面向集装箱码头的仿真技术和优化方法研究

【摘要】： 集装箱码头物流系统是由港口设施、机械设备、人员等组成的具有装卸、搬运及存储功能的系统。随着国际贸易和集装箱化的快速发展和港口竞争的加剧，港口经营和决策者面临着更多的机遇和挑战，为了使集装箱码头物流系统的规划设计具有前瞻性和提高系统的作业效率，对集装箱码头物流系统的布局规划、设备配置、作业调度等方面进行仿真技术和优化方法的研究，有其现实意义，势在必行。本文结合复合建模、遗传算法、模糊控制、虚拟现实等技术，对集装箱码头的设备配置、泊位指派、集卡调度、堆场车流控制、码头规划设计等问题进行了仿真技术和优化方法的研究，主要内容如下： (1)考虑到集装箱码头物流系统动态、离散的特点，以及船舶到港的不确定性对设备配置的影响，结合Petri网这种结构化的动态离散系统的描述工具，在集装箱码头作业系统特点分析的基础上，提出基于分层赋时有色Petri网(HTCPN)对设备配置进行研究的方法，并对有色Petri网进行了分层赋时扩展，用分层将系统划分为不同的对象和模块，用颜色标识不同资源，用赋时来触发离散动态系统的事件。结合CPN Tools仿真建模工具，对码头规划中的集卡优化配置的案例进行了仿真分析，说明该方法可行。 (2)集装箱码头泊位指派问题一般按照固定泊位进行，由于近年来船舶大型化的趋势，某些泊位的长度已不能满足大型船舶靠泊的要求，因此提出泊位连续化动态指派实现问题的解决。本文对泊位连续化动态指派问题采用0-1整数规划建立了数学模型，并将岸桥动态分配考虑到该模型中，构造了遗传算法解决泊位指派这类组合优化问题，用组合染色体编码表示船舶何时靠泊和何处靠泊的信息，构造了遗传算法的适应度函数，并在eM-Plant仿真软件上建立了相应的仿真模型，结合上海某集装箱码头的统计数据进行仿真，结果表明能较好的解决动态指泊问题。 (3)针对集装箱码头的集卡调度问题进行研究，提出了基于属性(进口箱或出口箱)的有阻塞的混合流水车间(HFS-B)调度问题，以实现集卡调度的优化；建立了基于属性的多目标HFS-B的数学模型；采用基于工件和机器的表示方法进行编码，构建了四段染色体结构；采用权重和方法构建遗传算法的适应度函数；基于实例在仿真软件上建立了仿真模型，仿真结果表明该方法的提出能够有效的解决集卡优化调度问题。 (4)针对集装箱堆存箱区水平于岸线布置的自动化集装箱码头布局，结合港区道路交通特点，对交叉口AGV避碰问题提出基于模糊控制的缓冲区策略(FCB)，核心是路口缓冲区的设定和相位时间的确定，并设计了模糊控制器以解决相位配时问题，利用仿真软件建立了交叉口交通流的仿真模型，对目前常用的FIFO(先进先出)策略和FCB策略进行了仿真分析和比较，为自动化集装箱码头交通控制决策提供支持。 (5)由于码头生产的复杂性，目前一般的三维仿真都是“事后仿真”，不能实时改变参数以实现对不同方案的验证，本文提出虚拟集装箱码头的概念，利用虚拟现实软件MultiGen Creator和Vega，开发了一个在虚拟场景中能对集装箱码头进行动态布局和作业仿真的虚拟平台。集装箱码头三维几何建模具有设备多、场景大、模型复杂的特点，本文对虚拟集装箱码头的建模优化技术进行了应用研究；建立了码头前沿集卡的路径实时生成算法；利用人机交互技术实现码头布局方案的实时修改。应用该软件，对某规划中的集装箱码头的不同前沿宽度和不同集卡配比等多种方案进行了仿真和比选，为规划设计提供依据。