散貨碼頭工藝智能仿真系統(tǒng)研究

（1.大連理工大學(xué) 管理學(xué)院 遼寧 大連 116024；2.大連海事大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

摘 要：為解決因散貨碼頭的裝卸工藝過于復(fù)雜而導(dǎo)致仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的困難，采用可拓展策略知識(shí)庫的方式建立了用于處理作業(yè)干擾、優(yōu)化仿真系統(tǒng)運(yùn)行的智能處理模塊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的散貨碼頭工藝智能仿真系統(tǒng)。以中國北方某大型散糧碼頭為例，應(yīng)用WITNESS平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的仿真程序，對(duì)仿真系統(tǒng)的智能化效果進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，采用智能模塊對(duì)散貨碼頭工藝仿真過程進(jìn)行控制，能夠以更為優(yōu)化的方式處理仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生的作業(yè)干擾。

關(guān)鍵詞：散貨碼頭；處理過程；智能仿真;知識(shí)庫

中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2009)05-1813-03

Study on intelligent simulation system of bulk terminal handling process

LI Qiang1，TONG Shiqi2，WANG Nuo1，2

(1.School of Management Dalian University of Technology Dalian Liaoning 116024 China; 2.School of Transportation Logistics Dalian Maritime University Dalian Liaoning 116026 China)

Abstract:To solve the difficulties which were resulted from complexity of handling process in bulk terminal simulation system design，presented an intelligent module with the optimized simulation system based on extensible policy knowledge base to handle the operation interference.Based on this module，designed an intelligent system about handling process of bulk terminal.Developed a handling process simulation program based on WITNESS to test the effects of the simulation system for the case of a bulk terminal in the north of China. The simulation results show that the module used to control the process of the bulk terminal simulation is more superior in handling the operation interference.

Key words:bulk terminal；handling process;intelligent simulations;knowledge base

所謂散貨碼頭，一般是指糧食、礦石、煤炭、水泥等貨物以散裝形式在港口實(shí)現(xiàn)車、船換裝的專用設(shè)施。伴隨港口物流方式的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代散貨碼頭已由原來單一的中轉(zhuǎn)功能變?yōu)榧修D(zhuǎn)、倉儲(chǔ)為一體的大型綜合性物流基礎(chǔ)設(shè)施。這種功能上的轉(zhuǎn)變延長了部分貨物的在港儲(chǔ)存時(shí)間，增加了同時(shí)進(jìn)行各種裝、卸作業(yè)的可能性，進(jìn)而加劇了裝卸活動(dòng)之間的矛盾沖突，給散貨碼頭的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理帶來了明顯的困難。在此背景下，對(duì)散貨碼頭的工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證裝、卸及存儲(chǔ)設(shè)備之間的功能相匹配、運(yùn)作相協(xié)調(diào)，有效提高碼頭基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率就顯得十分必要。

由于散貨碼頭的裝卸工藝較為復(fù)雜，很難憑借經(jīng)驗(yàn)判斷或應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行優(yōu)化，一般采用計(jì)算機(jī)仿真的方式進(jìn)行研究。已有的類似仿真方法在處理作業(yè)干擾時(shí)主要采用制定優(yōu)先級(jí)的方式，如外貿(mào)優(yōu)先規(guī)則^[1]、先到先服務(wù)規(guī)則^[2]等。但對(duì)于散貨碼頭來說，這種制定優(yōu)先級(jí)^[3]的簡化方式有時(shí)會(huì)導(dǎo)致仿真系統(tǒng)與碼頭實(shí)際運(yùn)營需求出現(xiàn)較大的偏差，難以獲得較為滿意的仿真效果。為解決這一問題，本文將人工智能技術(shù)^[4]引入散貨碼頭的工藝仿真，設(shè)計(jì)出能夠結(jié)合實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)對(duì)作業(yè)干擾進(jìn)行處理的智能仿真系統(tǒng)，并以中國北方某大型散糧碼頭為例，采用WITNESS設(shè)計(jì)平臺(tái)^[5]開發(fā)出相應(yīng)的仿真程序，證明了這一方法的有效性。

1 碼頭工藝系統(tǒng)分析

1.1 排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)

一般情況下，功能齊全的專業(yè)化散貨碼頭由五個(gè)子系統(tǒng)組合而成，包括卸船泊位子系統(tǒng)、裝船泊位子系統(tǒng)、卸車子系統(tǒng)、裝車子系統(tǒng)、倉儲(chǔ)子系統(tǒng)（前四個(gè)子系統(tǒng)可統(tǒng)稱為裝卸子系統(tǒng)）。系統(tǒng)模型如圖1所示。理論上，各裝卸子系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，即不同子系統(tǒng)之間的作業(yè)活動(dòng)應(yīng)該做到互不干擾；但實(shí)踐中，由于資金、場地等客觀條件的限制，或者為了提高設(shè)備的利用率，也有意識(shí)安排某些設(shè)備交叉利用，會(huì)出現(xiàn)相互干擾的情況。

1.2 作業(yè)干擾的處理

當(dāng)前，由于我國大型散貨碼頭大都兼具了中轉(zhuǎn)及倉儲(chǔ)兩方面的功能，使得貨物在港時(shí)間的不確定性明顯增大。一部分貨物在港存儲(chǔ)的時(shí)間較短（如7天以下），而另一部分貨物在港儲(chǔ)存的時(shí)間較長（如15天以上），這就導(dǎo)致裝卸作業(yè)存在明顯的不均衡性，時(shí)常出現(xiàn)多票貨物集中進(jìn)行裝卸，各裝卸子系統(tǒng)相互干擾的現(xiàn)象。在這種情況下，只有在仿真系統(tǒng)中充分考慮干擾對(duì)碼頭作業(yè)的影響，才能保證仿真結(jié)果更為符合碼頭作業(yè)的實(shí)際情況。

在類似仿真系統(tǒng)的研究中，貨物到港一般都被看做是隨機(jī)事件，仿真系統(tǒng)對(duì)貨物的處理是在貨物到港后才開始進(jìn)行。實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度人員經(jīng)常能夠根據(jù)貨物到港的預(yù)報(bào)信息對(duì)未來可能發(fā)生的沖突進(jìn)行綜合考慮，提前優(yōu)化安排貨物的裝卸順序，從而減少相互干擾造成的影響，提高作業(yè)效率。基于這一點(diǎn)，本文提出采用人機(jī)交互^[6]與可拓展的策略知識(shí)庫^[7]相向結(jié)合的方式將這種經(jīng)驗(yàn)性的處理方法引入仿真過程中，以提高仿真系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化水平。

2 調(diào)度優(yōu)化智能處理模塊

2.1 模塊的構(gòu)建

調(diào)度優(yōu)化智能處理模塊實(shí)際上是一個(gè)用于控制仿真運(yùn)行過程的I/O系統(tǒng)^[8]，負(fù)責(zé)當(dāng)裝卸活動(dòng)發(fā)生相互干擾時(shí)對(duì)作業(yè)順序進(jìn)行安排。該系統(tǒng)包括如下四個(gè)子模塊：

a）基本規(guī)則庫模塊，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)基本的作業(yè)規(guī)則并檢驗(yàn)調(diào)度人員處理結(jié)果的正確性。

b）可拓展的策略知識(shí)庫模塊，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)調(diào)度人員所提供的作業(yè)干擾處理策略，并在發(fā)生干擾時(shí)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

c）人機(jī)交互模塊，負(fù)責(zé)接收裝卸作業(yè)的干擾情況，將策略知識(shí)庫的預(yù)處理結(jié)果通過交互界面表示出來供調(diào)度人員進(jìn)行處理，并將處理意見發(fā)送至裝卸作業(yè)干擾處理模塊。

d）裝卸作業(yè)干擾處理模塊，負(fù)責(zé)接收調(diào)度人員對(duì)作業(yè)指揮的處理策略，形成具體的處理手段，減少或排除干擾。

模塊的運(yùn)行過程如圖2所示。

2.2 智能處理過程

圖2實(shí)際上包含了兩個(gè)基本交互過程：a）智能處理模塊與調(diào)度人員之間的交互。該交互過程將策略知識(shí)庫自身無法解決的問題提交給調(diào)度人員；然后由調(diào)度人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析判斷，并反饋回作業(yè)干擾處理策略。b）智能處理模塊與仿真主程序之間的交互。該交互過程將仿真主程序出現(xiàn)的干擾提交給智能處理模塊進(jìn)行處理，并將處理意見反饋回基本規(guī)則庫進(jìn)行檢驗(yàn)，保證理意見與基本運(yùn)營規(guī)則不發(fā)生沖突；然后由裝卸作業(yè)干擾處理模塊將處理策略轉(zhuǎn)換為具體處理辦法提交給主程序。智能處理模塊的主要優(yōu)勢在于：可以將調(diào)度人員的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)和仿真方法結(jié)合起來，保證仿真系統(tǒng)以更為優(yōu)化的方式處理作業(yè)沖突；同時(shí)，可拓展的策略知識(shí)庫可以在仿真過程中不斷學(xué)習(xí)調(diào)度人員的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，提高仿真程序自身對(duì)作業(yè)干擾的處理水平，逐漸減少人機(jī)交互的次數(shù)，加快系統(tǒng)的仿真速度。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 仿真系統(tǒng)組成

總體上，散貨碼頭工藝智能仿真系統(tǒng)可分為四部分：

a）碼頭工藝部分。(a)裝卸設(shè)備模塊，記錄碼頭裝卸設(shè)備的所有信息，如泊位（卸船或裝船）、設(shè)計(jì)船型、裝卸機(jī)械及其效率、存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)目及容量等；（b）工藝線路模塊，根據(jù)裝卸設(shè)備模塊的信息對(duì)裝卸線路進(jìn)行選擇和記錄，以備仿真選擇。

b）仿真準(zhǔn)備部分。（a）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入模塊，負(fù)責(zé)錄入貨物到港（包括水路及陸路兩部分）概率分布、貨物儲(chǔ)存時(shí)間概率分布等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（b）隨機(jī)事件生成模塊，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用隨機(jī)事件發(fā)生裝置生成貨物到港排隊(duì)序列，包括貨物到港時(shí)刻及每票貨物的計(jì)劃儲(chǔ)存時(shí)間等，并對(duì)該序列中的隨機(jī)生成結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)^[9]。

c）仿真運(yùn)行部分。(a)系統(tǒng)調(diào)度模塊，根據(jù)每票貨物的到、離港情況，選擇相應(yīng)的子系統(tǒng)及進(jìn)行裝卸作業(yè)；(b)智能處理模塊，結(jié)合調(diào)度人員的智能，處理作業(yè)時(shí)可能發(fā)生的相互干擾，并將處理辦法發(fā)送給系統(tǒng)調(diào)度模塊。 

d）數(shù)據(jù)記錄與輸出部分。(a)數(shù)據(jù)記錄模塊，負(fù)責(zé)記錄各種關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，如貨物等待時(shí)間、實(shí)際儲(chǔ)存時(shí)間、機(jī)械作業(yè)時(shí)間、貨物裝卸總量等；（b）數(shù)據(jù)輸出模塊，對(duì)數(shù)據(jù)記錄模塊進(jìn)行整理、計(jì)算，并輸出相應(yīng)的仿真結(jié)果。

3.2 仿真系統(tǒng)流程

對(duì)于通過散貨碼頭進(jìn)行運(yùn)輸?shù)呢浳铮话闶紫纫ㄟ^卸船或卸車子系統(tǒng)進(jìn)入碼頭儲(chǔ)存系統(tǒng)，經(jīng)過一段時(shí)間的儲(chǔ)存后再通過裝船或裝車系統(tǒng)運(yùn)離碼頭。根據(jù)這種運(yùn)輸形式，設(shè)計(jì)散貨碼頭仿真系統(tǒng)的流程如下：

a）根據(jù)實(shí)際散貨碼頭的裝卸工藝建立仿真系統(tǒng)，將設(shè)備及工藝路線分別存儲(chǔ)在裝卸設(shè)備模塊及工藝線路模塊中。

b）采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入模塊生成的貨物到港概率分布^[10]函數(shù)（分為船舶到港概率分布和車輛到港概率分布），通過隨機(jī)事件生成模塊對(duì)概率分布進(jìn)行隨機(jī)抽取，生成兩個(gè)貨物到港排隊(duì)序列（水路和陸路）并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

c）將檢驗(yàn)完畢的兩個(gè)序列按不同的卸貨子系統(tǒng)（卸船子系統(tǒng)和卸車子系統(tǒng)）分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)仿真運(yùn)行部分準(zhǔn)備進(jìn)行仿真。

d）仿真運(yùn)行中，當(dāng)某一票貨物到港后，系統(tǒng)調(diào)度模塊對(duì)儲(chǔ)存設(shè)備及工藝線路進(jìn)行選擇；當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，啟動(dòng)智能處理模塊對(duì)作業(yè)干擾進(jìn)行處理，并將處理辦法反饋給系統(tǒng)調(diào)度模塊。

e）系統(tǒng)調(diào)度模塊按照處理結(jié)果選擇裝卸作業(yè)順序，排除干擾，并記錄所有作業(yè)信息。

f）卸貨完畢后，記錄相應(yīng)的儲(chǔ)存時(shí)刻，并設(shè)置貨物的計(jì)劃離港時(shí)刻。

g）當(dāng)存儲(chǔ)貨物到達(dá)離港時(shí)刻時(shí)，選擇相應(yīng)的裝貨子系統(tǒng)（裝船子系統(tǒng)或裝車子系統(tǒng)）進(jìn)入離港排隊(duì)序列。

h）離港排隊(duì)序列中的某一票貨物準(zhǔn)備離港時(shí)，系統(tǒng)調(diào)度模塊對(duì)工藝線路進(jìn)行選擇；發(fā)生沖突時(shí)，啟動(dòng)智能處理模塊對(duì)作業(yè)干擾進(jìn)行處理，并將處理辦法反饋給系統(tǒng)調(diào)度模塊。 

i）系統(tǒng)調(diào)度模塊按照處理結(jié)果選擇裝卸作業(yè)順序，排除干擾，并記錄所有作業(yè)信息。

j）當(dāng)仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超出規(guī)定時(shí)間（如可設(shè)規(guī)定時(shí)間為365天），終止循環(huán)。讀取數(shù)據(jù)記錄模塊中的所有數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)輸出模塊輸出仿真結(jié)果。

散貨碼頭智能仿真系統(tǒng)流程如圖3所示。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 碼頭工藝

某大型散糧碼頭位于中國東北某沿海城市，其主要功能為玉米出口和小麥進(jìn)口，設(shè)計(jì)年吞吐能力為450萬t（其中，進(jìn)口150萬t，出口300萬t）、筒倉總?cè)萘繛?0萬t。每條裝卸路線采用雙線配備，總裝卸能力為1 000 t/h。在最初的設(shè)計(jì)中，貨物在港平均儲(chǔ)存時(shí)間為7 d，但由于近年來倉儲(chǔ)功能日益強(qiáng)化，貨物在港存儲(chǔ)時(shí)間不斷增長，經(jīng)常出現(xiàn)某些貨物的存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到30 d以上。

該碼頭裝卸系統(tǒng)包括四種不同的工藝線路，分別為：a)卸船入倉線路（散糧船→B1、B2→B3、B4→B5、B6→B7、B8→C1、C2、C3、C4→筒倉）。b）卸車入倉線路（散糧裝運(yùn)車C11、C12→C13、C14→B9、B10→C5、C6→B12、B13→B7、B8→C1、C2、C3、C4→筒倉）。c）出倉裝船線路（筒倉→B9、B10、B11→B12、B13→C15、C16→B15、B16→B17、B18→散糧船）。d）出倉裝車線路（筒倉→B9、B10、B11→B12、B13→B14、B15→散糧轉(zhuǎn)運(yùn)車）。裝卸工藝系統(tǒng)流程如圖4所示。

分析發(fā)現(xiàn)，該碼頭的裝卸工藝存在明顯的相互干擾現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在：卸船與卸車工藝線路需要共用設(shè)備B7、B8；卸車、裝車與裝船工藝線路需要共用設(shè)備B12、B13。

4.2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)該碼頭的裝卸工藝系統(tǒng)流程圖，應(yīng)用WITNESS設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的可視化智能仿真程序，具體過程如下：

a）應(yīng)用Access數(shù)據(jù)庫建立裝卸設(shè)備表及工藝路線表存儲(chǔ)裝卸工藝的所有信息，并設(shè)置程序接口與仿真系統(tǒng)的主程序相連接。同時(shí)，分別建立船舶到港概率分布表和鐵路到港概率分布表存儲(chǔ)貨物到港的統(tǒng)計(jì)概率分布。

b）建立相應(yīng)的可視化仿真程序，通過顏色的變化確定裝卸設(shè)備及貨物在筒倉群當(dāng)中的儲(chǔ)存情況，可以方便調(diào)度人員了解所有裝卸設(shè)備的忙、閑情況，作出有效的判斷。

c）隨機(jī)事件生成模塊、智能處理模塊、系統(tǒng)調(diào)度模塊等隱藏于程序的后臺(tái)，進(jìn)行仿真事件的處理。

d）借助WITNESS提供的二次開發(fā)接口，應(yīng)用VB開發(fā)了相應(yīng)的人機(jī)交互界面，方便調(diào)度人員與仿真程序進(jìn)行交互，處理各種可能發(fā)生的干擾情況。

4.3 性能測試及結(jié)果分析

為測試仿真系統(tǒng)的性能，本文采用優(yōu)先級(jí)規(guī)則控制運(yùn)行的仿真系統(tǒng)（模式1）和智能仿真系統(tǒng)（模式2）兩種方式分別對(duì)該碼頭工藝系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。其中，模式1采用先到先服務(wù)的原則安排系統(tǒng)的裝卸活動(dòng)；模式2由調(diào)度人員采用智能處理模塊靈活安排仿真系統(tǒng)的裝卸活動(dòng)。根據(jù)該碼頭貨物到港的概率分布情況，選取了10組到港抽樣排隊(duì)序列，分別應(yīng)用兩個(gè)模式對(duì)這10組排隊(duì)序列進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

模式

交叉設(shè)備利用率/%

B7、B8B12、B13

泊位利用率/%

進(jìn)口出口貨物平均等待時(shí)間/小時(shí)/萬噸貨物運(yùn)輸總量/萬噸

模式125.142.618.537.92.1347.1

模式230.049.822.343.60.8405.2

注：以上結(jié)果為十組排隊(duì)序列仿真結(jié)果的平均值。

從表1中可以看出，在到港貨物排隊(duì)完全相同的情況下，模式2的設(shè)備利用效率、泊位利用率及運(yùn)輸貨物總量均高于模式1，而平均等待時(shí)間則低于模式1。通過對(duì)處理過程的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種差別的主要原因是由于模式2融入了調(diào)度人員的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，使得仿真系統(tǒng)處理作業(yè)干擾的能力有了明顯的改善，減少了等待情況的發(fā)生，提高了仿真系統(tǒng)的作業(yè)效率。

5 結(jié)束語

由于散貨碼頭在處理裝卸沖突時(shí)需要借助大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，僅依靠設(shè)置優(yōu)先級(jí)的方式難以保證仿真效果。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采取調(diào)度優(yōu)化智能處理模塊的方式設(shè)計(jì)了散貨碼頭工藝智能仿真系統(tǒng)。與現(xiàn)有成果不同，盡管在運(yùn)行的處理上相對(duì)繁瑣、仿真環(huán)節(jié)略顯復(fù)雜，但由于該方法充分考慮了調(diào)度人員的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，在處理裝卸沖突的優(yōu)化水平上具有明顯的優(yōu)勢。從仿真實(shí)例的測試結(jié)果可以看出，散貨碼頭工藝智能仿真系統(tǒng)可以提供更為優(yōu)化的仿真結(jié)果，能夠?yàn)樯⒇洿a頭工藝系統(tǒng)的優(yōu)化分析提供更為有效的決策支持。

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