系統(tǒng)模擬技術(shù)在港口工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、    系統(tǒng)模擬技術(shù)在港口工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀    李艷坤蘇廣泉趙偉強(qiáng)摘 要：介紹了港口工程系統(tǒng)的特點(diǎn)及系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對比性的總結(jié)了當(dāng)前應(yīng)用于港口工程的仿真優(yōu)化軟件。關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真；港口系統(tǒng)；仿真與優(yōu)化；0 引言國際貿(mào)易中大部分貨物要經(jīng)過港口中轉(zhuǎn)，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(wù)能力、發(fā)揮港口系統(tǒng)作為全球綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中樞作用對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。港口工程系統(tǒng)是離散、隨機(jī)、動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，一般只能用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖描述，應(yīng)用理論分析方法則難以有效解決。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻完善，系統(tǒng)仿真、優(yōu)化技術(shù)被廣泛的應(yīng)用

2、在港口物流系統(tǒng)中。系統(tǒng)模擬技術(shù)可以模擬港口工程系統(tǒng)中各個(gè)隨機(jī)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(yīng)用于港口規(guī)劃、港口作業(yè)方案設(shè)計(jì)、港口作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)改造等方面。1 港口工程系統(tǒng)仿真、優(yōu)化技術(shù)“港口工程系統(tǒng)模擬”是隨機(jī)過程理論的一種工程應(yīng)用，主要用于分析港口工程中隨機(jī)過程特征顯著的復(fù)雜系統(tǒng)，并模擬（預(yù)演）其系統(tǒng)行為過程，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（在實(shí)際應(yīng)用中，這一類系統(tǒng)模擬亦稱為系統(tǒng)仿真）?，F(xiàn)代港口物流系統(tǒng)研究的主要方法有解析法（例如排隊(duì)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(guān)港口起重設(shè)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(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體2。1.1.2 港口工程系統(tǒng)特點(diǎn)港口工程系統(tǒng)作為離散的、復(fù)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(wǎng)絡(luò)圖描述3如，泊位作業(yè)過程是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及自然條件、船舶到港、裝卸作業(yè)等若干隨機(jī)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(yùn)工具到港時(shí)間具有很大的隨機(jī)性；（2）碼頭作業(yè)受氣候條件制約；（3）船舶、泊位、設(shè)備及人員的情況隨時(shí)間變化；（4）貨源組成結(jié)構(gòu)及數(shù)量隨時(shí)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(jìn)行模擬，仿真也是系統(tǒng)進(jìn)行以及過程運(yùn)行的模擬，可以通過仿真建模來研究系統(tǒng)的進(jìn)行狀態(tài)（即可以通過仿真建模來研究系統(tǒng)隨時(shí)間變化的特性）。所謂計(jì)算機(jī)仿真，就是在實(shí)體上不存在、或著不易在實(shí)體上進(jìn)行的情況下，先通過考察對象進(jìn)行建模，用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出其物理特性；然后編制計(jì)算機(jī)程序，并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算出對象在系統(tǒng)參數(shù)、以及內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)最早被應(yīng)用于生產(chǎn)服務(wù)性評價(jià)，在港口工程系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(shè)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(yùn)系統(tǒng)的設(shè)施布局和規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃是仿真技術(shù)應(yīng)用的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)）。2）港口作業(yè)方案設(shè)計(jì)方面：裝卸工藝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、局部區(qū)域的作業(yè)模式設(shè)計(jì)、設(shè)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(shè)計(jì)方面，利用仿真技術(shù)可以在考慮港口運(yùn)作過程中所存在的天氣變化、船舶到港、設(shè)備故障等各種外部環(huán)境因素干擾的條件下，預(yù)演裝卸作業(yè)及交通運(yùn)輸組織的運(yùn)作過程，發(fā)現(xiàn)作業(yè)中的瓶頸因素，通過調(diào)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(diào)度方面：

6、利用仿真技術(shù)可以解決港口整體的作業(yè)調(diào)度問題（如船舶作業(yè)調(diào)度方案、水平搬運(yùn)組織調(diào)度方案、堆場作業(yè)調(diào)度方案、設(shè)備合理配置方案等），也可解決局部作業(yè)調(diào)度問題（如泊位分配、岸橋調(diào)配、集卡分配、場橋配置、大門開啟通道數(shù)等）。4）對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的改進(jìn)，如港口的改建、擴(kuò)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(shù)常被用來研究港口的碼頭裝卸設(shè)備的配置問題、泊位分配問題、設(shè)備運(yùn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火和遺傳算法等）、仿真優(yōu)化和其他方法（如網(wǎng)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(shù)、單目標(biāo)線性0-1規(guī)劃等優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，仿真和優(yōu)化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用來解決港口工程系統(tǒng)問題正日趨成為熱點(diǎn)5。2 當(dāng)前國內(nèi)外主要的針對性軟件介紹隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，用于系統(tǒng)綜合模擬的應(yīng)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(fù)雜的系統(tǒng)解決方案提供了基礎(chǔ)（如航運(yùn)樞紐、河口地帶泊位運(yùn)行、江海聯(lián)運(yùn)集疏運(yùn)系統(tǒng)等）。目前，港口工程中應(yīng)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(yīng)用于很多領(lǐng)域。但對于特定的專業(yè)問題，可能需要進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)。專業(yè)模擬工具的專業(yè)功能較強(qiáng)，尤其是專門針對集裝箱泊位的工具，如flexterm 和 chesscon。但在應(yīng)用領(lǐng)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(jié)與展望港口工程系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的離散動態(tài)系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)內(nèi)部隨機(jī)變量多，且系統(tǒng)內(nèi)部因素大部分易受到外部條件的影響（如船舶

9、的調(diào)度易受季風(fēng)和潮汐的影響，進(jìn)而影響整個(gè)港口系統(tǒng)的吞吐能力）。計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展為解決港口工程問題提供了有效的手段，當(dāng)前大部分系統(tǒng)模擬軟件的應(yīng)用為港口工程的設(shè)計(jì)、決策和管理提供了合理的依據(jù)。當(dāng)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(yùn)營的影響，因此，未來對于仿真優(yōu)化技術(shù)在港口工程的發(fā)展還有著無限的潛力。參考文獻(xiàn)1 金淳，仿真技術(shù)在港口物流中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景j. 世界海運(yùn)，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(yīng)用d. 武漢：武漢理工大學(xué)，2005.3 楊神化， 施朝健， 關(guān)克平， 應(yīng)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(yīng)用j. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2007， 19（2）： 289-299.4 姜長杰，淺談仿真技術(shù)在港口道路交通研究