自动化集装箱码头设计及仿真

由于集装箱码头运营管理过程的复杂性，传统的解析法在该领域的研究遇到了越来越多的障碍，因此，系统仿真方法在该领域研究显得越来越重要。系统仿真在集装箱码头领域的研究主要集中于集装箱码头建模与仿真方法研究、码头系统能力评估、管理方法效果评估以及基于仿真优化的作业管理等。在此重点介绍自动化集装箱码头建模与仿真研究方法的当前主要研究现状。

在集装箱码头建模与仿真方法研究方面，Veek等［8］使用开发工具Delphi中的TOMAS仿真开发工具包，通过过程导向方法，专门针对集装箱码头物流系统开发集装箱码头仿真模型，并对其开发方法做了详细介绍。Duinkerken等［9］则通过将复杂的集装箱码头系统分割成相对简单的子系统，并使用了分布式模型开发方法构建集装箱码头仿真模型，以降低模型开发难度。Boer等［10］针对自动化集装箱码头管理控制过程精确性，结合集装箱码头作业管理系统（terminal operating system， TOS），开发出了用于测试、改进TOS，以及训练集装箱码头操作人员的集装箱码头仿真系统，并对这类仿真取名为“Emulation”。 Lee等［11］则针对集装箱码头仿真模型布局构建复杂烦琐问题，提出了通过参数设计，自动生成集装箱码头仿真模型的方法，降低模型构建难度，提高建模效率及模型重复使用性。孙卓等［12-13］提出了专门应用于集装箱码头仿真的“MicroPort”仿真平台，该平台被分为功能层、应用层及拓展层三个层面，其中功能层主要服务于随机数生成、离散事件管理等仿真基本功能，应用层则主要管理仿真中的物流操作，而拓展层则主管仿真案例设计。Bruzzone等在其文献［14］研究中，提出了基于高层结构设计（high level architecture， HLA）的集装箱码头仿真系统，并将该系统命名为TRAINPORTS。该系统能够提供集装箱码头三维虚拟现实环境，用以训练集装箱码头操作人员。HA等［15］，详细提出了运用Plant Simulation三维仿真模块构建高保真度仿真模型的方法。

在国内，对于集装箱码头建模与仿真研究主要使用一些通用的仿真软件来构建集装箱码头仿真系统。使用通用仿真软件的优点在于建模方便，仿真结果可信度高，缺点是对于仿真中的特殊要求需要重新开发先关模块时受原有仿真工具限制较大。在国内使用较多的工具是flexsim［16-20］ 、 Plant Simulation［21-23］ 、 Witness［24-26］以及Arena［27-29］。在这些研究当中，周文婷［20］探索使用HLA构建分布式集装箱码头仿真平台，崔婷婷等［26］则是使用虚拟现实技术与通用仿真软件相结合的方法来构建集装箱码头物流系统仿真平台，王永辉［27］则探索了使用通用仿真软件的3D模块来构建集装箱码头物流系统3D仿真模型。(www.xing528.com)

在集装箱码头建模与仿真方法研究方面，模型的校核、验证及确认（verification，validation and accreditation， VV&A）是其中一个重要环节。对于离散事件仿真的VV&A理论基础研究方面，Balc［i30］系统提出了对于离散事件仿真VV&A过程的指导，提出15个离散事件仿真VV&A原则，定义了建模与仿真两阶段的VV&A生命周期，并据此提出了77个仿真检核和验证手段。Sullivan等［31］在文献［30］的基础上对离散事件仿真VV&A做了进一步拓展，补充了离散事件仿真VV&A早期阶段校核与验证活动及一些特殊校核与验证活动。单独研究集装箱码头系统仿真VV&A方面文献不多，主要零散分布于不同集装箱码头系统仿真研究文献中。在文献［32-34］研究中探讨了集装箱码头系统仿真VV&A方法和活动，主要是通过将仿真与实际系统中各种物流活动进行对比分析，其中文献［34］针对集装箱码头物流系统仿真不同目的——实时、中短期及长期的策略与物流活动仿真，提出了四个校核指标，并给出了各个指标详细的计算公式。

综上所述，在集装箱码头建模与仿真方法研究上，不同的学者做出了不同的探索，但主要集中于以下几类：使用通用的仿真工具进行集装箱码头仿真模型开发，国内学者在这方面研究较多，这类建模方式相对容易且仿真结果准确性较有保障；使用通用仿真工具开发专门的集装箱码头仿真平台，这类研究相对于使用通用仿真工具直接开发仿真模型难度较高，但平台一旦开发完成则可以快速完成不同的集装箱码头仿真模型构建；难度最大的则是直接开发集装箱码头仿真系统，这类研究需要大量的工作，但可以开发出最为生动逼真的仿真效果。在集装箱码头仿真模型构件上，众多研究工作中，多智能体技术、分布式仿真技术及HLA方法用于降低集装箱码头物流系统的复杂性，提高建模效率及模型的通用性和可维护性。专门针对集装箱码头物流系统仿真的VV&A研究相对较少，学者们对于集装箱码头物流系统仿真的确认、校核与验证还是主要参考离散事件仿真VV&A的通用方法。