文章编号 1671-7953( 2007) 02-0069-05
基于 Flexsim 集装箱码头装卸系统的仿真*
于 蒙 王少梅 肖 峰
武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063
摘 要 结合虚拟现实技术、计算机仿真技术、机械
技术, 分析集装箱码头装卸系统虚拟环境的模
型,利用三维离散事件仿真软件F lex sim建立集装箱码头装卸作业仿真模型, 为生产管理者提供视觉上的决策
支持,利用其核心机制 ) ) ) 任务序列驱动设备模型,实现装卸作业过程的三维动态仿真。
关键词 仿真 Flexsim 虚拟现实 集装箱码头 装卸作业
中图分类号 U653. 928 TP391. 9 文献标识码 A
Simulation for stevedoring of container terminal based on Flexsim
YU Meng WANG Shao-mei XIAO Feng
College of Log istics Eng ineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063
Abstract Combining the techniques of v isual reality, computer simulation and mechanism design, the virtual
r eality environment of the handling system in the container terminals was proposed. The 3-dimensional simulation
softw are F lexsim was used to establish the model o f the stevedoring system, which could prov ide the 3-dimensional
v ision decision-making mechanism to managers of container terminals. The operation of the port machinery w as
driven by means of task sequences to realize the dynamic simulation of the pro cess of stevedoring .
Key words simulation F lexsim virtual reality container terminal stevedor ing
收稿日期 2006-10-20
修回日期 2006-11-24
作者简介 于 蒙( 1975- ) ,女, 硕士,讲师。
* 湖北省杰出人才基金资助(编号: 2005ABB021)
目前对复杂的港口集装箱码头装卸工艺进行
有效规划的一个重要
就是仿真。在设计新的
码头设施或对原有的码头设施进行改造之前, 把
港口集装箱码头装卸系统模型转换成仿真模型,
通过运行模型, 港口管理者可对几种不同的装卸
工艺
进行预演, 选择最合理的方案,从而避免
了资金、人力和时间的浪费。迄今为止,国内外利
用仿真技术对港口装卸工艺规划过程进行了许多
研究工作, 但大多采用的是针对离散系统的数字
仿真或二维仿真的手段[ 1- 3]。
将虚拟环境技术与离散系统仿真技术相结
合,是解决复杂港口集装箱装卸系统规划设计和
管理决策的先进和有效的手段。
Flexsim 是一种离散事件仿真软件程序, 用于
系统建模, 这些系统根据特定事件发生的结果在
离散时间点改变状态, 同时Flexsim软件还有良好
的三维显示,解决了以往离散事件仿真软件中真
实感不强的缺点。借助Flex sim仿真软件来构建
集装箱码头的装卸作业的仿真模型, 为生产管理
者提供视觉上的决策支持。
1 建模
集装箱码头的装卸搬运设备主要有: 岸边集
装箱起重机(简称岸桥)、轮胎式/轨道式龙门起重
机(简称场桥)、集装箱拖挂车(简称集卡)等。岸
桥承担船舶的装卸作业,场桥承担堆场的装卸和
堆码作业,而从码头前沿至堆场、堆场内箱区间的
水平运输由集装箱拖挂车来完成。卸船过程为:
岸桥从船上把集装箱卸到集卡上, 集卡把集装箱
运到堆场,场桥再把集装箱堆放到堆场上;装船过
程与之相反。见图 1。
图 1 集装箱装卸结构示意图
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第 36 卷 第 2 期
2007 年 4 月
船 海 工 程
SH IP& OCEAN ENGINEERING
Vol. 36 No . 2
Apr . 2007
1. 1 几何建模
对港口集装箱码头装卸系统进行仿真, 需要
建立的景物模型主要分为三类。
1) 背景类。主要是天空的模拟。相应于各
种不同的天气状况, 视景仿真需要建立各种模型。
采用分形技术建立背景,能形成非常逼真的天空
场景图像,但其速度较慢,往往达不到仿真实时性
的要求。在本系统中, 背景的快速生成用简单的
平面(天空平面)和二次曲面, 并引入随机的纹理
函数,以模拟天空景物的浓淡和透明效果,从而形
成各种三维逼真的天空。
2) 近景类。包括装卸桥附近的地面、集装箱
堆场等。近景需要具体的细节描述, 是仿真的主
要处理对象。近景可以分为地景和地物两类。
( 1) 地形。近年来,为产生自然界中的地形,
建模方面已取得很大的进展, 然而具有真实感而
又具有高效率的模型尚未完善, 实时应用中往往
存在真实感与高效的矛盾。在视景仿真中,为了
获得具有逼真的地貌特征的地形, 例如为了能体
现出岩石效果, 首先必须获取与地形有关的轮廓
数据(如地形网) ,然后用纹理技术、随机建模技术
来对地形网格进行真实感处理, 从而得到逼真的
地形景象。
( 2) 地物。地物为一些自然景观和人造景
观。人造景物如房子等往往用多边形模型来进行
描述。
3) 集装箱装卸系统模型。指装卸桥的小车、
吊具、集装箱等目标。可以采用多边形模型或者
参数模型来进行描述。
本系统三维模型是在3DMAX下建立的, 然后
导入Flexsim仿真软件。为了提高模型的逼真度,
可以给几何模型的表面加上各种材质, 然后设定
光照条件就可以看到更加光滑真实的模型。为了
增加模型的质感,增强模型的特征,可以给几何模
型的表面贴上各种纹理图案, 从而使模型变得更
加生动真实。
1. 2 模型的层次表示(图形数据库)
集装箱码头装卸仿真系统中几何模型采用分
层表示法( hierarchical structure) ,这种层次结构使得
对三维世界的描述变得清晰而直观。根据父物体
和子物体之间存在的树状逻辑关系, 建立树状层次
结构。实时处理时根据模型的层次结构,建立相应
层次处理关系。可以完成一系列的层次处理模块,
每一模块根据模型层次关系,执行一定的功能[ 2]。
图 2 集装箱码头装卸系统模型的层次结构
对于集装箱船舶, 它的模型层次结构见
图 2 a) , 船的场景图结构中, 船由船头、船尾、船
身、舱盖板、驾驶室等组成,驾驶室与船身相连,所
以将驾驶室作为船身的子节点。
图 2 b)给出的岸桥的层次结构中, 岸桥由大
车行走机构、门框、前大梁、后大梁、小车、司机室、
吊具等组成,由于门框、前大梁、后大梁、小车、司
机室随大车运行机构的运动而运动, 所以把大车
运行机构作为门框、前大梁、后大梁、小车、司机室
的父节点, 同样, 吊具随小车和司机室运动而运
动,所以把小车和司机室作为吊具的父节点。
图 2 c)给出的是场桥的几何模型层次结构。
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基于 Flex sim 集装箱码头装卸系统的仿真 ) ) ) 于 蒙 王少梅 肖 峰
其中, 场桥由大车行走机构、大梁、底梁、腿柱、小
车、司机室、吊具等组成, 由于大梁、底梁、腿柱、小
车、司机室随大车运行机构的运动而运动,所以把
大车运行机构作为大梁、底梁、腿柱、小车、司机室
的父节点, 同样, 吊具随小车和司机室运动而运
动,所以把小车和司机室作为吊具的父节点。
图 2 d)所示的集卡模型的层次结构中,拖挂
车由牵引车和半挂车组成, 牵引车由驾驶室、底
盘、牵引鞍座组成,底盘由后桥、车轮、悬挂系统组
成,由于半挂车通过牵引鞍座与牵引车连接, 随牵
引鞍座的运动而运动, 所以将牵引鞍座作为半挂
车的父节点。
1. 3 运动学建模
在港口集装箱码头装卸系统中,对三维场景
中的运动实体, 包括岸桥、场桥、船舶、集卡等各种
港口机械设备, 需要进行运动学建模,这是因为掌
握港口机械设备的运动特性可使仿真效果更加符
合实际生产的情况, 因此有必要研究这些设备的
运动学模型, 为实时仿真提供理论依据。建模主
要涉及到岸桥进行装卸作业时吊具的摆动,小车
的启动和制动等。对于集装箱装卸桥的不同工作
过程也分别进行了仿真,包括单程工作循环和往
复操作循环。
在建立几何模型的同时, 预先根据实体的运
动规律对其设定运动限制,从而提高实体运动学
建模的效率。调用 initkinemat ics命令, 初始化运
动数据,保存类似起始位置和实体转角等所需要
完成的动作的数据。初始化运动后, 就可以用
addkinemat ic命令(添加运动命令)给出实体后继
的行进/旋转操作。
2 基于 Flexsim 仿真模型的建立
2. 1 基于 Flexsim仿真的对象层次结构
面向对象建模仿真技术的一个优点是类与类
之间可以有继承关系, 对象的继承性提供了更大
的柔性来扩展自己的对象, 即衍生出新的对象。
在Flex sim中,可以充分利用继承性来开发自己的
对象, F lexsim本身的库对象是高度抽象化的, 具
有很强的通用性, 几乎涵盖了仿真中可能遇到的
所有对象。这些对象之间有一定的继承关系,他
们之间存在着逻辑关系。
将对象库中的对象分为两种, 其中一种是从
FixedResource 中 派 生 下 来 的, 另 一 种 是
TaskExecuter中派生下来的。从FixedResource中
派生来的对象有一个共同的特点, 其本身是不会
运动的,他们的作用只是产生或消除物件、存储物
件、加工物件等等; 从TaskExecuter中派生的对
象,其本身是可以运动的,其作用是将物件从一个
地点运送到另一个地点[ 4]。
当现有的库对象不能满足用户的需要时, 用
户就需要创建自己的对象。对于集装箱码头仿真
模型中所用到的装卸设备模型, 如岸桥、场桥、集
卡等都是笔者所在课
组创建的, 并实现了相应
的集装箱码头设备库, 其中每种设备都可以通过
人机交互实时修改相关的技术参数。
2. 2 任务序列
任务序列是 Flexsim 仿真软件中的核心机制。
各种复杂仿真的实现很大程度取决于怎样实现任
务序列。任务序列是由TaskExecuter执行的一组命
令序列。这里TaskExecuter涵盖了所有派生其他的
动 态 对 象, 如 Operators, Transpoters, Crane,
ASRSvehicle, Robots, Elevators以及其他可运动的对
象。图 3表示一个任务序列,该任务序列有多个任
务组成。常用的任务序列有: TASKTYPE TRAV-
EL、TASKTYPE LOAD、TASKTYPE UNLOAD、
TASKTYPE TRAVELTOLOC 等。
图 3 一个任务序列
2. 3 对象 Dispatcher及任务序列的分配规则
Dispatcher 用来 控制 一 组 T ransporter 或
Operator。任务序列从一个静态对象发送到
Dispatcher,然后Dispatcher来调配这些任务序列
分配给与其输出端口相连的动态对象。动态对象
接收到任务序列后执行相应的命令序列[ 4]。
Dispatcher对象的功能就是将任务序列进行
队列存储和发送任务序列。根据用户建模的逻
辑,任务序列可以被排队等待或是立即传送到相
应的对象。Dispatcher的参数设置对话框只有两
项,当接收到一个任务序列时, 调用Pass To函数。
顾名思义,该函数将任务序列发送给接收对象;如
果该函数返回值是 0, 即该任务序列不能被立即
分配, 则根据QueueStrategy定义的规则将任务序
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基于 Flex sim 集装箱码头装卸系统的仿真 ) ) ) 于 蒙 王少梅 肖 峰
列放入队列中等候。QueueStrateg y函数返回任务
序列的相关值, 然后根据优先级来确定任务序列
在队列中的位置。高优先级的任务序列放在队列
的前面,低优先级的放在队列的后面。如果优先
级相同,则根据队列的先进先出( F IFO)原则来处
理。任务序列的优先级可根据需要动态的改变。
当将队列中的任务序列 进行排序时,
Dispatcher执行队列策略函数, 遍历取得已有任务
序列的优先级值, 与最新的任务序列优先级值比
较,根据比较的结果重新进行队列排序。
在 Flex sim 对象层次中, Dispatcher是所有
T askExecuter 的 父 类, 这 也 就 是 说 所 有 的
T askExecuter 也 是 Dispatcher。这 就 意 味 着
Operator或Transporter也可以担当Dispatcher的角
色来分配任务序列, 或者是自己执行任务序列。
2. 4 集装箱码头装卸过程的仿真模型
集装箱码头装卸过程的仿真模型关系见图 4。
图 4 集装箱码头装卸过程的仿真模型关系图
Source船和Source堆场是船和堆场输入条件,
即箱量的产生, 产生的规律根据对历史资料的统
计。船和堆场都是在用Rack来构建的, 用于存放
箱子,它们之间可以互为输入输出,即船上的箱子
可以运往堆场, 反之亦然。Source和Rack都是从
FixedResource中派生来的对象, 在仿真过程中它
们是不动的,但是它们是控制集装箱的产生和流
向。对于服务于船和堆场的设备: 集卡、岸桥、场
桥 ) ) ) 这些从TaskExecuter中派生来的对象, 每
种设备都由一个Dispatch来动态调度分配任务的,
而Dispatch是实现装卸仿真的核心,其驱动机制是
任务序列( Task Sequences)规则[ 5]。
3 集装箱装卸过程的仿真实现
集装箱从船到堆场的过程中, 经过了集卡、岸
桥、场桥等设备的搬运, 在Flexsim中就需要使用
任务序列来完成这个过程。
这里涉及了 3个可运动对象: 集卡、岸桥和场
桥。设计的思路为: 集装箱的运输由集卡来实现,
这样集卡就有这样一个任务序列: T ravel y Load
yTravel yUnload。集装箱装入集卡的作业由岸
桥设备完成,卸载放入堆场的作业由场桥设备完
成,因此集卡的任务序列中Load/ U nload的任务就
应该由岸桥和场桥来完成。
以岸桥卸船为例,完成一次作业的过程也就
是完成一个任务序列的过程, 可以知道岸桥完成
的任务序列应该是: T ravel y Load y T ravel y
Unload。岸桥在作业的过程中,集卡处于等待的
状态, 也就是说岸桥和集卡之间是协同作业的。
场桥的情况与岸桥一致。Flex sim中可以使用调
用子任务的方法将岸桥和场桥的任务序列插入到
集卡的任务序列中。图 5表示了主任务序列和子
任务序列之间的关系。
图 5 集装箱搬运过程的任务序列
图 6 集装箱码头仿真模型
图6显示了由Flexsim创建集装箱码头仿真
模型, 图 6左边显示的是模型的节点关系图和港
口设备库。
4 结束语
通过对集装箱码头的环境和装卸设备层次结
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基于 Flex sim 集装箱码头装卸系统的仿真 ) ) ) 于 蒙 王少梅 肖 峰
构的分析,建立相应的几何模型和运动学模型,并
利用Flexsim仿真软件实现集装箱码头的装卸过
程。模型经确认通过, 从系统的真实和可信度来
看,符合集装箱港口的实际运行情况,能够较好地
为大型集装箱港口工程项目设计提供决策支持。
下一步的工作是对仿真的真实感进一步的完善,
及对仿真数据统计和分析部分做深入的研究。
参考文献
[ 1] Kozan E. Comparison of analytical and simulation
planning models of seaport container terminals [ J ] .
T ransportation Planning and Technology, 1997, 20( 3) :
235-248.
[ 2] 张新艳.港口集装箱物流系统规划与仿真建模方法的
研究与实现[ D] .武汉 :武汉理工大学, 2002.
[ 3] 沙 梅.集装箱码头工艺方案设计建模与仿真[ J] . 系
统仿真学报, 2003, 15( 9) : 1 240-1 244.
[ 4] Flexsim Simulation Softw are User Guide [ G] . F lexsim
Softw ar e P roducts, Inc, 2005.
[ 5] 肖 锋. 基于 Flex sim 集装箱码头仿真平台关键技术
研究[ D] .武汉:武汉理工大学, 2006.
文章编号 1671-7953( 2007) 02-0073-04
基于模糊层次分析方法的
船舶绿色度评估体系研究
蒋春林 刘家新
武汉理工大学交通学院 武汉 430063
摘 要 根据绿色船舶的特点, 提出船舶绿色度的模糊层次评价指标体系,并用该评价方法对实船的绿
色度进行了综合评价,从而为绿色船舶的设计、评价提供可行的方法和工具。
关键词 绿色度 隶属度 模糊层次分析
中图分类号 U66 文献标识码 A
Assessment system of the shipcs green degree based
on fuzzy-AHP
JIANG Chun-lin LIU Jia-xin
Schoo l of T ransportation Wuhan Universit y of Technolog y Wuhan 430063
Abstract Acco rding to the characterist ic of gr een ships, the authors set fo rth the assessment index system of
shipcs gr een degree based on fuzzy-AHP ( analytic hierarchy process) , and use this method to est imate the green de-
gree of real ships comprehensiv ely. I t supplies the feasible tools for design and assessment of t he green ships.
Key words green deg ree subjection degree fuzzy analytic hierarchy process
收稿日期 2006-07-12
修回日期 2006-07-28
作者简介 蒋春林( 1981- ) ,男, 硕士生。
21世纪是一个发展与环保的新世纪, 日益繁
荣的世界经济推动航运业飞速发展。船舶的增
加、航区的扩大、航线的密集, 在促进生产力的增
长的同时,也必然会带来严重的环境污染。绿色
船舶的研制已引起了世界上所有航运大国的关
注。为了保护海洋与大气环境, 世界商船逐步向
绿色船舶过渡已成为一个迫在眉睫的课题。而绿
色船舶作为绿色产品中的一种, 不同于其它小机
电产品,一个复杂的大系统产品,怎样来衡量船舶
的绿色程度并给出定量的评价
和方法,这对
指导船舶的绿色设计、引导绿色船舶的蓬勃发展、
提高我国船舶产品在国际市场上的竞争力具有十
分重要的意义, 因此对船舶设计早期的绿色性能
评估是十分必要的。
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第 36 卷 第 2 期
2007 年 4 月
船 海 工 程
SH IP& OCEAN ENGINEERING
Vol. 36 No . 2
Apr . 2007