系统模拟技术在港口工程中的应用现状

李艳坤　苏广泉　赵伟强

摘 要：介绍了港口工程系统的特点及系统仿真优化技术的应用现状，对比性的总结了当前应用于港口工程的仿真优化软件。

关键词：系统仿真；港口系统；仿真与优化；

0 引言

国际贸易中大部分货物要经过港口中转，中国是世界上流域、海域广阔的国家，因此提高港口物流的综合服务能力、发挥港口系统作为全球综合运输网络的神经中枢作用对社会经济的发展至关重要。港口工程系统是离散、随机、动态的复杂系统，一般只能用流程图或网络图描述，应用理论分析方法则难以有效解决。随着计算机技术的日臻完善，系统仿真、优化技术被广泛的应用在港口物流系统中。系统模拟技术可以模拟港口工程系统中各个随机过程，并综合展示它们对系统行为的影响，为解决上述问题提供了有效的手段，主要应用于港口规划、港口作业方案设计、港口作业调度、系统改造等方面。

1 港口工程系统仿真、优化技术

“港口工程系统模拟”是随机过程理论的一种工程应用，主要用于分析港口

工程中随机过程特征显著的复杂系统，并模拟（预演）其系统行为过程，进而进行优化设计（在实际应用中，这一类系统模拟亦称为系统仿真）。现代港口物流系统研究的主要方法有解析法（例如排队论、系统优化法）、系统仿真方法和仿真优化方法[1]。

1.1 港口工程系统

1.1.1 港口工程系统概念

港口物流系统是指在一定的港口空间里，由所需输送的货物和包括有关港口起重设备、输送工具、人员以及通信联系等若干相互制约的动态要素构成的具有特定功能的有机整体[2]。

1.1.2 港口工程系统特点

港口工程系统作为离散的、复杂的、动态的系统，难于用常规的微分方程、差分方程等方程模型来描述，一般只能用流程图或网络图描述[3]如，泊位作业过程是一个综合性较强的复杂系统，涉及自然条件、船舶到港、装卸作业等若干随机过程，以及诸多其它环节和影响因素：

（1）船舶、货物集疏运工具到港时间具有很大的随机性；

（2）码头作业受气候条件制约；

（3）船舶、泊位、设备及人员的情况随时间变化；

（4）货源组成结构及数量随时间变化；

（5）码头的堆场、环境受一定的条件制约。

1.2 港口工程系统仿真

1.2.1 系统仿真理论

仿真意味着建模用小的对象描述存在的物体来进行模拟，仿真也是系统进行以及过程运行的模拟，可以通过仿真建模来研究系统的进行状态（即可以通过仿真建模来研究系统随时间变化的特性）。所谓计算机仿真，就是在实体上不存在、或着不易在实体上进行的情况下，先通过考察对象进行建模，用数学方程式表达出其物理特性；然后编制计算机程序，并通过计算机运算出对象在系统参数、以及内外环境条件改变条件下，其主要参数如何变化，从而全面了解和掌握系统特性[4]。

1.2.2 系统仿真在港口工程中的应用

系统仿真技术最早被应用于生产服务性评价，在港口工程系统中的应用主要体现在以下几个方面：

1）港口规划方面：我们可以通过仿真技分析提供合理的航道、泊位、岸桥、堆场、场桥、大门等的布局、作业流程和设施规模，为码头规划提供合理的备选方案（对港口水陆域及集疏运系统的设施布局和规模进行规划是仿真技术应用的传统强项）。

2）港口作业方案设计方面：装卸工艺系统方案设计、局部区域的作业模式设计、设备作业方式及效果的评估等。如，在装卸工艺系统方案设计方面，利用仿真技术可以在考虑港口运作过程中所存在的天气变化、船舶到港、设备故障等各种外部环境因素干扰的条件下，预演装卸作业及交通运输组织的运作过程，发现作业中的瓶颈因素，通过调整各环节的作业资源规模提供给决策者合理的装卸工艺系统配置方案。

3）港口作业调度方面：利用仿真技术可以解决港口整体的作业调度问题（如船舶作业调度方案、水平搬运组织调度方案、堆场作业调度方案、设备合理配置方案等），也可解决局部作业调度问题（如泊位分配、岸桥调配、集卡分配、场桥配置、大门开启通道数等）。

4）对现实系统的改进，如港口的改建、扩建、现代化改造等；

1.3 港口工程系统优化

目前优化技术常被用来研究港口的码头装卸设备的配置问题、泊位分配问题、设备运行路径优化问题、货物堆放问题等。在港口系统的优化中，主要采用了解析法（如拉格朗日算法、线性规划）、直接法（如爬山法）、智能优化算法（如禁忌搜索、神经网络、模拟退火和遗传算法等）、仿真优化和其他方法（如网格优化法）。例如，针对泊位分配问题，就有粒子群算法、蚁群算法、遗传算法、拉格朗日算法、模拟退火算法、禁忌搜索、动态规划技术、单目标线性0-1规划等优化技术的应用。当前，仿真和优化技术结合应用来解决港口工程系统问题正日趋成为热点[5]。

2 当前国内外主要的针对性软件介绍

随着计算机技术的快速发展，用于系统综合模拟的应用软件日益普遍。这些软件不仅可以解决常规的系统模拟问题，也为开发更复杂的系统解决方案提供了基础（如航运枢纽、河口地带泊位运行、江海联运集疏运系统等）。目前，港口工程中应用较广的系统综合模拟工具主要包括两类：

1）通用模拟工具：如GPSS， SLAM， SIMAN， Simscript， Witness， Arena， eM-Plant， FlexSim， AutoMod， Ralc， ED， Anylogic， ExtendSim等。

2）港口系统专业模拟工具：如 FlexTerm， CHESSCON， SEABERTH， TBA 系列等。

通用模拟工具适用性广，可应用于很多领域。但对于特定的专业问题，可能需要进行相应的二次开发。专业模拟工具的专业功能较强，尤其是专门针对集装箱泊位的工具，如FlexTerm 和 CHESSCON。但在应用领域上具有一定的局限性。几款软件的具体性能如表1所示。

3 总结与展望

港口工程系统是一个复杂的离散动态系统，不仅系统内部随机变量多，且系统内部因素大部分易受到外部条件的影响（如船舶的调度易受季风和潮汐的影响，进而影响整个港口系统的吞吐能力）。计算机仿真与优化技术的发展为解决港口工程问题提供了有效的手段，当前大部分系统模拟软件的应用为港口工程的设计、决策和管理提供了合理的依据。当前大部分仿真软件都能很好的模拟港口系统，但还存在很多不足，如通用软件界面不友好，专业软件界面友好但只能针对特定码头形式，通常重视仿真而弱化了系统优化，且大部分软件忽视了外部条件对港口系统运营的影响，因此，未来对于仿真优化技术在港口工程的发展还有着无限的潜力。

[参考文献]

[1] 金淳，仿真技术在港口物流中的应用现状及前景[J]. 世界海运，2009.32（5）.

[2] 蔡蕓. 港口集装箱物流系统仿真和优化方法的研究及应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2005.

[3] 杨神化， 施朝健， 关克平， 应士君. 基于MAS和SHS智能港口交通流模拟系统的开发与应用[J]. 系统仿真学报， 2007， 19（2）： 289-299.

[4] 姜长杰，浅谈仿真技术在港口道路交通研究方面的应用[J]. 中国港口2008（10）.

[5] 张煜， 张新艳， 王少梅. 仿真技术在港口集装箱装卸作业中的应用[J]. 武汉交通科技大学学报， 2000， 24（6）.

[6] 王永辉，基于Arena 3DPlayer的港口物流决策与仿真系统研究[D]. 大连：大连理工大学，2006.

作者简介：李艳坤（1989--），男，重庆交通大学硕士。