蔡 蕓，秦 悅，張 煜

（1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

1 引言

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)是指在一定的集裝箱碼頭空間里，由集裝箱、船、裝卸搬運(yùn)機(jī)械、泊位、堆場和道路等若干相互聯(lián)系、相互制約的動(dòng)態(tài)要素構(gòu)成的有機(jī)整體，該系統(tǒng)是典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。隨著仿真建模理論的發(fā)展和港口信息管理技術(shù)的提高，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)者和營運(yùn)管理決策者常使用排隊(duì)論[1]、Petri網(wǎng)[2]、Agent技術(shù)[3]、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4]等仿真建模方法，輔助他們做出更加合理的設(shè)計(jì)和決策。

離散事件系統(tǒng)規(guī)范是一種描述離散事件形式化的方法，是一種正式的建模和仿真結(jié)構(gòu)，針對(duì)離散事件系統(tǒng)的形式化描述體系，它將每個(gè)子系統(tǒng)看作一個(gè)具有內(nèi)部獨(dú)立結(jié)構(gòu)和輸入輸出接口的模塊，這些模塊通過連接關(guān)系組合成為更大的模塊，從而形成規(guī)范化、層次化、模塊化的描述，以提高仿真速度，縮短仿真時(shí)間[5-6]。

DEVS在軍事[7]、社會(huì)事件[8]、工業(yè)[9]等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)中的運(yùn)用還是空白。因?yàn)椴捎肈EVS描述的模型層次清晰且規(guī)范，所以本文以集裝箱碼頭物流系統(tǒng)為對(duì)象，采用DEVS的建模方法，分析并描述了集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的耦合模型和原子模型，并將其轉(zhuǎn)化為em-Plant軟件中的仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，借以驗(yàn)證其可靠性，并為集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供技術(shù)手段。

2 DEVS模型描述

DEVS模型有兩種:DEVS原子模型（Atomic DEVS）和DEVS耦合模型(Coupled DEVS)。原子模型描述了離散事件系統(tǒng)的自治行為，包括系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、外部輸入事件響應(yīng)和系統(tǒng)輸出等；它們可以通過連接形成耦合模型，從而形成層次化的結(jié)構(gòu)；耦合模型中包含多種成員，每個(gè)成員既可以是原子模型，也可以是耦合模型[10]。

2.1 原子模型

DEVS原子模型描述如下式所示:

其中:X:外部輸入事件集合；Y:輸出集合；S:系統(tǒng)狀態(tài)集合；ta:S→R0,+∞是時(shí)間推進(jìn)函數(shù)。ta(s)表示在沒有外部事件到達(dá)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)保持為s的時(shí)間，特別地ta(s)=+∞的狀態(tài)稱為靜止的，如無外部事件到達(dá),系統(tǒng)將一直停留在該狀態(tài)；ta(s)=0的狀態(tài)稱為瞬時(shí)的，瞬時(shí)狀態(tài)表達(dá)了不消耗時(shí)間的即時(shí)運(yùn)算，即在該狀態(tài)執(zhí)行時(shí)，仿真時(shí)鐘不推進(jìn)；δext:Q×S→S，是外部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，當(dāng)有外部輸入事件時(shí)觸發(fā)，Q={(s,e)|s∈S,0≤e≤ta(s)}，e是當(dāng)前狀態(tài)s的已持續(xù)時(shí)間，(s,e)表示總狀態(tài)；δint:S→S，是內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，如無外部事件到達(dá)，系統(tǒng)經(jīng)過ta(s)時(shí)間后，狀態(tài)s將轉(zhuǎn)移到δint(s)，同時(shí)將e置0；λ:S→Y，是輸出函數(shù)。

2.2 耦合模型

DEVS耦合模型描述如下式所示：

其中，self是耦合模型本身，Xself是外部輸入事件集合，Yself是輸出事件集合；D是耦合模型組成成員的名字集(self?D)；{Mi}是耦合模型的成員集，{Mi∣i∈D}且Mi是DEVS原子模型；Ii表示受成員i(i∈D∪{self})影響的成員集，所有受影響的成員集為{Ii∣i∈D∪{self}}；Zi,j表示成員i的輸出到成員j(j∈Ii)的輸入轉(zhuǎn)換，輸出輸入轉(zhuǎn)換集為{Zi,j∣i∈D∪{self},j∈Ii}，且 Zself,j:Xself→Xj，j∈D；Zi,self:Yi→Yself,i∈D；Zi,j:Yi→Yj，i,j∈D。{Ii}，{Zi,j}描述了耦合模型的耦合結(jié)構(gòu)；select是選擇函數(shù)，當(dāng)耦合模型中幾個(gè)成員同時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，需要用select函數(shù)來選擇其中一個(gè)成員的轉(zhuǎn)移作為耦合模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

3 碼頭物流系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

3.1 仿真實(shí)體及其功能

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的仿真實(shí)體主要包括船、控制中心、泊位、岸邊集裝箱起重機(jī)(岸橋)、集裝箱拖掛車（集卡）、輪胎式龍門起重機(jī)（場橋）、堆場等實(shí)體。其功能如下：船負(fù)責(zé)將集裝箱運(yùn)達(dá)和運(yùn)離碼頭；控制中心是整個(gè)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的樞紐，負(fù)責(zé)接受信息和下達(dá)調(diào)度指令等；泊位供船?？浚话稑蜇?fù)責(zé)為船裝卸集裝箱；集卡承擔(dān)集裝箱從碼頭前沿至堆場、堆場內(nèi)箱區(qū)間的水平運(yùn)輸；場橋承擔(dān)集裝箱在堆場的裝卸和堆碼作業(yè)；堆場是集裝箱在碼頭內(nèi)堆存的場地。本文采用自頂向下的建模方式，先分析了各實(shí)體間的相互關(guān)系，構(gòu)建了系統(tǒng)耦合模型，然后將系統(tǒng)實(shí)體描述為原子模型。

圖1 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)耦合模型結(jié)構(gòu)

3.2 耦合模型描述

圖1為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)耦合模型示意圖。圖中圓圈代表耦合模型成員，包括berth（泊位）、ship（船）、quay（岸橋）、truck（集卡）、fbridge（場橋）、yard（堆場）、core（控制中心）等原子模型。箭頭表示外界與耦合模型間的關(guān)系以及原子模型間的耦合關(guān)系（即各原子模型間的輸入、輸出端口的關(guān)系），箭頭上的字符表示原子模型的輸入、輸出端口，其含義如以下實(shí)例所示，i_shipb表示泊位從船接受信息變量的輸入端口，其中i表示輸入端口，ship表示船，b是泊位berth的縮寫，o_berthc表示泊位向控制中心傳遞信息的輸出端口，其中o表示輸出端口，berth表示泊位，c是控制中心core的縮寫，其余輸入輸出端口表達(dá)方式同理。另外，耦合模型通過core的i_core端口輸入外部事件（船及其箱體信息）；通過core的o_core端口輸出船數(shù)量、吞吐量和設(shè)備利用率等統(tǒng)計(jì)信息。

3.3 主要原子模型

由于篇幅所限，本文只給出場橋原子模型（fbridge）的集合描述（如圖2所示），并將集裝箱裝和卸動(dòng)作統(tǒng)一描述。耦合模型中的主要成員岸橋、船、集卡的原子模型僅給出圖示（如圖3-圖5所示）。

圖2 場橋原子模型結(jié)構(gòu)

圖3 岸橋原子模型結(jié)構(gòu)

圖4 船原子模型結(jié)構(gòu)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真流程

圖5 集卡原子模型結(jié)構(gòu)

（1）模型初始化

①產(chǎn)生耦合模型輸入端口所需船及其箱信息，并由core的i_core輸入端口獲取。

②berth、quay、truck、fbridge分別通過o_berthc、o_quayc、o_truckc、o_fbridgec向core遞交當(dāng)前狀態(tài)（是否閑置或是否故障）。

（2）模型執(zhí)行

對(duì)于進(jìn)口箱：

①船到港，ship及時(shí)通過o_shipc輸出端口向core的i_shipc傳遞請(qǐng)求服務(wù)。

②core根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)情況，通過o_cores輸出端口向ship的i_cores輸入端口傳遞信息，為其指定泊位，通過o_coreq、o_coret、o_coref輸 出 端 口 向 quay、truck、fbridge 的 i_coreq、i_coret、i_coref輸入端口下達(dá)該船的裝卸任務(wù)，調(diào)度裝卸作業(yè)線上的岸橋、集卡、場橋。

③quay根據(jù)core的調(diào)度信息，移動(dòng)到作業(yè)位置，ship通過o_shipq輸出端口向quay的輸入端口i_shipq發(fā)送箱信息，quay通過o_quayt輸出端口向truck的輸入端口i_quayt提供岸橋位置信息，集卡到岸橋處裝箱。

④truck從岸橋處裝箱并獲得箱信息，運(yùn)往堆場，通過o_truckf輸出端口，向fbridge的輸入端口i_truckf傳遞箱信息和提出卸箱請(qǐng)求，等待場橋卸載；

⑤fbridge根據(jù)core的調(diào)度指令，到達(dá)指定堆區(qū)，等待集卡卸箱請(qǐng)求，如果有請(qǐng)求就為集卡服務(wù)，卸箱后，通過o_fbridgey輸出端口向yard的輸入端口i_fbridgey傳遞箱信息。

⑥yard根據(jù)fbridge提供的箱輸入信息，通過o_yardc輸出端口向core的輸入端口i_yardc傳遞進(jìn)口箱的堆存信息。

對(duì)于出口箱：

①yard根據(jù)core提供的集裝箱裝船信息，通過o_yardf輸出端口向fbridge的輸入端口i_yardf提供集裝箱裝船信息。

②fbridge根據(jù)core提供的調(diào)度信息，移動(dòng)到堆場等待裝箱。fbridge通過o_fbridget輸出端口向truck的輸入端口i_fbridget提供場橋位置信息。

③truck根據(jù)fbridge提供的場橋信息，到場橋處排隊(duì)等待裝箱，裝箱后由場橋的輸出端口o_fbridget獲得箱信息，到岸橋下等待卸箱，通過o_truckq輸出端口向quay的輸入端口i_truckq傳遞集裝箱信息和集卡卸箱請(qǐng)求。

④卸箱后，quay根據(jù)truck提供信息，通過o_quays輸出端口向ship的輸入端口i_quays提供上船的出口箱信息。

⑤ship判斷是否完成裝出口箱，完成后由ship的o_shipc向core端口的i_shipc端口發(fā)出作業(yè)完成信息，core根據(jù)該信息向ship的輸入端口i_cores發(fā)出離泊命令。

（3）模型輸出。core通過o_core輸出端口向耦合模型輸出端口提供船的到離港時(shí)間、進(jìn)出口箱量和設(shè)備利用率等統(tǒng)計(jì)信息，仿真結(jié)束。

4.2 仿真模型的輸入?yún)?shù)

為了研究以上DEVS模型描述集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)的可靠性，本文將其在em-Plant仿真軟件中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并建立了某集裝箱碼頭系統(tǒng)裝卸作業(yè)模型。該集裝箱碼頭干線海船泊位數(shù)目為4個(gè)，支線江駁泊位數(shù)目為2個(gè)。岸邊集裝箱裝卸橋總數(shù)目為14臺(tái)（其中海船泊位岸橋?yàn)?2臺(tái)，江船泊位岸橋?yàn)?臺(tái)），輪胎式龍門起重機(jī)總數(shù)目為48臺(tái)，集卡總數(shù)目為72臺(tái)。

根據(jù)該港口調(diào)研數(shù)據(jù)，仿真模型輸入?yún)?shù)如下：船到港時(shí)間滿足負(fù)指數(shù)分布f(t)=1-exp(-t/β),t＞0，β＞0,船到港的平均時(shí)間間隔，海船β＝4.37h，江船β＝1.24h。另外，到港船型和裝卸箱量等信息滿足經(jīng)驗(yàn)分布。堆場場橋作業(yè)時(shí)間為2min/TEU，海船岸橋的作業(yè)時(shí)間為2.4min/TEU，江駁岸橋作業(yè)時(shí)間為2.9min/TEU；場橋作業(yè)時(shí)間為2.14min/TEU。集卡行駛速度為6m/s，泊位數(shù)目為4個(gè),12臺(tái)海船岸橋，2臺(tái)江駁岸橋，海船岸橋集卡配比（即每臺(tái)岸橋配備幾輛集卡）是1：6，駁船岸橋集卡配比是1：5。

4.3 仿真模型的輸出參數(shù)

在仿真時(shí)，參照碼頭布局設(shè)計(jì)方案，江駁泊位的工作時(shí)間設(shè)置為每年280天，而海船每年工作天數(shù)為325天。經(jīng)過多次對(duì)模型的仿真運(yùn)行，得出表1所示結(jié)果。由于調(diào)研獲得的是9個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，故生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)到船數(shù)量未知，以2004年1月至9月的實(shí)際吞吐量1986361TEU，推算該碼頭年吞吐量為2648481TEU。

4.4 仿真結(jié)果和分析

把仿真結(jié)果和實(shí)際情況相比較，實(shí)際泊位平均利用率為63.8%；岸橋平均利用率為41.1%。而仿真結(jié)果中年吞吐量為2461040TEU；泊位平均利用率為53.4%；岸橋平均利用率是47.4%。這個(gè)差異可能是由于碼頭實(shí)際是每年工作日為365天，每天工作24h，沒有船到港時(shí)則對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，另外人為的設(shè)備調(diào)度比仿真模型靈活，而仿真獲得的結(jié)果是按碼頭設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作日325天所得到的，因此總的來說,仿真結(jié)果和實(shí)際情況相對(duì)還是比較符合的。這就說明建立的DEVS模型可以正確描述集裝箱碼頭的裝卸生產(chǎn)過程。

表1 仿真輸出數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

5 結(jié)語

本文率先使用DEVS方法分析并描述了集裝箱碼頭物流系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上利用em-Plant軟件構(gòu)建了其仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了較為合理的仿真結(jié)果。由于本文構(gòu)建的仿真模型針對(duì)的只是岸橋、集卡、場橋資源配比固定的作業(yè)線生產(chǎn)模式，為此今后還需要進(jìn)一步研究非固定作業(yè)線模式的DEVS模型。

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