基于可視化仿真技術的集裝箱港口多式運輸系統(tǒng)的研究
2008-12-31 00:00:00趙璐金淳
計算機應用研究 2008年11期
（大連理工大學 系統(tǒng)工程研究所， 遼寧 大連 116024）
摘要：采用可視化仿真技術研究集裝箱港口物流系統(tǒng)。首先，對集裝箱港口多式運輸作業(yè)系統(tǒng)的排隊網絡進行了分析。其次，抽象仿真對象并對仿真模型的總體結構進行設計。然后，采用仿真軟件Arena進行仿真建模，分別對泊位子模型、水平運輸子模型、堆場子模型、鐵路場站子模型和大門子模型進行實體流程的分析和建模。最后，實現(xiàn)系統(tǒng)的二維和三維可視化仿真。
關鍵詞：集裝箱港口； 多式運輸； 可視化仿真； 仿真建模
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2008)11-3370-04
Research on multimodal transport system on container terminals
based on visual simulation
ZHAO Lu， JIN Chun
(Institute of Systems Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024， China)
Abstract:The visual simulation technique was used to build the multimodal transport system model. This paper analyzed queuing network for the multimodal transport system based on queuing theory and designed the whole structure of the simulation model. Analyzed the entity flows and established the simulation models for berth operation， horizontal transport， container yard operation， railway yard operation and gate operation with Arena. Finally，developed the 2D and 3D animation simulation mo-dels.
Key words：container terminal; multimodal transport; visual simulation; simulation modeling
集裝箱多式運輸系統(tǒng)將水路、公路和鐵路等多種運輸方式聯(lián)合起來完成集裝箱的運輸及中轉活動。集裝箱港口作為一個大型的復雜服務系統(tǒng)，具有離散性、隨機性及動態(tài)性的特點。其研究方法可分為基于數(shù)學分析的解析法[1~3]和采用仿真建模的仿真方法。由于集裝箱港口物流系統(tǒng)的運作可以看做是一個典型的離散事件系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真技術成為研究集裝箱港口物流運作的重要方法之一。國外如Shabayek等人[4]通過建立仿真模型分析集裝箱卡車（集卡）的作業(yè)過程。國內辜勇等人[5]采用eM-plant平臺建立了集裝箱堆場的仿真模型；沙梅[6]采用離散系統(tǒng)仿真方法對集裝箱碼頭的工藝系統(tǒng)設計進行模擬；楊靜蕾等人[7]構建了集裝箱碼頭仿真模型并根據(jù)結果分析得出最優(yōu)機械設備配比。近年來，國內開始研究集裝箱港口多式運輸問題，張廣存等人[8]提出了集裝箱港口多式作業(yè)系統(tǒng)的層次化仿真模型。總體而言，目前對集裝箱港口多式作業(yè)系統(tǒng)的研究較少。本文通過采用可視化仿真技術研究集裝箱港口的多式運輸物流系統(tǒng)，基于可視化仿真模型，人們可以通過直觀可視的方式考察實際系統(tǒng)的運作效果，為多式運輸系統(tǒng)排隊網絡的分析提供一種有效的方法。
1港口多式運輸系統(tǒng)的排隊網絡模型
集裝箱港口多式運輸系統(tǒng)涉及港口水路、公路和鐵路三種方式的運輸，其作業(yè)過程是典型的動態(tài)多級排隊網絡系統(tǒng)服務過程。系統(tǒng)的排隊網絡系統(tǒng)模型如圖1所示。
1）系統(tǒng)顧客系統(tǒng)顧客包括船舶、火車、集卡（分為外卡、內卡）。其中，船舶、火車和外卡被視為外部無限源顧客，單個隨機到達，到達規(guī)律用隨機分布表示，根據(jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定其隨機分布參數(shù);內卡被視為內部有限源顧客，數(shù)量一定并且始終不離開系統(tǒng)。
2）船舶服務子系統(tǒng)該系統(tǒng)為一個多服務臺排隊系統(tǒng)。泊位數(shù)量就是服務臺的數(shù)量。船舶（顧客）單個接受集裝箱裝卸作業(yè)服務。
3）外卡服務子系統(tǒng)該系統(tǒng)為多服務臺串聯(lián)排隊系統(tǒng)，包括入港大門服務和出港大門服務兩部分。入口通道和出口通道的數(shù)量就是各自的服務臺數(shù)量。
4）火車服務子系統(tǒng)該系統(tǒng)為多級串聯(lián)排隊系統(tǒng)，包括編組站服務和裝卸線服務兩個部分。在編組站服務臺中，編組站臺數(shù)量就是服務臺的數(shù)量；在裝卸線服務臺中，裝卸線的數(shù)量就是服務臺的數(shù)量。
5）內卡服務子系統(tǒng)該系統(tǒng)為多級循環(huán)排隊系統(tǒng)，包括三個服務臺，即岸橋服務臺、堆場裝卸服務臺和鐵路裝卸服務臺。其中，岸橋服務臺中，岸橋的數(shù)量就是服務設施的數(shù)量；堆場裝卸服務臺中，堆場裝卸設備的數(shù)量就是服務設施的數(shù)量；鐵路裝卸服務臺中，鐵路裝卸設備的數(shù)量就是服務設施的數(shù)量。
在上述各子系統(tǒng)中，各類顧客均是單個接受服務，服務時間的分布及其參數(shù)根據(jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)決定。排隊規(guī)則均按顧客到達的先后實行先到先服務。
2仿真模型的設計
本研究應用可視化通用交互集成仿真環(huán)境Arena。Arena基于面向對象的思想和結構化的建模概念，將專用仿真語言的靈活性和仿真器的易用性很好地融合到一起，成為目前廣泛應用的仿真工具之一，代表了計算機仿真軟件的最新水平[10]。
21仿真實體的抽象
船舶實體屬性包括類型、裝卸量、裝卸類型、停泊泊位號、不同箱型的裝卸量、到港時間、離港時間。
內卡實體屬性包括作業(yè)泊位號、作業(yè)岸橋號、裝卸類型、箱型、箱量、要去堆場位置。
外卡實體屬性包括裝卸類型、箱的類型、箱量、要去堆場位置、到港時間、離港時間。
火車實體屬性包括類型、車廂數(shù)量、裝卸量、作業(yè)裝卸線號、按箱型的裝卸量、到港時間、離港時間。
22仿真模型的總體結構
仿真模型的總體結構可以分為泊位子模型、堆場子模型、鐵路子模型、大門子模型和水平運輸子模型，如圖2所示。
泊位子模型產生船舶實體并將其裝卸箱量記錄到船舶到港信息表中。其他子模型根據(jù)船舶到港信息表所記錄的裝卸箱量產生相應的火車、外卡實體數(shù)量。泊位子模型完成船舶作業(yè)之后，由水平運輸子模型完成港口前沿與堆場的集裝箱運輸，并由堆場子模型完成堆場的裝卸作業(yè)。同樣，鐵路子模型的作業(yè)完成后，由水平運輸子模型完成鐵路場站與堆場的集裝箱運輸，并由堆場子模型完成堆場的作業(yè)。通過大門子模型與堆場子模型完成了外卡的提送箱過程。
仿真模型根據(jù)船舶到港信息產生火車和外卡實體，通過Arena與Excel的數(shù)據(jù)交換完成船舶到港信息的讀取。Arena與Excel進行數(shù)據(jù)交換主要通過兩種方式：a)通過Arena提供的file模塊設定的Excel表，用read/write模塊讀取Excel表中的數(shù)據(jù)；b)通過ADO數(shù)據(jù)訪問技術對數(shù)據(jù)庫資源進行存取。另外，在VBA集成環(huán)境下使用編程語言對模型進行控制。一方面可以在仿真過程中按具體需求對仿真模型內部參數(shù)進行動態(tài)賦值；另一方面可以對復雜的仿真細節(jié)進行控制[11]。
3各子模型的設計和實現(xiàn)
31泊位子模型
泊位子模型可分為船舶入港、接受泊位服務和船舶離港三個部分。基于Arena的泊位子模型的實體流程如圖3所示。圖中說明了用Arena模塊表示的模型中實體的流動過程。
1）船舶入港Create模塊產生船舶實體，在模塊中設定船舶到達的方式；用assign和VBA模塊賦予船舶實體相關屬性；用decide-delay模塊通過一定比例來反映船舶受天氣影響的程度；通過seize模塊來獲取泊位資源和航道資源；使用request-transport模塊完成拖船（按transporter模塊處理），將船舶拖入具體的泊位站；當船舶實體到達泊位時，用free模塊釋放拖船，同時用release模塊釋放航道資源。
2）接受泊位服務當船舶進入泊位接受服務時，用separate模塊產生岸橋的控制實體，assign模塊賦予控制實體相應的屬性并記錄泊位的裝卸量的變化，用seize模塊獲得岸橋資源。通過decide模塊判斷是否需要進行卸/裝船服務，allocate-move模塊將岸橋移動至需要船舶裝卸的位置，delay模塊反映具體的裝卸時間，transport模塊變動集裝箱的位置，所不同的是卸船服務是將集裝箱由船舶送至集卡，而裝船服務是將集裝箱由集卡送至船舶。由水平運輸子模型完成集卡到堆場的運輸服務。
3)船舶離港岸橋的控制實體用release模塊釋放岸橋資源，由batch模塊集合所有完成裝卸的岸橋控制實體。當船舶在泊位完成裝卸服務時，用assign對控制變量進行清零；decide-delay模塊用一定比例來反映天氣影響船舶離港的程度。通過seize模塊來獲取航道資源，并同時用release模塊釋放泊位資源，request-transport模塊來完成通過拖船將船舶拖離泊位的過程。當船舶實體拖離港口時，用free模塊釋放拖船，release模塊釋放航道資源，同時用dispose模塊釋放船舶實體。
32水平運輸子模型
水平運輸子模型模擬集裝箱在泊位、內卡、堆場間的輸送過程，可分為泊位—堆場運輸和鐵路場站—堆場運輸兩部分。其基于Arena的實體流程圖如圖4所示。
1）泊位—堆場服務Create模塊產生船舶實體，assign模塊賦予船舶實體相關屬性。Decide模塊判斷泊位是否需要進行裝卸服務，如果不需要則進入hold模塊等待；如果需要則確定集卡的裝箱類型和裝箱數(shù)量，并用seize模塊來獲得集卡資源。對送箱業(yè)務，使用allocate-move模塊使集卡移到泊位，transport模塊將集卡送至堆場子模型。對提箱業(yè)務，用allocate-transport模塊使集卡移至堆場子模型，tansport模塊將集卡送至泊位子模型。通過free模塊釋放對應transporter，release模塊釋放集卡資源，之后返回decide模塊。
2）鐵路場站—堆場服務Create模塊產生火車實體，assign模塊賦予火車實體相關屬性。Decide模塊判斷鐵路場站是否需要進行裝卸服務，如不需要則進入hold模塊等待；如需要則通過VBA模塊確定集卡的裝箱類型和數(shù)量，并用seize模塊來獲得集卡資源。如果是送箱業(yè)務，使用allocate-move模塊使集卡移到鐵路場站，接受鐵路場站子模型的服務，transport模塊將集卡送至堆場子模型。如果是提箱業(yè)務，使用allocate-transport模塊使集卡移至堆場子模型，transport模塊將集卡送至鐵路場站子模型。通過free模塊釋放transporter，release模塊釋放集卡資源，之后返回decide模塊。
33堆場子模型
堆場子系統(tǒng)通過堆場設備場橋對內卡及外卡的裝卸作業(yè)完成集裝箱水平運輸作業(yè)和堆存作業(yè)服務。堆場子模型的Arena實體仿真流程如圖5所示。
堆場子模型的實現(xiàn)可分為以下兩個部分：
a）獲取裝卸服務資源。當外卡或內卡通過transport模塊進入堆場站，集卡進入堆場時通過VBA模塊進行具體作業(yè)區(qū)域的選擇。通過transport模塊由集卡的控制實體將集卡（transporter）移送至具體堆存區(qū)的站（由區(qū)號、街號、貝號代表集裝箱的堆存位置），通過seize模塊來獲得場橋資源。
b）裝卸作業(yè)服務。當集卡已經獲得場橋資源時，allocate-move模塊將場橋移動至具體堆場區(qū)域的作業(yè)位置。通過delay模塊反映場橋作業(yè)的時間。使用decide模塊判斷集卡進行服務的類型，如果是送箱業(yè)務，則使用seize模塊獲得相應的堆存資源；如果是提箱業(yè)務，則使用release模塊釋放相應的堆存資源。裝卸服務之后，release模塊釋放場橋資源并通過free模塊釋放相應的transporter。Decide模塊判斷集卡的類型，transport模塊使集卡離開堆場返回水平運輸子模型。
34鐵路場站子模型
鐵路場站子模型的Arena實體流程如圖6所示，分為以下三個部分：
a）火車入場。Create模塊產生火車實體，在模塊中設定火車到達的方式。用assign模塊賦予火車實體相關屬性。Separate模塊產生指定數(shù)量的車廂，assign模塊和VBA模塊為車廂實體賦予相關的屬性，并且車廂實體進入hold模塊等待。火車實體通過pickup模塊將各個車廂由route模塊從到達站送入編組站。通過編組站子模型將火車實體拆分成車組實體。通過seize模塊獲得資源。由route模塊將車組實體送入裝卸線，由release模塊釋放資源。
b）火車裝卸作業(yè)。當火車進入裝卸線接受服務時，用separate模塊產生場橋實體，assign模塊賦予控制實體相應的屬性并記錄泊位的裝卸量的變化，用seize模塊獲得場橋實體。通過decide模塊判斷是否需要進行卸/裝車組服務。如果是卸箱服務則由allocate-move模塊將場橋移動至需要卸箱的車廂，用delay模塊反映具體的裝卸時間，transport模塊將場橋移動至鐵路堆場，seize模塊獲得具體的堆存區(qū)域；如果是裝箱服務則場橋先到鐵路堆場通過release模塊釋放具體的堆存區(qū)域，在移動至需要裝箱的車廂。
c）火車離場。用release模塊釋放場橋資源，由batch模塊集合所有完成裝卸的場橋實體。當車組在裝卸線完成裝卸服務時，用assign對變量清零。Seize模塊獲得鐵路資源，并同時用release模塊釋放裝卸線資源。通過route模塊將車組移送至編組站，用release模塊釋放資源。通過batch模塊集合車組實體，route模塊將火車實體移送至離開站，同時用dispose模塊釋放火車實體。
35大門子模型
當外卡到達或者離開港口時，要接受大門的通道作業(yè)服務。大門子模型的實體流程如圖7所示。
a)由于港口內每天的提送箱數(shù)量不同，各類箱型的數(shù)量也不同，通過不同的create模塊采用不同的分布形式產生外卡實體。用assign模塊賦予外卡實體相關屬性。
b)通過route-station模塊將外卡實體從到達站送入入港大門站，使用delay模塊反映卡車的制動時間。在大門入港通道服務時，用decide模塊判斷集卡的裝載屬性（重車或空車），用不同的process模塊獲得入港通道資源完成通道服務過程。實體接受服務完后進入堆場子模型。
c)外卡在堆場接受服務之后進入出港大門站，用process模塊通過獲得出口通道資源完成通道服務過程。實體服務完后同樣使用route-station模塊將實體送入離開大門站，用dispose模塊釋放外卡實體。
36二維動畫演示
上述系統(tǒng)仿真模型可以通過2D和3D動畫方式直觀反映仿真方案的運行過程。其2D動畫演示截圖如圖8所示。基于Arena的3D仿真動畫主要由Arena軟件的三維動畫制作包Arena 3DPlayer根據(jù)仿真模型進行具體實現(xiàn)，具體方法可參見參考文獻[12]。其3D動畫演示截圖如圖9所示。
4結束語
本文通過可視化仿真技術研究了集裝箱港口多式運輸系統(tǒng)的作業(yè)過程，結論如下：
a）對于集裝箱港口多式運輸系統(tǒng)，可建立集泊位、堆場、鐵路、大門作業(yè)模型于一體的排隊網絡仿真模型描述其作業(yè)流程及相互關系。
b）采用VBA編程與仿真模型相結合的方法可有效地減少模型的規(guī)模和提高仿真運行的效率。
c）對各個子模型，通過實體流程圖和相應的Arena模塊表現(xiàn)對系統(tǒng)仿真模型的具體實現(xiàn)加以說明。
d）通過2D和3D動畫方式可以直觀反映仿真方案的運行過程，為系統(tǒng)評估和決策提供支持。
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