微港口：一个海港集装箱码头的通用仿真平台外文翻译资料

 2022-07-27 14:28:45

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微港口：一个海港集装箱码头的通用仿真平台

Zhuo Sun a,uArr;, Loo Hay Lee b, Ek Peng Chew b, Kok Choon Tan c

摘要

在海洋货物运输网络中，海港集装箱码头是非常重要的节点。同样地，在世界经济全球化过程中，许多通过它们来装卸的集装箱码头的运营效率也扮演着一个至关重要的角色。在集装箱码头中，为了帮助提高运营效率，很多模型和算法已经被用来去解决复杂的决策问题。为了达到明确的目标，这些决策支持工具经常被单独使用。然而，它们尝试着处理的问题经常不关联。因此，就这一点而言，对于不同的决策问题，一个能尽可能捕获更多运行条件的评估工具是必需的。本文介绍一个名为“微港口”的通用仿真平台，其目的是为评估运营能力和不同设计的海港集装箱的运营效率而提供一种一体化的和灵活的模型系统。微港口的软件结构包含三个规划层：（1）功能层；（2）应用层；和（3）扩展层。不同的层通过应用程序接口连接起来。建立在功能层的基础层支持应用层，在应用层中，通过一种基于主体的方法，重大的运行过程能够被模型划。然后，在扩展层的外部模块和决策支持工具利用应用程序接口来调整系统的，从而为具体目标产生合适的仿真模型。

关键词：集装箱码头；港口运营；离散事件模拟；多智能体系统

1.绪论

在世界经济全球化的过程中，集装箱码头扮演者一个至关重要的角色。在一个集装箱码头中，运营者需要对从海到岸的集装箱装卸负责，也需要与他们顾客航线的积载指令一致。在一个集装箱码头中（如图1），不同航线的船舶按照一些事先决定的时间表到达。船到岸的起重机，或者简单来说岸桥，卸载从船上到堆场集卡的集装箱或者装卸从堆场集卡到船舶的集装箱。堆场集卡在岸桥和场桥之间运行以此来运输集装箱。场桥横跨在堆场的两边，在堆场集卡和集装箱堆码之间装卸集装箱。

图1.一个典型的集装箱码头和它的设备

在众多的装卸设备中需要很多的合同协作，这样才能保证一个无缝衔接的集装箱流能够被实现。这就要求多样化计划，其范围包括从长期策略到实时运营决策。因为问题的类型和复杂性，港口运营者经常雇佣不同的人去管理不同的过程。在每一个过程中，要求不同的计划水平。例如，在泊位计划中，港口运营者需要事先决定船舶到达泊位的一些指令，以及在船舶到达时间表上，安排岸桥为这些船舶进行服务。然而，因为延迟或者其他不可预见的情形，实际船舶到达时间经常与船期表到达时间是相背离的。因此，实时决策修改从船到泊位的指令，同样，对于船舶来说，岸桥指令的修改也是必需的。当制定这样的决策时，港口运营者旨在最大化港口效率，其中包括最小化船舶周转时间，最大化岸桥生产效率，以及最大化集装箱码头的吞吐量。然而，在实际情况中，这个目标很可能不能实现。这是因为做这些决策经常是分层次地和局部性地。此外，这些决策是被复杂的决策支持工具所支持的，然而，其他的决策是建立在一个特设的基础上。因此，如果系统绩效表现作为一个整体，单个决策是不能被确定的，因为在这些决策过程中，它们有重要意义的关键性。例如，在泊位分配与堆场管理之间。在实际中，问题是被混合化的，因为在系统中存在很多不确定性存在。例如，船舶延期，机械故障等等。

为了有效地评估这些决策过程，我们需要一个能够有效地捕获这个复杂和相互关联的系统特征的评估工具，来合并复杂的决策支持工具（它能是商业化的软件或者是被港口运营者所使用现存决策支持工具）。在文献中，虽然建立了很多的集装箱码头仿真模型，但是它们通常太死板，因此而不能适应不同的码头结构。在本文中，我们提出了一个名为“微码头”的通用仿真平台，它能提供一个一体化和灵活的模型系统，以此来评估运营能力和不同设计的海港集装箱码头的效率。微港口的软件结构包含三个规划层，其中低层利用应用程序接口来支持高层。基础功能建立在最低层。在中层，重大运营决策过程作为一个正在提升的多智能系统被模型化。最后，最高层包含延伸项目，它们能够通过应用程序接口来调试系统去产生合适的仿真模型。

本文剩下的结构如下。第二章给出了一个先前相关研究的回顾，然后第三章介绍了先前提出的仿真平台的软件设计，第四章描述了仿真软件结构，接着第五章是平台的实证性和有效性，第六章为案例研究，第七章为总结。

2.文献综述

近来，因为计算机技术的飞速发展，仿真已经被广泛地应用去研究集装箱码头运营。我们首先了解一些重点在具体运营决策方面的集装箱码头仿真模型。然后讨论一些一体化仿真模型，以及几个多智能系统。最后，给出一个对比表格。

许多研究为集装箱码头建立了仿真模型，然后用它们作为子系统来测试，评估和预测他们的决策以此来制定算法和策略。Gambardella〔1〕等人建立了一个基于资源分配问题的决策支持系统，利用一个集装箱码头模型作为测试床来检查系统的有效性和稳定性。Kia〔2〕等人通过一个仿真模型比较了两个不同的运营系统（现有的和先前的），并提出了一种运营方法去减少码头拥挤和增加码头容量。Nam〔3〕等人使用一个具有四种情景的仿真模型，就泊位和岸桥而言，去检测Ganman集装箱码头的最佳型号。Demirci〔4〕使用仿真实验去确定港口系统最重要的瓶颈过程，并给出了一个平衡负荷的港口投资策略。Lee〔5〕等人在一个供应链网络中使用了一个仿真模型去评估港口运营。Sgouridis〔6〕等人创造了一个仿真模型去研究集卡运输的进口集装箱装卸，使用模型制定短期到长期计划以及过程提升。Liu〔7〕等人使用仿真模型去研究自动化和码头布局对码头绩效的影响。特别地，考虑了拥有不同堆场配置的两个不同码头。Parola和Sciomachen〔8〕尝试着去仿真意大利西北港系统的整个物流链，并评估了可能的未来集装箱箱流的增长量。Duinkerken〔9〕等人使用一个具有规则控制系统的仿真模型去比较两个集装箱运输系统：多挂车自动化导向车辆和自动化升降车辆。Lee〔10，11〕等人使用仿真模型去研究不同的车辆和不同的堆场布局是怎样影响港口运营的效率。他们更加深远地建立了一个名为“自动化布局”的项目去产生不同的仿真模型。Ha〔12〕等人展示了一个实时三维可视化仿真模型，描述集装箱码头机械非常细节化的表现。这个模型对于新机械的绩效评估是非常有用的。Hadjiconstantinou和Ma〔13〕揭示了一个决策支持系统，通过考虑所有的集装箱箱流通过堆场来优化堆场运营，并使用一个仿真模型来实例论证。Zeng和Yang〔14〕使用了一个仿真模型去制定集装箱码头装卸指令时间，然后用一种优化方法嵌入这个模型去决定优化时间方案。

虽然上面的仿真模型能够很好地代表集装箱码头操作过程的某一部分，但是对于一个更加真实的准确操作来说，将互相关联的子系统作为一个整体才是必需的。对于集装箱码头而言，仅仅只有少数的研究考虑了综合仿真模型。这些模型涵盖了集装箱码头运营的大多层面，然而没有考虑到某些细节。Nevins〔15，16〕等人揭示了一个海港仿真模型去计算吞吐能力和决定资源配置，在一个高水平的细节化中。这些仿真模型允许多种货物类型以及多种船舶类型。Shabayek和Yeung〔17〕创造了一个仿真模型去仿真葵涌集装箱码头，以此来研究扩展范围，因为一个仿真模型在一个高准确水平下，能够描述真实的集装箱码头运营。Hartmann〔18〕介绍了海港集装箱码头的一种产生情景的方法。这个情景能够为仿真模型输入数据。此外，它们能够被算法用做测试数据来解决集装箱码头物流优化问题，比如泊位计划和起重机时间安排。Bielli〔19〕等人使用一个目标定向设计来建立一个集装箱码头模拟器。每一种机械，队列，或者区域都会作为一个目标来执行，在目标中的交通设施作为信息被执行。Ottjes〔20〕等人介绍了一个通用的仿真模型结构去设计和评估多码头系统。这个模型包含三个联合的基础功能：运输，转运和堆垛。Petering〔21〕揭示了一个广泛的仿真模型去解决码头设计，储存以及方位检索和场桥控制等问题。这些研究对于不同的集装箱码头没能提供灵活的一体化的解决方案。因此，在本文中，我们旨在介绍一种通用的仿真平台对于不同的集装箱码头去产生仿真模型。

正常情况下，集装箱码头的仿真模型使用一个集中的结构，它能执行一个控制中心控制每件事情和过程。然而，在一个典型的集装箱码头中，机械可能会被司机手动地操作，也可能相互之间影响而形成一个复杂的系统。这种复杂的系统是很难通过一个分散化的单调的逻辑来被模型化的，而是通过分散化的自主的代理系统。少数的研究揭示了仿真模型使用一种多智能体方法。Rebollo〔22〕等人使用了一种多智能体系统去仿真港口集装箱码头的管理。Henesey〔23-27〕等人使用一种建立在仿真方法基础上的多智能体去评估集装箱码头管理运营。这个方法旨在通过标记码头的目标和资源来计划和协作码头操作过程。Franz〔28〕等人提出了一个基于模拟器的多智能体，去模拟集装箱码头管理的市场机制。

在这个文献综述中，这些模型所涵盖的可以分类如下，见表1。因为它们的内部机制经常被保护，所以表2从外部功能观点比较了商业软件产品。本文提出的仿真平台不同于其他的可使用的仿真模型主要表现在软件结构方面。基于混合体模型结构，为了适应不同的需求，不同的仿真模型可以产生出来。因此，对比于商业软件，它的外部功能可以被分离出来。

表1.集装箱码头仿真研究回顾

表2.仿真软件和微港口的功能比较

3.微港口的软件结构

微港口的软件结构包含三个规划层，即：（1）功能层；（2）应用层；和（3）扩展层（见图2）。在功能层中，许多基础的功能被执行去支持更高的层次。在应用层中，一个具有提升性的多智能体系统已经被建立起来了，旨在显示不同类型机械和重大决策过程之间的相互关联性。在扩展层，用户模块在执行仿真开启，图形用户界面，动态图形输出等可能去产生拥挤。这些层次在接下来的章节中会被更加深入地详细说明。

图2.微港口中的三个软件层次和项目接口

3.1功能层

作为微港口的基础层，功能层应该是快速的，有多种用途的以及灵活的。在比较一系列不同的仿真软件后，微城市〔29〕被选择作为微港口的脊柱，原因如下。首先，微城市有一个开放的结构来允许它能够被轻易延伸，以满足不同的需求。第二，微城市早已提供许多其他软件不具备的功能（比如地理信息系统，网络解算器，混合整数规划求解器，三维实时渲染引擎等等）。最后，微城市使用C语言或者C＋＋作为它的最低水平规划语言，以及使用Lua〔30〕作为它的更高水平的脚本语言，这样保证了非常高的运行速率。微城市在它的低层中没有直接提供仿真相关功能。虽然这些功能能够没有任何困难的在更高层被执行，但是就绩效而言，使用低水平的语言去执行这些功能将产生很大的优点。

根据微城市可知，在功能层，基础的功能使用C语言或者C＋＋来执行，Lua功能可以在更高层被执行。为了在功能层执行基础的仿真功能，这里有两种系列的功能被建立起来。第一种包括随机数发生器，第二种包括离散事件规划器。一个带有变换函数的梅森螺旋随机数发生器（Matsumoto和Nishimura）用来执行，以促进随机数的产生，这些数更可能服从概率分布。

对于离散事件规划器，传统的执行是简单的。这个项目的主要机构包含一种优先排队论，在其中的事件是按它们开始的时间来升序排列的。当一个事件从队列中被捕获，与之相联系的子程序将会被触发。然而，从一个过程到另外一个过程，即使两个过程是数据上相关联或者逻辑上相关联的，传统的面向过程的和面向对象的规划语言都不能够保存运行环境。另外一方面，在现代动态规划语言中，比如Lua，我们能够通过合作的线程来轻易地暂停和继续现在的规划状态（Jouvin〔32〕）。因此，在此研究中约束Lua协同程序（普遍的子程序允许多入口点在某个地方暂停和继续执行）去保存事件的运行内容。如果事件间没有相互联系，那些相互联系的协同程序将会作为子程序工作。如果属于同一相同实体的多种事件或者运营过程，单个的协同程序将会被使用。这个协同程序将会被一个初始事件所创造，被接下来的事件暂停和随后继续（见图3），不需要任何额外的努力去分类数据或者逻辑。在微港口的功能层中，这个事件执行方案给予了高层灵活性。连续的，并存的，或者连续并存的混合模型内容能够轻易地在高层执行。

图3.离散调度器中提到的延续执行

3.2应用层

微港口的应用层旨在代表集装箱码头的重大运营过程。在现在的集装箱码头中，有两种重要类型的控制系统。即，集中化系统和分散系统。一个集中化系统有一个控制中心去制定所有的决策和控制所有机械设备的移动和运行。集中化系统现在被广泛地应用到集装箱码头和仿真模型中。然而，去了解到一个集装箱码头是一个高度复杂的互相关联的系统是至关重要的。在一个集中化系统中，许多单个机械之间的相互影响是很难被直接或者准确地模拟的。因此，最近在多智能体系统的发展中有一个繁荣局面，在其中很多的机械类型和决策制定过程能够被具体软件代理展现出来。

通过使用在功能层中先前提出的离散事件规划器，一个已改善的多智能体系统已经在应用层中被执行了。正如图4所阐述的那样，提出的多智能体系统有有一个主线程和很多代理协同程序。主线程能够在串行方式和并发模式之间转换系统。在串行方式中，系统停止所有的代理以及执行一系列的集中控制步骤。这些步骤制定所有的基于现存系统状态的决策。当系统进入并发模式，已分配的代理协同程序将会被激活，它们在所有的决策制定结果内容中互相影响。例如，那里有成打的堆场集卡在堆场运输并且和其他的每种机械相互影响。每辆堆场集卡的工作已被码头控制中心的堆场集卡时间表安排好。为了在微港口中模拟这个子系统，通过一个集中控制步骤，每辆堆场集卡能够被一个代理协同程序和堆场集卡时间表所代表。堆场集卡时间表通过事件将会被常规地触发，去停止所有的代理协同程序来为堆场集卡制定计划。接着，仿真将会继续

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