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集裝箱港口作業系統仿真建模與優化 版權信息
- ISBN：9787030668400
- 條形碼：9787030668400 ; 978-7-03-066840-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
集裝箱港口作業系統仿真建模與優化 內容簡介
本書針對計算機仿真建模與優化技術在集裝箱港口作業系統的應用問題開展研究。本書運用離散事件系統仿真、多Agent仿真、分布式仿真、人工智能仿真等不同類型的仿真建模技術，探討了多目標仿真優化、模糊仿真優化、分布式仿真優化等不同類型的仿真優化問題。本書內容包括：仿真建模及仿真優化技術原理，集裝箱港口作業系統仿真建模與仿真優化專題，仿真建模及仿真優化技術近期新進展。 本書所介紹的理論方法可供集裝箱港口作業領域及生產系統、物流系統、工業工程等相關領域從事系統建模分析、規劃設計、作業優化、運營管理方面的技術人員、大專院校師生學習與參考。
集裝箱港口作業系統仿真建模與優化 目錄
目錄
第1章 集裝箱港口作業系統決策優化問題 1
1.1 集裝箱碼頭作業系統 1
1.2 作業系統決策優化問題分類及概述 4
1.3 作業系統仿真建模及優化問題 12
1.4 本書篇章結構 14
第2章 仿真建模與仿真優化方法 16
2.1 離散事件系統仿真建模方法 16
2.2 離散事件系統的基本模型 21
2.3 仿真優化方法概述 27
2.4 其他仿真建模方法簡介 31
第3章 集裝箱碼頭海側作業系統仿真建模 34
3.1 概述 34
3.2 海側作業系統分析 34
3.3 海側作業系統建模 36
3.4 輸入數據分析 40
3.5 Arena仿真建模工具簡介 43
3.6 海側作業系統仿真模型的實現 45
3.7 仿真運行及結果分析 48
3.8 本章小結 51
第4章 集裝箱碼頭堆場作業系統仿真建模與仿真優化 52
4.1 概述 52
4.2 堆場作業系統分析 52
4.3 堆場作業系統仿真建模 57
4.4 堆場作業系統仿真模型的實現 64
4.5 堆場作業系統作業資源配置問題的仿真優化 65
4.6 本章小結 75
第5章 集裝箱碼頭閘口作業建模與仿真優化 76
5.1 概述 76
5.2 閘口作業系統分析 76
5.3 閘口作業系統仿真建模 79
5.4 閘口作業系統資源配置仿真優化 86
5.5 閘口作業系統調度仿真優化 92
5.6 本章小結 95
第6章 集裝箱碼頭裝卸工藝系統仿真建模與仿真優化 96
6.1 概述 96
6.2 裝卸工藝系統仿真建模 96
6.3 裝卸工藝系統資源配置問題的仿真優化 106
6.4 裝卸工藝系統作業調度問題的仿真優化 109
6.5 本章小結 116
第7章 水平運輸作業系統多Agent仿真建模與仿真優化 117
7.1 概述 117
7.2 水平運輸作業系統的多Agent混合仿真建模 118
7.3 同步裝卸模式下水平運輸作業系統多Agent 仿真優化 131
7.4 本章小結 144
第8章 集裝箱港口集疏運網絡系統仿真建模 145
8.1 概述 145
8.2 集裝箱港口集疏運網絡系統業務分析 145
8.3 集裝箱港口集疏運網絡系統排隊網絡建模 147
8.4 集裝箱港口集疏運網絡系統的仿真模型 154
8.5 仿真實例分析 157
8.6 基于控制服務的海關卡口區域可重構仿真建模 163
8.7 本章小結 170
第9章 集裝箱港口作業系統的分布式仿真建模 171
9.1 概述 171
9.2 HLA仿真技術概述 172
9.3 分布式仿真建模的系統分解原理 176
9.4 集裝箱港口集疏運網絡系統的分解 178
9.5 基于HLA 的聯邦成員設計及驗證 185
9.6 本章小結 193
第10章 集裝箱港口作業系統的分布式仿真優化 194
10.1 概述 194
10.2 基于HLA的分布式仿真優化架構設計 195
10.3 分布式仿真優化模型設計及實現 202
10.4 集裝箱港口作業系統資源配置的分布式仿真優化 216
10.5 本章小結 223
第11章 集裝箱港口作業系統的模糊仿真優化 224
11.1 概述 224
11.2 模糊仿真優化概述 224
11.3 泊位作業系統資源配置的模糊仿真優化 230
11.4 保稅港區海關卡口通道數配置的模糊仿真優化 239
11.5 本章小結 246
第12章 基于人工智能的碼頭作業仿真優化 248
12.1 概述 248
12.2 基于在線學習的AGV調度模型及仿真分析 250
12.3 基于人工神經網絡的堆場作業調度及仿真優化 265
12.4 本章小結 281
第13章 總結與展望 282
13.1 總結 282
13.2 未來展望 285
參考文獻 288
第1章 集裝箱港口作業系統決策優化問題 1
1.1 集裝箱碼頭作業系統 1
1.2 作業系統決策優化問題分類及概述 4
1.3 作業系統仿真建模及優化問題 12
1.4 本書篇章結構 14
第2章 仿真建模與仿真優化方法 16
2.1 離散事件系統仿真建模方法 16
2.2 離散事件系統的基本模型 21
2.3 仿真優化方法概述 27
2.4 其他仿真建模方法簡介 31
第3章 集裝箱碼頭海側作業系統仿真建模 34
3.1 概述 34
3.2 海側作業系統分析 34
3.3 海側作業系統建模 36
3.4 輸入數據分析 40
3.5 Arena仿真建模工具簡介 43
3.6 海側作業系統仿真模型的實現 45
3.7 仿真運行及結果分析 48
3.8 本章小結 51
第4章 集裝箱碼頭堆場作業系統仿真建模與仿真優化 52
4.1 概述 52
4.2 堆場作業系統分析 52
4.3 堆場作業系統仿真建模 57
4.4 堆場作業系統仿真模型的實現 64
4.5 堆場作業系統作業資源配置問題的仿真優化 65
4.6 本章小結 75
第5章 集裝箱碼頭閘口作業建模與仿真優化 76
5.1 概述 76
5.2 閘口作業系統分析 76
5.3 閘口作業系統仿真建模 79
5.4 閘口作業系統資源配置仿真優化 86
5.5 閘口作業系統調度仿真優化 92
5.6 本章小結 95
第6章 集裝箱碼頭裝卸工藝系統仿真建模與仿真優化 96
6.1 概述 96
6.2 裝卸工藝系統仿真建模 96
6.3 裝卸工藝系統資源配置問題的仿真優化 106
6.4 裝卸工藝系統作業調度問題的仿真優化 109
6.5 本章小結 116
第7章 水平運輸作業系統多Agent仿真建模與仿真優化 117
7.1 概述 117
7.2 水平運輸作業系統的多Agent混合仿真建模 118
7.3 同步裝卸模式下水平運輸作業系統多Agent 仿真優化 131
7.4 本章小結 144
第8章 集裝箱港口集疏運網絡系統仿真建模 145
8.1 概述 145
8.2 集裝箱港口集疏運網絡系統業務分析 145
8.3 集裝箱港口集疏運網絡系統排隊網絡建模 147
8.4 集裝箱港口集疏運網絡系統的仿真模型 154
8.5 仿真實例分析 157
8.6 基于控制服務的海關卡口區域可重構仿真建模 163
8.7 本章小結 170
第9章 集裝箱港口作業系統的分布式仿真建模 171
9.1 概述 171
9.2 HLA仿真技術概述 172
9.3 分布式仿真建模的系統分解原理 176
9.4 集裝箱港口集疏運網絡系統的分解 178
9.5 基于HLA 的聯邦成員設計及驗證 185
9.6 本章小結 193
第10章 集裝箱港口作業系統的分布式仿真優化 194
10.1 概述 194
10.2 基于HLA的分布式仿真優化架構設計 195
10.3 分布式仿真優化模型設計及實現 202
10.4 集裝箱港口作業系統資源配置的分布式仿真優化 216
10.5 本章小結 223
第11章 集裝箱港口作業系統的模糊仿真優化 224
11.1 概述 224
11.2 模糊仿真優化概述 224
11.3 泊位作業系統資源配置的模糊仿真優化 230
11.4 保稅港區海關卡口通道數配置的模糊仿真優化 239
11.5 本章小結 246
第12章 基于人工智能的碼頭作業仿真優化 248
12.1 概述 248
12.2 基于在線學習的AGV調度模型及仿真分析 250
12.3 基于人工神經網絡的堆場作業調度及仿真優化 265
12.4 本章小結 281
第13章 總結與展望 282
13.1 總結 282
13.2 未來展望 285
參考文獻 288
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集裝箱港口作業系統仿真建模與優化 節選
第1章 集裝箱港口作業系統決策優化問題 集裝箱港口（container port）包括水域、陸域兩部分，陸域部分由集裝箱碼頭及其后方的集疏運網絡系統構成。集裝箱碼頭（container terminal）是供船舶停靠及集裝箱裝卸和堆存作業的區域。盡管廣義上集裝箱港口作業系統包括集裝箱碼頭作業系統、港口集疏運網絡系統，但考慮到所涉及問題的復雜性和研究的關注度，一般而言，集裝箱港口作業系統指集裝箱碼頭作業系統，它是包括海側作業（seaside operation）、陸側作業（landside operation）、水平運輸作業（transportoperation）的復雜物流系統，其資源配置和作業調度優化問題一直是學術界和企業界關注的熱點問題。本章作為全書的開篇，主要介紹集裝箱碼頭作業系統的構成及特點，梳理作業系統中的決策優化問題及其求解特點，為后面各章的仿真建模（simulation modeling）及仿真優化（simulation optimization，或稱simulation-basedoptimization）專題做好鋪墊。 1.1 集裝箱碼頭作業系統 1.1.1 集裝箱碼頭作業系統的分類 典型的集裝箱碼頭作業系統的構成如圖1.1 所示。從空間構成看，集裝箱碼頭包括泊位（berth）、岸邊（quay）、水平運輸（transport）、堆場（yard）、閘口（gate）五個主要區域。從作業視角看，集裝箱碼頭作業分為海側作業，包括泊位和岸邊裝卸作業；陸側作業，包括堆場作業和閘口作業；水平運輸作業，連接海側作業和陸側作業。 圖1.1 典型的集裝箱碼頭作業系統的構成 1）集卡：集裝箱卡車的簡稱；內部集卡簡稱內卡，外部集卡簡稱外卡集裝箱碼頭作業系統是由基礎設施、設備、人員、控制系統構成的作業系統，該系統中使用特定的裝卸設備裝卸和搬運集裝箱貨物的操作過程和作業方法稱為裝卸工藝。在集裝箱碼頭的海側作業、陸側作業、水平運輸作業三大類作業中，一般地，海側作業的岸邊裝卸工藝均采用吊裝工藝方法，又稱“垂直作業方式”，即在碼頭前沿設置集裝箱起重機（quay crane，QC），即集裝箱裝卸橋（也稱岸橋），用吊上/吊下的方式來裝卸船上集裝箱，再配以其他機械進行水平搬運和堆場作業完成集裝箱的裝卸。水平運輸作業主要采用各類集裝箱拖掛車（簡稱集卡）、跨運車等進行運輸作業。陸側的堆場作業所采用的設備各有不同，因而呈現不同的工藝方式。按集裝箱堆存作業方式劃分作業系統，主要有兩種類型：跨運車作業系統和場橋起重機作業系統[1~3]。根據堆場中使用的水平搬運機械類型的不同，集裝箱碼頭裝卸工藝方式可分為4 種類型：底盤車（trailer）裝卸工藝、跨運車（straddlecarriers）裝卸工藝、輪胎式集裝箱門式起重機（rubber tired gantry crane，RTG）裝卸工藝、軌道式集裝箱門式起重機（rail mounted gantry crane，RMG）裝卸工藝。各類裝卸工藝的特點如表 1.1 所示[1，2]。 表1.1 集裝箱碼頭裝卸工藝的分類及特點 1.1.2 自動化集裝箱碼頭作業系統 近年來，自動化集裝箱碼頭發展迅速。傳統集裝箱碼頭與自動化集裝箱碼頭作業系統的作業方式特點及轉換方式比較，如表1.2 所示[1]。由表1.2 可以看出，在技術手段方面，實施碼頭作業自動化的關鍵技術包含兩類：一是ICT（informationand communication technology，信息和通信技術），如網絡技術、無人化技術、定位技術、實時通信技術；二是系統協調優化決策技術。另外，作業標準化技術也是十分重要的保障措施。在設備升級方面采用自動化設備，如自動化岸邊裝卸橋（automated quay crane，AQC）、自動引導車（automated guided vehicle，AGV）、自動跨運車（automated straddle carrier，ASC）、自動化輪胎式/軌道式集裝箱門式起重機（automated RTG/RMG，ARTG/ARMG）等。 表1.2 傳統集裝箱碼頭與自動化集裝箱碼頭作業系統的作業方式特點及轉換方式比較 自動化集裝箱碼頭自20 世紀90 年代發展以來，目前已形成多種裝卸工藝方案。本書介紹我國目前新建或在建的典型的“雙小車岸橋+AGV+ARMG”全自動化碼頭裝卸工藝方案，其作業系統的典型構成如圖1.2 所示。其主要特點如下[1]。 （1）海側作業設備采用雙小車岸橋，由中控室遠程操作控制，作業效率為35~40 箱/小時。 圖1.2 自動化集裝箱碼頭“雙小車岸橋+AGV+ARMG”裝卸工藝示意 （2）自動化堆場布局采用與碼頭岸線垂直方式。堆場作業設備采用ARMG配置，一般每個街區配有一高一低兩臺不同軌距的ARMG，低ARMG 可以從高ARMG 下方穿越，二者均能夠覆蓋整個街區，極大地提高了堆場的裝卸效率和裝卸靈活性。 （3）自動化集裝箱碼頭與傳統集裝箱碼頭、半自動化集裝箱碼頭相比，一個重要區別在于水平運輸設備。由于AGV 是集裝箱碼頭水平運輸設備中自動化技術和節能環保技術*完善的，已成為全自動化碼頭水平運輸設備的首選。AGV 行駛路徑靈活，不受作業路線約束，可在任何無障礙物的地方轉彎行駛，適用于各種大小及形狀的集裝箱碼頭。 （4）自動化集裝箱碼頭作業控制系統包括智能岸邊裝卸系統、智能水平運輸系統、智能堆場作業系統、智能調箱門系統、智能設備管理系統和遠程監控系統等子系統。 1.2 作業系統決策優化問題分類及概述 1.2.1 決策優化問題的分類 與前所述的集裝箱碼頭三種作業相對應，集裝箱碼頭作業系統的優化問題包括海側作業優化（包含泊位作業、岸橋作業）、陸側作業優化（主要是堆場作業）、水平運輸作業優化（車輛分配及路徑問題）及集成作業優化問題[2]。另外，有學者從功能要素視角出發對集裝箱碼頭作業系統的構成進行分類，如Stahlbock 和Voss將作業系統分為物料搬運設備（硬件）、人力資源（人）、輔助系統和作業模式（軟件）[3]；Angeloudis 和Bell 則將其分為基礎設施（岸邊/堆場）、作業設備、人力資源、作業流程、控制系統五類[4]。對于自動化集裝箱碼頭，可將人力資源歸結在控制系統中，因為在自動化作業系統中，涉及人的相關作業已經被計算機系統替代。 本書從系統仿真建模的角度研究集裝箱碼頭作業系統的決策優化問題。仿真建模分析方法屬于系統活動分析方法，是以系統中要素間的相互作用為主線推進系統活動，從而達到分析系統運作效果的目的。因此，從建模方法、活動特點和應用目的出發，可以將系統要素與作業類型相結合，將集裝箱碼頭作業系統決策優化問題歸結為以下幾類。 （1）基礎設施優化問題，是針對作業系統中作業資源的構成規模和空間布局的優化，如泊位、堆場、閘口、港區道路等基礎設施的靜態物理參數的優化。 （2）作業設備優化問題，是針對作業系統中物料搬運設備的配置及其相互匹配關系的優化，如作業方式、作業策略、設備的種類、數量規模、作業效率等。 （3）作業流程優化問題，是針對作業系統中集裝箱裝卸的流動和存儲作業活動計劃的優化，如設備的分配、數量、作業順序、作業路徑、作業時間等。 （4）作業控制優化問題，是針對集裝箱作業過程的狀態進行信息采集、狀態控制以協調集裝箱—設備之間的關系，如實時狀態監控、分析、控制指令、協調優化等。 上述每類優化問題，又可分為海側作業、陸側作業、水平運輸作業，以及集成作業的優化。于是，基于仿真建模視角的集裝箱碼頭作業系統主要的決策優化問題歸納如表1.3 所示。需要指出的是，仿真建模方法強調系統中各要素之間的相互作業和聯系，因此，常將上述各類問題綜合考慮來構建集成模型，給出優化解決方案。例如，集裝箱碼頭作業系統的裝卸工藝系統的優化問題雖然歸屬于上述第（2）類作業設備優化問題，但也往往與第（1）類、第（3）類問題聯合考慮進行建模及優化。 表1.3 主要的決策優化問題 下面對作業系統優化問題按海側作業、陸側作業、水平運輸作業、集成作業優化問題進行介紹。篇幅所限，本書主要對上述第（1）類、第（2）類、第（3）類問題進行介紹，對第（4）類的作業控制優化問題，由于研究領域有所不同，不列入本書討論的范圍內，特此說明。 1.2.2 海側作業優化問題 集裝箱碼頭海側作業（又稱岸邊作業、前沿作業）涉及的主要問題主要存在于船舶靠泊、在泊作業兩個階段。前者主要是泊位分配問題（berth allocation problem，BAP），后者主要是岸橋調度問題（quay crane scheduling problem，QCSP）[5~7]。 1. 泊位分配問題 BAP 是在滿足既定泊位窗口的前提下為到港的船舶分配靠泊位置、配置作業資源并安排靠泊和離港時間，其核心問題是保證船舶之間在靠泊位置與在泊時間不同時重疊的前提下，滿足作業效率要求。 BAP 主要考慮空間要素（包括連續、離散泊位空間，船舶尺寸和吃水深度）、時間要素（包括船舶到達時間）、作業要素（包括作業箱量，作業位置及堆場間往返時間，分配作業的岸橋數量）和性能指標要素（問題的輸出指標，包括船舶在泊時間、船舶等待時間）等。BAP 連帶有兩個關聯問題：岸橋分配問題（quay craneassignment problem，QCAP）、QCSP。QCAP 解決將不同數量的岸橋分配給不同船舶的問題，這時船舶作業效率與所分配的岸橋性能有關。 BAP/QCAP 一般可歸結為單目標或多目標混合整數規劃（mixed integerprogramming，MIP）或混合整數非線性規劃（mixed integer non-linear programming，MINLP）問題，問題的求解多采用啟發式（heuristic）算法或精確算法，部分問題采用基于離散事件仿真的仿真優化方法或基于Agent 的方法求解。
集裝箱港口作業系統仿真建模與優化 作者簡介
金淳，大連理工大學管理與經濟學部教授，博士生導師。系統工程研究所副所長。2000年在日本獲得博士學位。中國系統工程學會物流系統工程分會委員。研究領域為電子商務與物流管理，主要研究涉及港口物流，多式聯運系統、倉儲物流的建模、仿真和優化等，電子商務信息系統工程及商務智能等。先后主持國家、省部級研究項目以及企業開發咨詢課題20余項。參加國家自然科學基金重大、重點以上項目3項。發表靠前國內論文100余篇，獲省部級獎勵3項。
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