（控制科学与工程专业论文）大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究.pdf

摘要 港口作为交通运输的枢纽，对于国家国民经济的发展起着非常重要的作用。港口 项目投资巨大、占用大量资源，因此，好的码头设计将不仅能提高港口的工作效率， 增加港口经营收入，而且能为国家节约大量的建设资金。 在当今世界贸易及航运高速发展的影响下，我国大型、专业化散粮码头相继建成； 本文首先介绍了大型、专业化散粮码头的建设概况及散粮工艺系统的重要作用，进而 总结了已有的一些码头工艺模拟系统的建模方法论、建模手段及其在码头系统模拟中 已有的一些应用成果，指出所存在的主要问题；分析了散粮码头系统的主要特点及其 与水运、陆运之间的关系，得出了散粮码头系统的工艺设计是决定码头通过能力最主 要因素，并以此为依据，以散粮码头工艺系统为主要研究对象建立进口散粮码头模拟 系统模型；以该模型为指导，初步编制了较为通用的进口散粮码头系统实时运营模拟 程序；应用该程序对大连港大窑湾散粮码头一期工程进行实际模拟，并得出了满意的 结果；最后，本文讨论了在研究中存在的问题，提出了改进意见并讨论了本课题的发 展方向。 本论文针对散粮码头系统设计与运营中出现的问题，根据系统分析的方法，结合 现代计算机模拟技术，在对大型散粮装卸码头工艺系统分析的基础上，提出了应用面 向对象的系统分析方法开展对散粮码头装卸工艺系统进行分析研究，并建立模拟系统 的概念。该系统通过对大型散粮码头装卸工艺系统进行计算机辅助设计，以达到系统 优化的目的。 关键词：港口；系统模拟：计算机模拟；面向对象：优化 a b s t r a c t a st h eh u bo ft r a n s p o r t a t i o n ，p o r tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a l e c o n o m y l a r g e a m o u n t so fm o n e ya n dr e s o u r c e s u s u a l l y a r eu s e df o rt h e c o n s t r u c t i o no fp o r t ag o o dd e s i g no fp o r tn o to n l yp r o m o t e sw o r k i n ge f f i c i e n c ya n d i n c r e a s e si n c o m e ，b u ta l s os a v e sc o n s t r u c t i o nc o s t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs h i p p i n gi n d u s t r y a n di n t e r n a t i o n a lt r a d e ， m a n y l a r g e s i z e da n ds p e c i a l i z e db u l kg r a i nt e r m i n a l sh a v eb e e nc o n s t r u c t e di nc h i n a f i r s t l yt h e a r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec o n s t r u c t i o no f l a r g e s i z e da n ds p e c i a l i z e db u l kg r a i n t e r m i n a l sa n dm a j o rr o l e so ft e c h n o l o g i c a l s y s t e m o t h e r w i s e ， i ts u l n s u pa n a l y s i s o f m o d e l i n gm e t h o d o l o g ya n da p p l i a n c eo f s i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sa l r e a d ye x i s t e d ， a n dt h e n p o i n t so u ts o m ed e f e c t s t h e nt h ea r t i c l ea n a l y s e st h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so fb u l k g r a i nt e r m i n a l sa n dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h eb u l k t e r m i n a l ，w a t e rc a r r i a g ea n dl a n d c a r r i a g e ， e d u c e st h em a i nf a c t o r sw h i c hd e c i d eh a n d l i n gc a p a c i t yi st h ea r tc o n s t r u c t i o n ， t h e na c c o r d i n ga st h i se s t a b l i s h i n gas i m u l a t i o nm o d e lo f i m p o r t b u l kt e r m i n a l b a s e do nt h i s m o d e l ，au n i v e r s a lr e a lt i m er u n n i n gs i m u l a t i o np r o g r a mo fi m p o r tb u l kt e r m i n a l i s e s t a b l i s h e d t h ep r o g r a mi sa p p l i e dt ois tp h a s ep r o j e c to fd a y a ob a yb u l kt e r m i n a l s ， d a l i a np o r ta n dt h er e s u l ti s s a t i s f a c t o r y f i n a l l y ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ep r o b l e mi n r e s e a r c ha n db r i n g ss o m ea d v i c e si nf u r t h e rr e s e a r c h b a s e do ns y s t e m sa n a l y s i s ，m o d e mc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g i c a l a n a l y s i so fl a r g e s i z e db u l kt e r m i n a l s ，t h ea r t i c l ep r o p o s e st h ea p p l i a n c eo fo o a t ot h e r e s e a r c ho fb u l kh a n d l i n gs y s t e ma n dr a i s e sac o n c e p to fs i m u l a t i o ns y s t e m t h r o u g ht h e a u x i l i a r yd e s i g n o ft e c h n o l o g i c a l s y s t e mb yc o m p u t e r ，t h eo p t i m i z a t i o n o fs y s t e mi s a v a j 】a h l e k e yw o r d s ：p o r t ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，o o a 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 1 文献综述 1 1 问题的引出 港口作为交通运输的枢纽，其码头的装卸工艺系统是一个重要的组成部分，它承 担着货物进港与出港的运输任务，是港口中的微型物流体系，一个港口的装卸系统的 好坏，直接关系到港口的装卸能力、装卸效率，对整个港口的生产作业起着至关重要 的影响。由于港口是一项投资十分巨大的建设工程，因此，好的码头工艺设计将不仅 能提高码头的工作效率，增加港口经营收入，而且能为国家节约大量的建设资金。 大型散粮码头装卸工艺系统的计算机模拟属于工程系统分析领域，课题源于 大连港大窑湾散粮工程、世界银行贷款项目大连北良粮食中转码头及大连北良国家粮 食储备库工程等大型、实际的散粮项目。专业化的散粮码头是一个十分复杂的输运系 统，在整个码头系统的运行中，物质( 散粮) 的输入是随机的，具有很强的不确定性。 因此，就要求散粮码头的工艺系统有较强的的适应能力，但其适应能力的高低在设计 阶段是很难做出评价的。而且，码头建设是一项耗资十分巨大的工程，这就要求设计 人员对码头工作程序及码头工艺流程有着非常丰富的经验，才能在设计中做到统筹兼 顾，既能满足码头的设计要求，又能够尽量节省前期建设投资，为国家节省资源。但 任何一位设计人员的经验都是有限的，不可能将极其复杂的码头运营及施工状况考虑 得非常周全。为此，结合实际的大型散粮项目设计一套计算机模拟系统来指导工程设 计和实际运营就显得尤为重要。 在过去，我国基本上没有建设专业化的散粮码头，而是通过通用码头来兼顾接卸 散粮，这样一方面装卸效率低下，另一方面使得船舶在港时间延长，港口的经济效益 降低：同时多数通用码头的吨位较小一般都在1 万吨至3 万吨之间，适用接卸的船型 受到极大的限制。随着中国经济的迅猛发展，加之中国幅员辽阔、南方与北方之间粮 食产量与品种严重不均衡，特别是我国加入w t o 之后，中国与世界各国、中国南方与 北方之间粮食的运输量迅猛增加，为了提高粮食的装卸效率，减少船舶在港时间，提 高港口的经济效益，就迫切需要建设一批专业化的、大型化的散粮码头。近几年来， 我国为了适应这方面的发展，沿着中国的海岸线从北到南相继建设了一批大型的、专 业化的散粮码头，其中比较有代表性的如：大连港大窑湾散粮码头、世界银行贷款项 目大连北良粮食中转码头、大连北良国家粮食储备库工程、青岛港散粮码头、山东龙 口5 万吨散粮码头、秦皇岛散粮码头以及广东黄蒲港散粮码头等。 中国幅员辽阔、南方与北方之间粮食产量与品种存在严重不均衡，由于受自然条 件的限制，东北地区人均小麦占有量每年不足5 0 垤( 辽宁省、吉林省人均小麦占有量 仅有3 k g 年4 k g 年) ，远远低于全国平均水平。随着经济的发展、人口的增加及人民 生活水平的提高，东北地区对小麦的需求将会不断增加。据统计2 0 0 0 年东北地区小麦 的需求量为7 2 1 万吨，除去本地区自产和国内调拨外，每年需要经过海上运输从大连 口岸进口国外小麦4 5 0 万吨5 0 0 万吨，其中8 0 阻上来自美国、加拿大、阿根廷。 同时，东北地区作为我国主要商品粮基地，粮食生产大于消费，东北地区外运粮主要 是玉米和大豆，其中玉米种植面积占全国的近3 0 ( 我国的玉米种植面积已超过2 0 0 0 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 万公顷) ，玉米的产量占全国的近4 0 ( 正常年景中国玉米产量可达一亿吨左右，产量 约占世界总产量的i 5 ，) ，据统计从1 9 8 6 1 9 9 0 年间，东北地区平均每年玉米外运量为 8 9 0 万吨，其中1 9 9 0 年1 3 0 0 万吨，2 0 0 0 年达到1 5 0 0 万吨，2 0 0 1 年达到1 6 0 0 万吨， 2 0 0 2 年达到1 8 0 0 万吨，其中决大部分通过水路往外运输【2 】。大豆是东北地区另一个 外运的粮食产品，每年通过水路运输出口韩国、日本、东南亚等国家和地区，平均每 年出口外运量为6 0 0 万吨左右。大连港作为东北地区主要的深水、不冻、不淤的枢纽 大港，每年承担了大量的粮食运输任务，因此在大连建设大型、专业化的散粮码头对 于大连乃至东北地区已经显得非常必要。为此，从二十世纪九十年代初开始，大连在 大窑湾地区先后投资建设了大连港大窑湾散粮码头和世界银行贷款项目大连北良粮食 中转码头两个大型、专业化的散粮码头，其中大连北良粮食中转码头是目前为止世界 上第二大的散粮码头。 散粮码头的装卸工艺系统在各种散货码头的装卸系统中是最为复杂的，尤其随着 散粮码头规模的不断增大，其系统工艺变得愈加复杂。对于容量不大、工艺线路不复 杂的散粮装卸系统，设计人员基本可以凭经验判断，但对于吨位、容量较大、功能齐 全的大型散粮码头，由于码头工艺的复杂性与不确定性与设计人员自身的局限，不可 能将极其复杂的码头运营及货主的各种特殊要求考虑得非常周全。另一方面，我国建 设的大型散粮码头时间不长，刚刚有了一定的实践，缺乏大型码头的管理调度的经验。 在这种情况下，应用计算机模拟整个工艺的实际运营状况便成为一种行之有效的方法。 尽管通过计算机模拟得出的只是可行解或较佳解，但其结果经分析研究后对工程设计 人员和码头管理人员均有着十分重要的指导意义。本次研究所要解决的主要问题是通 过计算机模拟码头工艺的实际运营情况，为码头工艺设计和管理提供辅助分析。因而 研究便于工程技术人员使用的分析模拟软件便有着十分重要的意义，本课题便是基于 这样的想法产生的。 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 1 2 国内外同类研究现状及存在问题 目前，应用计算机模拟手段研究码头规划或实际运营管理，并提供量化的决策支 持信息，这在国外已经相当普遍了 3 】【4 】【5 】，对码头工艺系统的模拟也有个别软件推出。 我国在近几年来也在开展这方面的研究，如交通部资助开发的通用专业化散粮码头计 算机动画模拟模型【6 1 等，己能初步完成单一码头的系统模拟分析。从已有的成果来看， 由于对具体方案进行建模、编程、调试的过程都是比较专业的技术，因此，依靠码头 设计人员自行编制是较为困难的，而专门的编程人员往往对港口工艺的实际状况又不 了解，因此，很容易出现设计与现实相脱节。并且，由于其进程大多数为实际需求而 设定，所发生的状况有时是难以预料的，因此，需要有对特殊情况进行专门模拟的能 力。笔者认为，对于工程技术人员来讲，最有参考价值的是模拟能够为方案的宏观设 计与微观改进进行实时的跟踪和监控，即计算机模拟主要应在运行过程中起辅助作用。 上世纪七十年代计算机模拟采用的思想是面向结构的系统分析方法论【7 】，结构化 方法论把现实世界描绘为数据在信息系统中的流动，以及在数据流动过程中数据向信 息的转化。 上世纪八十年代中期，出现了一种称为信息建模的方法论p 】。现在他仍然是协助信 息系统开发的一种主要方法论。信息建模方法论信奉的理念是：好的工程是简单的工 程，它主要从信息角度开发系统而不向结构化方法论那样从功能角度考虑问题。客观 世界被描述成数据和数据属性及其相互关系。和结构化方法论一样信息建模方法论也 是严格( 结构化) 的、可重复的、可测量的、自动的。这个方法论主要集中于从信息 角度进行分析和设计。 信息建模的方法论使用的解决问题的策略和结构化方法不同，因为两者有本质的 差异。为了成功满足信息系统的需要，两种方法论都考虑了功能和信息，两者的差别 在于处理功能和信息的策略不同。结构化方法论主张从功能入手。信息建模方法论主 张从信息或数据功能入手。两者都需要功能和数据。 对于码头工艺系统来说，以上两种方法主要以整个模拟系统的数据和功能为分析 对象，应用计算机将整个系统的物质、能量的流动过程进行模拟，所编制出程序的通 用性较差，并且难于维护，一旦系统的实际情况有所变化，就需要对模拟程序进行较 大的改动，甚至重新进行系统分析重新编制程序。而编制程序的过程是极其繁琐的， 普通的码头工艺设计人员不熟悉编制程序的过程，很难对程序进行修改。如果专门聘 请优秀的专业程序设计人员，不仅程序的维护过程比较繁琐，而且对程序设计人员来 说，对码头工艺不了解、不熟悉就成了编制程序的最大障碍，因此，早期的模拟程序 的通用性较差。 近些年来，一种新的系统分析思路面向对象的系统分析方法论使我们拥有了 一个无比强大的系统分析工具 8 1 。面向对象的分析和设计方法论出现在八十年代中后 期，面向对象的方法解决问题的思路是从对象角度入手一1 ，而不象传统方法( 结构化方 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 法) 那样从功能入手，或向信息建模的方法那样从信息角度入手。 面向对象技术有八个概念，这八个概念构成了面向对象技术的基础。 ( 1 ) 通用组织方法。用于协助组织信息系统模型以及最终编写的软件。 ( 2 ) 抽象。抽象是忽略问题的无关部分而集中考虑关键部分的原则。 ( 3 ) 封装或信息隐藏。指软件的组成部分( 模块、子程序、方法等) 应该相互独立 或者隐藏设计的细节。在系统分析中，系统分析员把问题分解为小的封装单元。 这些封装单元最终成为软件模块。 ( 4 ) 继承。表示相似性质的机制。 ( 5 ) 多态。一般表示具有多种形态的能力。 ( 6 ) 消息通信。它是面向对象的方法中对象之间相互联系的方法。 ( 7 ) 关联。它能将信息系统的各部分互相联系起来。 ( 8 ) 复用。表示同一对象或功能的重复利用。 通过这八个概念p 】，我们能够建立一个完整的信息系统模型。在散粮码头的计算机 模拟系统中采用面向对象的系统分析设计方法，能够极大的提高系统的通用性与用户 友好性。并且在系统发生改变的时候不用做大的调整，只要添加新的对象或功能模块， 便可形成新的模拟程序。无论对于码头工艺设计人员还是系统分析与编制人员来说都 是较为容易的。由于系统的对象与功能在实现的过程中进行了封装，则对于使用者来 说，系统的功能与实践的形成过程是透明的【2 ”，换言之，用户不必理会这些功能是如 何形成的。从而降低了难度，方便了工程设计人员使用。 4 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 1 3 本文的研究目的及研究方法 近些年来，随着计算及技术的迅猛发展，计算机模拟技术在各行各业得到了广泛 的应用。在码头工艺的模拟方面也有尝试，但大多都基于信息建模或结构建模的思想 进行设计分析的。所以，绝大多数模拟程序都只是为某一特定的码头工艺进行服务， 并不能为其他的码头设计服务。本次研究所采取面向对象的系统分析与设计方法是该 计算机模拟系统的主要特色。希望在了解码头工艺设计的共性的基础上，应用面向对 象的设计分析方法，通过对码头工艺公共特点的分析，设计出较为通用的系统。其主 要应用价值在于，通过建立码头工艺系统分析的通用程序，模拟整个码头运营的实际 状况，辅助工程技术人员制定并检验码头工艺设计，并找出设计的问题与瓶颈，不断 改进设计方案，并对改动的方案应用程序进行再次分析，在不断分析的过程中对整个 工艺进行调整与改进，以达到优化工艺的目的。 本次研究所要解决的主要问题是如何较为准确的表现码头工艺的实际运营情况， 并为码头工艺设计提供辅助分析。任何一个模拟系统均有三个基本特点：数据、功能、 行为。对于港口码头工艺系统来说，数据便是其机械的额定状况、码头的能力、火车 的运输能力等等。功能则是码头本身的输运与存储，而行为则是指码头本身的作用一 一疏运枢纽，船舶将所载货物卸入港口，然后再由港口将货物经由各种运输方式运输 出去。为确定码头工艺系统的数据、功能与行为，首先应对码头工艺进行分析。该分 析主要有四项活动： ( 1 ) 确定信息系统的目的与特点。这个活动需要在进行对象建模之前执行。应首 先确定、理解并记录系统的目的与特点。 ( 2 ) 确定模型部件的对蒙与模式。系统分析员应与用户一起讨论发掘问题域的时 候选对象及类。并反复推敲直至最终确定系统的所有对象和类。 ( 3 ) 建立对象责任。所有的对象承担三种责任。第一种责任是认识对象对自己的 了解。第二种责任是认识对象对其他对象的了解。第三种责任是对象所做工作的了解。 ( 4 ) 定义服务场景。场景是完成特定服务责任的按时间顺序排列的对象的交互序 列。 在对系统分析结束之后便应对系统进行建模，对码头工艺的模拟来说，其实质是 物质流动的模拟。物质经过运输路径进入码头，再由这些运输路径运出码头。其实质 也是一个有向物流运输网络问题，本次研究将利用交通网络以及图论的方法对散粮码 头的工艺系统进行分析，得出其所有路径的运输状况，并将路径作为对象进行封装， 已确定所有的运输子路线，并自动生成运输模型，同时形成整个码头工艺的工艺布置 图。在进行模拟的过程中，物质进出码头的线路选择由电子计算机自动完成或由设计 人员人为控制，通过计算机的模拟将整个码头的实际情况表现出来，从而发现分析整 个工艺系统的瓶颈部分，并不断进行分析与调试，最终达到比较满意的结果，程序模 拟过程如图1 1 所示。 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 图1 1 程序模拟过程 f i 9 1 1p r o c e d u r es i m u l a t i n gc o u r s e 分析设计的主要步骤如下所述： 第一步，对一些比较有代表性的码头工艺进行系统分析，对码头工艺的机械设备 进行具体分析并抽象，将抽象出的各种对象进行系统封装，并对所封装的对象进行归 类，同时研究所有对象的功能与属性。然后重点研究每一类对象与同类之间或其他类 之间的关系，并逐一作以详细记录。 第二步，因为港口码头工艺流程系统实质上是一个有向的运输网络，因而，可以 应用运筹学以及图论的理论对码头的整体工艺进行分析，在整体分析过程中重点分析 从起点到终点的路径问题，并认真研究码头工艺设计规则，了解工艺设计应遵循的依 据。在了解了码头工艺设计的基础之上分析建立码头工艺通用模拟模型，应用此模型 对码头工艺的实际项目进行分析建模，并征求专家的意见不断对模型进行修改，直至 满意为止。 第三步，编制通用模拟程序。模拟程序是本次研究的核心部分，如上所述，本次 研究的主要目的是应用模拟程序对已经设计好的码头工艺进行模拟分析，以达到辅助 设计的目的。本程序主要有四个部分：数据组织部分；路径封装部分；规则设置部分； 图形生成部分。这四部分结合起来，构成该程序的主体框架，其主要内容为： 1 、数据组织部分。任何程序都必须要有数据，数据的组织与流动对于整个程序来 讲是十分重要的。本次研究希望应用数据库技术【8 1 ，将所有机械设备作为对象进行量化 并对其进行归类，得出所有对象的属性，即效率、额定功率、容量等等。其中，最重 要的关系便是每一个对象与其他对象在整个系统中的相对位置。将所有属性设置完毕 之后，将其存入系统数据库之中保存，等待调用。 2 、路径封装部分。该部分是本程序的核心思想之一。以前的码头工艺系统模拟是 尽量将整个系统结构作为研究对象模拟出来，但本次研究是以码头工艺中从起点至终 点的路径为研究对象。前文述及，码头工艺实质上是一个有起点、有终点的有向运输 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 网络体系，普通的运输网络体系是具有普遍性的，因此，很难将其路径一一找出并记 录下来，但本次研究的码头工艺网络系统具有其自身的特殊性。例如，从船舶卸货的 角度来讲，码头的货物运输起点是船舶，终点是堆场或筒仓等，从船舶或铁路公路装 车的角度看，起点是堆场或筒仓，终点是码头、铁路、或公路等。由于有确定的方向， 则记录其所有路径便成为可能，本程序正是应用这一原理进行设计分析的。由于在数 据组织过程中，各个对象与其他对象的相对位置关系已经确立，因此，只需适当设计 搜索规则，便可得到所有从起点到终点的运输路径。并由系统记录下来。同时分析每 一条路径，得出其功能与属性，最终保存在系统数据库之中。以上步骤最终将每一条 子路径封装起来，作为对象看待，即将整个结构作为所有的路径对象的组合，组成整 个码头工艺系统。 3 、规则设置部分。整个规则有两个关键部分。第一是路径的搜索规则，第二是运 输路径选择规则。第一个规则主要是在封装路径时避免出现回路，避免货物永远在工 艺中循环，无法运至终点的状况。第二个规则比较复杂，因为港口运行的随机性较强， 因此卸船装车等活动所选的路线无法事先预知，规则比较难以确定，只有在对码头运 营进行调查分析比较之后才能对整个规则进行设置。也是本程序的难点所在。 4 、图形生成部分。作为模拟技术，数值的模拟很难以直观的形式将系统运营状况 表现出来。但模拟机械形状与局部运行状况并没有太多的实际意义，对于工程设计人 员来说，最有意义的莫过于码头工艺设计的流程图。因此，图形模拟的主要部分便是 整个码头工艺的流程图。在研究过程中，希望通过所输入的数据应用计算机图形技术 自动形成其工艺流程图，并能在工艺流程图中表现其物质、能量的流动过程。 图i 2 程序流程的示意图 f i 9 1 2s k e t c hm a po fp r o c e d u r ec o u r s e 第四步，对编制好的程序进行调试。寻找一些现成的例子进行模拟分析，以检验 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 程序的正确性。在调试中，必须有专家共同进行调试，并由专家提出意见，不断对程 序进行改动，直至比较满意为止。 第五步，总结系统分析、设计及编程规律。 图1 2 为整个程序流程的示意图。 针对于以上所述各项问题， 提出本文的研究思路如下 1 、分析港口来船规律， 建立来船排队服务模型，为码头工艺系统的分析提供接 近真实的外部模拟输入。 2 、通过分析散粮码头工艺系统，将系统中的诸多机械设备进行抽象，并将抽象的 对象进行归类。 3 、将散粮码头工艺系统归纳为有向运输网络，并在此基础上进行建模。 4 、编制较为通用的模拟程序。 ( 1 ) 来船模拟部分 ( 2 ) 设备封装部分 ( 3 ) 路径搜索部分 ( 4 ) 数值模拟部分 5 、对编制好程序进行调试 6 、总结系统分析、设计过程中的优缺点 7 、总结散粮模拟系统的编程规律 在开发工具的选择上，为便于面向对象技术的实现且保证模拟过程的效率和速度， 决定采用m sv c + + 6 0 ，这也是笔者比较熟悉的一种语言。码头工艺系统设备的数据 需存入数据库中，考虑其数据量的规模在数千条左右，采用a c c e s s 桌面数据库即 可，这也是大多数单位最常用的数据库系统。 大型敖粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 2 大型散粮码头装卸工艺系统分析 2 1 大型散粮码头装卸工艺系统的现状分析 散粮码头是一个高度自动化、完全专业化、十分复杂的服务系统，而码头工艺设备 在整个系统中起着至关重要的作用。散粮码头工艺设备的运输能力、相互匹配予否、 自动化程度的高低直接影响到其建设的投资及建成后营运的经济效益。为此，就要求 散粮码头的工艺不仅要满足设计要求，而且要有较强的适应能力。 目前，对于小型的、简单的散粮码头、在装卸系统容量不大的时候，设计人员基本 可以凭借原有的设计经验，布置和计算得出比较优化的设计结果。在设计过程中，设 计人员可以根据码头工作程序及码头工艺实际需要，做到统筹兼顾，既能满足码头的 设计要求，又能够尽量节省建设投资，降低码头经营费用。其结果也是比较可靠的。 但是随着散粮码头建设规模的增大其工艺系统也变得愈加复杂，对于吨位、容量较大、 功能齐全的大型散粮码头，由于码头工艺的复杂性与不确定性，设计人员不可能将极 其复杂的码头运营及货主的各种特殊要求考虑得非常周全。现阶段，我国从事散粮码 头设计的工程技术人员在进行装卸工艺系统设计时，主要采用的方法是：统计数据及 经验公式。 2 2 大型散粮码头的业务流程分析 从整体上来看，散粮码头实质上是一个十分复杂的排队服务系统。根据排队论的 观点，到港船舶可视为顾客，港口可视为服务机构( 对船舶进行装卸作业的机构) 。 由于船舶到港具有随机性，使之与供船舶装卸作业用的码头泊位和供船舶待泊排队用 的锚地一起构成了港口的随机服务系统。根据该系统的基本特征一输入过程( 船舶到 达) 、服务机构和排队规则，可建立数学排队模型。 2 2 1货种、流量、集运方式 中国幅员辽阔、南方地区与北方地区之间粮食产量与品种存在严重不均衡，由于受 自然条件的限制，东北地区人均小麦占有量每年不足5 0k g ( 辽宁省、吉林省人均小麦 占有量仅有3 k g 年4 k g 年) ，远远低于全国平均水平。随着经济的发展、人口的增加 及人民生活水平的提高，东北地区对小麦的需求将会不断增加。据统计2 0 0 0 年东北地 区小麦的需求量为7 2 1 万吨，除去本地区自产和国内调拨外，每年需要经过海上运输 从大连口岸进口国9 t , d , 麦4 5 0 万吨5 0 0 万吨，因此大连港大窑湾散粮码头进口小麦的 设计运量为3 0 0 万吨年，全部由铁路散装疏运，货流方向为辽宁、吉林、黑龙江，分 配比例辽宁5 0 ，吉林3 5 ，黑龙江1 5 。 2 2 2 船型确定 我国每年需要进口1 2 0 0 万吨1 6 0 0 万吨粮食，其中8 0 以上来自美国、加拿大、 阿根廷，运输距离6 0 0 0 公里8 0 0 0 公里，运输方式均为船只水运。大连港1 9 8 9 年1 9 9 0 9 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 年进港的散粮运输货船平均船型为6 1 万吨，大连港近十年进口散粮船舶吨级与数量见 表2 1 ，从1 9 8 8 年以后5 万吨级以上散粮船舶占运输船舶数量的6 0 以上，预计以后 大连港进口散粮船舶的平均船型为6 万吨，大窑湾散粮码头进口泊位应以能够停靠8 万吨级散粮船舶为宜。 表2 1 船型统计表 t a b t e 2 1s t a r i s t i t so fs h i pm o d e l 序号年份 1 52 03 04 05 07 01 0 0合计 万吨万吨万吨万吨万吨万吨万吨 11 9 8 54191 71 354 9 21 9 8 657 9 1 2544 2 31 9 8 71l1 51 91 91 257 2 41 9 8 882 04 0437 5 51 9 8 9l44 21 236 3 61 9 9 051 42 61 946 8 71 9 9 l181 02 475 0 81 9 9 2131 31 71 24 6 91 9 9 3371 733 0 1 01 9 9 43441 612 8 2 2 3 泊位作业标准和作业天数 1 、泊位作业标准 泊位允许作业标准见表2 2 表2 2 泊位允许作业标准表 t a b l e 2 2c r i t e r i o no fd o c kw o r k 泊位雨雪能见度厨l顺浪横浪 名称( k m )( 级) h 1 1 0对应h1 1 0对应 ( m )周期( m )周期 ( s )( s ) 散粮 1 7 1 2 8 0 1 0 8 0 泊位 o 查里墼墨堡兰茎墅三苎墨型竺垫塑垫查堕塑堑塞 2 、影响作业天数 。 蜚当+ 哟水亭：皇警统计数据，采用海港水文规范中的公式计算得出影响作业天 数全年为5 5 天，考虑其它因素拟定泊位的年作业天数为3 0 0 天。 。 2 2 4 航道尺寸 1 、航道宽度 大连港大窑湾航道的宽度按照单航道设计。 按照( ( 海港总平面设计规范) ) 规定的计算方法，单航道的宽度为： w = a + 2 c a = n ( l s i n t + b ) 式中： a 一航迹带宽度 b 一船舶宽度，b = 3 6 m ： c 一 船舶与航道底边问的富裕宽度，取c = 2 7 m ： n 船舶漂移倍数，取1 6 9 ： l 一 船舶长度，l = 2 5 6 m ： t 风、流压偏角，取8 + ； 2 、航道设计水深 。冬堡、i 擎港璺平面设计规范) ) 规定的计算方法，8 万吨级船舶满载进港，所需要 的航道设计水深为： 航道通航水深：d o = ：t + z o + z l 卜z 2 + z 3 航道设计水深：d = d o + z 4 式中： t 船舶满载吃水，取1 4 2 m ： z o 船舶航行时船体下沉增加的富裕深度，取0 2m ： z l 龙骨下最小富裕深度，取o 5m ： z 2 一波浪富裕深度，取0 4 8m ： z 3 船舶装载纵倾富裕深度，取o 1 5m ： z 4 备淤富裕深度，取0 4i t i ： 经过计算航道通航水深：1 5 5 3m ；航道设计水深：1 5 9 3 m 。 2 2 5 船型确定 1 、计算公式 c 2 二二r 五i g 2 4 - f 2 4 式中： 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 泊位年通过能力： 泊位年工作天t y = 3 0 0 ( c t ) ： 装卸一般设计船型所需时间： t z = g pg 一平均船舶载货量 p 一平均船时效率p = 1 0 7 0 t h ： 昼夜非生产时间之和，t = 6 ( h ) ： 辅助作业、技术作业、船舶靠离间隔之和t f = 6 ( h 1 船舶平均载重量：g = 6 0 0 0 0 t 港口生产不平衡系数。k b = = 1 3 5 。 2 、计算结果 散粮出口泊位通过能力p t 为3 9 3 万吨年。 2 2 6简仓容量 l 、计算公式： e ：q h k s k k ，- j 丁k k 。 “ 式中： e ：一 筒仓容量( 万吨) ： q ”一年货运量，3 0 0 万吨： k b k 一筒仓堆存不平衡系数；取1 4 ： 鼬一货物入仓比例；取o 7 ： t y 站一筒仓年营运天；3 6 0 d ； t d 。一 玉米平均堆存期( 内外贸运量按各占5 0 。内贸t d c = 7 d ，外贸t d c = 1 7 d ) 取l o d ： k n 一 筒仓容量利用系数，取o 8 5 。 2 、计算结果 根据上式计算得筒仓的容量e = 9 6 万吨，考虑到散粮一列火车为4 8 节，每节车 厢载重6 0 t ，整列车载重2 8 8 0 t ，所以筒仓的容量e = 1 0 5 3 万吨。 2 3 大型散粮码头装卸工艺系统的需求分析 一般而言，实现高度自动化装卸的散粮码头是一个十分复杂的服务系统，而码头工 艺在整个系统中起着至关重要的作用。这就要求码头工艺不仅要满足设计要求，而且 要有较强的适应能力。在设计过程中，设计人员对码头工作程序及码头工艺需要有非 常丰富的经验，才能在设计中做到统筹兼顾。既能满足码头的设计要求，又能够尽量 节省建设投资，降低码头经营费用。 目前，散粮码头的系统工艺随着规模的增大变得愈加复杂，对于小型码头、容量不 大的装卸系统，设计人员基本可以凭经验判断，其结果也是最可靠的，但对于吨位、 肛茳 甚 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 容量较大、功能齐全的大型散粮码头，由于码头工艺的复杂性与不确定性与设计人员 自身的局限，不可能将极其复杂的码头运营及货主的各种特殊要求考虑得非常周全。 另一方面，我国建设的大型散粮码头时间不长，刚刚有了一定的实践。缺乏大型码头 的管理调度的经验。在这种情况下，应用计算机模拟整个工艺的实际运营状况便成为 一种行之有效的方法。尽管经过计算机模拟得出的只是可行解或较佳解，但其结果经 分析研究后对工程设计人员和码头管理人员均有着十分重要的指导意义。 2 3 1决策人员的功能需求 在设计投标的过程中，所设计的方案有几种甚至十几种之多，不同的设计人员对 码头系统的功能要求理解又不尽相同，各种设计方案之间往往差距较大。这样，对各 种方案的比较与优劣的判断变成了一个比较复杂的问题。主管码头建设的领导在分析 比较各个方案的过程中，主要解决的问题如下： ( 1 ) 是否符合设计要求。 ( 2 ) 是否节约建设投资。 ( 3 ) 是否有较强的适应能力。 ( 4 ) 是否有利于码头的可持续发展。 2 3 2 工程设计人员的功能需求 在设计过程中，设计人员对码头工作程序及码头工艺需要有非常丰富的经验，才 能在设计中做到统筹兼顾。既能满足码头的设计要求，又能够尽量节省建设投资，降 低码头经营费用。对于小型码头、由于其装卸系统规模较小，设计人员基本可以凭经 验对工艺系统进行分析判断；但对于吨位、容量较大、功能齐全的大型散粮码头，由 于码头工艺的复杂性、不确定性与设计人员自身的局限，不可能将极其复杂的码头运 营及货主的各种特殊要求考虑得非常周全。在码头工艺设计过程中，设计人员主要考 虑的问题如下： ( 1 ) 设计好的码头工艺系统能否满足工作需求。 ( 2 ) 码头工艺系统设计中各子系统的能力尽量匹配。 ( 3 ) 根据需要加大关键设备的安全系数，以提高系统的适应能力。 ( 4 ) 尽量节省建设投资，提高设计的竞争力。 2 3 3 码头管理人员的功能需求 我国建设大型散粮码头时间不长，缺乏大型专业化码头的设计分析与管理调度的 经验。在码头运营的过程中，码头管理人员主要考虑的问题如下： ( 1 ) 充分利用码头系统运营能力。 ( 2 ) 找出关键设备( 使用频率较高的设各) ，重点安排人员进行维护。 2 4 大型散粮码头装卸工艺系统模拟的数学模型 从整体上来看，散粮码头实质上是一个十分复杂的排队服务系统。根据排队论的 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 观点，到港船舶可视为顾客， 港口可视为服务机构( 对船舶进行装卸作业的机构) 。 由于船舶到港具有随机性，使之与供船舶装卸作业用的码头泊位和供船舶待泊排队用 的锚地一起构成了港口的随机服务系统。根据该系统的基本特征一输入过程f 船舶到 达) 、服务机构和排队规则，可建立数学排队模型。 2 4 1 船舶到港数学模型 国内外大量统计资料表明，大多数港口的船舶到达服从泊松分布，在t 时段内到 达n 艘船的概率为 p n ( t ) ：量型上e 一，n ：o ，1 ，2 月! 式中： 一船舶平均到港率，即单位时间内( 通常为一天) 平均到港的船舶数。 2 4 2 服务机构数学模型 港口服务机构由码头泊位和配套设施组成，服务能力取决于港口泊位数f 可同时被 装卸的船舶数) 和各泊位的装卸能力，船舶从靠泊作业到离开泊位的总占用泊位时间 反映了泊位的装卸能力。船舶占用泊位时间受到气候条件、船舶装卸货物量、泊位装 卸效率的波动、港口存贮货物量和集疏运能力的变化等许多因素的影响而具有随机性， 其分布规律一般为e r l a n g 分布，即船舶占用泊位时间为t 的概率为 f x ”k “塑生= e ( 七一1 ) ! 式中： u 一泊位装卸能力，即每泊位每天的装卸船数： k e r l a i l g 分布的阶数。 2 4 3 排队规则数学模型 港口服务系统中待泊船舶的排队一般符合等待制，且排队长度有限制。具体地说就 是：船舶到港后，若有空闲泊位就停靠卸货，若港口所有泊位都被占用，就按先后次 序排队，并且当船舶足够多时，排队的船只将中途离港。这一过程可用图2 1 描述 4 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 旦oo o 匹堕巫卫 码头 ，匦卜 寸臣亘卜一 i 陌蠹1 一 图2 1 散粮码头排队论模型示意图 f i 9 2 1 s k e t c hm a po ff o o d s t u f fd o c kq u e u i n gt h e o r ym o d e l 2 5 大型散粮码头工艺系统分析 工艺系统的优劣在是码头系统功能是否优化的主要判断依据，进口散粮码头系统 的两大子系统在服务的规则及相干规律局势有码头工艺决定的。因此，本文将码头系 统的工艺结构分析作为整个系统分析的基础。 2 5 1 工艺结构系统的特点 现代化大型散粮进口码头的工艺系统是十分复杂的，一般都具有较多的工艺路径， 并且不同的码头其工艺路径一般有较大的差别。因此，码头系统的工艺实际上决定了 码头系统的整体运输能力。以往的研究大多忽略了对码头系统工艺的分析研究，结果 造成了系统的通用性较差。本文对散粮码头系统的工艺结构进行分析，并建立了码头 结构的数学模拟模型。 码头工艺实质是一个有起点、有终点的有向运输网络体系。普通的运输网络体系具 有普遍性，很难将其路径一一找出并记录下来，但本次研究的码头工艺网络系统具有 其自身的特殊性。在一般的情况下，码头工艺流程在设计过程中已经确定，运输方向 的起点与终点是固定的。由于有确定的起始点与目的地，记录其所有路径便成为可能， 本次研究正是应用这一原理进行设计分析的。 2 5 2 相关定义 码头运输网络体系是由码头、装卸设备、运输设备、堆存场地、铁路、公路等设施 组成。为了便于图论分析，将以上所提到的所有设施统一抽象为点，称为工艺单元( 以 下简称为单元) 。单元间的连接关系抽象为有序对，称为边。由于码头工艺单元的连接 关系是有向的，因此，边是有向边。单元集与边集构成了有向图g 。 定义一：点集矿= uii 为单元编号) 表示工艺单元的集合。 定义二：边集e = ( v f ，均，l i 为单元编号，( v l ，咖为有序对 组成一个序偶集。 大型散粮码头装卸工艺系统计算机模拟方法的研究 定义三：有序二元组g = rv ，f ，称为有向图，f 为表示点集r 中点的二元关系。 定义四：在有向图g = r v ，e j 中，设，v 1 ，k 2 ，v n ，v ，e o ，e 1 ，p2 ，en , e ， 其中v i i ，v i 是边e 的两个端点。则称交替序列v 0 e 1 。l8 2 ”2 岛v n 为连接与h 的工 艺路径( 以下简称路径) 。v 0 与v n 分别称为路径的起点与终点，边的数目称为路径的长 度。当v o = v n 时，这条路称为回路。当一条路从v 。出发，不经过其它单元，又回到 v i ，则称该回路为自回路。 定义五：在图中，如果从单元v i 到单元v j 之间存在一条路径，则称单元v i 与v j 是 连通的。否则，则称。i 与v j 是不连通的。如果f i 与v 中所有单元都不连通，则称v i 是 孤立单元。 定义六：如果路径经过v i 之后没有经过其它任何单元，直接到达v j ，则称v 为v j 的紧前单元，称为v i 的紧后单元。 定义七：物质输入时经过的第一个单元称为起点，由s (