于 蒙 王少梅 肖 峰

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063

基于Flexsim集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的仿真*

于 蒙 王少梅 肖 峰

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，分析集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)虛擬環(huán)境的模型，利用三維離散事件仿真軟件Flexsim建立集裝箱碼頭裝卸作業(yè)仿真模型，為生產(chǎn)管理者提供視覺(jué)上的決策支持，利用其核心機(jī)制——任務(wù)序列驅(qū)動(dòng)設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)裝卸作業(yè)過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真。

仿真 Flexsim 虛擬現(xiàn)實(shí) 集裝箱碼頭 裝卸作業(yè)

目前對(duì)復(fù)雜的港口集裝箱碼頭裝卸工藝進(jìn)行有效規(guī)劃的一個(gè)重要方法就是仿真。在設(shè)計(jì)新的碼頭設(shè)施或?qū)υ械拇a頭設(shè)施進(jìn)行改造之前，把港口集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成仿真模型，通過(guò)運(yùn)行模型，港口管理者可對(duì)幾種不同的裝卸工藝方案進(jìn)行預(yù)演，選擇最合理的方案，從而避免了資金、人力和時(shí)間的浪費(fèi)。迄今為止，國(guó)內(nèi)外利用仿真技術(shù)對(duì)港口裝卸工藝規(guī)劃過(guò)程進(jìn)行了許多研究工作，但大多采用的是針對(duì)離散系統(tǒng)的數(shù)字仿真或二維仿真的手段［1-3］。

將虛擬環(huán)境技術(shù)與離散系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，是解決復(fù)雜港口集裝箱裝卸系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理決策的先進(jìn)和有效的手段。

Flexsim是一種離散事件仿真軟件程序，用于系統(tǒng)建模，這些系統(tǒng)根據(jù)特定事件發(fā)生的結(jié)果在離散時(shí)間點(diǎn)改變狀態(tài)，同時(shí)Flexsim軟件還有良好的三維顯示，解決了以往離散事件仿真軟件中真實(shí)感不強(qiáng)的缺點(diǎn)。借助Flexsim仿真軟件來(lái)構(gòu)建集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)的仿真模型，為生產(chǎn)管理者提供視覺(jué)上的決策支持。

1 建模

集裝箱碼頭的裝卸搬運(yùn)設(shè)備主要有：岸邊集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋）、輪胎式／軌道式龍門(mén)起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)橋）、集裝箱拖掛車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)集卡）等。岸橋承擔(dān)船舶的裝卸作業(yè)，場(chǎng)橋承擔(dān)堆場(chǎng)的裝卸和堆碼作業(yè)，而從碼頭前沿至堆場(chǎng)、堆場(chǎng)內(nèi)箱區(qū)間的水平運(yùn)輸由集裝箱拖掛車(chē)來(lái)完成。卸船過(guò)程為：岸橋從船上把集裝箱卸到集卡上，集卡把集裝箱運(yùn)到堆場(chǎng)，場(chǎng)橋再把集裝箱堆放到堆場(chǎng)上；裝船過(guò)程與之相反。見(jiàn)圖1。

圖1 集裝箱裝卸結(jié)構(gòu)示意圖

1．1 幾何建模

對(duì)港口集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，需要建立的景物模型主要分為三類(lèi)。

1）背景類(lèi)。主要是天空的模擬。相應(yīng)于各種不同的天氣狀況，視景仿真需要建立各種模型。采用分形技術(shù)建立背景，能形成非常逼真的天空?qǐng)鼍皥D像，但其速度較慢，往往達(dá)不到仿真實(shí)時(shí)性的要求。在本系統(tǒng)中，背景的快速生成用簡(jiǎn)單的平面（天空平面）和二次曲面，并引入隨機(jī)的紋理函數(shù)，以模擬天空景物的濃淡和透明效果，從而形成各種三維逼真的天空。

2）近景類(lèi)。包括裝卸橋附近的地面、集裝箱堆場(chǎng)等。近景需要具體的細(xì)節(jié)描述，是仿真的主要處理對(duì)象。近景可以分為地景和地物兩類(lèi)。

（1）地形。近年來(lái)，為產(chǎn)生自然界中的地形，建模方面已取得很大的進(jìn)展，然而具有真實(shí)感而又具有高效率的模型尚未完善，實(shí)時(shí)應(yīng)用中往往存在真實(shí)感與高效的矛盾。在視景仿真中，為了獲得具有逼真的地貌特征的地形，例如為了能體現(xiàn)出巖石效果，首先必須獲取與地形有關(guān)的輪廓數(shù)據(jù)（如地形網(wǎng)），然后用紋理技術(shù)、隨機(jī)建模技術(shù)來(lái)對(duì)地形網(wǎng)格進(jìn)行真實(shí)感處理，從而得到逼真的地形景象。

（2）地物。地物為一些自然景觀和人造景觀。人造景物如房子等往往用多邊形模型來(lái)進(jìn)行描述。

3）集裝箱裝卸系統(tǒng)模型。指裝卸橋的小車(chē)、吊具、集裝箱等目標(biāo)。可以采用多邊形模型或者參數(shù)模型來(lái)進(jìn)行描述。

本系統(tǒng)三維模型是在3DMAX下建立的，然后導(dǎo)入Flexsim仿真軟件。為了提高模型的逼真度，可以給幾何模型的表面加上各種材質(zhì)，然后設(shè)定光照條件就可以看到更加光滑真實(shí)的模型。為了增加模型的質(zhì)感，增強(qiáng)模型的特征，可以給幾何模型的表面貼上各種紋理圖案，從而使模型變得更加生動(dòng)真實(shí)。

1．2 模型的層次表示（圖形數(shù)據(jù)庫(kù)）

集裝箱碼頭裝卸仿真系統(tǒng)中幾何模型采用分層表示法（hierarchical structure），這種層次結(jié)構(gòu)使得對(duì)三維世界的描述變得清晰而直觀。根據(jù)父物體和子物體之間存在的樹(shù)狀邏輯關(guān)系，建立樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)處理時(shí)根據(jù)模型的層次結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)層次處理關(guān)系?？梢酝瓿梢幌盗械膶哟翁幚砟K，每一模塊根據(jù)模型層次關(guān)系，執(zhí)行一定的功能［2］。

圖2 集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)模型的層次結(jié)構(gòu)

對(duì)于集裝箱船舶，它的模型層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2 a），船的場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)中，船由船頭、船尾、船身、艙蓋板、駕駛室等組成，駕駛室與船身相連，所以將駕駛室作為船身的子節(jié)點(diǎn)。

圖2 b）給出的岸橋的層次結(jié)構(gòu)中，岸橋由大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、門(mén)框、前大梁、后大梁、小車(chē)、司機(jī)室、吊具等組成，由于門(mén)框、前大梁、后大梁、小車(chē)、司機(jī)室隨大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以把大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作為門(mén)框、前大梁、后大梁、小車(chē)、司機(jī)室的父節(jié)點(diǎn)，同樣，吊具隨小車(chē)和司機(jī)室運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以把小車(chē)和司機(jī)室作為吊具的父節(jié)點(diǎn)。

圖2 c）給出的是場(chǎng)橋的幾何模型層次結(jié)構(gòu)。其中，場(chǎng)橋由大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、大梁、底梁、腿柱、小車(chē)、司機(jī)室、吊具等組成，由于大梁、底梁、腿柱、小車(chē)、司機(jī)室隨大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以把大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作為大梁、底梁、腿柱、小車(chē)、司機(jī)室的父節(jié)點(diǎn)，同樣，吊具隨小車(chē)和司機(jī)室運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以把小車(chē)和司機(jī)室作為吊具的父節(jié)點(diǎn)。

圖2 d）所示的集卡模型的層次結(jié)構(gòu)中，拖掛車(chē)由牽引車(chē)和半掛車(chē)組成，牽引車(chē)由駕駛室、底盤(pán)、牽引鞍座組成，底盤(pán)由后橋、車(chē)輪、懸掛系統(tǒng)組成，由于半掛車(chē)通過(guò)牽引鞍座與牽引車(chē)連接，隨牽引鞍座的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以將牽引鞍座作為半掛車(chē)的父節(jié)點(diǎn)。

1．3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

在港口集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中，對(duì)三維場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)實(shí)體，包括岸橋、場(chǎng)橋、船舶、集卡等各種港口機(jī)械設(shè)備，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，這是因?yàn)檎莆崭劭跈C(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)特性可使仿真效果更加符合實(shí)際生產(chǎn)的情況，因此有必要研究這些設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為實(shí)時(shí)仿真提供理論依據(jù)。建模主要涉及到岸橋進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)吊具的擺動(dòng)，小車(chē)的啟動(dòng)和制動(dòng)等。對(duì)于集裝箱裝卸橋的不同工作過(guò)程也分別進(jìn)行了仿真，包括單程工作循環(huán)和往復(fù)操作循環(huán)。

在建立幾何模型的同時(shí)，預(yù)先根據(jù)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)其設(shè)定運(yùn)動(dòng)限制，從而提高實(shí)體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的效率。調(diào)用initkinematics命令，初始化運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，保存類(lèi)似起始位置和實(shí)體轉(zhuǎn)角等所需要完成的動(dòng)作的數(shù)據(jù)。初始化運(yùn)動(dòng)后，就可以用addkinematic命令（添加運(yùn)動(dòng)命令）給出實(shí)體后繼的行進(jìn)／旋轉(zhuǎn)操作。

2基于Flexsim仿真模型的建立

2．1 基于Flexsim仿真的對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

面向?qū)ο蠼７抡婕夹g(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是類(lèi)與類(lèi)之間可以有繼承關(guān)系，對(duì)象的繼承性提供了更大的柔性來(lái)擴(kuò)展自己的對(duì)象，即衍生出新的對(duì)象。在Flexsim中，可以充分利用繼承性來(lái)開(kāi)發(fā)自己的對(duì)象，F(xiàn)lexsim本身的庫(kù)對(duì)象是高度抽象化的，具有很強(qiáng)的通用性，幾乎涵蓋了仿真中可能遇到的所有對(duì)象。這些對(duì)象之間有一定的繼承關(guān)系，他們之間存在著邏輯關(guān)系。

將對(duì)象庫(kù)中的對(duì)象分為兩種，其中一種是從FixedResource中派生下來(lái)的，另一種是TaskExecuter中派生下來(lái)的。從FixedResource中派生來(lái)的對(duì)象有一個(gè)共同的特點(diǎn)，其本身是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的，他們的作用只是產(chǎn)生或消除物件、存儲(chǔ)物件、加工物件等等；從TaskExecuter中派生的對(duì)象，其本身是可以運(yùn)動(dòng)的，其作用是將物件從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)送到另一個(gè)地點(diǎn)［4］。

當(dāng)現(xiàn)有的庫(kù)對(duì)象不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需要時(shí)，用戶(hù)就需要?jiǎng)?chuàng)建自己的對(duì)象。對(duì)于集裝箱碼頭仿真模型中所用到的裝卸設(shè)備模型，如岸橋、場(chǎng)橋、集卡等都是筆者所在課題組創(chuàng)建的，并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的集裝箱碼頭設(shè)備庫(kù)，其中每種設(shè)備都可以通過(guò)人機(jī)交互實(shí)時(shí)修改相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。

2．2 任務(wù)序列

任務(wù)序列是Flexsim仿真軟件中的核心機(jī)制。各種復(fù)雜仿真的實(shí)現(xiàn)很大程度取決于怎樣實(shí)現(xiàn)任務(wù)序列。任務(wù)序列是由TaskExecuter執(zhí)行的一組命令序列。這里TaskExecuter涵蓋了所有派生其他的動(dòng)態(tài)對(duì)象，如Operators，Transpoters，Crane，ASRSvehicle，Robots，Elevators以及其他可運(yùn)動(dòng)的對(duì)象。圖3表示一個(gè)任務(wù)序列，該任務(wù)序列有多個(gè)任務(wù)組成。常用的任務(wù)序列有：TASKTYPE TRAVEL、TASKTYPE LOAD、TASKTYPE UNLOAD、TASKTYPE TRAVELTOLOC等。

圖3 一個(gè)任務(wù)序列

2．3對(duì)象Dispatcher及任務(wù)序列的分配規(guī)則

Dispatcher用來(lái)控制一組Transporter或Operator。任務(wù)序列從一個(gè)靜態(tài)對(duì)象發(fā)送到Dispatcher，然后Dispatcher來(lái)調(diào)配這些任務(wù)序列分配給與其輸出端口相連的動(dòng)態(tài)對(duì)象。動(dòng)態(tài)對(duì)象接收到任務(wù)序列后執(zhí)行相應(yīng)的命令序列［4］。

Dispatcher對(duì)象的功能就是將任務(wù)序列進(jìn)行隊(duì)列存儲(chǔ)和發(fā)送任務(wù)序列。根據(jù)用戶(hù)建模的邏輯，任務(wù)序列可以被排隊(duì)等待或是立即傳送到相應(yīng)的對(duì)象。Dispatcher的參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框只有兩項(xiàng)，當(dāng)接收到一個(gè)任務(wù)序列時(shí)，調(diào)用Pass To函數(shù)。顧名思義，該函數(shù)將任務(wù)序列發(fā)送給接收對(duì)象；如果該函數(shù)返回值是0，即該任務(wù)序列不能被立即分配，則根據(jù)QueueStrategy定義的規(guī)則將任務(wù)序列放入隊(duì)列中等候。QueueStrategy函數(shù)返回任務(wù)序列的相關(guān)值，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)確定任務(wù)序列在隊(duì)列中的位置。高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)序列放在隊(duì)列的前面，低優(yōu)先級(jí)的放在隊(duì)列的后面。如果優(yōu)先級(jí)相同，則根據(jù)隊(duì)列的先進(jìn)先出（FIFO）原則來(lái)處理。任務(wù)序列的優(yōu)先級(jí)可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)的改變。

當(dāng)將隊(duì)列中的任務(wù)序列進(jìn)行排序時(shí)，Dispatcher執(zhí)行隊(duì)列策略函數(shù)，遍歷取得已有任務(wù)序列的優(yōu)先級(jí)值，與最新的任務(wù)序列優(yōu)先級(jí)值比較，根據(jù)比較的結(jié)果重新進(jìn)行隊(duì)列排序。

在Flexsim對(duì)象層次中，Dispatcher是所有TaskExecuter的父類(lèi)，這也就是說(shuō)所有的TaskExecuter也是Dispatcher。這就意味著Operator或Transporter也可以擔(dān)當(dāng)Dispatcher的角色來(lái)分配任務(wù)序列，或者是自己執(zhí)行任務(wù)序列。

2．4 集裝箱碼頭裝卸過(guò)程的仿真模型

集裝箱碼頭裝卸過(guò)程的仿真模型關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 集裝箱碼頭裝卸過(guò)程的仿真模型關(guān)系圖

Source船和Source堆場(chǎng)是船和堆場(chǎng)輸入條件，即箱量的產(chǎn)生，產(chǎn)生的規(guī)律根據(jù)對(duì)歷史資料的統(tǒng)計(jì)。船和堆場(chǎng)都是在用Rack來(lái)構(gòu)建的，用于存放箱子，它們之間可以互為輸入輸出，即船上的箱子可以運(yùn)往堆場(chǎng)，反之亦然。Source和Rack都是從FixedResource中派生來(lái)的對(duì)象，在仿真過(guò)程中它們是不動(dòng)的，但是它們是控制集裝箱的產(chǎn)生和流向。對(duì)于服務(wù)于船和堆場(chǎng)的設(shè)備：集卡、岸橋、場(chǎng)橋——這些從TaskExecuter中派生來(lái)的對(duì)象，每種設(shè)備都由一個(gè)Dispatch來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)度分配任務(wù)的，而Dispatch是實(shí)現(xiàn)裝卸仿真的核心，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制是任務(wù)序列（Task Sequences）規(guī)則［5］。

3 集裝箱裝卸過(guò)程的仿真實(shí)現(xiàn)

集裝箱從船到堆場(chǎng)的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了集卡、岸橋、場(chǎng)橋等設(shè)備的搬運(yùn)，在Flexsim中就需要使用任務(wù)序列來(lái)完成這個(gè)過(guò)程。

這里涉及了3個(gè)可運(yùn)動(dòng)對(duì)象：集卡、岸橋和場(chǎng)橋。設(shè)計(jì)的思路為：集裝箱的運(yùn)輸由集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣集卡就有這樣一個(gè)任務(wù)序列：Travel→Load→Travel→Unload。集裝箱裝入集卡的作業(yè)由岸橋設(shè)備完成，卸載放入堆場(chǎng)的作業(yè)由場(chǎng)橋設(shè)備完成，因此集卡的任務(wù)序列中Load／Unload的任務(wù)就應(yīng)該由岸橋和場(chǎng)橋來(lái)完成。

以岸橋卸船為例，完成一次作業(yè)的過(guò)程也就是完成一個(gè)任務(wù)序列的過(guò)程，可以知道岸橋完成的任務(wù)序列應(yīng)該是：Travel→Load→Travel→Unload。岸橋在作業(yè)的過(guò)程中，集卡處于等待的狀態(tài)，也就是說(shuō)岸橋和集卡之間是協(xié)同作業(yè)的。場(chǎng)橋的情況與岸橋一致。Flexsim中可以使用調(diào)用子任務(wù)的方法將岸橋和場(chǎng)橋的任務(wù)序列插入到集卡的任務(wù)序列中。圖5表示了主任務(wù)序列和子任務(wù)序列之間的關(guān)系。

圖5 集裝箱搬運(yùn)過(guò)程的任務(wù)序列

圖6 集裝箱碼頭仿真模型

圖6顯示了由Flexsim創(chuàng)建集裝箱碼頭仿真模型，圖6左邊顯示的是模型的節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖和港口設(shè)備庫(kù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)集裝箱碼頭的環(huán)境和裝卸設(shè)備層次結(jié)構(gòu)的分析，建立相應(yīng)的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并利用Flexsim仿真軟件實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭的裝卸過(guò)程。模型經(jīng)確認(rèn)通過(guò)，從系統(tǒng)的真實(shí)和可信度來(lái)看，符合集裝箱港口的實(shí)際運(yùn)行情況，能夠較好地為大型集裝箱港口工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供決策支持。下一步的工作是對(duì)仿真的真實(shí)感進(jìn)一步的完善，及對(duì)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析部分做深入的研究。

［1］Kozan E．Comparison of analytical and simulation planning models of seaport container terminals［J］．Transportation Planning and Technology，1997，20（3）：235-248．

［2］張新艷．港口集裝箱物流系統(tǒng)規(guī)劃與仿真建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2002．

［3］沙 梅．集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計(jì)建模與仿真［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（9）：1 240-1 244．

［4］Flexsim Simulation Software User Guide［G］．Flexsim Software Products，Inc，2005．

［5］肖 鋒．基于Flexsim集裝箱碼頭仿真平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2006．

Simulation for stevedoring of container terminal based on Flexsim

YU Meng WANG Shao-mei XIAO Feng
College of Logistics Engineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063

Combining the techniques of visual reality，computer simulation and mechanism design，the virtual reality environment of the handling system in the container terminals was proposed．The 3-dimensional simulation software Flexsim was used to establish the model of the stevedoring system，which could provide the 3-dimensional vision decision-making mechanism to managers of container terminals．The operation of the port machinery was driven by means of task sequences to realize the dynamic simulation of the process of stevedoring．

simulation Flexsim virtual reality container terminal stevedoring

U653．928 TP391．9

A

1671-7953（2007）02-0069-05

2006-10-20

修回日期2006-11-24

于 蒙（1975—），女，碩士，講師。

*湖北省杰出人才基金資助（編號(hào)：2005ABB021）