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【摘要】为推动铁矿石码头生产效率的提高，以华南某港铁矿石进口码头物流系统为研究对象，建立基于Petri网的离散事件动态系统模型（DEDS模型），采用仿真手段，基于WITNESS平台开发铁矿石进口码头物流系统仿真模型，并通过实例分析，认为该计算机仿真模型可以进行物流系统研究和系统优化方案实验，为铁矿石码头物流系统生产管理提供有效的手段。
【关键词】港口；码头；仿真模型；铁矿石装卸；物流系统
我国是世界上最大的铁矿石进口国，2009年进口铁矿石6.28亿t，2010年进口铁矿石6.19亿t。我国铁矿石进口主要通过水路运输。目前我国铁矿石港口生产调度基本凭经验进行，码头作业过程中船时效率不高、机械忙闲不均、船舶滞港等现象严重。铁矿石码头物流系统是受多个因素影响、动态行为复杂的系统，采用仿真手段进行系统研究具有现实意义。
1物流系统建模和仿真流程
铁矿石进口码头物流系统建模和仿真流程如图1所示。
2铁矿石进口码头物流系统分析
铁矿石船舶在码头历经的主要环节为：船舶计划→堆场计划→疏运计划。铁矿石码头物流系统的主要工艺流程如下：
（1）直卸：卸船机→带式输送机→装船机（装车机）利用卸船机将大型船舶运载的铁矿石卸至带式输送机系统，经带式输送机输送至装船码头（或装火车系统），由装船机（或装车机）装船（或装火车），然后运送至钢厂。
（2）堆料：卸船机→带式输送机→堆料机利用卸船机将大型船舶运载的铁矿石卸至带式输送机系统，经带式输送机输送至堆场上的斗轮堆取料机，将其卸料至堆场储存。
（3）装车：取料机→带式输送机→装车机由斗轮堆取料机将堆场堆存的铁矿石取出，装入带式输送机系统，经带式输送机输送至装车机装火车，然后运送至钢厂。
（4）装船：取料机→带式输送机→装船机由斗轮堆取料机将堆场堆存的铁矿石取出，装入带式输送机系统，经带式输送机输送至装船机装小船，然后运送至钢厂。
3基于Petri网的系统动态模型
采用Petri网方法对铁矿石进口码头物流系统建立动态模型（见图2）。以卸大船装火车子系统为例：
（1）库所：泊位（卸船机）P1、计算机集港控制系统P2、船舶靠泊调控P3、集港指令P4、集港带式输送机P5、产生新船舶P6、堆场带式输送机P7、堆场P8、装火车指令P9、装火车带式输送机P10、产生新火车P11、装车楼P12、计算机装火车控制系统P13和火车调控P14；（2）托肯：火车、船舶、指令、有限资源等；（3）变迁：船舶到港T1、船舶靠泊指令T2、集港T3、集港完成T4、装车完成T5、火车到港指令T7和火车进港T8。
根据图2的动态模型，可以得出铁矿石码头工艺系统中各变迁发生的前提条件和后继条件，得到系统变迁时间表（见表1）：
水水中转Petri网模型与卸船装火车子系统类似，火车托肯替代为小船托肯。本文不赘述。
4铁矿石码头系统仿真模型开发
4.1仿真模型系统结构设计
矿石船舶到达港口后把客户、货物种类和堆存时间等信息发送到计算机中控系统，计算机中控系统根据码头的工作情况，为待疏港货物分配合适的堆场位置和相应的工作流程，然后发送作业指令给各工作单元和装卸设备进行卸货作业，卸货完成后船舶离港，铁矿石在一定时期内储存在堆场，火车到港后启动装车流程，通过带式输送机把铁矿石按货种货主一致原则从堆场运输到装车系统装火车。装船流程与之相反。
输入输出参数主要如下：模型参数指用于确定仿真调度模型的信息，由调度人员输入或修改；控制参数提供仿真运行和实验的必要功能和机制，影响仿真进程的选取；决策原则是仿真系统运行要遵循的基本依据，遵循它能够真实模拟这些研究对象的运行过程。输出参数中的调度方案针对设备、操作调度的指令序列，由用户输入后组合形成；运营指标是一系列反映生产调度效果的数据（见图3）。
4.2程序设计
模型开发基于WITNESS物流系统仿真平台。WITNESS是Lanner Group公司开发的功能强大的离散事件系统仿真软件，它采用面向对象建模的编程方法，建模灵活，使用方便。WITNESS软件的特点之一是可以显示生产系统仿真的整个过程，可以让使用者清楚地了解生产过程中发生的问题，及时地对模型的生产作业参数进行调整，实现对生产系统的优化。仿真输出参数定义见表2。
以华南某港铁矿石进口码头物流系统为例，在系统分析和理论模型构建的基础上，通过编写程序代码及图形化处理，建立码头物流系统仿真模型。
仿真模型建立之后的模型检验从以下几方面进行：程序流程、基本参数输入、随机变量参数输入、随机变量分布类型的正确性，模型输出参数的现实性。经代码调试、模型可行性检验、试运行分析，该模型模拟有效。通过试运行、程序调试，模型能够实现系统分析结果的各项功能。通过参数试验，修正系统内部传输数据流，使仿真模型中数据流与历史数据较好地吻合。
4.3模型运行和分析
采用WITNESS仿真模型进行仿真试验。输入参数如下：集港船舶到港时间服从于均值为 min，标准差为的泊松分布；船舶实载量服从均值为 t，标准差为的正态分布，并通过皮尔逊拟合检验原理的检验；仿真时间选取１年，即48万min。多次试验取均值得到该仿真模型生产统计数据如表３所示：
5结语
从仿真结果来看，该模型能如实地反映该铁矿石进口码头现实生产情况。利用该模型可以对该铁矿石进口码头物流系统进行模拟分析，识别系统瓶颈，也可以进行技改工艺方案模拟，在未发生实际投资建设的情况下了解到系统的运行状况、设备繁忙程度、堆场利用情况等，进行设备调度和设备资源配置优化方案模拟。此外，该模型也能模拟当某个子系统出现故障时整个物流系统的运行情况，为系统的计划、调度、生产组织和技术维修保障提供科学的决策依据。
【关键词】港口；码头；仿真模型；铁矿石装卸；物流系统
我国是世界上最大的铁矿石进口国，2009年进口铁矿石6.28亿t，2010年进口铁矿石6.19亿t。我国铁矿石进口主要通过水路运输。目前我国铁矿石港口生产调度基本凭经验进行，码头作业过程中船时效率不高、机械忙闲不均、船舶滞港等现象严重。铁矿石码头物流系统是受多个因素影响、动态行为复杂的系统，采用仿真手段进行系统研究具有现实意义。
1物流系统建模和仿真流程
铁矿石进口码头物流系统建模和仿真流程如图1所示。
2铁矿石进口码头物流系统分析
铁矿石船舶在码头历经的主要环节为：船舶计划→堆场计划→疏运计划。铁矿石码头物流系统的主要工艺流程如下：
（1）直卸：卸船机→带式输送机→装船机（装车机）利用卸船机将大型船舶运载的铁矿石卸至带式输送机系统，经带式输送机输送至装船码头（或装火车系统），由装船机（或装车机）装船（或装火车），然后运送至钢厂。
（2）堆料：卸船机→带式输送机→堆料机利用卸船机将大型船舶运载的铁矿石卸至带式输送机系统，经带式输送机输送至堆场上的斗轮堆取料机，将其卸料至堆场储存。
（3）装车：取料机→带式输送机→装车机由斗轮堆取料机将堆场堆存的铁矿石取出，装入带式输送机系统，经带式输送机输送至装车机装火车，然后运送至钢厂。
（4）装船：取料机→带式输送机→装船机由斗轮堆取料机将堆场堆存的铁矿石取出，装入带式输送机系统，经带式输送机输送至装船机装小船，然后运送至钢厂。
3基于Petri网的系统动态模型
采用Petri网方法对铁矿石进口码头物流系统建立动态模型（见图2）。以卸大船装火车子系统为例：
（1）库所：泊位（卸船机）P1、计算机集港控制系统P2、船舶靠泊调控P3、集港指令P4、集港带式输送机P5、产生新船舶P6、堆场带式输送机P7、堆场P8、装火车指令P9、装火车带式输送机P10、产生新火车P11、装车楼P12、计算机装火车控制系统P13和火车调控P14；（2）托肯：火车、船舶、指令、有限资源等；（3）变迁：船舶到港T1、船舶靠泊指令T2、集港T3、集港完成T4、装车完成T5、火车到港指令T7和火车进港T8。
根据图2的动态模型，可以得出铁矿石码头工艺系统中各变迁发生的前提条件和后继条件，得到系统变迁时间表（见表1）：
水水中转Petri网模型与卸船装火车子系统类似，火车托肯替代为小船托肯。本文不赘述。
4铁矿石码头系统仿真模型开发
4.1仿真模型系统结构设计
矿石船舶到达港口后把客户、货物种类和堆存时间等信息发送到计算机中控系统，计算机中控系统根据码头的工作情况，为待疏港货物分配合适的堆场位置和相应的工作流程，然后发送作业指令给各工作单元和装卸设备进行卸货作业，卸货完成后船舶离港，铁矿石在一定时期内储存在堆场，火车到港后启动装车流程，通过带式输送机把铁矿石按货种货主一致原则从堆场运输到装车系统装火车。装船流程与之相反。
输入输出参数主要如下：模型参数指用于确定仿真调度模型的信息，由调度人员输入或修改；控制参数提供仿真运行和实验的必要功能和机制，影响仿真进程的选取；决策原则是仿真系统运行要遵循的基本依据，遵循它能够真实模拟这些研究对象的运行过程。输出参数中的调度方案针对设备、操作调度的指令序列，由用户输入后组合形成；运营指标是一系列反映生产调度效果的数据（见图3）。
4.2程序设计
模型开发基于WITNESS物流系统仿真平台。WITNESS是Lanner Group公司开发的功能强大的离散事件系统仿真软件，它采用面向对象建模的编程方法，建模灵活，使用方便。WITNESS软件的特点之一是可以显示生产系统仿真的整个过程，可以让使用者清楚地了解生产过程中发生的问题，及时地对模型的生产作业参数进行调整，实现对生产系统的优化。仿真输出参数定义见表2。
以华南某港铁矿石进口码头物流系统为例，在系统分析和理论模型构建的基础上，通过编写程序代码及图形化处理，建立码头物流系统仿真模型。
仿真模型建立之后的模型检验从以下几方面进行：程序流程、基本参数输入、随机变量参数输入、随机变量分布类型的正确性，模型输出参数的现实性。经代码调试、模型可行性检验、试运行分析，该模型模拟有效。通过试运行、程序调试，模型能够实现系统分析结果的各项功能。通过参数试验，修正系统内部传输数据流，使仿真模型中数据流与历史数据较好地吻合。
4.3模型运行和分析
采用WITNESS仿真模型进行仿真试验。输入参数如下：集港船舶到港时间服从于均值为 min，标准差为的泊松分布；船舶实载量服从均值为 t，标准差为的正态分布，并通过皮尔逊拟合检验原理的检验；仿真时间选取１年，即48万min。多次试验取均值得到该仿真模型生产统计数据如表３所示：
5结语
从仿真结果来看，该模型能如实地反映该铁矿石进口码头现实生产情况。利用该模型可以对该铁矿石进口码头物流系统进行模拟分析，识别系统瓶颈，也可以进行技改工艺方案模拟，在未发生实际投资建设的情况下了解到系统的运行状况、设备繁忙程度、堆场利用情况等，进行设备调度和设备资源配置优化方案模拟。此外，该模型也能模拟当某个子系统出现故障时整个物流系统的运行情况，为系统的计划、调度、生产组织和技术维修保障提供科学的决策依据。