系統(tǒng)模擬技術在港口工程中的應用現(xiàn)狀

1、    系統(tǒng)模擬技術在港口工程中的應用現(xiàn)狀    李艷坤蘇廣泉趙偉強摘 要：介紹了港口工程系統(tǒng)的特點及系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術的應用現(xiàn)狀，對比性的總結了當前應用于港口工程的仿真優(yōu)化軟件。關鍵詞：系統(tǒng)仿真；港口系統(tǒng)；仿真與優(yōu)化；0 引言國際貿易中大部分貨物要經過港口中轉，中國是世界上流域、海域廣闊的國家，因此提高港口物流的綜合服務能力、發(fā)揮港口系統(tǒng)作為全球綜合運輸網絡的神經中樞作用對社會經濟的發(fā)展至關重要。港口工程系統(tǒng)是離散、隨機、動態(tài)的復雜系統(tǒng)，一般只能用流程圖或網絡圖描述，應用理論分析方法則難以有效解決。隨著計算機技術的日臻完善，系統(tǒng)仿真、優(yōu)化技術被廣泛的應用

2、在港口物流系統(tǒng)中。系統(tǒng)模擬技術可以模擬港口工程系統(tǒng)中各個隨機過程，并綜合展示它們對系統(tǒng)行為的影響，為解決上述問題提供了有效的手段，主要應用于港口規(guī)劃、港口作業(yè)方案設計、港口作業(yè)調度、系統(tǒng)改造等方面。1 港口工程系統(tǒng)仿真、優(yōu)化技術“港口工程系統(tǒng)模擬”是隨機過程理論的一種工程應用，主要用于分析港口工程中隨機過程特征顯著的復雜系統(tǒng)，并模擬（預演）其系統(tǒng)行為過程，進而進行優(yōu)化設計（在實際應用中，這一類系統(tǒng)模擬亦稱為系統(tǒng)仿真）。現(xiàn)代港口物流系統(tǒng)研究的主要方法有解析法（例如排隊論、系統(tǒng)優(yōu)化法）、系統(tǒng)仿真方法和仿真優(yōu)化方法1。1.1 港口工程系統(tǒng)1.1.1 港口工程系統(tǒng)概念港口物流系統(tǒng)是指在一定的港口空間里

3、，由所需輸送的貨物和包括有關港口起重設備、輸送工具、人員以及通信聯(lián)系等若干相互制約的動態(tài)要素構成的具有特定功能的有機整體2。1.1.2 港口工程系統(tǒng)特點港口工程系統(tǒng)作為離散的、復雜的、動態(tài)的系統(tǒng)，難于用常規(guī)的微分方程、差分方程等方程模型來描述，一般只能用流程圖或網絡圖描述3如，泊位作業(yè)過程是一個綜合性較強的復雜系統(tǒng)，涉及自然條件、船舶到港、裝卸作業(yè)等若干隨機過程，以及諸多其它環(huán)節(jié)和影響因素：（1）船舶、貨物集疏運工具到港時間具有很大的隨機性；（2）碼頭作業(yè)受氣候條件制約；（3）船舶、泊位、設備及人員的情況隨時間變化；（4）貨源組成結構及數(shù)量隨時間變化；（5）碼頭的堆場、環(huán)境受一定的條件制約。1

4、.2 港口工程系統(tǒng)仿真1.2.1 系統(tǒng)仿真理論仿真意味著建模用小的對象描述存在的物體來進行模擬，仿真也是系統(tǒng)進行以及過程運行的模擬，可以通過仿真建模來研究系統(tǒng)的進行狀態(tài)（即可以通過仿真建模來研究系統(tǒng)隨時間變化的特性）。所謂計算機仿真，就是在實體上不存在、或著不易在實體上進行的情況下，先通過考察對象進行建模，用數(shù)學方程式表達出其物理特性；然后編制計算機程序，并通過計算機運算出對象在系統(tǒng)參數(shù)、以及內外環(huán)境條件改變條件下，其主要參數(shù)如何變化，從而全面了解和掌握系統(tǒng)特性4。1.2.2 系統(tǒng)仿真在港口工程中的應用系統(tǒng)仿真技術最早被應用于生產服務性評價，在港口工程系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）港

5、口規(guī)劃方面：我們可以通過仿真技分析提供合理的航道、泊位、岸橋、堆場、場橋、大門等的布局、作業(yè)流程和設施規(guī)模，為碼頭規(guī)劃提供合理的備選方案（對港口水陸域及集疏運系統(tǒng)的設施布局和規(guī)模進行規(guī)劃是仿真技術應用的傳統(tǒng)強項）。2）港口作業(yè)方案設計方面：裝卸工藝系統(tǒng)方案設計、局部區(qū)域的作業(yè)模式設計、設備作業(yè)方式及效果的評估等。如，在裝卸工藝系統(tǒng)方案設計方面，利用仿真技術可以在考慮港口運作過程中所存在的天氣變化、船舶到港、設備故障等各種外部環(huán)境因素干擾的條件下，預演裝卸作業(yè)及交通運輸組織的運作過程，發(fā)現(xiàn)作業(yè)中的瓶頸因素，通過調整各環(huán)節(jié)的作業(yè)資源規(guī)模提供給決策者合理的裝卸工藝系統(tǒng)配置方案。3）港口作業(yè)調度方面：

6、利用仿真技術可以解決港口整體的作業(yè)調度問題（如船舶作業(yè)調度方案、水平搬運組織調度方案、堆場作業(yè)調度方案、設備合理配置方案等），也可解決局部作業(yè)調度問題（如泊位分配、岸橋調配、集卡分配、場橋配置、大門開啟通道數(shù)等）。4）對現(xiàn)實系統(tǒng)的改進，如港口的改建、擴建、現(xiàn)代化改造等；1.3 港口工程系統(tǒng)優(yōu)化目前優(yōu)化技術常被用來研究港口的碼頭裝卸設備的配置問題、泊位分配問題、設備運行路徑優(yōu)化問題、貨物堆放問題等。在港口系統(tǒng)的優(yōu)化中，主要采用了解析法（如拉格朗日算法、線性規(guī)劃）、直接法（如爬山法）、智能優(yōu)化算法（如禁忌搜索、神經網絡、模擬退火和遺傳算法等）、仿真優(yōu)化和其他方法（如網格優(yōu)化法）。例如，針對泊位分配

7、問題，就有粒子群算法、蟻群算法、遺傳算法、拉格朗日算法、模擬退火算法、禁忌搜索、動態(tài)規(guī)劃技術、單目標線性0-1規(guī)劃等優(yōu)化技術的應用。當前，仿真和優(yōu)化技術結合應用來解決港口工程系統(tǒng)問題正日趨成為熱點5。2 當前國內外主要的針對性軟件介紹隨著計算機技術的快速發(fā)展，用于系統(tǒng)綜合模擬的應用軟件日益普遍。這些軟件不僅可以解決常規(guī)的系統(tǒng)模擬問題，也為開發(fā)更復雜的系統(tǒng)解決方案提供了基礎（如航運樞紐、河口地帶泊位運行、江海聯(lián)運集疏運系統(tǒng)等）。目前，港口工程中應用較廣的系統(tǒng)綜合模擬工具主要包括兩類：1）通用模擬工具：如gpss， slam， siman， simscript， witness， arena， e

8、m-plant， flexsim， automod， ralc， ed， anylogic， extendsim等。2）港口系統(tǒng)專業(yè)模擬工具：如 flexterm， chesscon， seaberth， tba 系列等。通用模擬工具適用性廣，可應用于很多領域。但對于特定的專業(yè)問題，可能需要進行相應的二次開發(fā)。專業(yè)模擬工具的專業(yè)功能較強，尤其是專門針對集裝箱泊位的工具，如flexterm 和 chesscon。但在應用領域上具有一定的局限性。幾款軟件的具體性能如表1所示。3 總結與展望港口工程系統(tǒng)是一個復雜的離散動態(tài)系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)內部隨機變量多，且系統(tǒng)內部因素大部分易受到外部條件的影響（如船舶

9、的調度易受季風和潮汐的影響，進而影響整個港口系統(tǒng)的吞吐能力）。計算機仿真與優(yōu)化技術的發(fā)展為解決港口工程問題提供了有效的手段，當前大部分系統(tǒng)模擬軟件的應用為港口工程的設計、決策和管理提供了合理的依據(jù)。當前大部分仿真軟件都能很好的模擬港口系統(tǒng)，但還存在很多不足，如通用軟件界面不友好，專業(yè)軟件界面友好但只能針對特定碼頭形式，通常重視仿真而弱化了系統(tǒng)優(yōu)化，且大部分軟件忽視了外部條件對港口系統(tǒng)運營的影響，因此，未來對于仿真優(yōu)化技術在港口工程的發(fā)展還有著無限的潛力。參考文獻1 金淳，仿真技術在港口物流中的應用現(xiàn)狀及前景j. 世界海運，2009.32（5）.2 蔡蕓. 港口集裝箱物流系統(tǒng)仿真和優(yōu)化方法的研究及應用d. 武漢：武漢理工大學，2005.3 楊神化， 施朝健， 關克平， 應士君. 基于mas和shs智能港口交通流模擬系統(tǒng)的開發(fā)與應用j. 系統(tǒng)仿真學報， 2007， 19（2）： 289-299.4 姜長杰，淺談仿真技術在港口道路交通研究