程的仿真實現

集裝箱從船到堆場的過程中，經過了集卡、岸橋、場橋等設備的搬運，在Flexsim中就需要使用任務序列來完成這個過程。

這里涉及了3個可運動對象：集卡、岸橋和場橋。設計的思路為：集裝箱的運輸由集卡來實現，這樣集卡就有這樣一個任務序列：Travel→Load→Travel→Unload。集裝箱裝入集卡的作業由岸橋設備完成，卸載放入堆場的作業由場橋設備完成，因此集卡的任務序列中Load／Unload的任務就應該由岸橋和場橋來完成。

以岸橋卸船為例，完成一次作業的過程也就是完成一個任務序列的過程，可以知道岸橋完成的任務序列應該是：Travel→Load→Travel→Unload。岸橋在作業的過程中，集卡處于等待的狀態，也就是說岸橋和集卡之間是協同作業的。場橋的情況與岸橋一致。Flexsim中可以使用調用子任務的方法將岸橋和場橋的任務序列插入到集卡的任務序列中。圖5表示了主任務序列和子任務序列之間的關系。

圖5 集裝箱搬運過程的任務序列

圖6 集裝箱碼頭仿真模型

圖6顯示了由Flexsim創建集裝箱碼頭仿真模型，圖6左邊顯示的是模型的節點關系圖和港口設備庫。

4 結束語

通過對集裝箱碼頭的環境和裝卸設備層次結構的分析，建立相應的幾何模型和運動學模型，并利用Flexsim仿真軟件實現集裝箱碼頭的裝卸過程。模型經確認通過，從系統的真實和可信度來看，符合集裝箱港口的實際運行情況，能夠較好地為大型集裝箱港口工程項目設計提供決策支持。下一步的工作是對仿真的真實感進一步的完善，及對仿真數據統計和分析部分做深入的研究。

［1］Kozan E．Comparison of analytical and simulation planning models of seaport container terminals［J］．Transportation Planning and Technology，1997，20（3）：235-248．

［2］張新艷．港口集裝箱物流系統規劃與仿真建模方法的研究與實現［D］．武漢：武漢理工大學，2002．

［3］沙 梅．集裝箱碼頭工藝方案設計建模與仿真［J］．系統仿真學報，2003，15（9）：1 240-1 244．

［4］Flexsim Simulation Software User Guide［G］．Flexsim Software Products，Inc，2005．

［5］肖 鋒．基于Flexsim集裝箱碼頭仿真平臺關鍵技術研究［D］．武漢：武漢理工大學，2006．

Simulation for stevedoring of container terminal based on Flexsim

YU Meng WANG Shao-mei XIAO Feng
College of Logistics Engineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063

Combining the techniques of visual reality，computer simulation and mechanism design，the virtual reality environment of the handling system in the container terminals was proposed．The 3-dimensional simulation software Flexsim was used to establish the model of the stevedoring system，which could provide the 3-dimensional vision decision-making mechanism to managers of container terminals．The operation of the port machinery was driven by means of task sequences to realize the dynamic simulation of the process of stevedoring．

simulation Flexsim virtual reality container terminal stevedoring

U653．928 TP391．9

A

1671-7953（2007）02-0069-05

2006-10-20

修回日期2006-11-24

于 蒙（1975—），女，碩士，講師。

*湖北省杰出人才基金資助（編號：2005ABB021）