第五届交通科技大赛作品申报书

序号：编码：第五届全国大学生交通科技大赛作品申报书作品名称：矿石码头泊位-卸船机分配模拟模型及系统研究学校全称：武汉理工大学申报者姓名（集体名称）：胡草潘同浩涂能胡广弛赵永明类别：□√交通运输、交通工程类□交通土建类□轮机工程、油气储运类□航运技术、飞行技术类A申报者情况（集体项目）说明：1．必须由申报者本人按要求填写；2．申报者代表必须是在读本科学生；3．本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名胡草性别男出生年月1988年6月学校武汉理工大学系别、专业、年级交通学院交通运输0701学历本科学制4入学时间2007年作品名称矿石码头泊位-卸船机分配模拟模型及系统研究毕业论文题目通讯地址武汉理工大学交通学院交通运输0701班Y489邮箱邮政编码430067办公电话[phone]常住地通讯地址武汉理工大学余家头校区海虹3栋101寝室邮政编码430067住宅电话[phone]他作者情况姓名性别年龄学历所在单位潘同浩男21本科武汉理工大学交通学院交通运输涂能男21本科武汉理工大学计算机科学技术学院胡广弛男21本科武汉理工大学计算机科学技术学院赵永明男21本科武汉理工大学能动学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2009年10月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校大陆及港澳台地区中国籍本科学生。□是□否（部门签章）年月日院、系负责人意见本作品是否为2009第四届大学生交通科技大赛之后立项，2010年5月之前完成的课外学术科技或社会实践活动成果□是□否负责人签名：年月日B申报作品情况（科技发明制作）说明：1．必须由申报者本人填写；2．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称矿石码头泊位-卸船机分配模拟模型及系统研究作品分类□√交通运输、交通工程类□交通土建类□轮机工程、油气储运类□航运技术、飞行技术类作品研究的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、研究目的目前国内港口矿石码头在泊位分配与卸船机调度方面严重依赖主观决策而导致泊位卸船效率低下，卸船机资源不合理利用和生产成本居高不下等问题。针对上述问题，为了提高港口矿石码头生产效率，实现矿石码头泊位-卸船机分配的科学决策，本作品采用离散事件模拟方法研究和分析矿石码头泊位分配与卸船机调度的优化决策问题，建立相应的模拟模型并开发系统，通过该系统进行模拟实验得到泊位-卸船机最优分配调度方案从而使泊位-卸船机资源得到合理使用，建立一套通用的科学决策调度方案。使有限的码头资源获得最大的效益，节约整个矿石产业的生产成本。二、基本思路（一）研究背景与意义目前国内港口矿石码头营运模式在泊位分配与卸船机调度方面严重依赖主观决策而导致码头有限的泊位卸船效率低下和卸船机使用不合理，工业港口生产成本居高不下等问题。通常矿石码头的泊位与卸船机分配大都是靠现场调度工作人员的经验临时指挥安排，集中安排船舶作业，虽说可以缩短船舶在港停留时间，但是，应该指出的是集中卸货力量还是有一个合理的限度，即不能降低卸船机及工人的生产率。其次，对于泊位与卸船机资源的利用，现场调度的时候没有结合整个生产期间的利用情况，经常出现有些泊位与卸船机的过度使用，而有些泊位和卸船机被闲置，这种调度方案导致了港口资源的不合理利用，无形中增加了港口的生产成本，生产效率也很低下。作业调度人员在泊位-卸船机的调度时只考虑了当前的合理性，但是在物流系统中当前时间段的最优不一定是整个时间段的最优决策。从而导致了整个生产期间的物流系统处于一种非最优的状态。对于一个工业港矿石码头，矿石码头进口原材料卸船过程是保证一个工业港生产顺利进行的重要环节，随着国内主要工业港矿石需求量的大幅增加，矿石原材料的卸船效率得到很大的重视，随着工业港技术改进项目陆续投产，生产能力也有了较大幅度的提升。但由于矿石物流组织存在一定的非均衡性，矿石船舶指泊和卸船机分配在很大程度上决定着矿石资源的利用效率，矿石进口卸船这一环节对工业港矿石物流系统各工序生产能力的发挥有着较大的影响，主要表现在工业港矿石码头卸船效率与码头可供使用的泊位与卸船机数量存在非均衡性。卸船效率的大小很大程度上取决于泊位-卸船机分配的科学性与系统优化性。采用科学的泊位-卸船机分配决策调度是现代化港口解决以上不均衡性问题的主要方法，而港口泊位分配与卸船机调度方面的研究多集中于集装箱码头，技术也较成熟。而国内外对于矿石码头泊位与卸船机分配问题的研究比较少。在一定的设备，劳力，卸船机，泊位能力的条件下，通过科学的合理组织船舶卸船作业，可以充分地发挥港口设备能力和劳动力效能，并尽最大可能地缩短船舶卸船作业的时间，减少港口生产的成本。在当今信息化，现代化的生产模式下，这种靠经验的调度方法显然不能够适应港口的长远发展。我们所研究的矿石码头泊位与卸船机分配的决策研究将会是一种科学的调度方案。通过矿石码头月初的船期计划表的数据以及船型，实载吨的概率分布等数据，结合码头泊位与卸船机资源数据，建立一套矿石船舶卸船流程的模拟模型，在仿真软件Arena中得出不同调度方案的生产性综合指标，从而得出一个完整的最优化的船舶卸船泊位—卸船机分配方案。此外，由于矿石码头、煤码头和粮食码头等都属于散货码头，因此可以调整和修改相关参数后，将本作品中的模型及系统推广到煤码头、粮食码头等散货码头的泊位－装卸机械分配决策中。（二）目前国内外的研究现状：1）矿石码头实际的发展现状。通常矿石码头的泊位与卸船机分配大都是靠现场调度工作人员的经验临时指挥安排，集中安排船舶作业，虽说可以缩短船舶在港停留时间，但是，应该指出的是集中卸货力量还是有一个合理的限度，即不能降低卸船机及工人的生产率。其次，对于泊位与卸船机资源的利用，现场调度的时候没有结合整个生产期间的利用情况，经常出现有些泊位与卸船机的过度使用，而有些泊位和卸船机被闲置的情况，这种调度方案导致了港口资源的不合理利用，无形中增加了港口的生产成本，生产效率也很低下。2）目前国内外研究此类课题的现状。国内外研究的矿石码头主要集中在码头规模的确定，泊位数的研究确定以及对矿石船舶卸船设备的选型讨论。如大连理工大学洪承礼与青岛海洋大学工程学院董胜发表的《从水运的观点浅谈矿石码头规模的确定》，交通部-航院的尚军惠的论文《大型进口矿石码头卸船设备选型的探讨》。而对于矿石码头泊位-卸船机分配的研究则比较少，大多数专家学者研究集装箱码头的物流优化性，对调度问题的描述是基于宏观分析的基础上。如大连理工大学机械工程学院的苗明，郭晓霞，姚夏莉所研究的《基于Arena的集装箱港口装卸工艺系统方案仿真研究》，也有对调度的描述是基于微观分析的基础上，如张婕姝(上海海事大学交通运输学院)的《集装箱码头微观分析仿真模型的构建方法研究》。在港口生产调度的研究中，其重要的参数为船舶到港分布，机械作业时间分布，到港箱型量分布等，仿真时间进程一般以天为单位，仿真长度一般为一年或一年以上，主要为港口管理者提供战略性决策。3）模拟模型系统的研究方法现状。对离散事件系统的研究，最早可追溯到对排队现象和排队网络的分析，排队论最早由A.K.Erlang与1918年提出，在管理通信和各类服务系统中有广泛的应用，离散事件系统大量存在于客观现实之中，如交通管理系统，库存管理系统，加工系统，能源系统，电话通信系统；人口管理，排队论，网络分析，数学规划和调度排序等方法是解决这类问题的主要数学方法；但是，利用仿真技术对离散事系统进行研究，在国内还是最近20多年的事。随着计算机技术，信息处理技术，控制技术，人工智能技术等新技术在军事指挥，军事训练，现代通信与制造等领域的发展和应用，出现了一大批存在着离散事件过程的人造系统，对这些由错综复杂且相互作用的离散事件构成的离散事件系统连续/离散混合系统的研究，逐渐成为了仿真技术应用的重要领域，不难看出，离散事件系统仿真发展中的一个显著特点是，更加依附于实际背景和贴近于实际应用，正因为发展比较晚，所以还是处于一个十分不成熟的技术阶段，目前尚缺乏能为大家公认的通用数学模型，这些问题的求解又难于利用解析的方法，而且所需的真实系统的数据源受到限制，致使其模型验证也存在一定难度。总之，该领域所要探讨的问题还很多，技术正在进一步得到发展。（三）提出的课题的界定与假设对于我们研究的课题中，模拟模型系统输入的变量有两组数据：一组是到港船舶的数据，另一组是泊位卸船机资源的数据。对于矿石货主码头，一般矿主与货主都签订了合同，船舶的到期时间基本都可以提前确定，我们暂定在月初已经有了本月份的船期数据，船型和船舶实载吨都会遵循一个概率分布，通过概率分布得出船舶的船型和实载吨的几种不同组合，此数据为建立模拟模型的基本输入数据。泊位与卸船机资源的数据包括船舶港口时的空泊位数，空泊位长度，卸船机的种类，卸船效率以及卸船机本月已使用的台时数。假定矿石船舶到达锚地泊位数不够时都在锚地处于排队等候的状态，卸船机的工作效率处于不变且是完好的状态。（四）变量设置此课题模拟模型系统是矿石船舶卸船的泊位卸船机安排过程，系统中构成的变量可以分为外部变量，状态变量和结果变量，本作品中研究的外部变量是矿石船舶到港时间分布和船型及船舶实载吨，系统中的状态变量是矿石码头的泊位数和泊位的状态以及卸船机数量和已经使用的台时数。结果变量就是本作品所要的研究的系统指标，本作品研究的指标可以分为以下几个方面：1）船舶的平均等待时间最短2）矿石船舶的卸船效率最大3）码头所有卸船机使用台时数方差最小4）码头吞吐量最大5）船方在港停留的损失即停泊吨天为最少。6）港方卸船作业的成本最小。此模拟模型系统的输出指标是这6组指标的加权平均数，每个指标的权重根据不同码头对指标的要求程度来确定。有关矿石船舶到港的时间分布数据可由港方提供，到港时间分布服从一个函数，根据其历史的数据分析也可以得出不同船型，不同实载吨的概率分布数据。泊位的数量与长度，卸船机的种类，效率，工作台时数，船舶损失的停泊吨天的计算数据都是我们需要收集的。（五）模拟建模本作品研究的方法是通过仿真技术建立模拟模型，仿真模型＋计算机程序实现＝仿真技术，第一步就是要对模型的确认，然后通过计算机程序实现验证，两步的要求分别是模型要充分的接近实际以及所编写的计算机程序能够完全地实现仿真的意图和要求。矿石船舶到港排队，等候安排泊位进行卸船作业的工作流程图如下：继续等待，记录等待时间NOYES此模拟模型的事件包括;矿石船舶到港事件，船舶排队进入泊位事件，卸船机达到卸船泊位事件以及卸船机为船舶服务事件。建立模拟模型后，需要确定模型，判断是否精确地代表实际系统，比较模拟模型和实际系统特性的差异，不断对模型进行校正的迭代过程。（六）系统开发对于仿真实验的设计，首先确定仿真的方案，设计初始化周期的长船舶抵达锚地泊位-卸船机分配决策船型实载吨信息录入当前泊位-卸船机的信息反馈是否有合适的空泊位与卸船机卸船结束，记录卸船时间，每台卸船机工作台时数，矿石的吨数记录当前泊位-卸船机信息，等待下一次决策反馈度，仿真运行的长度以及每次运行的重复次数研究此课题决定采用通用语言（VC）编制程序，通用语言需要很长的开发时间，但通常在计算机上执行时比专用语言更快，为判断执行的计算机程序是否正确，需要验证。通过建立的模拟模型在Arena软件中进行运行，然后我们可以通过改变输入条件数据来得到不同的泊位安排计划和卸船机分配方案，而每种方案经过Arena软件都会得到之前我们设置的输出指标数据。而Arena软件数据的输入输出及控制运行都需要计算机编程实现仿真运行的程序。多次方案的输入调用需要计算机编程技术控制及对输出数据的优化选择。通过VBA接口得到一个友好的人机操作界面,并在这个友好界面上进行Arena的多次调用运行。（七）系统确认与验证估计被仿真系统设计的性能测度，对仿真中所产生的数据进行分析，其目的在于预计一个系统的性能，或者比较