码头堆存容量与靠泊能力匹配的微观仿真方法技术

本发明专利技术属于交通运输场站规划设计和管理领域，为建立码头堆存容量与靠泊能力相互联动的行为的仿真模型，研究码头堆场规划堆存容量对码头实际装卸效率、实际吞吐量造成的正负面影响，从而获得更符合实际的内部非线性因果关系，寻找码头堆存容量与靠泊能力的合理匹配方法。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，一种码头堆存容量与靠泊能力匹配微观仿真方法，包括下列步骤：元胞的选择；元胞自动机的运行；建立码头堆场堆存容量与码头靠泊能力匹配微观仿真框架的基本框架：集港过程；疏港过程；评价指标；港区道路交通量预测模块；港区道路路网模块；集装箱码头堆场模块；船边装船作业模块；船边卸船作业模块。本发明专利技术主要应用于交通运输场站规划设计和管理。

【技术实现步骤摘要】
码头堆存容量与靠泊能力匹配的微观仿真方法
本专利技术属于交通运输场站规划设计和管理
，具体为码头堆存容量与靠泊能力匹配的元胞自动机微观仿真方法。技术背景码头堆场是保证码头船舶装卸作业的基本要素，是码头集疏运作业的关键节点。无论是从技术还是经济，具有一定靠泊能力的码头必须要有一定容量的与之相配套的堆场，二者能否匹配直接决定了码头装卸作业的实际效率、码头实际的吞吐量，决定了港口能否建立起高效的集疏运系统，码头公司能否有好的经济效益和社会效益，因此二者的匹配是港口规划布局及优化设计、已有港口码头功能优化调整、港口码头企业运输组织优化、港区交通优化管理控制的基础工作和关键环节，对其进行仿真分析具有重要的工程应用价值。针对码头堆场堆存容量与码头靠泊能力匹配的问题，国内外学者做出了一些研究：一是通过建立数学解析模型予以确定，例如：德国的DirkSteenken等总结了集装箱码头营运相关的部分文献，侧重于分析集装箱港口的装卸设备、配载图、港口EDI系统、堆场作业效率及码头后方运输系统的优化对集装箱码头营运所产生的影响；Ballis和Abacoumkin建立了一个由于设备不匹配而引起的交通堵塞和延迟的模型，他们使用这个模型来评价一个码头的堆场设计、设备数量、集卡到达、运行规则。董婧与乐美龙应用排队网络理论对集装箱码头系统进行分析，并重点讨论集装箱码头前沿到堆场的内部运输系统的建模理论问题，并运用串联排队网络模型对内部运输网络节点服务台数量进行合理配置，使内部系统达到局部最优化；靳志宏，邱波，赵芳等人运用排队论结合与集装箱泊位实际运营相关的成本参数，确定合理的集装箱码头泊位规模，使港口的泊位规模匹配集装箱吞吐量及集装箱船流量密度。虽然这些模型非常漂亮，方法数学上严谨，但由于建模时规定的假设较多，与实际系统之间具有加大的差距，且为宏观层面的模型，无法从微观层面上全面地描述研究对象的细致非线性关系。二是利用已有宏观仿真软件，对码头堆场堆存容量与码头靠泊能力匹配进行研究。如计三友，高悦文在考虑了集装箱重量等级分布的条件下，建立了出口箱区堆存模型，并利用搜索技术求解该模型；张仁星主要研究堆场资源的调度，重点研究堆场的配置问题，通过合理的配置场桥使得堆场的场桥利用率达到最大，降低经营成本，提高码头综合竞争力；都江沙通过概率模拟方法，建立集装箱码头堆场容量仿真系统，给出压港概率，设备空闲率等工艺参数，为港口中转、暂存工程建设提供技术支持。但这一类宏观仿真软件都不是多主体仿真，无法描述其复杂的非线性行为，得到的结论无法贴近实际情况，也就无法保证结果的准确性。三是通过建立微观仿真模型，到目前为止尚没有。从已知文献阅读分析可知，现有关于码头堆场堆存容量与靠泊能力匹配的研究具有以下特点：（1）不少文献是单独研究码头泊位能力的，或单独研究堆场布局来实现提高整个码头运营效率的，将两者综合地考虑，特别是建立在码头靠泊能力基础上与之匹配的码头堆存能力研究较少。（2）当前针对码头堆存容量与靠泊能力匹配问题的研究大都停留在理论探究阶段，一些研究采用建立解析模型予以研究，假设较多，不能反映出其真实的复杂关系；一些研究利用已有宏观仿真软件，对码头堆场堆存容量与码头靠泊能力仿真，以寻找其合理的匹配度。但这一类宏观仿真软件都不是多主体仿真，无法描述其复杂的非线性行为，得到的结论相对较粗，无法保证结果的准确性和精确性。（3）采用元胞自动机模型对堆场和码头靠泊进行微观仿真的没有，没有关于实际码头堆场货物摆放所处三维空间的微观仿真，已有模拟仿真与真实情况不相符。考虑到码头作业以及与之配套堆场是复杂多主体非线性系统，解决码头堆场堆存容量与码头靠泊能力匹配问题的核心和关键是建立与之相符合的微观模型，特别是微观仿真模型。特别是三维的微观仿真模型，将整个集装箱码头装卸交通系统布局与交通组织所涉及的各个模块有效地联系起来，综合考虑出匹配的最优方案是十分迫切的。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在利用元胞自动机模型能实现对每个决策主体（Agent）的微观行为进行具体描述的这一自然特性，建立码头堆存容量与靠泊能力相互联动的行为的仿真模型，研究码头堆场规划堆存容量对码头实际装卸效率、实际吞吐量造成的正负面影响，从而获得更符合实际的内部非线性因果关系，寻找码头堆存容量与靠泊能力的合理匹配方法。为此，本专利技术采取的技术方案是，一种码头堆存容量与靠泊能力匹配微观仿真方法，包括下列步骤：元胞的选择利用元胞自动机建立仿真码头装卸作业与码头堆场流程联动的模型，以其寻找与码头靠泊能力相匹配的堆存容量。路网模块中每一条车道作为一个研究对象，若干港口卡子门作为道路的入口，交叉口或者码头闸口作为道路的出口，每条车道只有一个入口和一个出口，每一列元胞视为一维数组，构建为某一具有单个入口与单个出口并连接到某单个元胞的一维元胞自动机模型；将前方堆场集港的集装箱用若干组三维元胞表示，每组三维元胞代表一个箱区，箱区都配有一个场桥以及相应的集卡数量，每组集卡同样用一列一维元胞代表；船舶规定使用三个岸桥进行作业，因此，码头前沿设有三个车道与之对应，各用一列元胞代表，每个车道指定元胞位置表示岸桥作业处；元胞自动机的运行路网模块：建立元胞自动机模型，道路长度为L，仿真时间为t秒，x(i,t)与v(i,t)分别为第i辆车在第t时刻的位置和速度；d(i,t)＝x(i+1,t)-x(i,t)-lveh为第i辆车在第t时刻与前车i+1之间空的元胞数；lveh为车长；d(i,t)other是第i辆车在第t时刻与旁车道上前车之间的空元胞数；d(i,t)back是第i辆车在第t时刻与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsafe是确保车辆不会发生撞车的安全距离，随机慢化概率p的取值范围为0到1；码头前沿模块：仿真总时长为10000秒，仿真步长为1s，每一个元胞仿真长度为1m；前方堆场模块为随机生成一个15×6×3的三维元胞自动机，按照集港的先后顺序对每个集装箱进行编号，区分集装箱所在箱区，箱型以及序号，无箱则用0表示；集卡模块，所有箱区各自对应相同数量的一维元胞，1代表空闲状态，0代表非空闲状态；码头前沿道路模块，由于模拟的船舶规模需要若干个岸桥，所以每个模块有与之对应的道路。道路上车辆的车身长为15m，最大的行驶速度为12m/s；分别在不同位置处表示三条道路上岸桥的作业位置；（1）元胞的初始化堆场区前方堆场模块——三维元胞进行初始化，三维元胞随机生成后，用编号区分出每一个集装箱所在箱区号，箱型以及到港顺序，然后随机生成一个一维序号组代表提箱顺序；集卡模块——每个箱区生成的集卡元胞均为空闲状态，等待场桥作业。码头区道路模块以及路网模块——初始化时所有道路上没有车辆；（2）元胞自动机的运行1s为一个仿真步长，v(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i辆车第k秒的速度，vmax表示车辆可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i辆车第k秒时与前一辆车的距离，x(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的位置；1）前方堆场模块规则：按照随机生成的提箱顺序，找到即将被提取的集装箱后，判定是否需要翻箱，若不需要，则直接提取，该箱位清空；如需要翻箱，则判断需要翻几次箱，一次则将上面的一个箱子放在下面箱位的位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种码头堆存容量与靠泊能力匹配的微观仿真方法，其特征包括下列步骤：元胞的选择利用元胞自动机能模拟仿真多主体(Agent)这一自然特性，建立微观的能仿真码头装卸作业与码头堆场流程联动的三维元胞自动机模型，以其寻找与码头靠泊能力相匹配的堆存容量。路网模块中每一条车道作为一个研究对象，若干港口卡子门作为道路的入口，交叉口或者码头闸口作为道路的出口，每条车道只有一个入口和一个出口，每一列元胞视为一维数组，构建为某一具有单个入口与单个出口并连接到某单个元胞的一维元胞自动机模型；模型中主要以港区道路行驶的大货车为主体，其作业活动在实际中主要围绕港口船舶进出港引发的集疏运来进行，具有不同于城市交通潮汐式的时间点和特点。通过利用元胞自动机对港区道路网络的仿真，克服了其他道路仿真软件无法针对以大货车为主体的港区交通系统并真实反映港区道路非线性交通流特性的缺陷，所仿真结果更加直观、形象、贴近实际；将前方堆场集港的集装箱用若干组三维元胞表示，每组三维元胞代表一个箱区，箱区都配有一个场桥以及相应的集卡数量，每组集卡同样用一列一维元胞代表；船舶规定使用若干岸桥进行作业，因此，码头前沿设有相对应车道与之对应，各用一列元胞代表，每个车道指定元胞位置表示岸桥作业处；元胞自动机的运行路网模块：建立元胞自动机模型，道路长度为L，仿真时间为t秒，x(i,t)与v(i,t)分别为第i辆车在第t时刻的位置和速度；d(i,t)=x(i+1,t)‑x)i,t)‑lveh为第i辆车在第t时刻与前车i+1之间空的元胞数；lveh为车长；d(i,t)other是第i辆车在第t时刻与旁车道上前车之间的空元胞数；d(i,t)back是第i辆车在第t时刻与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsafe是确保车辆不会发生撞车的安全距离，随机慢化概率p的取值范围为0到1；码头前沿模块：仿真总时长为10000秒，仿真步长为1s，每一个元胞仿真长度为1m；前方堆场模块为随机生成一个15×6×3的三维元胞自动机，按照集港的先后顺序对每个集装箱进行编号，区分集装箱所在箱区，箱型以及序号，无箱则用0表示；集卡模块，所有箱区各自对应相同数量的一维元胞，1代表空闲状态，0代表非空闲状态；码头前沿道路模块，由于模拟的船舶规模需要若干个岸桥，所以每个模块有与之对应的道路。道路上车辆的车身长为15m，最大的行驶速度为12m/s；分别在不同位置处表示三条道路上岸桥的作业位置；(1)元胞的初始化堆场区前方堆场模块——三维元胞进行初始化，三维元胞随机生成后，用编号区分出每一个集装箱所在箱区号，箱型以及到港顺序，然后随机生成一个一维序号组代表提箱顺序；集卡模块——每个箱区生成的集卡元胞均为空闲状态，等待场桥作业。码头区道路模块以及路网模块——初始化时所有道路上没有车辆；(2)元胞自动机的运行1s为一个仿真步长，v(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i辆车第k秒的速度，vmax表示车辆可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i辆车第k秒时与前一辆车的距离，x(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的位置；1)堆场模块规则：按照随机生成的提箱顺序，找到即将被提取的集装箱后，判定是否需要翻箱，若不需要，则直接提取，该箱位清空；如需要翻箱，则判断需要翻几次箱，一次则将上面的一个箱子放在下面箱位的位置，相面的箱位清空；两次则将最上面的箱位清空，被上面的两个箱子进行装船顺序的判断，将序号较大的放在最下面的箱位上；2)集卡队列模块规则：完成一次装车作业，集卡模块对应的一个元胞由空闲状态变为非空闲状态；完成一次装船作业，集卡驶出道路模块，其对应的一个元胞由非空闲状态变为空闲状态，集卡在岸桥处完成装船作业；3)码头前沿道路以及路网模块：当运行总时间与堆场装车完成时间一致时，该车辆驶入码头前沿道路，集卡在车道上的主要演化规则为：①加速：v(i,k+1)＝min(v(i,k)+1,vmax)表明集卡司机期望以最大速度在道路上行驶；②减速：v(i,k+1)＝min(v(i,k),d(i,k))即集卡司机为避免和前车发生碰撞而采取减速措施；③以概率p随机慢化:v(i,k+1)＝max(v(i,k)‑1,0)反映现实中由包括天气因素、集卡司机心理状态因素、以及道路的路面状况因素的不确定因素造成的集卡减速；④运动：x(i,k+1)＝x(i,k)+v(i,k+1)即集卡按照调整后的速度向前行驶，进入下一个仿真步；建立码头堆场堆存容量与码头靠泊能力匹配微观仿真框架的基本框架：集港过程：由码头靠泊能力，预测生成码头交通量，确定出港口卡子门货物信息，集卡通过港区道路网，将货物运送至前方堆场模块、后方堆场模块以及码头闸口模块。此时，集装箱大部分运往前方堆场，由船舶配载图确定集装箱在前方堆场的位置以及船边的装船顺序，在船模块布局完成，最后根据...

【技术特征摘要】
1.一种码头堆存容量与靠泊能力匹配的微观仿真方法，其特征包括下列步骤：元胞的选择利用元胞自动机能模拟仿真多主体Agent这一自然特性，建立微观的能仿真码头装卸作业与码头堆场流程联动的三维元胞自动机模型，以其寻找与码头靠泊能力相匹配的堆存容量，路网模块中每一条车道作为一个研究对象，若干港口卡子门作为道路的入口，交叉口或者码头闸口作为道路的出口，每条车道只有一个入口和一个出口，每一列元胞视为一维数组，构建为某一具有单个入口与单个出口并连接到某单个元胞的一维元胞自动机模型；模型中主要以港区道路行驶的大货车为主体，其作业活动在实际中主要围绕港口船舶进出港引发的集疏运来进行，具有不同于城市交通潮汐式的时间点和特点，通过利用元胞自动机对港区道路网络的仿真，克服了其他道路仿真软件无法针对以大货车为主体的港区交通系统并真实反映港区道路非线性交通流特性的缺陷，所仿真结果更加直观、形象、贴近实际；将前方堆场集港的集装箱用若干组三维元胞表示，每组三维元胞代表一个箱区，箱区都配有一个场桥以及相应的集卡数量，每组集卡同样用一列一维元胞代表；船舶规定使用若干岸桥进行作业，因此，码头前沿设有相对应车道与之对应，各用一列元胞代表，每个车道指定元胞位置表示岸桥作业处；元胞自动机的运行路网模块：建立元胞自动机模型，道路长度为L，仿真时间为t秒，x(i,t)与v(i,t)分别为第i辆车在第t时刻的位置和速度；d(i,t)＝x(i+1,t)-x(i,t)-lveh为第i辆车在第t时刻与前车i+1之间空的元胞数；lveh为车长；d(i,t)other是第i辆车在第t时刻与旁车道上前车之间的空元胞数；d(i,t)back是第i辆车在第t时刻与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsafe是确保车辆不会发生撞车的安全距离，随机慢化概率p的取值范围为0到1；码头前沿模块：仿真总时长为10000秒，仿真步长为1s，每一个元胞仿真长度为1m；前方堆场模块为随机生成一个15×6×3的三维元胞自动机，按照集港的先后顺序对每个集装箱进行编号，区分集装箱所在箱区，箱型以及序号，无箱则用0表示；集卡模块，所有箱区各自对应相同数量的一维元胞，1代表空闲状态，0代表非空闲状态；码头前沿道路模块，由于模拟的船舶规模需要若干个岸桥，所以每个模块有与之对应的道路，道路上车辆的车身长为15m，最大的行驶速度为12m/s；分别在不同位置处表示三条道路上岸桥的作业位置；(1)元胞的初始化堆场区前方堆场模块——三维元胞进行初始化，三维元胞随机生成后，用编号区分出每一个集装箱所在箱区号，箱型以及到港顺序，然后随机生成一个一维序号组代表提箱顺序；集卡模块——每个箱区生成的集卡元胞均为空闲状态，等待场桥作业，码头区道路模块以及路网模块——初始化时所有道路上没有车辆；(2)元胞自动机的运行1s为一个仿真步长，v(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i辆车第k秒的速度，vmax表示车辆可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i辆车第k秒时与前一辆车的距离，x(i,k+1)表示第i辆车第k+1秒的位置；1)堆场模块规则：按照随机生成的提箱顺序，找到即将被提取的集装箱后，判定是否需要翻箱，若不需要，则直接提取，该集装箱的箱位清空；如需要翻箱，则判断需要翻几次箱，一次则将上面的一个箱子放在下面箱位的位置，上面的箱位清空；两次则将最上面的箱位清空，最上面以下的两个箱子进行装船顺序的判断，将序号较大的放在最下面的箱位上；2)集卡队列模块规则：完成一次装车作业，集卡模块对应的一个元胞由空闲状态变为非空闲状态；完成一次装船作业，集卡驶出道路模块，其对应的一个元胞由非空闲状态变为空闲状态，集卡在岸桥处完成装船作业；3)码头前沿道路以及路网模块：当运行总时间与堆场装车完成时间一致时，该车辆驶入码头前沿道路，集卡在车道上的主要演化规则为：①加速：v(i,k+1)＝min(v(i,k)+1,vmax)表明集卡司机期望以最大速度在道路上行驶；②减速：v(i,k+1)＝min(v(i,k),d(i,k))即集卡司机为避免和前车发生碰撞而采取减速措施；③以概率p随机慢化:v(i,k+1)＝max(v(i,k)-1,0)反映现实...

【专利技术属性】
技术研发人员：白子建，柯水平，刘凤松，赵巍，徐汉清，杨志超，陈强，
申请(专利权)人：天津市市政工程设计研究院，
类型：发明
国别省市：天津;12