港口作業系統的結構建模及其HLA仿真

高 鵬

（大連大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

集裝箱港口多式作業系統能夠實現海運、公路、鐵路集裝箱多式聯運中的轉換作業，其作業性能對整個多式聯運物流的效率有重要影響。集裝箱港口多式作業系統是一種隨機動態系統，目前，對其作業過程的研究主要包括作業系統結構、運營模式、裝卸工藝分析建模等[1]，由于其系統要素眾多，要素間的關系復雜程度高，大多數采用仿真建模方法。目前廣泛采用的系統仿真建模方法包括離散事件仿真[2,3]、Petri網[4]、多Agent 模型[5]等。但是，隨著對多式聯運系統中交通及物流鏈分析的對象及其復雜程度的日益增長，仿真模型的內部邏輯日趨復雜，使得當前的仿真建模工作面臨著新的困難[6]，主要是模型的龐大化和模型的可擴展性、互操作和可重用性等問題。對此，解決的根本出路在于利用基于網絡技術的分布式仿真建模方法。

分布式仿真方法包括分布式多Agent 仿真、Web仿真和高層體系結構(HLA)仿真等。目前，分布式仿真的國際標準是IEEE 1516 HLA 標準。HLA 仿真具有可擴展的模型結構、可降低仿真建模的復雜性等優點，近年，已應用到航空運輸、智能交通和供應鏈系統等的仿真建模[7-9]。

在進行港口多式作業系統分布式仿真建模過程中，如何將系統合理分解以及如何使已經分解的各子系統具有很好的交互一致性十分關鍵。對于前者，目前主要按從系統功能、位置、結構特點等角度進行人工區分和分解，如何從理論上對系統分解并找出各子系統間的關聯關系是目前需要解決的問題；對于后者，則要在前者的基礎上根據具體系統的關聯特點進行交互性分析與設計。

對于復雜的系統來說，系統分解的目的是明確子系統的功能系統，建立系統各基本單元的結構模型，即結構建模。在結構建模中，解釋結構模型方法(ISM)是一種用于分析復雜系統結構問題的方法。近年來，解釋結構模型方法常被應用于管理信息系統[14]、知識管理中的障礙識別[15]、定性仿真建模[16]、垃圾分撿系統[17]等，這些研究表明通過ISM 可以很好的分析復雜系統中的要素間的結構關系。

本文以集裝箱港口多式作業系統為對象，研究其分布式仿真建模方法問題、基于ISM 原理分析系統分解方法以及基于HLA 的模型與數據的交互性和一致性等關鍵問題，為解決復雜物流系統的仿真建模問題提出新思路。

1 系統的構成及活動分析

集裝箱港口多式作業系統通過泊位、堆場、鐵路場站、碼頭大門等不同區域的轉換作業連接水運船舶、公路集卡和鐵路火車三種不同類型的運輸方式。系統中與作業相關的要素（實體）如表1 所示，其中，①②③?為活動實體，其它要素為作業資源或稱固定實體。

表1 系統節點元素

這些要素相互協作完成各種不同的作業任務，圖1 從作業時序的角度來描述港口多式作業系統中各種不同類型實體與不同類型的作業過程的對應關系以及其相互協作關系。圖中的虛線框區分不同類型的業務活動，箭頭表示不同子業務之間的消息傳遞。

（1）船側作業：是集裝箱在泊位與堆場之間的裝卸與運輸作業，作業活動過程如圖1 中船側作業虛線框內所示。首先由船舶到達港口為作業開始消息信號，船側作業時，由岸橋為船舶進行裝卸船作業，內卡在堆場由堆場裝卸設備之間進行平行運輸作業。作業完成后船舶離開泊位。

（2）鐵路側作業：是集裝箱在鐵路場站與堆場之間的裝卸作業和鐵路場站與堆場之間的貨物運輸，其活動過程如圖1 中鐵路側作業虛線框內所示。由火車到達編組站為作業開始，火車作業完成后，需要在編組站重新編組，然后離開編組站。

（3）門側作業：是指集裝箱在大門與堆場之間的裝卸作業和大門與堆場之間的貨物運輸，其活動過程如圖1 中門側作業虛線框內所示。由外卡到達大門入口為作業開始，外卡到堆場完成裝卸作業后，返回大門出口，離開大門。

圖1 集裝箱港口多式作業系統作業關系圖

2 系統的解釋結構模型分析

在對上述系統建立基于HLA 的分布式仿真模型時，需要為系統建立各種聯邦成員模型，前提是進行合理的模型分解，然后根據劃分出來的子系統建立聯邦成員模型。解釋結構模型方法以圖論中的關聯矩陣原理來分析復雜系統的整體結構，將系統的結構分析轉換為同構有向圖的拓撲分析，繼而轉化為代數分析，通過關聯矩陣的運算來明確系統的結構特征，達到系統分解的目的。

根據圖1 所描述的系統各節點元素之間的活動關系，將集裝箱港口多式作業系統的業務活動抽象為系統的信號流圖，以描述系統中狀態變量的相互關系，如圖2 所示。在信號流圖中節點表示系統中的變量，即對應表1 中的元素，節點之間的箭頭及其方向表示變量之間的關系和方向。根據信號流圖，可以對系統中變量之間的關系建立布爾連接矩陣，利用布爾連接矩陣可以對系統進行分解計算。

圖2 系統信號流圖

根據解釋結構模型的原理，模型分解的具體步驟如下：

（1）建立系統流程圖的n階初始矩陣A(aij)n×n，并根據布爾矩陣運算法則計算其可達矩陣其中I為與A(aij)同階單位矩陣；

（2）若R 中有0 元素，則說明系統是非強連接系統，既系統是可分，若系統可分，則計算得到的矩陣為對稱矩陣，且元素為1 表示對應的節點為強連接，元素為0 表示非強連接；

（3）按照（2）的結果，根據是否具有強連接性，將節點集合S 分成m 個互不相交的子集，屬于同一子集的節點為強連接節點，構成一個子系統。而后對節點重新編號模型分解矩陣。

根據圖2 建立系統的要素的初始連接矩陣表達式A(aij)，其中的行和列的標號對應圖2 中的節點編號，矩陣階數n=12，其中元素aij定義如下：

根據布爾矩陣的運算法則，得到可達矩陣R：

由于R中存在0 元素，可知系統信號流圖是非強連接的，因此系統可以被分解。計算可達矩陣R的邏輯積為：

根據該矩陣，首先選取11j=，得到節點位置集合1{1}S= ；其次選取 2 2j=，得到集合再次選取j3= 3，得到集合S3= {3,6}；再次選取j4= 4，得到集合S4= {4,5}；再次選取j5= 9，得到集合S3= {9,10,11}；最后選取j6= 12，得到集合S6= {12}。

經重新編號后的連接矩陣A(aij)變為A’(aij)：

若將每個Si視為一個節點，則由矩陣A’(aij)，可以得到Si(i=1,2,…,6)之間的連接矩陣B。

由矩陣B可以看出，在第4 行第1 列元素為1，說明S1和S4之間有交互關系，且S1中只包含要素1既船舶，是一個活動實體，因此為簡化系統，將S1與S4合并，同理將S5和S6合并，得到新的集合為

對節點重新編號如下：

經重新編號后的連接矩陣A’(aij)變為A’’(aij)：

由矩陣A’’(aij)，可得到Si(i=1,2,…,4)之間的連接矩陣B’：

對A’’(aij)進行分塊化簡，分別用S1、S2、S3、S4和C1、C2、C3來表示子模塊矩陣,其中，S1、S2、S3、S4分別表示堆場子系統、泊位子系統、大門子系統、鐵路子系統；C1、C2、C3分別表示S1和S2、S1和S3、S1和S3的關系矩陣。簡化后的A’’(aij)如下。

3 基于HLA 的分布式仿真建模

3.1 分布式仿真聯邦的構成

本研究采用基于高層體系結構HLA(High Level Architecture)的分布式仿真平臺進行建模。HLA 可將具體的仿真功能的實現、仿真運行管理和底層通信三者分離，并能保證系統各成員之間的互操作和重用[11]。根據HLA 系統運行框架的要求，整個仿真模型作為一個聯邦，仿真聯邦的架構如圖3 所示。

聯邦執行包括物流作業及信息流的處理過程[12]。聯邦中設計了三類聯邦成員：作業類聯邦成員、信息管理聯邦成員和作業管理聯邦成員。

（1）作業類聯邦成員：根據前述的系統分解結果，與S1、S2、S3、S4對應，可將系統作業類聯邦成員分為四類：泊位成員(BF)、大門成員(GF)、鐵路場站成員(RF)、堆場成員(YF)。各子系統被視為排隊系統，因此可以對每一類作業聯邦成員建立基于離散事件仿真模型。

（2）信息管理聯邦成員：提供仿真試驗的場景數據，收集各成員的仿真運行狀況、各對象類的信息和仿真統計數據等。

（3）作業管理聯邦成員：制定系統的作業計劃，配置總體資源，在仿真運行后分析統計結果，評估仿真策略。

圖3 港口多式作業系統HLA 仿真聯邦結構

3.2 各仿真子模型的集成

各仿真子模型集成的關鍵：一是保證各仿真模型的數據的一致性，二是保證業務邏輯層中各業務模塊之間的通信交互順暢。為有效解決此集成問題，在對作業過程的分析的基礎上，設計HLA 的聯邦對象模型，定義聯邦成員間的作業交互時序。

3.2.1 FOM 設計

FOM（Federate Object Model）用于定義聯邦成員間交互的對象和事件，關注的是需在成員間共享與交換的所有信息，從全局的角度保證聯邦間交互數據的一致性及可重用性，基本構成包括對象類和交互類。

對象類：對象類的設計根據圖1 中縱向坐標軸上的對象。資源類(Resources)是系統中所有資源的公共抽象類，它的子類包括泊位、裝卸設備、大門類，是系統的靜態結構要素；運輸工具類(Transport)是系統運輸工具的抽象父類，包括火車、船舶、外卡、內卡四種運輸工具類，是離散事件仿真模型中的實體；貨物類(Cargo)指系統中的實體集裝箱。各對象類及其與各成員對象的關系如圖4 所示。

圖4 分布式仿真系統對象類圖

交互類：分布式仿真系統中聯邦間的仿真事件是指作業類成員間的交互信息的發送和接收。根據對系統的分解結果，各系統間的交互關系實際上對應著貨物從不同系統的轉移。對此設置系統之間的交互類貨物轉移通知(CargoTransfer)；同時，作業的開始和結束是由實體的到達和離開事件來標志的，因此對應著各貨物到達通知(CargoArrives)和裝卸完成通知(U/LComlpeted)兩類交互類。交互類層次關系如表2所示。

3.2.2 聯邦成員間的交互時序

各聯邦成員之間的交互過程通過發送交互類觸發其它成員的仿真事件，實現子系統之間的互操作，通過更新對象類屬性改變自身系統的運行狀態。圖1所述的三個典型作業過程，對應三種交互過程，由于篇幅有限，僅以泊位作業成員(BF)和堆場作業成員(YF)間的作業交互為例說明成員間發送的交互消息時序及其含義，如圖5 所示。

表2 聯邦對象模型中交互類的層次結構表

圖5 聯邦成員BF 和YF 間的交互時序圖

4 結論

本文提出的采用解釋結構模型對集裝箱港口多式作業系統進行分析，并依據分析結果設計基于HLA 的分布式仿真模型的這一針對復雜的交互作業系統的建模思路。該思路通過解釋結構模型有效的解決的系統的分解的問題，并且通過系統分析，有效的解決了分解后的子系統之間數據交互的一致性問題?？梢灶A計：隨著對象系統復雜程度的提高，分布式仿真方法將顯示出其優勢。本文為解決復雜物流系統的建模問題開辟了新思路

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