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基于哈佛体系结构的集装箱码头物流系统建模仿真研究

李斌  
【摘要】: 集装箱运输是一种高效率、大规模的运输方式,其与信息化网络已经成为国际物流体系的两大基础。集装箱码头物流系统(Container Terminal Logistics System, CTLS)是以集装箱为对象,由装卸运输系统、生产调度系统和管理信息系统组成的高度复杂的物流系统,且由于船舶、集卡的到港时间及船舶装卸箱量的随机性,其具有离散、动态和不确定性。在当前集装箱运输船舶大型化、快速化和港口竞争日益白热化的背景下,CTLS生产调度和管理决策水平的高低对于港口提高自身竞争力,具有至关重要的作用。 本文融合系统工程、软件工程和工业工程的科学思想和方法,将集装箱码头内的装卸作业看做是一种广义的“计算”,将经典的精确计算和分布式控制架构——哈佛体系结构和基于Agent的计算的设计思想和方法体系相融合,以描述和建模CTLS,得出一种新的基于哈佛体系结构和Agent计算(Harvard Architecture and Agent-based Computing, HA-AC)的CTLS整体建模和调度思想,并展开相应的应用研究。论文的主要研究内容和成果如下: (1)从柔性制造系统(Flexible Manufacturing System, FMS)的角度对CTLS的进口箱、出口箱、中转箱的装卸船及其相关的集疏运作业进行了分析,提出其装卸位移模型,并以码头集装箱流和信息流为运作核心,将CTLS的核心部分分解为18种Agent; (2)将不同领域的两个系统——CTLS与CS(计算机系统,Computer System, CS)从系统发展、层次结构、系统组成、体系结构、作业组织和资源分配等方面进行了详细的类比,论述了两者在结构和功能上的映射关系,从而提供了利用计算机系统体系结构和资源调度思想展开对CTLS建模的理论基础; (3)提出以集装箱流和信息流为系统运作核心的基于HA-AC的CTLS整体建模思想和体系结构,并借鉴和融合中央处理器的核心处理技术(超标量体系结构和流水线处理技术),结合CTLS自身的运作特点,抽象出基于属性的有阻塞混合流水车间调度(Hybrid Flow Shops with Blocking Based on Attributes, HFS-BA)模型,亦据此提出基于HA-AC的CTLS的双层集装箱码头生产调度模型; (4)基于上述的建模体系和方法,利用计算机操作系统的调度策略和智能优化算法重点研究了CTLS中码头前沿、水平运输和堆场作业的生产调度问题,并将计算机体系结构设计的量化原则及其相关定律引入到基于HA-AC的CTLS建模体系下,对前述的的重点生产环节进行分析和评估,完成了基于HA-AC的CTLS建模体系下生产调度状况的解析,亦验证和分析了此建模和调度理论的可行性与可信性。


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