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基于哈佛体系结构的集装箱码头物流系统建模仿真研究


武汉理工大学 博士学位论文 基于哈佛体系结构的集装箱码头物流系统建模仿真研究 姓名:李斌 申请学位级别:博士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:李文锋 20091001

摘要
集装箱运输是一种高效率、大规模的运输方式,其与信息化网络已经成为 国际物流体系的两大基础。集装箱码头物流系统(Container Terminal
Logist

ics

System,CTLS)是以集装箱为对象,由装卸运输系统、生产调度系统和管理信息 系统组成的高度复杂的物流系统,且由于船舶、集卡的到港时间及船舶装卸箱

量的随机性,其具有离散、动态和不确定性。在当前集装箱运输船舶大型化、
快速化和港口竞争日益白热化的背景下,CTLS生产调度和管理决策水平的高低 对于港口提高自身竞争力,具有至关重要的作用。 本文融合系统工程、软件工程和工业工程的科学思想和方法,将集装箱码 头内的装卸作业看做是一种广义的“计算",将经典的精确计算和分布式控制架

构——哈佛体系结构和基于Agent的计算的设计思想和方法体系相融合,以描述
和建模CTLS,得出一种新的基于哈佛体系结构和Agent计算(Harvard
Architecture and Agent.based

Computing,HA.AC)的CTLS整体建模和调度思想,

并展开相应的应用研究。论文的主要研究内容和成果如下: (1)从柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)的角度对CTLS

的进口箱、出口箱、中转箱的装卸船及其相关的集疏运作业进行了分析,提出 其装卸位移模型,并以码头集装箱流和信息流为运作核心,将CTLS的核心部分
分解为18种Agent;

(2)将不同领域的两个系统一一CTLS与CS(计算机系统,Computer
System,CS)从系统发展、层次结构、系统组成、体系结构、作业组织和资源 分配等方面进行了详细的类比,论述了两者在结构和功能上的映射关系,从而 提供了利用计算机系统体系结构和资源调度思想展开对CTLS建模的理论基础; (3)提出以集装箱流和信息流为系统运作核心的基于HA.AC的CTLS整 体建模思想和体系结构,并借鉴和融合中央处理器的核心处理技术(超标量体 系结构和流水线处理技术),结合CTLS自身的运作特点,抽象出基于属性的有 阻塞混合流水车间调度(Hybrid
Flow Shops with Blocking Based
on

Attributes,

HFS.BA)模型,亦据此提出基于HA.AC的CTLS的双层集装箱码头生产调度
模型;

(4)基于上述的建模体系和方法,利用计算机操作系统的调度策略和智能 优化算法重点研究了CTLS中码头前沿、水平运输和堆场作业的生产调度问题,

并将计算机体系结构设计的量化原则及其相关定律引入到基于HA.AC的CTLS 建模体系下,对前述的的重点生产环节进行分析和评估,完成了基于HA.AC的 CTLS建模体系下生产调度状况的解析,亦验证和分析了此建模和调度理论的可 行性与可信性。

关键词:集装箱码头物流系统;哈佛体系结构;基于Agent的计算;操作系统; 生产调度

Il

Abstract

Container shipping is



kind of high?efficiency and large。scale transportation

mode.which constitutes the base of international logistics system

together州tIl

information network.Container terminal logistics system(CTLS)whose operational

object

is the container is the highly complex logistics system,which is made up of

handling and transportation section,operational scheduling

section,and management

information section.At the same time,whether the arrival time of the container ships and the container trucks
or

the handling

quantity

of ships is characteristic of much

randomicity.So the operation of CTLS possesses features of discreteness,dynamic and uncertainty.Under the background of the increasing large-scale and high-speed of the container ships and the cut.throat competition scheduling

among

the ports day by day,the

and

function to decision-making level of CTLS possesses the significant

improve the competitiveness of harbor.
This dissertation fuses the ideology software engineering

and

methodology of systems engineering, presents the subsequent
as a

and

industrial

engineering,and

modeling thoughts:the handling and transportation in CTLS is regarded
generalized computing,and the classical precise computation

sort of

and

distributed control

architecture…Harvard

architecture

and

agent—based


computing(HA—AC)is
fire-new the modeling CTLS is deployed
are on

synchronized to describe

and

model CTLS to obtain

and
the

scheduling thinking of CTLS.The application study

on

basis of the above idea.The main contents and fruits in this paper follows:

listed as

(1)The

operation of import containers,export

containers,transfer

containers

and
of

their collecting flexible

and

distributing in CTLS is

analyzed

detailedly from the

angle

manufacturing system(FMS)to advance the
core

handling displacement model of

CTLS.on which the

of CTLS is disassembled into 1 8 agents consequently

backbone supposing that container logistics and information flow are the running the
core

and

of CTLS. and computer

(2)CTLS
compared

system(cs),which
of the

exists in different domain,are

amply from the aspects

development,hierarchy,organization,

III

architecture,task scheduling and relations between CTLS

resource

allocation etc,which presents the mapping architecture

and CS whether in

and

in

function.That

provides the solid academic foundation for why the modeling of CTLS adopts the computer architecture and scheduling principles.

(3)The

holistic modeling idea

and

architecture based

on

HA-AC is brought
core

forward,whose backbone is container logistics and information flow.The
designing technologies in central processing

unit(CPU),which

include superscalar

architecture and

pipeline operation,are fused and abstracted in mathematics,upon
on

that hybrid flow shops with blocking based

attributes(HFS—BA)is advanced

by

considering the operational characteristics of CTLS.The bi—level container scheduling model based
on

terminal
is

HFS??BA

under HA??AC

modeling

architecture

presented consequently.

(4)Based

on

the aboved modeling architecture and methodology,the scheduling

in the operation of quay by introducing

side,transferring,and
policies

storage yard are studied with emphasis operating system

the

scheduling

in

and

intelligent
are

optimization also

algorithms.The quantitative
into the modeling

approaches in computer architecture of

imported

architecture

CTLS,and

are

applied

the

corresponding nuclear

handling

and transportation phases to

analyze and

evaluate the

performance
conditions

of

CTLS.That

accomplishes the discussion and analysis of scheduling

under

HA.AC

modeling

architecture,and

validates the feasibility

and

creditability of the above modeling

and

scheduling theory.

Key words:container

terminal

logistics system;Harvard architecture;agent-based

computing;operating system;scheduling

IV

独创性声明
本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作
及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与

我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确
的说明并表示了谢意。

签名:壹皇丛

日期:幽:幽]

学位论文使用授权书
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有

关机构或论文数据库使用或收录本学位论文,并向社会公众提供信息
服务。 (保密的论文在解密后应遵守此规定)

…c㈣赫…㈣办嘶日期川,夕

武汉理T大学博士学位论文

第1章绪论
1.1课题来源
本论文的工作,得到了以下项目和课题的联合资助: (1)国家十一五科技支撑计划课题:现代物流综合管理关键技术与平台(批 准号:2006BAH02A06); (2)国家自然科学基金项目:传感网络环境下移动机器人动念特征与可重 构控制框架(批准号:60475031); (3)湖北省科技攻关计划项目:新型智能传感识别装置研发及其在典型物 流系统中的应用(批准号:2007AAl01C46)。

1.2问题的提出
经济全球化进程对整个世界的经济与产业结构产生了重大的影响,其特点 之一就是越来越多的生产经营活动和资源配置在全球范围内进行,全球性贸易 与运输链正在逐步形成。在此大趋势下,现代港口在社会经济发展中的作用与 地位也正在发生深刻变化,已经成为一个国家、地区经济能否有效参与经济全 球化并保持国际竞争中主导地位的重要基础设施Il驯。另一方面,当前国际物流 业发展亦进入一个新时代,世界贸易一体化和信息技术的广泛应用,使物流服 务业呈现新的发展势头。由于国际贸易的增长,通过港口的货物物流亦迅速发 展,物流结构也向集装箱化和高附加值方面调整【4。5J,集装箱运输与信息化网络 已经成为国际物流体系的两大基础扣J。 集装箱运输作为一种高效率、大规模的运输工艺,自1961年出现以来,其 地位日益突出,目前已有60%以上的普通货物运输采用集装箱运输,在经济发 达和稳定的国家和地区这一比例甚至达到100%。预计到2020年以前,集装箱 运输总量将以每年10%的速度递增【7’9。。经济的全球化、跨国经营和现代信息技

术的发展推动国际集装箱运输与现代物流进一步融合发展,形成所谓的集装箱
物流,即通过集装箱将装卸、储存、拆并、包装、运输、保管连贯起来,形成 贯通全程的物流活动。集装箱物流的巨大优势是可以将不同运输手段有效衔接,

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形成“多式联运’’,以实现“门到门’’的物流服务【l01。当前世界主要的集装箱航 运地区有远东、西欧、北美和澳大利亚,这四个地区货运量大,消费水平高, 适于集装箱运输的货源充足,联结这几个地区的集装箱航线便成为全球海上集

装箱航运干线,它们是:北太平洋航线、北大西洋航线、远东——欧洲航线(印
度洋航线)。其中的北太平洋航线是目前世界上最繁忙的航线,也是我国主要港 口大连、天津、青岛、上海、香港、高雄和基隆等所处的航线¨¨。目前我国90% 以上的外贸物流量要依靠港口实现,而主要的运输方式就是集装箱运输。随着 我国集装箱运输迅猛发展,港口集装箱吞吐量已跃居世界第一位,业已成为全 球最大的集装箱运输国。 以国际集装箱运输为代表的现代运输方式推动了新一轮国际航运中心和区 域性集装箱枢纽港的竞争【8卅。2009年我国国务院就发文推进上海建设成为国际 金融中心和国际航运中心,其中的国际航运中心建设的总体目标内容中就有“基 本形成以上海为中心、以江浙为两翼,以长江流域为腹地,与国内其他港口合 理分工、紧密协作的国际航运枢纽港”和“基本形成规模化、集约化、快捷高 效、结构优化的现代化港口集疏运体系,以及国际航空枢纽港,实现多种运输 方式一体化发展”两点主要内容。港口的运营条件、服务水平、综合环境、设

备条件、现代化管理水平以及港口集装箱吞吐量规模和增长率等均将直接影响
到港口在运输物流市场的竞争实力。由于港口所在的地理位置、水域条件不可 改变,所以港口的发展只有改善设备条件,提高自身的管理和服务水平【12J 31。 总体来看,在一定条件下,集装箱港口的主要竞争力一是其要有充裕的近海补 给航班和稳定的远洋班轮,二是自身应具备良好的软硬件设施和生产服务能力。 两者相辅相成,缺一不可。另一方面,当前船舶的发展逐渐走向了大型化和高 速化的趋势。如:马士基海陆运输班轮公司(Maerisk Sea.1and)、丹麦航运集团 公司(Dannis Cartier)等世界著名集装箱运输公司经营的第七代集装箱船舶的装 载能力达到了7000标准箱(TEU)以上,有些甚至高达10000TEU以上。船速 达到25节,有些船舶甚至能达到40节,船舶的这种发展趋势对集装箱运输系 统的优化管理提出了更高要求,给港口的生产带来了巨大的压力。因此要在新 一轮的港口竞争中取得优势,必须使港口的物流作业系统化、合理化,为船舶 的装卸提供一个良好的物流作业平台,而实现这一目标的唯一有效途径就是配 置先进合理的装卸工艺,配备与装卸工艺相符的先进作业机械,并优化港口资 源的分配与调度。



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1.3论文研究的目的和意义
1.3.1论文的研究目的
集装箱装卸工艺布置和装卸机械配置通常发生在新建、扩建或改建集装箱 码头工程时的规划阶段,当码头投入运营后,如何在既定的设备设施和装卸工 艺条件下,通过码头作业各环节的合理组织和管理,最大限度地发挥作业系统 的整体效率,是减少船舶在港时间,提高服务质量的关键所在【140 51。由于船舶 到港时间、外集卡到港信息、港内交通等大量不确定性因素的影响,以及集装 箱码头物流系统(Container Terminal
Logistics

System,CTLS)各子系统间的相

互动态耦合作用,集装箱码头生产组织和调度管理十分复杂。 有鉴于此,结合国家十一五科技支撑计划课题《现代物流综合管理关键技 术与平台》、国家自然科学基金项目《传感网络环境下移动机器人动态特征与可 重构控制框架》和湖北省科技攻关计划项目《新型智能传感识别装置研发及其 在典型物流系统中的应用》等项目,本文从CTLS的分布式控制决策分析出发, 以CTLS的建模仿真和生产调度为研究主线, 从CTLS与基于哈佛体系结构的

计算机系统(Computer System,CS)的相似性为切入点,融合经典的精确计算

和分布式控制架构——哈佛体系结构和典型的分布式控制系统建模模式——基
于Agent的计算的设计思想和方法体系建模CTLS,以辅助现有集装箱码头的生

产调度与重大决策。同时,为现有集装箱码头布局的改建、扩建、设备配置调
整和未来集装箱码头的规划建设的决策支持提供理论基础和科学手段。

1.3.2论文研究的实际价值与理论意义
CTLS是一个典型的复杂离散事件动态系统,建立各个生产环节完善的数学 模型较为困难,描述整体生产调度的数学模型更是难以建立ll 5’20J。有鉴于此,

本研究融合哈佛体系结构和基于Agent的计算的设计思想和方法体系建模 CTLS,辅助其进行调度与决策。该研究旨在充分整合利用集装箱码头现有的各
项资源(岸线、场地、设备、数据和客户),帮助码头提高自身的生产服务能力, 适应当今超大型集装箱运输船所带来的挑战;同时在上述过程中使得码头不仅 顾及到自己短期的运作效率和效益,也充分考虑客户(船代和货代等)的利益, 使得集装箱码头提高现有客户的忠诚度,同时拓展其期望的客户,对于重点大 客户更是通过调度策略的倾斜,使得其形式上拥有“专有码头”(本质上仍是公共

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码头),通过一系列内部决策使得集装箱码头能有充裕的近海补给航班和远洋班
轮,具有核心竞争力,这对于期望与周边国家竞争成为中心枢纽港的我国港口 至关重要。 在理论上,CTLS的建模、仿真和优化研究涉及系统工程、工业工程和软件 工程等多个相关领域的研究。虽然其研究已经经历了较长的时间,也一直是相 关领域研究的中重点和热点,但随着当今集装箱物流的迅猛发展,集装箱船舶 的R益大型化和快速化、装卸工艺的不断演化和港口间竞争的日益白热化,如 何有效管理集装箱码头的各种有限设备和资源,协调各个环节的生产与调度, 提高集装箱码头的运作效率、收益和竞争力,仍是摆在科学工作者面前的一项 艰巨任务。本文围绕当前CTLS中建模仿真和生产调度研究中的不足,以码头集

装箱流和信息流为系统运作核心,着重研究CTLS与CS间的相似性,将CTLS

映射到CS的经典体系结构——哈佛体系结构上,提出基于哈佛体系结构和
Agent计算(Harvard Architecture
and Agent.based

Computing,HA.AC)的CTLS

建模模式,以构建高效均衡鲁棒的CTLS生产调度,达到CTLS整体性能最优的 目的。值得指出的是,基于多Agent的CTLS建模优化在国内外的研究从总体上 仍处于起步阶段,仅有少量文献进行了相关的研究【2卜2‘丌,而以码头集装箱流和 信息流为系统运作核心,融合精确计算架构和分布式控制模式来构建CTLS的资 源分配和生产调度的研究还未见到。本文期待能从一个新的角度去建模、仿真 和优化CTLS,并得出相应的初步结论,这也是本文研究的目的和意义所在。

1.4国内外研究现状与动态
CTLS是由集装箱、集装箱船、锚地、拖轮、泊位、堆场、港口装卸搬运设
备、信息基础设施以及人员等若干相互制约的动态要素构成的复杂系统【28。291。 由于集装箱码头的建设投资大、周期长、其规划和设计牵涉技术、经济、社会 环境等多方面因素;船舶装卸作业具有离散、随机及动态性等特点;集装箱船 和装卸设备不断向高速重载方向发展,要求集装箱港口规划和运营既能满足集 装箱船的进出港装卸要求,又要能够降低投资和运营成本。所以,集装箱码头 的整体规划和运营决策具有相当的难度,作为面向第三代港口的CTLS从其规划 到生产都离不开科学的指导和先进技术的应用。

1.4.1集装箱码头物流系统的建模与仿真方法研究



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CTLS研究的主要方法有解析法【30。311、系统仿真方法【32q31、智能优化方法脚。53】
和基于仿真的优化方法154巧引。解析法有比较悠久的发展历史,在实际中应用广 泛,在集装箱码头的生产运作中的应用也不例外,其中以排队论130'5%2】和系统

优化法13l】用的最多。例如澳大利亚的Kozan E针对船舶在港停泊时间问题,用 批量到达的多服务台排队模型对码头作业进行建模,讨论影响集装箱码头运输

效率的各种主要因烈63】;随后Kozan E又研究了批量到达、多服务台的排队系
统,在此基础上建立随机模型,通过仿真分析不同运作模式对集装箱码头作业
的影响【32l;意大利的Pasquale Legato等基于可视化的SLAM语言,分析与集装

箱船舶到达、靠泊和离泊过程相关的物流活动的排队网络模型,研究泊位规划
问题【35J;Pietro Canonaco等研究了某码头的集装箱装卸的管理最优化,认为在

实现部分昂贵资源生产能力最大的同时,应当满足船只的足够的服务完成率和
等候时间最小化的需求,据此建立了排队网络模型,并结合管理者的策略,通 过仿真比较分析,对总产量和完成时间等系统参数进行评价【59.。而在国内众多 的学者也利用排队论对集装箱码头作业的各个方面进行了研究【5—60-621。 传统港口规划和运营方法主要依靠的是已建码头生产实践的经验总结,很 难对因系统环节改变而产生的影响做出定量评估,加之集装箱码头物流系统具 有离散、动态、随机等特性,采用数学模型进行定量求解分析十分困难,所以 系统仿真方法常被用来辅助港口的分析决策u 6‘。事实上,前述文献利用解析法 来对集装箱码头物流系统进行分析时,也往往利用仿真作为最后验证和分析的 手段。而对CTLS进行仿真,建立可信的系统模型是最重要的前提【2…。CTLS是 典型的离散事件动态系统,而目前对离散动态系统的建模多采用形式化建模技 术、非形式化建模技术和复合建模技术。其中形式化建模主要采用排队网络法【30, 59西21、极大代数法、扰动分析法和Petri网【19,28,53】。非形式化建模的主要方法有活 动循环图、流程图、面向对象技术【641、基于多Agent的建模【21讲J。当前形式化

建模和非形式化建模都有各自的优势及不可克服的缺点,因此现在也有不少学
者将形式化建模与非形式化建模技术相结合来对CTLS进行复合建模。目前将两 者结合的最多的是将Petri net和面向对象技术结合起来进行复合建模【19,28,53】,应 用于系统的建模仿真与调度规划,通过面向对象或分层,来克服Petri网的封闭 和状态空间“指数爆炸”问题,以便于复杂系统的模块化,而Petri网自身也增强 了模型的数学分析能力。其次是将排队网络与面向对象相结合,使得无论是从 理论分析还是仿真实现都能很好的解决集装箱码头物流系统中的各种问题【30, 59-621。本文同样对集装箱码头物流系统进行复合建模,但是将基于属性的有阻塞

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的混合流水车间和基于多Agent的建模相结合,以描述建模集装箱码头物流系

统,类似的复合建模方式鲜有在文献中发现。
由于在集装箱码头中的大多数生产调度问题都是NP.Hard问题,其数学模 型都难以求解,所以绝大多数智能优化方法,包括禁忌搜索149,65】(Tabu
Search,

TS)、神经网络、模拟退火算法【47,鲫(Simulated Annealing,SA)、遗传算法【44,48,
51,521(Genetic

Algorithms,GA)、粒子群优化算法167-69](Particle
Colony

Swarm

Optimization,PSO)、蚁群算法【2引(Ant

Optimization,ACO)都在集装

箱码头的各个生产调度环节以及整体生产调度中获得了广泛的应用。而将智能 优化方法和系统仿真融为一体的基于仿真的优化方法(Simulation
Based

Optimization,SBO)在CTLS也有着极其广泛的应用‘54羽,70-圳。意大利学者
Pasquale

Legato在第22届欧洲建模与仿真会议上提出了海港集装箱码头基于仿

真优化的模型和计算框架13 7。,并在2008年的美国冬季仿真会议中基于此框架对 集装箱码头的岸桥调度进行了研究【70】。而国内以曾庆成【7l】、汪定伟f72-73]和金淳 [54-58,74】等为代表,将SBO应用到了集装箱码头的水平运输、堆场生产、大门作 业以及多式联运背景下的码头整体资源配置协调优化进行了研究。本文中也利 用SBO对基于HA.AC的CTLS建模体系结构下的码头前沿生产作业、水平运

输管理和堆场生产调度进行了相应的研究,以深入探讨相关模型的可信性与适
用一I生。

1.4.2集装箱码头物流系统的建模与仿真对象
CTLS的主要运营环节发生在港口锚地、码头前沿、水平运输、码头堆场和 港口大门,因此运营环节研究可归纳为资源配置问题、日常运营管理问题、各

种运营环节的局部研究,以及由于各环节运营效率不同而产生的瓶颈问题。具 体说来,其主要包括:拖轮调度、泊位分配、船舶配载、发箱和装船顺序决策、
堆场箱位分配、设备配置与调度、港内交通流控制以及CTLS的描述与评价等。 (1)拖轮调度 港口拖轮作业系统是港口服务系统的重要组成部分,在港口,船舶排队进 出港口均需要拖轮进行拖曳作业。拖轮投资成本巨大(拖轮的购买成本达千万

元以上),因此港口的拖轮种类和数量是有限的,如何利用有限的拖轮资源及时
快速地为各种类型的船舶服务,减少船舶的在港停留时间,是港口生产作业需 要解决的重要问题【7孓76J。港口拖轮作业有其特殊的工艺约束,由于到港船舶的



武汉理-L=人学博士学位论文

种类不同,为每艘船舶提供服务的拖轮的种类和数量也不同。杨志华针对拖船

在港口作业的随机性、动态性的特点,建立了拖船作业的排队仿真模型。对不
同的港口拖船配置如艘数、功率数进行了仿真试验运行,得出相对应的一系列

系统特征值,如船舶的平均等待时间、平均等待队长等,为港口合理配置拖船
提供了科学的依据【7引。而刘志雄将拖轮调度看作是离散事件系统中的生产资源 配置问题,并基于仿真方案择优和逆向仿真的资源优化配置方法来帮助港口进 行拖轮调度【761。随后,刘志雄又将港口拖轮作业调度问题描述为一类带特殊工

艺约束的并行多机调度问题,并采用基于进化策略的混合算法和粒子群算法来 帮助港口进行合理高效的拖轮调度【6M91。
(2)指泊问题

指泊问题又称泊位分配(Berth Allocation Problem,BAP),是指船舶到达后 或之前根据各个泊位的空闲情况和物理条件的约束为船舶安排泊位和靠泊顺序
【7¨。由于港口岸线即泊位是码头的主要稀缺资源,因此泊位分配是否合理是决

定CTLS服务水平的关键问题。通常泊位的分配原则是:最小化船舶的等待时间、 装卸的集装箱从泊位到相应分配的堆场距离最短、最大化泊位和岸边起吊设备 的利用率。但泊位分配涉及的因素众多:(1)船舶相关信息,如:船期计划、
船型、装卸箱量等;(2)岸边资源情况,如:泊位数量、泊位长度、设备配置 等;(3)其他物理条件,如:天气、潮汐、水深等。目前,集装箱码头的泊位 分配多是计划人员根据以往经验来安排,没有现成的模型和方法。国内外对港

口泊位调度的优化研究已取得重要进展【7M 6‘。Imai和Etsuko等把泊位分配问题
分为静态泊位分配和动态泊位分配两个方面,以最小化船舶等待时间和作业时

间为目标,用非线性整数规划给出了两种分配问题的模型及其求解方法,并重
点研究利用拉格朗日松弛法解决动态泊位的分配问题13¨。随后,Imai和Etsuko 扩展了上述模型到不同水深泊位的情形,并设计了遗传算法来求解模型。Imai 和Etsuko还从到港船舶服务优先级【洲,服务时间和延迟时间【86】以及超大型集装

箱船舶在交错式码头前沿布局峭7】靠泊等方面研究集装箱码头的泊位分配问题。
Edmond等首次利用排队论模型对码头泊位分配和货物处理规划问题进行了讨 论【『78J。Pasquale Legato等在此基础上建立了与船舶到港和离港时间、泊位作业相 关的排队网络模型以优化集装箱码头的泊位分配【35,59】,并引入禁忌搜索【65】和模

拟退火算’法【70l到泊位分配中以帮助港口进行生产调度。
前面提到的泊位分配模型和方法是将码头岸线划分成若干独立的泊位来进

行分配的,而另一类泊位分配方法则将整个码头岸线看作是连续的水边线,只



武汉理工大学博七学位论文

要有满足到港船舶物理条件(水深和长度)限制的位置就可以进行停泊,Lim将该

问题转化为二维“背包”问题,在证明了该问题的NP完全性后,基于图论的思想 提出一种有效的启发式算法,但为了简化问题,他假设所有船舶的停靠时间是 固定的【821。文中将泊位安排问题看成一个同时可以处理多个工作的单处理机的 调度问题。在该问题中,假设所有的船舶都己在港等候靠泊,然后以最小Make
span为目标,并采用了一个First.fit.decreasing启发式原则进行求解。类似地,
Pasquale

Legato也将泊位分配转化为“背包’’问题,并用禁忌搜索算法来解决此
Hwan

问题【651。Kap

Kim等利用混合整数规划模型模拟了船舶在岸线的停靠位置

和时间,并用次梯度删和模拟退火【471算法给出了该模型的近似最优解。类似地,
Imai详细分析了离散化泊位指派和连续化岸线分配的优缺点,并用启发式算法
来解决连续化岸线分配的问题【851。而张煜利用遗传算法良好地解决了连续化泊 位分配问题p引。

此外,针对军港泊位分配的特点:军舰(潜水艇)特权和泊位切换,Brown
等以最小化船舶在港总时间为目标给到港船舶分配泊位峭m引J。Guan为使总的加

权工作时间之和最小化,对大尺寸问题提出了树搜索方法以及复合启发式算法 195。。Wang等将泊位分配问题视为多阶段决策问题,设计了基于随机束搜索算法 的求解方法【96】。而周鹏飞专门针对港ISl生产中的随机性对集装箱码头前沿的生 产调度进行了研究p川。
(3)岸边装卸设备的调度 船到港并被安排靠泊泊位后,需要对该船上进口集装箱进行卸船,并将出 口集装箱进行装船(中转箱是上述作业的组合)。进行装卸所需的港口设备为岸 桥,它是在码头前沿专门用于装卸集装箱的工具,由专门司机进行现场操作,

也是在现代码头中少数几类必须配备人员的装卸设备之一,因为在水平运输和 码头堆场作业上都可以使用全自动化设备。因此对于CTLS来说,岸桥既是最昂
贵的设备之一,也是运营成本最高的设备之一,而且其分配和装卸计划直接影

响到船舶的装卸效率和在港时间,因此在CTLS的运营过程中,岸桥的配置优化
是提高整个CTLS物流过程效率的关键所在。 岸桥调度的相关的因素有:(1)船舶的相关信息,如:停靠泊位、船舶装卸 计划和在停船舶情况等;(2)装卸搬运设备的信息,如:岸桥数量,港内运输 车辆情况等。Daganzo是第一个真『F意义上对岸桥装卸调度进行研究的学者,他

采用了混合整数规划模型对岸桥调度进行仿真求解从而确定分配给多个船的贝
位的岸桥数[99】,随后其又与Peterkofsky一起在上述的模型基础上,针对多艘船



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作业的情况,以船离港时间及最小延误惩罚最小化为目标,进一步发展模型, 将作业中的岸桥视为平行作业的同种机械,把该问题转化为开放的生产计划问 题来对待,建立了整数规划模型,并用分支定界法求解该问题的精确解【l删。需 要指出的是,这两篇文章都将一个船的贝位看作一个需要占用岸桥一定工作时 间的工作,并且不考虑各个岸桥之间的相互影响,也不考虑各相邻工作间的影 响。Kim等人假设一个船的靠、离泊时间以及岸桥的可服务状态是已知的,同 样采用混合整数规划模型对岸桥装卸调度问题进行描述,以最小化某船的作业

完成时间为目标,并分别用分支定界法和随机贪婪启发式算法对该问题进行求
解14¨。与Daganzo和Peterkofsky的研究所建的模型不同的是,Kim等人所建立 的模型中假设船上的每个贝位可以包含多个作业,因此,使得所处理的工作得 到了进一步的细化。Ebru.K.Bish则研究了集装箱码头的多岸桥约束调度问题, 通过启发式算法优化调度岸桥装卸集装箱作业,最小化船舶作业时间【921。 另外Bose等以岸桥等待时间最短为目标,针对岸边有缓冲区的集装箱码头 建立了仿真模型,在给定集装箱装卸序列的要求下为岸桥吊配备跨越车并确定 了跨越车的作业序列。但实际中岸边有缓冲区的码头并不多,因此该模型的应 用范围有限Il
01

J。而最近越来越多的研究者开始将泊位与岸桥进行联合调度来考

虑,从而进一步提高集装箱码头的前沿作业能力【52,77,89,93,97】,如Park提出了泊位

和岸桥分配的整数规划模型,给出了相应的两阶段解法,先得到一个初步的近
似最优解,为每艘到港船舶分配停靠泊位和时间,并配置岸桥的数量,再进一 步详细安排每个岸桥的工序和工作时间【891。而我国的韩骏将泊位调度与岸桥分 配这两个相互关联的问题进行系统分析与集成,基于免疫遗传算法对所建模型

进行了求解,并通过仿真实例证明泊位与岸桥协调调度比单独调度可更有效提
高集装箱码头的装卸效率,减少船舶在港时间【_7『71。 (4)水平运输调度 在集装箱码头装卸作业中,码头前沿与堆场之间的集装箱运输是由水平运 输设备完成的。在自动化集装箱码头中水平运输机械是自动导航车辆系统
(Automated Guided Vehicle,AGV),其调度问题的研究主要包括车辆的分配和

路径的选择。但考虑到AGV的高昂初始装置费用,一般只用于人力成本费用高 的港口(如欧洲的一些大型港口),其相关研究也主要集中在国外;而在低人力 资源地区的港口,则比较适用于非自动化水平运输设备。对于我国来说,显然 适用于后者,即使用集卡进行水平运输。事实上,一个良好的集卡配置调度计 划不仅有利于提高港口机械的利用率,而且能够减少不必要的设备投资,在有



武汉理工人学博士学位论文

限的资源约束下提高港口的装卸作业效率。本文随后研究的也正是利用集卡进 行水平运输的生产调度。Ebru K.Bish研究了非自动化港口中的集卡分派问题, 文中建立了基于车辆的集装箱码头集卡分派模型,目的是为了使船舶的在港时

间最短,并给出了相应的启发式算i:去【102J。Etsuko Nishimura和Akio Imai对比了
集卡静态与动态调度,建立了集卡动态路径优化模型[103J。周强和高玮利用排队 论对集装箱码头集卡作业模式进行了研究,建立了仿真模型,并对两种集卡作 业模式进行了试验研究【l洲。陶德馨和尚晶在集装箱码头传统的集卡调度模式的 基础上,提出在数字化技术环境下的集装箱码头集卡实时调度规则,并建立了 这两种调度模式的动态仿真模型[105】。曾庆成建立了集卡调度动态模型,目的是 使装卸桥等待时间最小。设计了基于Q学习算法的求解方法,获得在不同状态 下的集卡调度策略【106J。 (5)堆场作业优化 码头堆场集装箱搬运堆垛作业主要在堆场箱区内完成,其在CTLS是最复杂 的部分,因为进口、出口和中转集装箱需要同时处理。该作业问题主要包括两 大类:堆存空间分配和场桥调度作业问题。集装箱的堆码计划很大程度的决定 了码头效率,而堆场系统主要资源(堆场空间和堆场起重机)的优化管理直接 左右了该系统的效能。 影响堆场空间分配的因素很多,包括:船舶停靠泊位、堆场分块密度、装 卸计划、堆场的分布以及堆场的交通状况等。通常将堆场空间问题分为两个层 次:第一层次是堆场区段级分配,它包括确定分配给到港船舶的堆场区段数和 确定堆场区段中的箱量;第二个层次是箱位级分配,即为每个进场箱确定具体 的箱位。目前大多数的研究集中在第一个层次上。K 发式算法讨论了堆场的集装箱分配问题f107/。Zhang
C Y Kim和K H

Kim采用启

O等研究了集装箱码头堆

场箱区的分配问题,把每个规划阶段问题分解成两层,采用滑动阶段算法对该
问题求解【1081。王斌根据集装箱码头堆场的生产特点提出了一种动态随机堆存方 法【1吲。另外,K 了研究。 场桥作业优化主要有两个方面:(1)堆场内各箱区的场桥配置数量;(2) 场桥作业顺序。国内外学术界对场桥的调度问题研究较少。Ng W C等在作业任


Kim[1101和徐亚【111】还特别就集装箱码头堆场的倒箱问题进行

务数量、作业任务预期时间已知的情况下,研究了单台和多台场桥的作业顺序
问题,并设计了基于动态规划问题的求解算法【112。1131。韩晓龙和李建中建立了场 桥调度的多目标非线性数学规划模型,并通过Lingo对模型进行了求解【¨4。。而

10

武汉理一r=大学博士学位论文

何军良【1151和严伟‘1161分别利用爬山算法和最佳优先搜索算法对集装箱堆场场桥 调度进行了研究。 (6)港口大门作业管理 集装箱堆场大门是外部卡车(以下称外卡)把集装箱运进或运出集装箱堆场 的通道。随着集装箱港口吞吐量的快速增长,对码头大门系统的作业性能的要 求也越来越高。但是如果大门通道规划不合理,在作业高峰时段,通道前排队 等待现象就会非常严重,这将严重影响港口企业对客户的服务水平。于越根据 系统作业中存在的不确定性、随机性活动的特点,建立了大门作业系统的离散

事件仿真模型,并运用仿真模型与启发式算法相融合的仿真优化方法进行求解;
运用案例分析验证了该方法的有效性,同时进行了敏感性分析【54-551。而金淳提 出基于仿真优化的集装箱港口大门通道作业的调度优化方法,并针对集装箱港 口大门服务系统性能测试中在测试数据和测试事例生成、计划响应时间获取方 面效率低的问题,提出了一种基于离散事件仿真的自动化测试方法【57‘5引。

1.5研究内容和论文结构
根据对研究背景、目的和意义及相关技术的研究现状与动态的分析,本文 共分8章,按3个部分来展开对CTLS的建模与仿真问题的研究与讨论:CTLS 的运作分析及与CS的对比映射、基于HA.AC的CTLS建模体系结构与生产调 度模型以及上述体系结构和生产调度模型在CTLS的核心环节码头前沿、水平运 输和堆场作业的应用研究。全文结构如图1.1所示。各章的内容简介如下: 第l章绪论 介绍了本论文的课题来源和研究背景,针对当前集装箱船舶和集装箱码头 生产作业的特点,对CTLS的建模仿真以及生产优化的相关研究动态进行了综 述,提出基于哈佛体系结构的CTLS建模与仿真研究的目的、意义和亟需解决的 问题。 第2章基于多Agent的CTLS建模分析 对CTLS的组成和特点进行了概述,并从柔性制造系统和集装箱流运作两个 角度对CTLS进行了详细地分析,提出CTLS的集装箱流装卸位移模型。基于上 述讨论,探讨为何利用多Agent(Multi.agent)建模CTLS及其优势,并且给出 CTLS中各个核心Agent的建模描述。 第3章CTLS和CS的体系结构与调度机制对比分析

武汉理T大学博士学位论文

首先详细阐述为何将两个不同领域的两个系统一一CTLS与计算机系统
(Computer System,CS)进行类比的思想起源,然后给出CTLS和CS层次结

构的比较,指出其系统组成的总体映射关系。随后从系统顶层视图、互连结构、 体系结构和资源分配等角度来全面比较和映射CTLS和CS,从而奠定CTS建模 为何采用计算机系统体系结构的理论与工程依据。

第4章基于哈佛体系结构和Agent计算的CTLS建模
根据第2章和第3章的论述和分析,提出了以集装箱流和信息流为运作核 心的基于哈佛体系结构和Agent计算(Harvard
Architecture and Agent.based

Computing,HA.AC)的CTLS整体建模思想,其基于计算机组成对CTLS进行 了分解,给出CTLS中各类Agent与CS组成部件的详细映射关系,在此基础上, 提出了基于HA.AC的CTLS建模体系结构及其相应的生产调度模型。
第1章绪论


l第2章基于多Agent的cTLs建模分析I


l弟3苹cT蠕翟器翼芝翥笋构与调厦I

第4覃囊于哈佛体系结构和Agent计算的 cTLs建模

l l

窿娜粼吣黼

I第6卓基于lI^一Ac的cTLs水平l I 运输调度 l

第7犟萋于IlA—Ac的cTLs堆场I 作业调度 l


第8章总结与展望

图1.1论文总体结构 第5章基于HA.AC的CTLS前沿生产调度

在基于HA.AC的CTLS建模体系结构下引入计算机资源分配通用框架和计
算机体系结构中的定量评估原则,讨论了集装箱码头前沿生产调度,重点讨论 了多泊位指派、泊位.岸桥联合调度问题以及码头前沿的设备配置问题,初步验 证了第4章所述建模与调度思想的正确性与可行性。 第6章基于HA.AC的CTLS水平运输调度

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武汉理工人学博士学位论文

根据第4章所述的基于HA.AC的CTLS建模体系结构和生产调度模型,重 点讨论了CTLS中水平运输的集卡调度,通过不同工作负载和不同的集卡数量配 置对水平运输进行了建模仿真以及基于仿真的优化实验,详细分析了CTLS的水 平运输调度和设备配置,并进一步验证了前述建模理论理论的正确性。 第7章基于HA-AC的CTLS堆场作业调度 重点讨论基于HA.AC的CTLS建模体系结构和生产调度模型下的堆场作业

情况。将场桥类比为计算机系统中磁盘臂,然后将计算机磁盘臂的调度算法引
入到CTLS的场桥调度中,在码头最复杂的作业环节中进一步验证基于HA.AC 的建模体系结构的可行性与可信性。 第8章总结与展望 总结全文工作,探讨了进一步研究的方向和工作。

1.6本章小结
本章简要介绍了论文研究的课题来源、背景、目的和意义,对所涉及的集
装箱码头物流系统建模、仿真和优化的方法和技术进行了综述和研究现状分析, 并对论文的主要研究内容和整体结构进行了说明。

武汉理1=大学博十学位论文

第2章基于多Agent的CTLS建模分析
2.1引言
集装箱码头物流系统(Container Terminal
Logistics

System,CTLS)是一个

典型的复杂系统,其生产工艺发展迅速,生产调度日益复杂;另一方面,集装

箱码头作为国际物流体系中的核心枢纽,信息技术的应用日益深入,一系列为
保证港口信息流通畅实时准确的关键技术如无线射频识别、无线传感器网络、 无线广域网和信息融合等新兴技术正在码头逐步应用,以确保港口集装箱物流
(Container

Logistics)与信息流(Information Flow)的实时或近乎实时地协调与

统一。对于CTLS这样一个多数据源的分布式控制的复杂系统,本章在对CTLS 详细分析的基础上,利用Agent建模CTLS,使得无论是集装箱码头的装卸作业 系统、生产调度系统还是管理信息系统都能从基于Agent计算(Agent.based Computing,AC)的角度去全新地审视和对待,使得CTLS统一和协调,从而全 面提高当代CTLS的生产效率和港口的整体收益,以帮助港口在当前空前激烈的 港口竞争中处于有利地位。

2.2集装箱码头物流系统概述
现代港口作为国际物流系统中的核心节点,是远洋、内河船舶以及内陆运

输的枢纽,也是各种信息、经济和技术的汇集点。作为现代物流链条上的重要
节点,港口既是货物运输系统的集散站,又是转换货物运输方式的缓冲池【7叫J。

码头是港口的前沿,它主要完成货物装卸、临时堆存和货物的提与接等基本功
能,在地理上分为两个主要区域:码头前沿(Quay Side)和堆场(Storage Yard)。 前者是整个CTLS中最重要的一个环节,集中了大量装卸设备,是集装箱装卸作 业的平台,包括集装箱的装卸作业和相应的水平运输。码头前沿宽度和集卡配

比的合理规划,对码头前沿设备的装卸效率、栈桥的拥堵、船舶在港时间、资
源的利用都有关联,直接影响港口的经济效益;后者在集装箱港口中起到临时 存储集装箱的作用,实际上是船舶装卸作业与内陆提交箱作业间的一个缓冲区, 其组织管理是整个码头最复杂的部分,因为进口和出口集装箱需要同时处理。

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武汉理上大学博士学位论文

集装箱的堆码计划很大程度地决定了码头效率,堆场系统主要资源(堆场空间
和堆场起重机)的优化管理更是直接左右了该系统的效能。CTLS是以集装箱为 对象、由装卸作业系统、生产调度系统和管理信息系统组成的高度复杂的物流 系统,其系统组成主要包括装卸和运输设备、信息读取、传输及处理设备、集 装箱堆存区域、船舶停靠区域和控制与调度系统等【28。291。CTLS的设备和设施资 源主要包括港口大门进/出道口、堆场、机械设备、锚地、泊位、装/卸作业区和 控制中心等。CTLS的基本功能和系统组成可以表示为如图2.1所示的层次结构。
集装箱码头物流系统

l港口拖轮作 业系统

码头前沿作 业系统

水平运输 系统

码头堆场作 业系统

港口大门服 务系统

集装箱码头生产 调度系统

集装箱码头管理l 信息系统

自 自自 自 圈 囱 由
动态系统(Discrete
Element Dynamic









通 道 服 务

通 道 服 务

图2.1集装箱码头物流系统的层次结构 CTLS亦是一个典型的复杂多环节且并发性强的多维空间作业的离散事件 System,DEDS),涉及物流、信息、调度

等多种建模和优化技术,系统运行时存在并行、协调和竞争等多种关系。CTLS具
有随机性强(自然条件与客户需求多变)、系统柔性差(设备作业空间有限)、 设备作业时间不确定、搬运设备之间的协调性要求高等特点,因此要求集装箱

码头应具有一个合理的平面布局和集装箱装卸工艺,其中集装箱装卸工艺是综
合评价码头经济效益的基础。所谓装卸工艺,是指港口装卸和搬运货物的方法

和程序,按一定的操作过程,根据港口的条件,针对不同的货物、运输工具和
装卸设备,以合理和经济的原则来完成装卸和搬运任务,集装箱装卸工艺是指 装卸集装箱的方法。集装箱码头作为集装箱的中转设施是一个十分复杂的系统 工程,其系统装卸工艺随着规模的增大变得愈加复杂。集装箱码头的装卸搬运 设备与码头的装卸工艺密切相关,目前我国集装箱码头一般采用岸边集装箱起 重机(简称岸桥,Quay Crane,QC)装卸船方式;堆场起重机(简称场桥,可 采用场桥轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机,Yard Crane,YC)在堆场完成

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集装箱装卸和堆码作业;集装箱拖挂车(简称内集卡,Inner 承担从码头前沿与堆场以及堆场内箱区间的水平运输。

Yard Trailer,IYT)

集装箱码头的集疏运过程主要包括两个方面:出口集装箱的作业流程,从 道口的信息输入到集装箱装船离港;进口集装箱的作业流程,从随船只到港到 离开港区被客户取走,两者的物流路线相反。在码头的作业过程中,由于受到

许多不确定因素的影响,如自然和人为的因素使得系统呈现出较大的随机特征,
集装箱集疏运过程主要集中在拖轮、岸桥、场桥和内集卡和港口大门5类设备 上。其中,港口大门是外部集装箱卡车把集装箱运进或运出集装箱堆场的通道, 而船舶排队进出港口均需要拖轮进行拖曳作业,即港口大门和拖轮是CTLS与外 界交换集装箱流的边界设备。高效鲁棒的CTLS要求5类设备之间相互协调、 合理配置,并且能够依据系统实时状态和调度决策规则策略来动态选择作业对

象和解决资源冲突的功能。现代CTLS具有以下几方面的特征:
(1)CTLS体系结构复杂。路、铁、海运等多种集疏运模式并存,既要有 每种集疏运方式专用的作业和存储空间、设施设备资源,还要有能够共享的空 间和资源,因此码头的设施布局非常复杂。特别是在几种集疏运作业并行时, 码头内的物流路径、设备的作业空间均会受到资源的限制,系统的结构极其复 杂和多变; (2)CTLS是离散事件系统。船舶到港、进入锚地排队、离开锚地、靠近

泊位、开始作业、作业结束、离开泊位等事件均发生在离散时刻,且具有随机
性。因此,CTLS是典型的随机离散事件系统,其动态特性需用一组离散状态方 程来描述。 (3)CTLS随机性强、柔性差。复杂多变的海洋气候环境和越来越个性化 的客户需求,特别是某些根据潮汐规律作业的港口,增加了CTLS系统的随机 性。例如船舶到港就具有随机性,在船舶航行过程中,易受到风、浪、流的影 响,无法保持恒定的航速,从而导致船舶无法按规定的时间到达港口。而CTLS 自身的运作也具有随机性的特点,在港口生产营运过程中,易受到气候条件、 装卸能力、生产调度水平等许多因素的影响。另外,集疏运作业时运输车辆装 卸站的缓冲区容量很小,吊运设备没有缓冲区,致使系统柔性差,特别是在多 作业线并行时,易发生死锁和冲突的现象口引。 (4)CTLS装卸工艺多样和生产调度复杂。随着港口自动化程度的提高, 集装箱的装卸工艺也随之复杂多样,同一码头有几种不同的作业模式并存,同 一设备在作业周期内需要完成进口/出口箱、中转箱、内部周转箱或客户提箱等

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武汉理工大学博+学位论文

多类操作【291。 (5)CTLS是排队系统。由于港口作业的随机性和来港船舶的随机性,使 得港口营运具有很大的不平稳性1621。在CTLS中,一个码头泊位在同一时刻只 能为一艘船服务,并且要求码头泊位的靠泊能力不小于船舶的吨级,船舶必须 按类型排队形成排队系统。当到港船舶的频度大于船舶作业的频度时,将发生 船舶在锚地等待作业现象。当这种情况发生时,就有一个船舶作业次序选择的 问题。根据港口生产作业的特点以及在实践中一般遵循的规则,到港船舶在满 足泊位适应情况下除特殊物资优先考虑外,一般按照先到先服务(FCFS)的原则 进行处理。 (6)CTLS数字化。为了提高港口的运作效率,各个港口都加大了对其管 理信息系统及其支撑系统的投入,所以现在以及未来的港口除了是一个核心的 物流枢纽,也是一个数字港,甚至是一个普适计算空间。

2.3集装箱码头物流系统分析
2.3.1

CTLS的运作描述及其转化模型
Manufacturing System,FMS)是由统一的信息控制

柔性制造系统(Flexible

系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成,能适应加工对象变换的自 动化机械制造系统。为了更加直观的利用系统工程、工业工程和软件工程的理 论对CTLS进行建模描述和分析,可以把码头集装箱的装卸船问题经过适当处

理,转化为FMS环境下的生产调度问题。集装箱码头作业过程主要包括进口箱
的卸船作业(船到堆场)、出口箱的装船作业(堆场到船)、中转箱的装卸船作 业以及进口箱的疏运和出口箱的集运。由于中转箱可以认为是进口箱的卸船作 业和出口箱装船作业的组合,因此主要考虑进口箱和出口箱的生产装卸作业即 可。于是CTLS就可以被认为根据集装箱码头与船代、货代的信息交互而高效加 工进口箱、出口箱和中转箱的FMS。根据系统状态空间的概念,将进口箱和出 口箱抽象为从一种位置状态经过装卸搬运设备的作业转变为另外一种位置状 态。集装箱的每种位置状态可以分别用一个6元组来表示,即集装箱在船上的 位置P(1):(S,B,D/H,b,r,t)。其中:S为到港集装箱船(Container Ship), B为泊位(Berth),D/H为甲板/船舱(Deck/Hold),b、r、t分别为船上的贝(Bay)、

排(Row)和层(Tier)。集装箱在堆场的位置P(2):(T,Z,B 7,b,r,t)。

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其中:T为到港集装箱船停泊的集装箱码头(Container Terminal),z为相应集 装箱码头堆场的箱区编号(Zone),B’为堆垛块号(Block),b、r、t分别为堆场 的贝(Bay)、排(Row)和层(Tier)。集装箱在外集卡上的位置P(3):(T,,G,
Yt

b,r,t)。其中:T’为到港集箱或提箱的外集卡(OuterContainerTruck),G

(Gate)为外集卡进入港口时的大门通道,Y为箱区中具体从外集卡上装卸集装
箱的场桥(Yard Crane),b、r、t同样分别为堆场的贝(Bay)、排(Row)和层

(Tier)。这里要详细说明的是,为什么这里没有指定外集卡提箱的箱区编号和 堆垛块号呢?这是因为一旦指定了为外集卡装卸的场桥,因为该场桥在某一时 刻,一定位于某箱区的某堆垛块上,所以指定了场桥,自然就确定了相应的箱
区和堆垛块。这样所有的集装箱在港口的位置都可以通过一个6元组确定,则

进、出口箱的集疏运过程就可分别描述为由船上的位置向堆场的位置和堆场的
位置向船上的位置转变的空间位移过程。事实上,在这个空间位移的转变过程

中,仍能可以利用一个6元组对集装箱的状态进行跟踪确定,P(4):(T.B. Q,T”,z,Y)。其中:T为集装箱装卸作业的集装箱码头(ContainerTerminal), B为泊位(Berth),Q为装卸该集装箱具体的岸桥(QuayCrane),T“为水平运 输该集装箱的内集卡(InnerYardTrailer),z为相应集装箱码头堆场的箱区编号 (Zone),Y则是在箱区中具体堆码装卸集装箱的场桥(Yard Crane)。上述的集
装箱位冒及位移描述如图2.2所示。

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图2—2 CTLS生产运作的装卸位移模型

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在上述集装箱在船舶和堆场位置的六元组定义下,进口箱的状态转移过程可 以分解为图2—3左边所示的8个步骤,而出口箱的状态转移过程则可以分解为图 2-3右边所示的8个步骤,两者都类似于黍性制造系统中Flow-shop环境下的加 工工序,只是加工的方向不一样而已。其中:进口箱作业的I、2是由拖轮完成

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船舶到港后从锚地到泊位的项曳过程;3是到港船舶在拖轮的帮助下停靠泊位; 4是岸桥完成集装箱的卸船过程:5是由内集卡完成水平运输任务;6由场桥完 成卸车过程;7是外集卡提箱;8是外集卡出道口办理提箱手续。出口箱作业的 1是外集卡进道口办理集箱手续;2是外集卡集箱;3场桥完成对内集卡的装车 过程;4是由内集卡完成水平运输任务;5是岸桥完成集装箱的装船作业;6是 船舶在拖轮的帮助下离泊;7、8是拖轮将船舶从港内顶曳至航线直至其自行驶 离港口。

图2-3 CTLS生产运作的FMS转换模型

19

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2.3.2港口集装箱流
集装箱码头作为国际物流体系中海运和陆运的核心中转枢纽,以及重箱和 空箱转换的必经之路,其生产物流包括装船、卸船、集港、提箱和清场(捣箱) 5种主要生产工艺,涉及码头堆场、港口大f-j(检查桥)、码头前沿3个主要物 流作业区域和1个码头生产管理中枢,即生产调度中心。在图2.2和图2.3所示 的CTLS运作过程中,集装箱在其内部的装卸作业过程中的流动形成了港口集装 箱流(Container Logistics)。以港I=1锚区和大门作为CTLS的系统边界和外部接 口,那么港口集装箱流的基本流动过程如图2.4所示。

图2.4港口集装箱流

图2.4中的港口集装箱流是指集装箱从到达港口至离开港口过程中形成的

流…7。¨81。集装箱船舶到港后,集装箱经过“进入锚区…拖轮顶曳…进入泊位… 岸桥卸船…内集卡水平运输…场桥卸箱…堆场堆存…场桥装箱…外集卡疏运… 大门出口通道放行”(进口)、以及“大门进口通道放行…外集卡进场…场桥卸箱 …堆场堆存…场桥装箱…内集卡水平运输…岸桥装船…船舶离泊…拖轮拖曳一
驶离港口”(出口)的流动情况,形成了一个港口内部的集装箱流系统。由上述 集装箱流的流动过程可以看出:1)CTLS是一个典型的分布式控制系统,无论 是进口箱还是出口箱,都要经过码头内多次的装卸设备和资源地分配和调度, 才能完成相应的集疏运。如果只使得某个环节的作业达到最优,那么CTLS的运

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作效率未必是最优,甚至某一个环节作业最优后,使得其他的环节成为作业的 瓶颈;2)如2.3.1所述,CTLS也可以认为是一个集装箱装卸作业的流水线,其 只有经过如图2.4的加工作业步骤,才能达到相应的物流目的;3)CTLS是一 个复杂的的随机动态开放系统。需要着重强调的是,港口集装箱流运作的过程 中,除了物流外,还包括相应的信息流(指令流)。集装箱码头中内部物流与信 息流是否统一和畅通,对于提高集装箱运输的效率和效益、提高服务水平和增 强竞争能力至关重要,具有举足轻重的作用。随着信息技术同益融入CTLS,集 装箱码头的集装箱流和信息流必将最终完全协调和同步。下面将讨论此情况下 CTLS的建模仿真,以期得出合乎港口未来发展的描述建模仿真和生产调度决策 的体系方法。

2.4多Agent系统与CTLS
2.4.1分布式人工智能与多Agent系统
Agent的概念来源于分布式人工智能(DistributedArtificial Intelligence,DAI) 的研究,其技术的诞生和发展可以说是人工智能发展的必然结果。在DAI的研 究中,1 977年Carl Hewitt在“Viewing
Control Structures
as

Patterns of Passing

Message”一文中定义了具有自兼容性、交互性和并发处理机制的Actors对象, 该对象具有封闭的内存状态,并且可以与其他同类对象进行消息发送和反馈。 随后,Agha对Actors模型进行了进一步的研究,这被认为是多Agent系统研究 的起源。1986年,M.Minsky在((Society
of

Mind》一书中第一次提出Agent概

念,认为社会中的某些个体通过协商可得到问题的解,这些个体就是Agent,

Agent是具有特定技能的个体,应具有社会交互性和智能性。从个体的自治性和 粒度角度可将DAI的研究分为三个分支:分布式问题求解(Distributed
Problem

Solving,DPS)、多Agent系统(Multi.agent System,MAS)和并行人工智能(Parallel
artificial

intelligence,PAl)。其中MAS是指由多个自主或半自主Agent组成的系

统,研究重点在于理性Agent以及Agent之间的交互。与DPS和PAI相比,MAS 系统中各个Agent是自主的,生命周期不全为其他Agent所知,可以有共同的目 标,也可以有各自不同的目标,Agent问既可能协作,也可能对抗,协作形式多 种多样(如命令/HI从式、投票式、磋商式等),MAS需要协调这些自治的Agent 的行为。而由于各Agent空间上的分布性、时间上的并行性和逻辑上的依赖性使

2I

武汉理T大学博+学位论文

得MAS的问题求解过程更为复杂。但在分布式人工智能中,由于智能本质上不 是一个独立存在的概念,只能在团体中实现,因此分布式人工智能研究主要是 几个主体之间的合作与交互。由于MAS更能体现人类社会智能,具有更大的灵 活性和适应性,更加适合开放、动态的世界环境,因而受到越来越多人的重视。 而MAS研究逐渐兴起的另一个原因是其可以提高系统鲁棒性和效率;与已有系 统或软件实现互操作;求解那些数据和控制具有分布特征的问题Il心_2l】。 尽管Agent理论与技术的研究起源于DAI,但从20世纪80年代开始,Agent 的研究从DAI领域拓展开来,并与经济学、社会学等其他领域相互借鉴与融合, 在许多最初不属于DAI的应用领域得到更为广泛的应用,面向Agent的思想技 术作为开发设计软件系统的新方法也日益引起学术界和企业界的广泛关注。

2.4.2基于Agent的计算及其应用研究
MAS广义地可称作基于Agent的计算(Agent.based Computing,AC)…圳, 其研究内容包括Agent系统的理论模型、Agent的组织和语言、多Agem学习、 多Agent合作求解、实现平台以及MAS的应用等问题。MAS是由多个Agent 基于一定协调机制组成的自组织系统。由于Agent理论和技术在描述能力与合作 求解方面的优势,它正在得到广泛的应用,特别是在开放、分布、复杂系统中 的应用,取得了明显的效果。Agent技术的应用大致可以分为三个方面:第一个 方面是Agent助理;第二个方面是Agent合作求解;第三个方面的应用是多Agent 仿真系统【12们。这三种应用,从Agent的数量来看,可以分成单Agent应用和多 Agent应用,尽管Agent助理类的应用也需要Agent之间的交互,但决策是由单 个Agent作出的;后两种应用,需要Agent通过合作进行决策。第二种应用和第 三种应用的区别在于,第二种应用有明确的系统求解目标,Agent要在系统中产 生真实的动作,通过与其他Agent以及环境的交互实现系统目标;第三种应用的 目标是通过Agent代表现实世界中的元素,帮助用户理解复杂系统的运动规律, 为决策提供依据【120m¨。利用Agent建模CTLS中,主要是Agent三种应用中后 两种应用的一种综合。如2.2和2.3所述,CTLS是一个高度复杂的开放分布式 系统,集装箱流及其信息流在系统中流动,利用合适的系统体系结构基于Agent 的计算对CTLS进行建模仿真,以探知其运作规律,然后利用CTLS的MAS模 型,施加相应的交互策略给各类Agent,使得其能够通过合作协商机制,以使得 CTLS的运作达到最优。

武汉理r大学博:}=学位论文

2.4.3将智能Agent引入CTLS
早在2002年,Michael Wooldridge就在文献[121]中指出:基于Agent的建

模与仿真(Agent

Based Modeling and

Simulation,ABMS)的方法非常适合于研

究具有分布式、异构的特点的以及具有离散性复杂系统决策的领域ll 21J。由2.2
节可知,CTLS正是具有分布、异构特点的复杂离散开放系统,因此ABMS对 于CTLS来说是一个非常可行的方法和手段。于是,瑞典布京理工学院的
Lawrence

Henesey提出了基于Agent的评估集装箱码头生产调度策略的模型和方

法【21。22。,而国内武汉理工大学的于蒙也利用多Agent对集装箱码头生产调度系统 进行了研究,并提出了相应的的系统框架,对其中的协商和通信机制进行了较

为深入的研究,并利用Agent之间的协商和通信演示了如何解决集装箱码头某个
生产调度环节上的问题【2帕61。但集装箱码头作业系统具有多目标性,不确定性 以及决策的复杂性,因此,目前对集装箱码头作业调度优化的研究主要针对作 业系统的某个子过程进行优化,主要的模型有:泊位分配模型、装卸桥调度模 型、龙门吊配置与调度模型、堆场优化模型、车辆调度与路径优化、码头大门 排队模型等。由于CTLS生产作业极其复杂,很难从整体运作的层面上获取其生 产调度的最优解,但这并不妨碍从整体运作的角度去规划思考CTLS的运作,尽 量找出其相互耦合的关系,得出其合理高效的整体建模体系结构和生产调度模 型,然后逐一对各个生产环节进行建模、优化和评估。另外以往的研究鲜有考 虑过CTLS中信息流与物流的同步与协调问题,本文利用基于Agent的计算来描 述和建模CTLS,无论是装卸作业系统、生产调度系统还是管理信息系统,试图 从整体统一的角度去看待CTLS的生产组织和资源分配,从而给出在集装箱流与 信息流高度一致的背景下,CTLS的建模仿真和生产调度体系。

2.4.4基于Agent的建模与仿真方法
Agent技术的发展和应用有着两个基本的推动力:(1)无论在现在还是在将 来的计算机科学及其应用领域中,由Agent组成的MAS都有能力扮演重要的角 色。因为现在的计算平台和信息环境都是分布的、开放和异构的,计算机不再 是一个独立的系统,它们要处理诸如海量数据,或来源于分布在不同地域上的 数据。为了处理这样的应用,计算机必须以一个“个体”或Agent的方式来工作,

而不是作为系统的零件。(2)在建立和分析人类社会中的交互模型和理论方面,
MAS也可以扮演重要的角色,人们以各种方式在各个层次上进行交互。基于

武汉理T大学博十学位论文

Agent建模的思想也正是来源于以上的两个基本的推动力。人们将Agent作为系

统的基本抽象单位,必要的时候可赋予Agent一定的智能,然后在多个Agent
之间设置具体的交互方式,从而得到相应系统的模型。这样,Agent,智能和交 互便是基于Agent建模思想中最基本也是最重要的内容。在上述的基本思想的指 导下,就形成了所谓的基于Agent的建模方法。简单来说,基于Agent的建模是 一种由底向上(Bottom.Up)的建模方法,它把Agent作为系统的基本抽象单位, 采用相关的Agent技术。先建立组成系统的每个个体(individual)的Agent模型 (大多数时候它是比较简单的),然后采用合适的MAS体系结构来组装这些个 体Agent,最终建立整个系统的系统模型。由于Agent是一种计算实体,所以最 终模型就是该系统的程序模型,这极大地便利了研究人员对系统进行仿真研究 和开发人员的应用开发(从分析到设计到实现可平滑过渡)。由于可以将Agent 看成是主动对象,基于Agent的建模技术完全可以从面向对象技术中继承并发展
Ill9-123]。

2.5面向CTLS的Agent建模
2.5.1

CTLS中的Agent分类
基于2.4.3所述的ABMS的由底向上建模思想,根据CTLS的组成、特点、

生产流程以及CTLS中实体的对象及其相互关系,可将整个CTLS抽象分解为以 下的21种Agent:1)锚地Agent;2)拖轮Agent;3)泊位Agent;4)岸桥Agent; 5)内集卡Agent;6)堆区Agent;7)贝位Agent;8)场桥Agent;9)港口大 f-j Agent;10)锚地管理Agent;l 1)拖轮调度Agent;12)泊位分配Agent;13) 岸桥调度Agent;14)内集卡调度Agent;15)堆场分配Agent;16)堆场管理 Agent;17)场桥调度Agent;18)大门作业调度Agent;19)集装箱Agent;20) 外集卡Agent;21)集装箱船Agent。前18种Agent可以分为两类:资源(/设 备)控制决策Agent和资源(/设备)作业执行Agent,后3种Agent则是CTLS 的服务对象,当然也可以看作设备作业执行Agent。这样分类的目的一方面是为

了合理地映射CTLS中的各种实体及其相互关系,更重要的是为了引入多种资源
(/设备)控制决策Agent,去分别控制和调配CTLS中各个生产装卸环节中的设 备和资源,以符合CTLS是分布式控制系统的本质。CTLS的MAS模型通过资 源(/设备)控制决策Agent之间以及资源(/设备)控制决策Agent和资源(/

24

武汉理一r大学博士学位论文

设备)执行Agent之间的相互交互,高效协作地完成系统的运作。当然各个集装 箱码头的平面布局和装卸工艺不同,这些Agent不可能完全覆盖所有的CTLS, 但绝大多数CTLS的核心部分可由上述的21种Agent所涵括,它们也是随后展 开讨论的基础。

2.5.2核心Agent的功能分析
如暂时不考虑多式联运和自动化码头情况下的CTLS,就一般的国内外集装 箱码头而言,本小节在上述的21种Agent中,就其中的18种核心Agent,进行 详细描述和讨论如下。 (1)锚地管理Agent 随着集装箱船舶吨位和数量的不断增加,各港口明显出现了泊位不够、船 舶锚地水域不够等一系列问题。在这些高密度、长时间的锚泊环境里,实现对 锚地进行有效管理,及时与各到港船舶进行沟通协调,确定其具体的到港日期 和时间,从而最终提高港口的服务质量和水平,具有重要意义。 基于以上原因,锚地管理Agent应随时掌握港内多块锚地各自的情况:锚地 允许停靠船舶的类型、水域面积的大小、锚地底质类型、锚标设置情况、当前 潮汐情况的变化、锚地与航道间的关系、已抛锚等待作业船舶的数量,并参考 以下3类信息来综合合理安排船舶的具体到港时间和在锚地中的抛锚等待位置: 1)到港船舶事先发来的到港日期、船舶大小和装卸箱量等信息;2)集装箱码 头对当前靠泊船舶作业状况;3)当前天气情况。 (2)锚地Agent

一般港口中有多块不同用途的锚地,而每块锚地的自身条件亦不相同,故 锚地Agent应详细设置自身允许停靠船舶的类型、水域面积的大小、锚地底质类
型、锚标设置情况、当前潮汐情况的变化、锚地与航道间的关系、当前已抛锚 等待作业船舶的数量,并根据拖轮顶曳船舶靠泊和进入航道的情况综合形成本

锚地内的船舶实时交通情况,与锚地管理Agent相通讯,以帮助锚地管理Agent
实时决策应如何为到港船舶分配锚地位置。由于港口的泊位有限,所以船舶往

往需要在锚地中等待泊位和岸桥空闲。所以锚地从本质上看,也是CTLS作业的
缓冲区;另一方面,港口中的锚地分为不同的类型,故上述的锚地管理Agent 其实也就是缓冲区队列的管理者。 (3)拖轮调度Agent

武汉理T大学博士学位论文

在集装箱码头作业系统中,拖轮作业是必不可少的部分。船舶从到达港口 到离丌港口,主要有三个过程需要拖轮服务:1)进港。船舶到达港口航道后需 要拖轮拖曳进入泊位进行集装箱的装卸;2)移泊。船舶需要在港口不同泊位之 间移动进行集装箱的装卸;3)出港。船舶装卸集装箱完毕后需要拖轮拖曳其离 开泊位进入航道。有的船舶在港口只经历进港、出港两个过程,而有的船舶则 可能要经历进港、移泊和出港三个过程。无论进港、移泊和出港,只要有船舶 需要服务,一般需要根据船舶的船长或吨位配置相应马力的一艘或几艘拖轮进 行服务。因此拖轮调度Agent主要负责为到港集装箱船舶安排拖轮服务,并与泊 位分配Agent一同安排船舶具体的进港、移泊和出港顺序与时间。 拖轮调度Agent需要全天候24*7地通过EDI从货代和船代收集下个24小 时内即将到港船舶的信息和数据,包括到港船舶的船型、船长、吨位、作业箱 量以及预计到港时间等,根据一定的调度策略为未来24小时内到港的船舶生成 拖轮作业计划表。当然每个到港船舶都希望自己一到港就有合适的拖轮为自己 服务,这样船舶之间必然出现争夺拖轮资源的现象,拖轮调度Agent因此还起到 协调到港船舶之间冲突的作用,为CTLS的作业船舶合理分配拖轮,其分配是否 合理及其相关作业服务时间将直接影响码头泊位和岸桥的利用率,从而间接地 决定CTLS的通过能力。 (4)拖轮Agent 在集装箱船舶到港的一周或72小时前,船舶业主或代理将预计到港时间、 船舶配载图,装卸箱数量以及相关属性等发送给CTLS,那么泊位分配Agent会

为该船舶指定停泊计划,并与拖轮调度Agent协商指派相应的拖轮Agent在预定
时间内为该集装箱船舶服务。由于水文等因素,到港船舶只有经拖轮拖曳至指 定泊位才能作业。在拖轮作业过程中,由于各种因素的影响,即使船舶给出了 其预计的进出港和移泊的时间,其仍然是随机的(在预计时间周围)离散的, 同时拖轮为每艘船舶服务的时间也是随机的。因此拖轮Agent将随时与拖轮调度 Agent进行协商以便根据实际情况进行拖轮调度的最优化。而另一方面,每个拖 轮调度Agent都要面对一系列的调度问题,例如,必须为每艘集装箱船配备相应 资质的领航员。这就同时要求不同的拖轮Agent之间在任何时候都必须相互协 商,使得争夺相关资源的冲突最小化。当一条到港集装箱船将被服务时,拖轮 调度Agent就会将船舶服务请求或期望的服务时刻发送给相应的拖轮Agent,该 时间可通过式(2.1)计算:

武汉理T大学博士学位论文

尸一胂=P—Z删一一巧一8一Z””一枷一Z捌一删≥尹Ⅵ

(2.1)

在(2.1)中,《“L”’表示指定拖轮开始拖曳船舶i的时刻,而Z枷一加表示指
定拖轮拖曳船舶i从锚区至停靠泊位完毕总共所花去的时间,T/R/…一抛肭表示船
,rhoul
out

舶i在装卸过程中发生移泊时所花的时间, 由拖轮顶曳船舶i离泊到重返航道的时间,1,

』,

一意指当船舶i装卸完毕, 是指船舶i的装卸作业时间,

其中Z加“一.Z”一8.Z”虬抛肭和Z胁。一“‘均根据港口实际操作的经验和船型来获

取,而巧一8则由该船的实际装卸箱量和泊位分配Agent、泊位Agent、岸桥调
度Agent和岸桥Agent相关。另外,要重点说明的是,之所以要在(2.1)中减

去Z”坩_抛肭是考虑实际生产中为照顾重点客户或其他情况,船舶往往有可能移
泊。而多次移泊在实际的生产运作中则极为少见,故可不予以考虑。由于船舶 只有已经到港,才能由拖轮作业,所以其作业时间显然应该大于船舶i的到港时

间尸”。
(5)泊位分配Agent

泊位分配Agent负责为到港集装箱船舶分配泊位和安排装卸服务时间,并根
据港口和船公司签订的协议和码头运营策略协调船舶争夺泊位资源的冲突。一 旦为船舶分配泊位,则其余的设备和资源将以泊位为龙头组织相关的调度和装

卸生产,所以泊位分配Agent也会向其他相关的设备控制决策类Agent发出作业
设备需求。与拖轮调度Agent一样,泊位分配Agent全天候24*7的通过EDI从 货代和船代收集下个24小时内即将到港船舶的信息和数据。根据当前码头的装 卸作业、等待作业、预留作业、机械设备状况及即将到港船舶的船型、船长、 吨位、作业箱量、预计到港时间等,根据港口对不同公司不同船型的运营以及 调度策略为未来24小时内到港的船舶生成靠泊服务的计划表。需要说明的是, 在实际运作中,港口往往会生成一周的泊位计划,然后根据实际船舶的到港情

况和泊位利用状况,每24小时更新一次,形成港口实际操作的滚动周期调度计
划表。其实这种情况不仅是对泊位调度如此,对于港口的其他装卸设备和资源 亦是如此,包括前述的锚区和拖轮资源。 每一艘到港的船舶当然都希望自己一到港就能靠泊接收服务,尤其是在集

装箱船舶日益大型化和快速化的今天。现在诸多的船务公司都已经投资或入股 码头的建设,而现代集装箱码头作为整合物流供应链的最佳平台,也开始诸多
的港口经营策略,其中泊位分配的一种重大的举措非常类似于计算机系统中的

一种设计思想,即计算机系统中常见的前后台设计思想:如果有前台有计算任

27

武汉理J=人学博士学位论文

务,优先考虑前台的计算作业,如果前台没有,则由后台作业占据中央处理器 等资源。类似地,CTLS根据客户种类和港口当前营运重点,制定集装箱码头的 季度计划、月计划、周计划、日计划乃至作业前2小时的装卸计划,提高CTLS 的服务能力和水平,为客户提供高效快捷的服务。其在充分整合利用集装箱码 头资源的同时,通过调度策略的倾斜,使得大客户的“专有码头”和公共码头 融为一体,以提升港口核心用户的忠诚度和积极拓展重点客户,为港口的进一 步发展和经营战略的制订奠定良好的基础。 (6)泊位Agent 在集装箱船舶到港的一周或72小时前,船舶业主或代理会将船舶的预计到 港时间、船舶配载图,装卸箱属性等发送给CTLS,此时泊位Agent会向泊位分

配Agent报告自己所管辖的码头泊位的空闲/繁忙情况和预留作业状况,即在下
一个工作周期内,是否有空闲时段可供到港船舶停靠服务。如果有,则向泊位 分配Agent传送相关信息,等待泊位分配Agent的回应,这种信息之间的交流很 可能会使泊位分配Agent重新计划当前所有泊位的生产装卸计划。每个泊位 Agent都要面对一系列调度问题,例如,必须为集装箱装卸作业分配岸桥、集卡、 场桥等设备以及相应的占用设备的时间。这就要求不同的泊位Agent之间在任何 时候都必须相互协商,并和泊位分配Agent、岸桥调度Agent、集卡调度Agent 等相互磋商,使得各装卸设备资源能够在负载均衡的前提下将争夺设备资源的 冲突最小化。当一艘集装箱船被服务时,泊位Agent就会将船舶服务请求或期望 的服务时间1,
’ ’

发送给装卸Agent,该时间可通过式(2—2)计算:
’ ’ ’

Z8efvlng=f,an—r,vc—Z琳一Z肼州一6砌一Zw甜

厂一’,’、 \二。二/

在(2.2)中,如该船停泊作业后,无须移泊,则乃move—berth=O,而Z嗍腓包括
靠泊和离泊两个准备时间,其根据码头的装卸作业情况确定一个大约固定的值,

一般为40.120分钟。至于巧删。则是船舶在靠泊作业前的等待时间,其与拖轮和
泊位的忙闲状况以及拖轮调度和泊位分配的调度策略直接相关。 (7)岸桥调度Agent

岸桥调度Agent根据泊位Agent传来的到港船舶和相应的泊位信息,根据船
型、船长和装卸箱量和预计离港时间配备岸桥,因为岸桥收起以及放下前升臂 和移泊等准备需要一定的时间,所以通常这些分配指令总是与船舶到港由拖轮

拖曳靠泊的指令同时由中控室下发,其相关过程也是并行发生的。由于船舶到 港时间具有相当的随机性和离散性,船舶的长度、作业箱量和集装箱属性每次

武汉理工大学博十学位论文

作业都各不相同,而且码头Ij{『沿的岸桥很有可能有少数处于故障或维修保养之 中,或者该集装箱码头是潮汐港等等,这些都给岸桥调度Agent带来了相当的难 度。要保证船舶在港时间短、装卸效率高,岸桥调度Agent必须根据岸桥的作业

能力和当前实时数据,利用相关的调度策略对岸桥进行调度。现代集装箱码头
的吞吐量巨大,对通过能力的要求很高,因此往往在作业高峰时,出现岸桥资

源紧缺,这是就需要岸桥调度Agent从中进行协调。另外,所安排的岸桥还与船
舶是否为班轮、时间是否紧迫以及是否支付先遣费等有关。

显然岸桥为船舶服务的最长时间不能超过Z”…8,否则会影响船舶的离港时
间,岸桥调度Agent在这个预计的服务时间范围内,根据船型、船长和装卸箱量 来为该船舶分配岸桥。通过船舶信息,得出为之装卸服务所需的岸桥数量。假

设,集装箱船所需装卸的总集装箱数量为q枷”,岸桥的平均生产效率

Q嗍。。嘶一叫,那么该船所需的岸桥数目Q一抛’的计算公式为(2.3):
Q”啪研=q”栅/(Q8—萨一桶eieaey.Z∞~8)
f,.3、

这里要注意的是在码头前沿摆放岸桥并不一定是同~规格的,所以这里的

Q—垮一饷a删应当是所有参与装卸岸桥的平均效率,而不是其中某一个的装卸效
率,另外因为岸桥有可能在参与该船装卸的过程中移泊到其他泊位对另外的船 舶进行装卸,所以其平均装卸效率如(2-4)所示。

Q一一删删=(∑(酽㈣钞×髫慨))/(∑矿孵)
I=1 t=l

(2-4)

岸桥调度Agent的第二项主要任务是将码头上岸桥资源合理均衡地分配给 每条船的各个贝位并根据中控室的调度来执行相关的装卸集装箱顺序,其依据 就是从集装箱船Agent发送至泊位分配Agent,再由泊位分配Agent转发至岸桥 调度Agent的船的具体相关信息和船舶配载图,包括指定泊位Agent所靠泊船的 船长、贝位数、贝位的箱量以及所有集装箱的分布和属性(尺寸、类型和挂靠 港口)。岸桥调度Agent在分配任务给各个岸桥Agent时应当注意负载均衡的原 则,保持各个岸桥之间的安全距离,同时考虑后续相邻泊位之间的作业情况。 (8)岸桥Agent 在整个码头装卸作业过程中,岸桥调度Agent指派岸桥Agent任务,根据港 口运营策略和实际生产情况,随时下发新的指令给岸桥Agent。岸桥Agent一旦 接受任务指令,就要根据任务情况,参考当前作业船舶配载图,框选出相应的

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贝位,然后分析其负责每个贝位的所有集装箱的属性,主要是重量和挂靠港, 生成合理有效的装卸序列表,以尽量减少堆场作业的倒翻箱工作。根据该表的 信息,向集卡调度Agent和场桥调度Agent发送相关信息,请求集卡和场桥为之 配合,其根本目标就是尽量保持岸桥的连续不间断工作,同时避免岸桥和场桥 下等待作业的内集卡队列过长,以免阻塞集装箱码头的前沿和堆场交通。岸桥 应当与堆场分配Agent和堆场管理相通讯和协作,清楚地了解当前作业贝位的每 个集装箱在堆场的具体位置(对于进口箱和出口箱都是一样),从而向场桥调度 Agent和集卡调度Agent发出相关的请求。 泊位分配Agent、泊位Agent、岸桥调度Agent和岸桥Agent是CTLS的运 作核心,它们是CTLS的中央处理器集群。同时他们的运作又与系统作业的主要 输入通道拖轮调度Agent以及拖轮Agent有着密切联系。在许多系统中,调度被

分成3种:长程、中程和短程调度。其实拖轮调度、泊位分配和岸桥调度亦是
CTLS的3种类似的调度。 (9)集卡调度Agent 这罩集卡调度Agent调度的是内集卡,即只在码头内部进行水平运输的集装 箱卡车。CTLS运营时所追求的目标就是使到港船舶的总体在港时间最短,从而 使得港口整体吞吐量最大。这就需要尽量避免让码头前沿所分配的的岸桥作业 出现闲置状态,或在作业中出现中断。可靠而有效地水平运输对保证岸桥的生 产效率至关重要。集卡调度Agent所解决的水平运输中的问题主要就是装载序 列、路径选择以及与岸桥、场桥装卸运输作业的配合。其相当于计算机系统中 的CPU前端总线调度,对系统的性能发挥有着重要意义,其调度效率一旦较低 或有明显的缺陷,就极有可能成为系统的瓶颈或者需要增大港口的投资来增加 新的集卡,但是如果增加的集卡太多反而会引起码头前沿和/或堆场的交通负担,

易形成堵塞,使得CTLS的整体运作效率不升反降。
集卡调度Agent是对岸桥Agent和场桥Agent的任务请求作出相应的动作, 指派适当的集卡配合岸桥和场桥的装卸作业,作水平运输服务,即集卡调度 Agent主要与岸桥Agent和场桥Agent进行通信和协作。集卡调度Agent的目标 是在满足码头其他作业环节的有序进行的前提下,尽量不让集卡空车返回,同 时降低集卡在岸桥和场桥下的排队阻塞现象,保持码头前沿和堆场的交通畅通。 在集装箱码头日益繁忙的背景下,水平运输作为码头装卸生产的重要环节,集 卡调度正面临着一系列新的问题:1)现代岸桥为提高生产效率,出现了双吊具

甚至三吊具,于是在每个岸桥Agent下需要等待的就不再是一列集卡,而是两列
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武汉理工大学博士学位论文

或三列集卡,这对集卡调度Agent提出了更高的要求,尤其是在动态调度的情况 下;2)现代集装箱码头的装卸生产时,岸桥开始采用重进重出的装卸工艺,这 从另一个方面对集卡调度Agent提出了新的挑战。以上的问题也从另一个侧面说 明了码头前沿的装卸工艺直接影响了码头水平运输以及堆场的装卸工艺,因为 CTLS的生产作业的核心正是码头前沿的生产,这正如计算机系统的发展是以中 央处理器为标志的一样。 (10)集卡Agent 在强有力的信息技术支撑下,每个集卡Agent都可以通过各种信息手段把当 前自身的信息(忙/闲、当前地点、是否完成任务等)及时发送给集卡调度Agent。 一旦其当前状态为空闲,集卡调度Agem就会根据当前的生产任务状况,发出新

的任务的指令。集卡调度Agent根据进出口箱的属性、重要程度、集装箱的地点、
岸桥的作业请求紧急程度、岸桥下集卡等待队列的长度、场桥的作业请求紧急 程度、场桥下集卡等待队列的长度以及集卡的当前在码头上的位置等因素和条 件,为集卡Agent安排作业,集卡Agent收到任务后,就会立即响应集卡调度 Agent,执行水平运输任务(这罩假定每辆集卡一次只能运输一个自然集装箱),

并将任务的执行情况实时地反馈给集卡调度Agent。
集卡Agent在接收到任务指令后,根据集装箱码头的平面布局图,在遵循码 头道路行驶的交通规则下,自动计算从当前位置到指定岸桥(或场桥)的两点 之间和装、卸箱两处岸桥和场桥之间的最短路径,并根据码头上的其他集卡. Agent进行通讯,避开港区内阻塞的路段以及避免与其他集卡发生碰撞。码头内 装卸生产对于一个作业时间段S(如6、8或12小时),集卡的有效使用率的计 算如公式(2.5)所示。
2L


u盯=(>:Z加∥)/(朋×s) 百

(2.5)

(2.5)中UYT表示CTLS中集卡的整体利用率,而m就是CTLS中集卡的 总体数量。显然0<U玎<l,可以根据U玎的高低来判定集卡调度算法的优劣, 同时也从一个侧面来判断CTLS生产调度的是否合理高效。 (11)堆场分配Agent

码头堆场上的集装箱按照去向可分为三种类型:①从外面运迸码头的集装 箱,在堆场放置一段时间后被客户取走(进口箱);②客户预先运到堆场,船只 靠岸后被运走的集装箱(出口箱);③从外面运来的集装箱,但是在码头放了几

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天后就被另外的船只运走,它们只是在码头中转一下(中转箱)。到港船舶的装 卸作业时间主要与岸桥的作业效率有关,而要想保持岸桥的持续稳定的装卸, 就必须保持稳定的fj{『沿与堆场间的集装箱流,即需要有良好的集卡和场桥作业 作为基础,而良好的集卡和场桥作业应建立在良好的集装箱定位以及集装箱箱 位分配和管理上。由于不管是进口箱、出口箱还是中转箱,即对于集装箱码头 的集疏运体系来说,都可以提前获取到港集装箱的信息,那么堆场分配Agent 根据这些提前获取的信息,对每艘船中的进口箱、出口箱以及中转箱划定摆放 的区域,使得其摆放有序且较为均匀的分散在各个场区中,并尽量将每个客户 的集装箱放在一个场区中或一个贝位Agent中。这样做的目的是为了在装船或卸 船时能够有多个场桥(其数目显然要比岸桥多,具体配比系数关系视具体情况 而定)同时作业,这样可以快速的喂给岸桥作业同时又使得每个场桥下等待装 卸的集卡队列不是太长,有效地提高集卡的水平运输效率和减轻堆场的交通堵 塞状况。也正是因为如此,堆场分配Agent需要与场桥调度Agent相协商,来决 定为每艘船最终的分配堆区范围。因此堆场分配Agent主要目标是以到港船舶为 基本单位,确定其进口箱、出口箱和中转箱的堆放范围并与场桥调度Agent相协 商,初步确定相应工作时间段场桥的作业计划。衡量一个堆场分配Agent的计划 策略的优劣,可以根据每个箱位被实际占据时间的长短与总的时间长度的之比 来衡量:

‰=(∑(∑矿))/(k锄舰׉一+k,,一。×t删一)
,-1/21

(2.6)

呼瞄Tcolledion帆e(2-7、
T:她k


Td哑岫Ⅲ渤。ime(2-8、

式(2.6)中u删表示CTLS中堆场箱位的整体利用率,才础为每个集装箱
在堆场上停留的时间.?二咖舰是衡量堆场利用率的指定时间周期,一般以月、

季度或年为单位,u删指的是整个码头堆场在一个较长时间70“。咖内的堆场利
用率,n是在这段时间内到港的集装箱船数目,而mi指的是每艘到港船舶的装

卸箱量,zk,。。。。指的是集装箱码头规定的出口箱可以进场的时间(一般为5 天.10天不等),‰一为集装箱码头的整个出口箱区的箱位数,2≥肼砌。。肭。指的是
集装箱码头规定的进口箱可以免费堆存在堆场中的时间(一般为3天.7天不等), ^,report为集装箱码头的整个进口箱区的箱位数。式(2.7)和(2.8)则指每个集

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武汉理工人学『尊士学位论文

装箱在堆场上的时间不可能超过规定时间,这一方面是根据码头的实际运营状 况所决定,另一方面,对于极少数未及时疏运的集装箱,码头会统一清场,所 以都符合上面的表述。在式(2.6)中,未考虑特种箱,一来是因为特种箱数量 较少,在堆场中的箱位也较少;另一方面也是因为特种箱有不少采用直提的方 式,另外,为了提高港口堆场的利用率,人们常常采用多阶段堆区分配计划策 略。 (12)堆场管理Agent 堆场管理Agent根据其管理区域的划分,又可细分为出口重箱管理Agent、 出口轻箱管理Agent、进口重箱管理Agent、进13轻箱管理Agent和特种箱管理 Agent。但无论是哪种堆场管理Agent,该Agent必须拥有其所管辖的那个堆区 的堆场布局图、已经占据的箱位分布图、未占据的箱位分布图、集装箱所属的 船属性、货代(客户)属性以及码头规定的装卸工艺(如堆多高)。当每个集装 箱到港时,根据其船舶和所属客户信息就以堆场分配Agent事先所指定的堆场区 域,由堆场管理来指定具体的贝位和箱位。堆场贝位和箱位分配的主要依据有: (1)本堆区贝位分布图;(2)本堆区各贝位的箱位分布图;(3)作业计划天内 抵港船舶停靠泊位、装卸箱信息;(4)作业计划天内预计的进场集装箱量和预 计的收箱时间;(5)作业计划天内预计的出场集装箱量和预计的提箱时间;(6) 作业计划天内到港集装箱的船舶配置图。除此以外,每隔一段时间堆场管理 Agent对过期仍未提走的集装箱将做统一处理,请求堆场分配Agent给予一个统 一的堆放地点。堆场管理Agent在船舶到港之前和集箱完毕之后,根据船代事先 发来的船舶配载图,对已到港的集装箱进行预翻箱,使其能够在实际装卸过程 中尽量少翻箱而能使场桥保持持续的工作,使得码头堆场与前沿之间保持稳定 的集装箱流。 (13)堆区Agent 与堆场管理Agent相对应,堆区Agent根据其管理区域,也可对应细分为出 口重箱区Agent、出口轻箱区Agent、进13重箱区Agent、进口轻箱区Agent和 特种箱区Agent。不管是哪一种堆区Agent,都必须实时维护其所属的贝位分布

图和统计各贝位的信息,并根据当前自身的实际状态与同划为一艘船的堆区
Agent、场桥调度Agent相协商,确定进场集装箱的具体贝位,并与所属的贝位 Agent相通讯,实时统计与更新其状态。 (14)贝位Agent 每个堆区Agent根据码头的实际布局,会拥有多个贝位Agent,而每个贝位

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武汉理J=人学博士学位论文

Agent必须根据码头的装卸工艺,实时维护其贝位内的箱位信息,即贝位的箱位 信息表。贝位Agem应与所属的堆区Agent通讯,获取本堆区内场桥Agent的信 息,并与之通讯,根据堆场管理Agent所分配的贝位来确定最后的箱位,并将信 息传送至堆区Agent和堆场管理Agent。在堆场管理Agent下,在装船或客户提 箱预倒箱时,贝位Agent应与堆场管理Agent相通讯,获取本贝位内各集装箱的 属性及其在船上的位置,并与场桥Agent相互,进行本贝位内的预翻箱。 (15)场桥调度Agem 场桥调度Agent根据堆场分配Agent制定的作业计划和堆场管理Agent发出 的实时请求,对堆场作业的场桥进行合理的调配和决策,使得其能尽量满足各 堆区作业的需求。当有多艘船舶到港时,场桥资源就会显得十分紧张,这时就

需要场桥调度Agent、场桥Agent、堆区管理Agent、堆区Agent、贝位Agent等
进行协商,以对港口内的场桥资源进行合理调度。 (16)场桥Agent 场桥Agent的主要任务是完成将集装箱从堆场装载到集卡上或从集卡上把 集装箱卸载到堆场,是具体来完成集装箱在码头堆存的设备执行Agent。场桥 Agent间相互通信,并与场桥调度Agent相协商,在有效完成堆场作业的同时将 各自的场桥的机械运动路径最小化,尤其是大车的移动距离。为此,就要获得 最有效的搬运集装箱的序列及装卸集装箱的精确位置,这就要求场桥Agent与其 服务的岸桥Agent相通讯,获取其当前装卸的集装箱在船舶配载图中的具体分 布,然后与其当前所在的堆区Agent以及贝位Agent相通讯,并且请求集卡调度 Agent做装卸箱的配合,来决定如何获取最有效的搬运集装箱的序列及装卸集装 箱的精确位置。衡量场桥的整体作业效率,可以采用如下的公式:

T哪一。%tb.1li】me=I?d曲ng+T-。”瞄懈g+T?…“电“k+T?‰+Ilmainlainmg(2-9)

‰棚。=(∑(Z肼础馏+Z删俐性))/(乙。舢。。×刀)
i=I

』L

(2—10)

在(2—9)中,在一个正常的时间周期‰蛳砌舰内,对于场桥而言,其是
由堆码作业时间Z姗慨、倒箱作业时间Z删删眦、移场时间Z”蹦揪、空闲时间Z硎8
和保养时间Z“叫删增组成的。其中堆码作业和倒箱作业时间被认为是场桥的有效
作业时间,因此在一个工作周期内,场桥的整体利用率如式(2.10)所示。如果 场桥的整体利用率偏低,那么就应当考虑将部分场桥停机,以减少港口的运营 成本和适应当前的环保需求;反之,如果场桥的利用率极高,场桥作业已接近

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武汉理工人学博士学位论文

饱和,那么就应该考虑投资增加场桥,以满足港口的发展需要。 (17)大门作业调度Agent 集装箱港口大门是外部集装箱卡车(外集卡)把集装箱运进或运出集装箱

堆场的通道,分为进口大门和出口大门,两者在地理位置上分开,以利于CTLS
组织作业。集装箱海铁联运子系统不是每个集装箱码头都具有的陆运集疏运方 式,但利用集卡进行陆基的集装箱集疏运却是每个集装箱码头必不可少的,甚 至是唯一的方式。另一方面,由于车辆到达及堆场场桥作业的随机性,在各个 时间段大门通道开放的具体数目往往难以决定。所以集装箱码头大门作业调度 Agent的任务就是合理配置各时间段工作通道的数量,它对于均衡通道服务设备 的负荷、及时解决通道前外卡的排队等待等问题具有重要意义。 事实上,集装箱码头大I'-JI]艮务子系统同时也是一种兼有事务处理与作业计 划功能的信息系统,它面向码头陆域的外集卡提供持续、高频度的单据处理与 堆场作业计划服务,其可靠性和高效性是确保系统服务质量的关键。故大门作 业调度Agent的鲁棒性与调度算法的有效性至关重要。 (18)港口大f-j
Agent

集装箱码头的大门按用途来分,可分为进口大门和出口大门,所以港口大 门Agent首先应设置区分其类型的参数,其次各个港口大门Agent应设置其进口 (或出口)通道的整体数量,当前开放通道的数量,各个通道的繁忙程度(至

少是定性的)。港口进口大门和出口大门的利用率计算公式如下:

‰唰。=(∑(M哪+M刎))/(%印唧acity×M)
t=l



(2-11)

‰愀=(∑(虬哪+Nheavy))/(Cdcsi驴唧撕ty×m2)
t=l



(2一12)

在(2.11)和(2.12)中,ml和m2分别是是港口进口大门和出口大门总的

通道数量,Ⅳ。哪和Ⅳ一m哕分别是通过大门空载和重载外集卡的数量,当然如果 某个通道未开放,则M聊和M刎皆为零;而Cde。t印eapaeity是大门单个通道的通过
设计能力。如果u,掣倒e和/或u掣倒e的值较小,则说明当前大门作业的任务较
轻;反之,则说明大门作业的任务较重,或开放的通道数太少,需要增开新的 通道。如果通道全开,利用率仍居高不下,而且港口大门外的外集卡等待队列 很长,那么港口在做中长期规划时就应当考虑在港口外围新开辟大门,并重新

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规划港口集卡的行驶道路和堆场布置。当然各个港口大门Agent应随时与大门作 业调度Agent保持通讯,报告其作业状况,以便让大门作业调度Agent决定各个 港口大门Agent开放的通道数量,以及引导外集卡流向适当的港口大门通道,从 而使得CTLS拥有一个良好的集疏运集装箱流,即系统的陆域输入输出高效畅 通。 上面详细阐述了基于HA.AC建模体系下21种Agent中的18种,它们构成 了整个CTLS的核心,也是所有集装箱码头作业的必备部分。至于外集卡Agent、

集装箱Agent和集装箱船Agent它们是CTLS的服务对象,也是CTLS这个复杂
离散开放系统为现代物流体系服务的载体,仅部分受CTLS的影响,故在随后的

建模仿真中处理简单化,只关心其与CTLS相关的属性。依据ABMS的建模思
想,后续章节将讨论采用何种合适的MAS体系结构来组装这些个体Agent,从 而最终建立整个系统的系统模型,以便建模、仿真和优化CTLS。

2.6本章小结
本章主要针对码头集装箱流和信息流分析CTLS的组成特点,并从FMS的 角度分析其运作,提出其相应的作业描述及其位移模型,研究了基于多Agent 的CTLS建模,并根据实体及其相互关系,抽象出CTLS中的核心Agent,并逐 一进行了分析和描述,为随后深入讨论CTLS的建模仿真和调度优化奠定了坚实 的基础。

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武汉理工人学博士学位论文

第3章CTLS和CS的体系结构与调度机制对比分析
3.1引言
众所周知,信息化网络中信息流和数据流的核心处理节点是计算机系统
(Computer System,CS),而集装箱码头物流系统(Container Terminal Logistics

System,CTLS)是国际物流体系中集装箱流的关键中转枢纽。于是自然而然, 将CTLS与CS进行全面系统的比较。结果发现其在各个方面CTLS与CS都十 分相似,具有明显的同质性。 (1)CTLS是典型的离散事件动态系统(Discrete
Element Dynamic System,

DEDS),而现代计算机系统的工作是基于二进制逻辑(Binary Logic)和中断系 统(Interrupt System)的,两者在运作机制的根本上是一致的。在CS中,信息、 指令、状态和数据都是用二进制数表示的,运算和处理也是用二进制数进行的。 这是因为计算机作为一种电子计算工具,是由大量的电子器件组成的,在这些 电子器件中,电路的通和断、电位的高和低,用两个数字符号“1”和“0”分别表示

容易实现。同时二进制的运算法则也很简单,因此,在计算机内部通常用二进
制代码来作为内部存储、传输和处理数据,即计算机系统是一个典型的离散动 态系统。另一方面,中断是计算机中的一个十分重要的概念,在现代计算机中

毫无例外地都要采用中断技术,因此完全可以认为计算机系统一个离散事件动
态系统。而女n-fiij-所述,CTLS是典型的离散事件动态系统,故两者在运作机制上 具有明显的同根性,只不过在集装箱码头中各个设备和资源的状态可能更为复 杂(但其状态同样是动态离散的),但这并不影响两者运作上本质上的一致性。 事实上,文献[19】已经提出基于数字电路的离散系统建模仿真方法,并利用此方 法以集装箱码头卸船过程为例,进行了其数字电路建模仿真和分析【I91。故预基 于计算机体系结构(计算机就是建立在超大规模的数字电路上的)对CTLS进行 描述、建模和仿真是完全可行的。 (2)在当代集装箱码头的运作中,集装箱流及其信息/指令流正好对应于现

代计算机系统(尤其是基于哈佛体系结构的计算机系统)中的数据流(Data

Stream)和指令流(Instruction Stream),这一点为两者的类比、转化以及互相借
鉴奠定了坚实的基础。当然,在现代计算机运作中还有地址总线上的地址流,

37

武汉理上人学博十学位论文

这种流在CTLS中同样存在,因为集装箱无论在船上还是在堆场上都有自己详细

的位置编号(见2.3.1分析),而无论在岸桥、场桥和集卡在对集装箱进行装卸
运输时也都是按照这个位置(地址)编号去进行相应的操作。类似的是,在典

型的计算机段页式存储管理中,计算机中逻辑地址的表示由3部分组成:段号S、 页号P和页内地址d,记作v=(S,P,d)。而在CTLS中,每个集装箱在船上
或堆场上的位置是由一个六元组来确定的(见2.3.1节)。与CS中,有单独的地 址总线不同,在集装箱码头的运作中,每个集装箱装卸运输的源地址和目的地

址是通过随着信息网络通道下发和上传的,即在信息(/指令)流中包含了地址
流的内容(甚至是信息流中一个很重要的组成部分),这是CTLS与CS很大的 一个不同,但这并不妨碍其的高效运作。 (3)CTLS与CS的系统组成与体系结构十分相似。集装箱码头前沿(泊位

+岸桥集合)可以看作是集装箱码头物流系统的中央处理器(Central

Processing

Unit,CPU)集群。集装箱码头前方堆场(Marshalling Yard)则可以认为是CTLS 的主存,集装箱码头后方堆场(Container Yard)是CTLS的辅助存储器。栈桥、 港内道路和集卡池组成的水平运输子系统是CTLS的集装箱流总线(Container
Logistics

Bus),而集装箱码头的锚地、拖轮、和大门等则是CTLS的输入输出设

备,它们共同有机地组成了CTLS,现代物流体系的核心处理节点。 (4)计算机设计的一个主要进步就是存储程序计算机的发明。在集装箱码 头的实际生产中,港口的管理人员可以通过电子数据交换(Electronic
Data

Interchange,EDI)和港口的电子企业门户等现代信息手段提前获得到港集装箱 及其船舶的相关信息,从而事先制定码头的生产计划指导港口的生产。显然港 口的生产计划相当于计算机系统中的程序,当指定的集装箱、集装箱船和用于 集疏运的集卡到达港口时,码头中控室的管理人员查询相关的生产计划,从而 组织其随后的装卸运输。这个运作流程显然和现代计算机的运作的基本原则相

同。当然,在实际的生产中还会根据具体的情况对计划有所调整,而这又正好 类似于计算机中的人机交互来决定程序的具体走向。 (5)如前所述,CTLS是一个高度复杂的,离散的开放系统,所以国内外
不少专家学者就以排队论(Queuing Theory,QT)为工具对CTLS进行相应的分

析与改进,并取得了丰硕的成果,尤其是在港口的岸桥、场桥、集卡调度和堆
场箱位计划分配等方面。众所周知,排队论是现代计算机系统运作的理论基础 之一,而集装箱投入到当代国际物流运输是从1966年开始的,此时基于排队论

的现代计算机系统已经发展了超过20年(1946年第一台现代计算机出现)。那

武汉理工大学博十学位论文

么在计算机科学与技术领域成熟成功的设计以及调度思想显然能够也应该被集 装箱码头的生产调度系统所借鉴,从而提高港口的生产效率和经营效益。 (6)集装箱码头的基础设施和设备(如泊位和岸桥)的投资巨大,这非常 像大型数字计算机系统,硬件设备价格高昂,资源分配(Resource Allocation) 和程序有效性(Program Efficiency)举足轻重,系统效率至关重要,所以制定合 理高效鲁棒的生产计划和调度策略具有重要的意义。 (7)现代机械工程发展的一个很重要方向是柔性制造系统,其由加工、物 流、信息流三个子系统组成,在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自 动化。而CTLS的主体部分相对于FMS省去了加工环节,而主要有两个部分集 装箱流和信息流组成,但毫无疑问,CTLS可以被看作是一个自动化的柔性装卸 运输作业系统,从而借鉴自动化设计原理到现代CTLS中,而自动化设计最为集 中的领域毫无疑问就是CS。

基于以上7点原因,在本章中将对CTLS与CS进行类比,系统地映射分析
两者之间的异同,并从系统组成、体系结构、作业组织和资源分配的角度对CTLS 和CS进行详细地对比分析,得出两者在系统组成的关键部件和作业组织的调度 机制之间的映射关系,从而为随后CTLS的多Agent模型采用何种体系结构和生 产调度框架奠定坚实的基础。

3.2两系统总体视图比较
3.2.1系统层次结构比较
CTLS是当代国际物流网络中集装箱流的中心处理平台,就像CS是现代计 算机网络中数据流的核心处理节点一样。本节首先从系统层次结构方面给出 CTLS与CS的层次结构分析,然后再从系统组成和体系结构的视角展开讨论。 详细对比CTLS与CS的层次结构,不难得出以下结论:1)集装箱码头的平面 布局及其装卸设备资源(包括所采用的装卸工艺)在系统中的地位类似于计算 机的硬件系统及其体系结构,它们两者提供了CTLS运作的物理基础,并从根本 上决定了系统的组成与体系结构;2)集装箱码头的生产调度和管理信息系统可 映射为计算机体系中的软件系统。因为两者都是相互配合通过合理有效的资源 管理与分配,提高CTLS运作的效率,并为用户提供友好的人机交互界面,以使 得用户能够良好地观察、管理和最大化的使用系统,从而使得系统的整体运作

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武汉理工大学博士学位论文

和吞吐量最优。
这里要着重强调的是,在CS中,应用软件、系统软件和硬件系统是一个垂 直调用的支撑关系,即对于一个具体的应用而言,应用软件调度操作系统的服 务,而操作系统驱动系统硬件进行工作。而在CTLS中,集装箱码头的平面地理 位置及其布局是CTLS运作的根本,各种装卸运输设备,则是集装箱码头作业的 基础,生产调度及管理信息系统根据EDI提供的到港船舶、外集卡和集装箱的 相关信息,来制定作业计划和实时组织码头的生产,并将这些信息通过港口各

级门户提供给港口的生产作业人员、生产调度人员、管理决策人员以及各类货
代和船代客户。在CTLS的运作中,生产调度系统驱动码头中的各种装卸运输设 备在码头的地理布局上进行物流作业,显然这是一个类似于计算机系统工作原 理的垂直支持关系。
计算机系统 集装箱码头物流系统

图3.1系统层次结构映射关系

3.2.2顶层视图映射
几乎所有当代的计算机设计都是以普林斯顿高级研究院的冯.诺依曼提出的 概念为基础。这种设计被称为“冯.诺依曼结构"。它基于以下3个关键性的概念: 1)数据和指令存储在单一的“读写存储器’’中;2)存储器的内容通过位置寻 址,而不考虑它容纳的数据是什么;3)以顺序的形式从一条指令到下一条指令 来(除非有明确的修改)执行。在上述的理念下,指令解释器、通用算术逻辑 功能模块(这两者组成了CPU)、I/O部件和存储器构成了整个计算机系统。冯. 诺依曼指出,同一存储器既可以存放指令又可以存放数据。但这样做,显然有 其弊端,也不适合描述和建模CTLS,于是出现了将指令和数据分开在不同的存 储器中存放,并通过不同的总线去访问它们的系统组织结构,即采用哈佛体系

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结构(HarvardArchitecture)。图3.2表示了基于哈佛体系结构的CS的最高层部

件并暗示出它们之间的相互作用,其中CPU负责与存储器间交换数据。为了和
内存交换数据,CPU一般使用两个内部寄存器;一个是存储地址寄存器(MAR), 为下一次读或写指定内存地址;另一个则是存储缓冲寄存器(MBR),容纳写到 内存或从内存接收的数据。类似地,一个I/O地址寄存器(I/OAR)指定了一个 特定的I/O设备;I/O缓冲寄存器(I/O BR)用于I/O模块和CPU的数据交换。 而内存模块分为两个部分,一个存储指令,一个保存数据,且各自包含一组单 元,由连续的编号来定义其地址。每个单元都含有一个二进制数,各自相应可 以解释为指令和数据。I/O模块将数据从外设传送到CPU或存储器,反之亦然。 I/O模块包含内部缓冲器,用来暂时存储I/O数据,直到它们被发送出去【12训。

0,


∞:程序计数-
IR;指令寄存叠 ■蠊=存储嚣地址寄存矗 ■艉=存储嚣缓冲寄存嚣



r2
r1 I/0豫=110缓冲膏存■

I/0艨=I/0地址寄存嚣

图3-2计算机系统部件:顶层视酬124】
可以用类似的视角来看待CTLS的最高层系统组成及它们的相互关系,如图 3.3所示。其中中心控制室、码头前沿的泊位和岸桥组成CTLS的中央处理器群 集,它们负责完成到港集装箱船舶的装卸。由于集装箱船舶的日益大型化和高 速化,CTLS为了提高装卸效率,岸桥往往采用多小车、多吊具,重进重出等先 进装卸工艺,而与之对应的是每个小车下都有相应的内集卡队列正在等待装卸, 那么内集卡、栈桥和港内道路构成了CTLS的总线系统。在集装箱码头堆场,根 据事先制定的堆场计划,对堆场场桥进行合理的调度,完成进口箱、出口箱以 及中转集装箱的堆放和存储。而港口拖轮作业调度系统和港口大门作业调度系 统等组成CTLS的外围输入输出子系统,它们和外界的信息交互与集装箱交换直

4l

武汉理L人学博十学位论文

接构成了CTLS的集疏远体系



国3-3 CT[,S组成:项层视图

武汉理】.大学博士学位论文 3.2.3

CTLS和CS的互连结构映射

汁算机系统由一组相互之州通信的3种摹本类型(CPU、存储器和∞殴备)
的部件或模块组成,实际上,它是一个基本模块的网络。因此,必须有使模块 连接在一起的通路。连接各种模块的通路的集合称为互连结构(Intercormection Structure)。这一结构的设计取决于模块之问所必须交换的信息。图3-4通过指出 CS中每种模块类型的主要输入,输出形式给出了所需的信息交换的种类。

墨l
图3.4计算机组成模块的互连结构[I圳 CTLS的各组成部分的互连结构,如图3-5所示,其同样采用总线结构相连,
而且是一个令牌总线网。只不过此时的系统总线的组成不再是平行的导线,而 足宽阔的港内道路,而内集乍就是总线上的令牌,港内的交通规则决定令牌的



止向。另外,图3.s通过指出CTLS主要组成模块的主要输入、输出形式给出了 所需的信息交换的内容和种类。 (1)码头前沿作业调度系统:根据到港船舶的情况,完成制定的生产计划, 形成文叫的调度指令,对相应的集装箱船舶进行装卸。码头前沿是整个CTLS 运作的核心,整个系统的运转以其为中心,码头堆场、集卡调度、拖轮调度和 大门管理等都以供码头前沿高效运行为基本原则。

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(2)码头堆场作业调度系统:堆场是集CTLS运作最为复杂的部分,一是 因为出口箱、进口箱、中转箱、冷藏箱以及特种箱都需要在堆场上同时处理; 二是因为场桥、内集卡和外集卡等多种装卸运输设备办需要同时被调度分配。 整个集装箱堆区可被分为箱区(Zone)、区段(Block)、贝位(Bay)和箱位(Slot)。 每个箱位根据其箱区号、区段号、贝位号、排(Row)号和层(Tier)号被分配 了唯一的箱位地址。是进场还是出场由中控室下发指令,场桥和集卡作业时的 箱位由即是由箱位地址指定。堆场是港口集疏运体系运转的中心,其他设施服 务于集疏运的如大门、内集卡和外集卡都直接受其制约。 (3)外围系统:集装箱码头的外围系统主要包括拖轮作业调度系统和大门 作业调度系统。它们和集装箱堆场一起构成集装箱码头的集疏运体系。从CTLS 内部的观点来看,它们在功能上与堆场相似。它们都有使得集装箱进场和出场

的两类主要功能。显然,集装箱码头的外围系统可以控制多类设备和资源,每 个与外部交换集装箱的接口借用计算机领域的术语,不妨称之为端口(Port),
并为它分配唯一的地址。他们同时根据需要随时向中控室发送离散事件信号。

图3-5 CTLS组成模块的互连结构

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图3.5同时定义了组成部分之间的交换内容。互连结构必须支持下列类型的 传送: (1)堆场N-fi;S沿:码头前沿在装集装箱船时,可以根据需要装载堆场任意 箱位上的集装箱; (2)前沿到堆场:码头前沿在卸集装箱船时,可以根据事先为该船计划好

的堆区中将集装箱堆码到相应的集装箱箱位中;
(3)外围到前沿:特种箱或因紧急原因需要快速装卸船时,外集卡有时也 可以直接行驶到码头前沿装卸特定的集装箱,但这种处理并不经常出现; (4)前沿到外围:同样,根据用户需求需要紧急提箱时,外集卡也会直接 开到码头前沿直接提箱,这种情况尤见于特种箱; (5)外围到堆场:当然,这是最常见的情况。集装箱经内陆运输(外集卡) 被集箱到码头堆场,等待相应的船舶到港装船; (6)堆场到外围:集装箱被卸船后,堆放在码头堆场上,等待内陆运输(外 集卡)到码头提箱,进行集装箱的到港疏运。

3.3系统组成与体系结构比较
3.3.1整体结构比较
厂,1

港口大门
.j

控制器l?



争 啦

I’

一1运算器 r1.
取 数 存 敷




IIi-
JL

‘>

陆域作业

II

指 夸 1


<乡


请 求 信 号



空箱堆场
储 器
输 出 控 制




重箱堆场 :
]广

集装箱流

{}





{输入杂]

圈堂黟巴

:{集_萋箬货
t’

fI
./

码头前沿操作 码头前沿

(1)以存储器为中心的计算机体系结构

(2)以堆场为中心的集装箱码头平面布局

图3-6 CS和CTLS的整体结构比较【8,125】 CS主要是由控制器、计算器、存储器、输入和输出设备等5大部件组成的, 其中存储器是CS的中心,这也是现代CS体系结构的发展趋势。在计算机执行

45

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程序的整个过程中,存储器是各种信息存储和交换的中心。集装箱码头是集装 箱水陆运输的中转站,其可看作是拥有两个输入输出接口的集装箱流处理系统 (开放的)。一个接口是码头前沿,其负责完成集装箱到相应船的装卸工作,另 一个则是集装箱码头的陆基集卡大门,其负责完成陆运集装箱的集疏运。集装 箱堆场在集装箱码头中起到临时存储集装箱的作用,实际上是船舶装卸作业与 内陆提交箱作业间的一个缓冲区。参看图3-6,很容易发现存储器和堆场是各自

系统运行的中心。如果将CTLS中的集装箱流看作是CS中的数据流,CTLS中
的信息流认为是CS中的指令流,而集装箱码头的装卸运输作业是一种广义的“计 算”,那么整个CTLS就可认为是一个巨大的“数据流”和“信息流”处理系统。于 是下面就具体地从系统组成和体系结构的角度等全方位的逐一地比较两个系 统,其相关的结论和推论如下。

3.3.2码头前沿与中央处理器
如果把码头中控室当作是CTLS的控制器,将每个泊位看作是一路处理器, 那么装备有多个岸桥的码头前沿就可看作是CTLS的中央处理器(Central
Processing

Unit,CPU)群集(Cluster),而整个CTLS则是一个多路多核
and

(Multiprocessor

Multi.core)的集装箱流处理系统。因为装备有一个岸桥的

泊位可以认为是单核的集装箱流处理器,装备有两个岸桥的泊位可以看作是双 核的集装箱流处理器,装备有三个岸桥的泊位则可以等价于三核的集装箱流处

理器,以此类推。而且,CTLS较传统的多路多核计算机系统具有得天独厚的优
势:因为岸桥可以根据装卸生产的需要从一个泊位移到另一个泊位,而这显然 是CS无法做到同时又对提高生产效率和吞吐量大有裨益的。此外,一个岸桥装 备多个吊具是当今集装箱码头装卸工艺的一个发展趋势,而每个吊具完全可以 认为其等价于中央处理器核中的线程。单吊具的岸桥相当于单线程的处理器核, 双吊具的岸桥可认为是超线程(Hyper-Threading)的处理器核,而三吊具的岸桥 则是拥有三个线程处理中心的处理器核。综上所述,可以认为CTLS是一个多路 多核超标量的集装箱流处理系统。 当前中央处理器正向着多核超标量多级流水线的方向发展,而且每个处理 器中的计算核的数目己不再一定是2“个,例如已经有3核的中央处理器。无独

有偶,集装箱码头的核心装卸设备——岸边集装箱起重机也正经历着类似的技
术发展趋势。世界上最大的岸桥制造商振华港机在近年来连续推出双小车岸边

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集装箱起重机、双40英尺箱的岸边集装箱起重机、吊三只40英尺箱的集装箱
起重机以及双40英尺箱双小车岸边集装箱起重机。双小车岸边集装箱起重机充 分体现了计算机体系结构中流水线的设计思想,双40英尺箱的岸边集装箱起重 机体现了超标量体系结构的思想,双小车双吊具则充分体现了超标量体系结构

与流水线的思想,而吊三只40英尺箱的集装箱起重机则体现了三核中央处理器 的技术发展趋势。毫无疑问,岸桥就是CTLS的处理核心,其工艺发展与计算机
处理器毫无相干,但却意外地呈现出同样的规律和趋势。

3.3.3码头堆场和存储器
存储器是CS的核心组成部分,现代计算机系统往往拥有如下的存储器层次

结构:寄存器(Register)…缓存(Cache)…主存(Main Memory)…辅存
(Supplementary

Storage)。这个结构中包括不同层次上的存储器,通过适当的硬

件和软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系结构。CTLS拥有类似的集装 箱存放层次结构。岸桥下等待装卸的集卡是CTLS中央处理器的寄存器,码头前 沿的缓冲区是缓存,而集装箱堆场作为码头前沿和后方集疏运的一个主要缓冲 区则是集装箱码头物流系统的主存。而在集装箱码头所在港区附近的集装箱堆 场则是集装箱码头物流系统的辅存。如2.3.1节所述,码头中的集装箱装卸作业 运输可以表示为一个六元数组的位置转移,那么集装箱在船上的位置可以认为

是计算机系统中程序的逻辑地址,而在码头堆场上的位置是程序的物理地址。
这罩要着重强调的是集装箱码头堆场是CTLS的主存,但其逻辑地址转换为物理

地址的设备却遵循的是计算机系统中辅存——硬盘驱动器的工作原理(见随后
第7章的仿真)。 由于内存使用的所有数据都经过L1缓存,L1缓存是分析内存和改进性能的 基础。改进L1缓存的方法也能够改进L2和L3级缓存的使用,并减少操作系 统的页交换。Pentium 4系列处理器的L1缓存按照64字节块来组织,即缓存块。 缓存可以有256/512行,总共16834/32768字节。每8行为一组(Sets),32/64 行的每一列称为路(Ways)。另一方面,集装箱堆场中的堆存区一般可以进一步 细划为箱区(Zone)、区段(Block)和贝位(Bay)等,且涉及到集卡车道的布 局,具体情况如下: (1)堆存区域细分。堆存区域由多个箱区组成(如箱区A,箱区B等), 一个箱区包含多个区段,每个区段内通常有10多个甚至30多个贝位。奇数贝

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武汉理上人学博十学位论文

位为20英尺贝,相邻的2个20英尺倍可组倍为偶数倍以堆存40英尺集装箱。

每个倍位可堆垛6排,每排最大堆高为4层(这个根据是空箱还是重箱箱区有
所不同,亦与各个码头的情况不同而不同)。每个集装箱堆存箱位可用“箱区.区 段.贝位.排.层”唯一标识。 (2)场内道路布局。堆场内主要通道可分为集卡水平运输车道和集卡作业

车道。各箱区或各区段之间一般留有集卡运输车道,用于集卡水平运输,部分
运输车道亦可供场桥转场;集卡作业车道位于场桥跨距内,只有场桥大车停靠 在某个倍位进行装卸作业时,待装卸的集卡才进入作业车道在轮胎吊下排队等 待,作业完毕后离开作业车道驶入水平运输车道。每个箱区区段通常配备l一2台 轮胎吊,2个轮胎吊之间应该保持最小作业问距,以保证轮胎吊大车和待装卸的 集卡队列互不干扰。 由上述的描述分析可知,CS中主存和CTLS中堆场箱区的组织情况在本质 上是一致的,除了内存的组织是二维的,而箱区的组织是三维的。因此两者的 组织和结构显然是相似的可互为参考和借鉴。

3.3.4码头集装箱进出端口与外设
设备是CS与外界交互的工具,具体负责计算机与外部的输入输出工作。集 装箱进出码头要么是通过集装箱船要么是通过集装箱拖挂车,前者因为水文原 因为防止损害港口,多数使用拖轮顶曳进入泊位或离港而非依靠自身动力,所 以拖轮是CTLS重要的外设;后者进出码头需要通过港口大门办理相关手续,同 样受码头进出通道的约束。所以对于港口来说,CTLS的输入输出设备就是集装 箱船、拖轮、外集卡、和进出集装箱码头的大门进口通道和出口通道等,它们 掌管了集装箱码头中集装箱的进出,形成了CTLS中集装箱流的进出端口,即构

成了集装箱码头的集疏运体系。如果依据CS中对外部设备的分类标准——按照
数据组织形式对上述的输入输出设备分类,因为集卡一次只能运输1.2TEU的集 装箱,港口大门的一个通道一次也只能放行一辆外集卡,所以外集卡和港口大 门属于“字符设备";而集装箱船和拖轮一次可以向CTLS输入输出成百上千乃 至上万TEU的集装箱,所以集装箱船和拖轮是“块设备"。
3.3.5

CTLS的体系结构分析

如3.3.2所述,CTLS是一个多路多核超线程的集装箱流处理系统,即是一

武汉理T大学博十学位论文

个典型的多处理器并行体系结构,是~个“并行计算平台”。而在计算机领域中, 要实现软件并行执行的目标,就必须为多个线程同时执行提供一个硬件平台。 一般而言.可以从两种不同的角度对计算机体系结构进行分类。第一种分类的
依据是计算机在单个时问点能够处理的指令流(1nstllaetion Streams)数量。第二 种分类的依据是计算机在单个时间点上能够处理的数据流(Data Streams)的数

量。因此,任何给定的cs都可以根据其处理指令和数据的方式加以归类。这种 分类方法就是众所周知的F]yrm于1972年提出的Flytm分类法,如图3.7所示。 1966年Flynn提出了如下的定义:(1)指令流(InstructionStream):机器执行的 指令序列:(2)数据流(Data Stream):由指令流调用的数据序列,包括输入数 据和中间结果;(3)多倍性(Multiplicity):在系统最受限制的元件上同时处于
同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

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周3-7 Flynn分类法‘”l

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在上述定义的基础上,Flynn提出了一种对所有计算机进行分类的简单模型, 在今天看来这个模型仍然很有价值,本文亦用该模型来对CTLS进行分类。根据 多处理器中限制要求最多的单元中的指令调用的数据流和指令流的并行度(即 多倍性),他把所有的计算机归为四类:(1)单指令流,单数据流(SISD);(2) 单指令流,多数据流(SIMD);(3)多指令流,单数据流(MISD)i(4)多指 令流.多数据流(MIMD)。以上只是一个粗略的分类,有些机器是上述不同类 型的混合体。但是,这种分类方法可以为计算机体系结构设计制定一个基本框 架。因为M1MD模型可以实现线程级并行机制,所以就成为一般多处理器设计
所选择的系统结构,这同时也是本节的关注点。导致MIMD多处理器格外引人

注目的原因还有两个,一是其灵活性强,■是能够充分利用现有微处理器的性 价比优势【124.1251。

武汉理工大学博士学位论文

CTLS在Flynn分类模型中所处位置正是MIMD,即CTLS是一个典型的多 指令流,多数据流系统。由于每个泊位都是一路CPU,停靠着待装卸的船舶, 即有相应的作业。所以从宏观来看,CTLS是一个MIMD系统。从中观的角度 来看,在每一个泊位上,根据船舶装载仓单的需要,对于泊位上的每一个处理

核心——岸桥,又有各自的指令流和集装箱流,即每个泊位上的装卸运输系统 又是一个MIMD系统。从微观的角度来看,在每一个岸桥上,因为有多个吊具,
同样会有多个集装箱流、集卡流,而同样因为集装箱船装载仓单的需要,岸桥 在一次装卸操作中需要接收多条指令流,即在微观的岸桥角度来看,其仍是一 个MIMD系统。由上可知,CTLS是一个纯粹的多级MIMD系统,故其调度和 决策显然也是一个非常复杂的问题。

3.4集装箱码头生产调度系统与计算机操作系统比较
3.4.1基于排队网络理论的集装箱码头生产调度
如3.2.1节所述,集装箱码头生产调度系统可以看作是CTLS的操作系统,
因为两者的首要功能都是是通过合理高效地管理和分配系统资源来提高系统的 运作效率和整体吞吐量。有鉴于此, 本节将对集装箱码头生产调度的各个子系

统与计算机操作系统中的各个子系统进行对比和映射,使得不仅从系统组成与 体系结构的角度进行对比映射CTLS和CS,而且在运作机制上也充分比较两者,
从而为随后的CTLS建模奠定坚实的基础,也便于将计算机操作系统中成熟的作

业组织和资源分配策略和算法引入到集装箱码头生产调度系统中,以辅助港口
管理人员进行码头生产的计划和调度。 计算机操作系统通过管理计算机资源来调度和控制计算机基本功能,其资 源分配与调度的核心理论和应用基础之一就是排队论。根据第2章中对CTLS 的详细分析,可以发现无论对于进口箱、出口箱还是中转箱,CTLS都可抽象为 一个典型的随机动态多级排队系统。参照2.3小节的CTLS运作及其转化模型,

适当的简化和抽象后,如果从排队论和港口集疏运体系的角度来看待CTLS,可
得出如图3.8所示的CTLS的排队网络模型。由图3.8可以看出,正如3.3.1节

所述,整个CTLS的运作是以码头堆场为中心,以码头前沿生产为核心,以外围
集疏运体系为输入输出的复杂开放系统。在系统的整个装卸作业过程中,各类 装卸作业设备与资源在对不同顾客的服务过程中具有极大的关联性和制约性,

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其生产调度对于系统整体效率的高低具有极大的重要性。同时由于在大多数情 况下,集装箱码头中往往有多条集装箱船同时到港作业,因此集装箱码头的生 产调度系统是一个典型的多任务操作系统。通过对CTLS的排队网络模型分析, 可以将CTLS分为锚地拖轮、码头前沿、水平运输、码头堆场、港口大门等5 个作业子系统。而一般说来,操作系统具有5大管理功能:1)进程管理;2) 文件管理;3)存储管理;4)设备管理;5)作业管理1126J。下面就根据CTLS的 系统组成与运作特点,将操作系统的5大管理功能逐一引入到集装箱码头的生 产调度系统中,并在最后给出CTLS的系统调度层次结构。

图3.8 CTLS的排队网络模型

3.4.2码头前沿调度与处理机调度
如3.3.2节所述,装备有多个岸桥的码头前沿可看作是CTLS的中央处理器

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集群。在计算机操作系统中,一个作业从提交到完成,往往要经历三级调度: 长程、中程和短程调度。即当产生一个新进程时,就执行长程调度,将新进程 加到一组活动进程中,中程调度是替换功能的一部分,它将一个新进程的部分 或全部调入内存以便执行。短程调度真正决定哪一个就绪进程将在下次执行。

由于调度决定了哪些进程将等待、哪些进程被执行,所以直接影响到系统的执
行效率。从根本上讲,调度就是要使队列延迟最小,并优化系统的执行效率。 相似地,一条集装箱船从到港到完成装卸集装箱离港也需要经历三级调度,其 如图3-9所示。一条集装箱到港后,它在锚地等待(锚地显然可以看作是集装箱 码头的外设),当码头中有空闲的泊位、岸桥和拖轮时,它首先经由拖轮调度, 由港口指定相应的拖轮将集装箱船顶入港口。这里的拖轮调度相当于长程调度,

将该集装箱船列入到活动的作业序列中;而后经由泊位调度(中程调度),在拖
轮的协助下集装箱靠泊到指定的泊位,然后拖轮离开,这意味着集装箱船有机 会被岸桥装卸,进入实际的作业;最后进行岸桥调度(短程调度)指定相应的 岸桥装卸该集装箱船。就像进程调度一样,岸桥调度直接决定有限的岸桥资源 分配给哪条集装箱船,并且在整个装卸的过程中根据实际情况的需要随时进行 调配。 集装箱码头的泊位调度方式非常类似于计算机操作系统发展早期所采用的

主要调度方式——多道批处理(Multiprogramming

Batch Processing

Mode)。因为

在现实的生产中是绝不可能让一条集装箱船靠泊到指定泊位,装卸一段时间后, 让出该泊位,回锚区等待集装箱码头的二次泊位分配的。在港口的生产装卸中, 移泊偶有发生,但绝不是退出泊位,而是对该集装箱船的泊位的二次调度。根 据实际生产装卸的需要,岸桥能够从一个泊位移动到相邻的泊位,甚至在当前 装卸的集装箱船并未装卸完毕的情况下,而这与计算机操作系统中的进程调度 有异曲同工之妙。集装箱码头的这种泊位.岸桥调度方式既具有传统多道批处理

方式的优点:同一批内各作业的自动依次执行,改善了主机CPU和I/O设备的 使用效率,提高了吞吐量;又避免了其在批作业处理过程中,用户不能与系统
交互的缺陷。Li等将泊位分配问题看作一个可同时处理多个任务的处理机调度 问题,并假定所有船舶已在港等候靠泊,建立了以船舶总的在港时间最小为目

标的模型,提出了一种分配泊位的启发式算法【791。类似地,Guan等也将泊位分
配问题看作处理机调度问题,其优化目标是最小化带权重的任务完成时间№3‘。

基于上述的分析和文献,可以认为CTLS的泊位分配和岸桥调度是一个多处理器 多任务调度问题。于是在操作系统的多道批处理作业模式中的各种调度策略可

52

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以自然地被借鉴和应用到集装箱码头前沿生产的调度和决策之中。

?/一\≮
-区等待}苎竺竺兰一停靠泊位)!堕!堡H岸轿装卸)

(1)集装箱码头中的船舶状态转换

(2)集装箱码头前沿生产调度层次

图3-9集装箱码头前沿的三级调度

3.4.3堆场管理与内存管理
集装箱码头是集装箱海陆运输的中转站,码头堆场起到临时储存集装箱的 作用,是集装箱码头的重要资源,除直装、直提的危险品箱外,所有的集装箱 从陆运转为水运、水运转为陆运或从水运转为水运,抑或是海铁联运,均需事 先在堆场堆存。而存储器是计算机系统中的关键性资源,是存放各种信息的主 要场所。两者在各自的系统承担相似的功能,提高自身的运作效率是它们的主

要任务。集装满码头堆场的组织管理是整个码头中最复杂的部分,因为进口和
出口集装箱需要同时处理,其实际上是船舶装卸作业与内陆提交箱作业问的一 个缓冲区。 由3.3.3节的描述可知,集装箱码头堆场的组织和管理非常类似于计算机操 作系统内存管理中的请求式分页系统。计算机操作系统中的分页管理是解决内

存碎片问题的一种有效方法,它允许程序的存储空间是不连续的,用户程序的
地址空间被划分为若干个固定大小的区域(称为“页”),相应地,也将内存空间

分成若干个物理块,其中页和块的大小相等。在为进程分配内存时,以块为单 位将进程中的若干页分别装入多个可以不相邻的块中。请求式分页系统的基本 思想是,作业在运行之前,只把当前需要的一部分页面装入内存,当需要其他

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页面时,才自动选择一些页交换到辅存,同时调入所需的页到内存中。这样,

减少了交换时间和所需内存的容量,能支持比内存容量大的作业在系统中运行。 在计算机系统中为了实现请求式分页,系统必须有一定的硬件支持,这包括页 表、快表、内存管理单元(主要是用来完成地址转换)和缺页中断机构【124】。在 集装箱堆场的生产管理中,也有类似的软硬件支撑。如果把每个集装箱在船上
的位置认为是逻辑地址,而其在堆场上的位置是物理地址,那么堆场上的场桥 就可以认为是CTLS中的堆场管理单元,即地址转换机构,集装箱码头管理信息 系统数据库服务器表格中存放各个集装箱的堆放情况的表格就是页表和快表。 页式管理系统的一个主要任务就是选择合适的页面置换策略和算法,因为置换 算法的好坏将直接影响系统的性能,不适当的算法可能会导致系统发生“抖动”。

而在计算机内存页式管理的有益置换策略和算法将能够被集装箱码头堆场的倒
箱问题所借鉴,从而减少码头堆场的倒箱和提高系统的装卸效率。

3.4.4水平运输与总线调度
集装箱码头的水平运输是衔接集装箱码头前沿装卸和码头堆场作业之间的
重要的纽带,也是CTLS生产运作的三大核心组成部分之一。其在基于HA.AC 的CTLS整体建模框架中,相当于系统总线调度。系统总线在CS中往往是系统

的瓶颈,而水平运输亦是港口中联系前沿生产和后方堆场的纽带,如果调度不
当,亦有很大可能成为系统的瓶颈。故随着港口装卸工艺的不断改进,以及岸

桥和场桥效率的不断提高,水平运输日趋重要。从当前码头的装卸工艺发展来 看,主要有3个方面对水平运输影响重大:1)现代集装箱码头的集卡调度已经 逐步抛弃传统的静态调度模式,转向动态调度模式;2)码头前沿岸桥的发展迅
速,双小车多吊具的使用,对集装箱码头集卡调度提出了前所未有的挑战;3)

码头前沿的装卸船作业已经从过去的先卸后装向边卸边装发展,这意味着内集 卡很可能在几乎所有的时间里都是重载状态在港口内行驶,毫无疑问这将加大
集卡以及场桥生产作业的难度。

3.4.5集装箱码头集疏运与I/0设备管理
在计算机操作系统中,I/0设备管理的主要目标之一是如何提高设备的利用
率,即提高CPU与I/0设备之间的并行操作程度,主要利用的技术有:中断技 术、DMA技术、通道技术、缓冲技术【啪m引。设备管理中所蕴含的技术和相应

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的并行性思想对于CTLS来说,同样至关重要。只不过CS中I/O外设提供的数 据和信息保持与当前运行在CPU上的任务并行,而集装箱码头中的集疏运与码 头前沿的装卸作业是一种“异步并行”,即集装箱码头中外设应为以前或日后在码 头前沿装卸的集装箱进行集疏运,码头前沿则为外设以往准备好的集装箱或为 外设以后作业的集装箱进行装卸。这罩需要强调的是,集装箱堆场上所进行的

集疏运行为应该以集装箱码头中为前沿服务的水平运输不受干扰为前提,因为
码头前沿的装卸运作是整个CTLS运作的重中之重。同时又因为现代集装箱码头 的吞吐量巨大,为保证集装箱码头前沿连续流畅的装卸,这些外设又必须保证 良好的系统效率,即与Ij{『沿保持高度的并行性。为达到这个目的,那些在计算 机操作系统设备管理中所用的手段和技术,如中断技术、DMA技术、通道技术、 缓冲技术,其设计思想和理念也完全可以应用到CTLS的规划和调度中来,事实 上它们其中的很多已经被应用到了实际的规划布局和生产作业中。1)引入通道 的目的是使数据的传输独立于CPU,使CPU从繁琐的I/O-1-作中解脱出来。设 置通道后,CPU只需向通道发出I/O命令,通道收到命令后,从主存中取出本 次I/O要执行的通道程序,并执行,仅当通道完成了I/O任务后才向CPU发出 中断信号。港口大门就是CTLS的通道,并且由于港口中往往拥有多个大门通道 所以其是一个多通道系统,并且其输入通道和输出通道是物理独立的。2)直接 主存存取(Direct Memory Access,DMA)是指数据在主存与I/O设备间的直接 成块传送,即在主存与I/O设备间传送一个数据块的过程中,不需要CPU的任 何干涉,只需要CPU在过程开始启动与过程结束时的处理,实际操作由DMA

硬件直接执行完成,CPU在此传送过程中可做别的事情。多式联运港口中的水
水联运和海铁联运子系统,就可被看作是CTLS的DMA,因为两者都是一次与 码头堆场大批量地交换多个集装箱。3)缓冲技术可提高外设利用率,尽可能使 外设处于忙状态。缓冲的思想在集装箱码头中随处可见,几乎是作为保证关键 设备和资源连续运作的一个基本原则,如锚区是码头泊位的缓冲区,停靠暂时 无法靠泊的待装卸集装箱船;码头前沿岸桥和码头堆场场桥下等待装卸的集卡 队列则是保证岸桥和场桥连续运作的缓冲区,也是水平运输和岸桥/场桥作业速 度不匹配的良好解决方案。
3.4.6

CTLS生产调度层次

在CTLS的生产调度系统中,根据上述分析的集装箱码头生产调度系统与计

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算机操作系统的映射关系,可以得到如图3.10所示的CTLS生产调度层次结构。 从图3.10中可以明显看出CTLS装卸作业系统和生产调度系统之间的对应关系, 以及系统组成的各个Agent之间如何相互协作共同完成CTLS的作业任务。显然, 集装箱码头前沿、水平运输与码头堆场的生产调度是CTLS运作的核心部分,它 们直接决定了CTLS的吞吐能力与通过能力。但是,外围的锚地分配、拖轮调度、 和港口大门管理也对CTLS的生产运作有着很大的影响,锚地和拖轮调度不当, 将使得到港船舶的靠泊和离泊效率降低,从而影响码头前沿的装卸生产能力, 而港口大门进口通道和出口通道管理不善,将会直接对CTLS的集疏运体系造成 巨大的影响,从而间接影响码头的堆场作业效率,进而降低CTLS的吞吐能力。
集装箱码头物流系统核心 ff_捌81.tq度与进程控制
蛊灏(,设备)控制决簟Ag∞‘ 泊位分蕞Mgent 岸桥调度^辨nt


l?

港口拖轮作业调度(I/oi爱备)



资源(/琵备)控制决策A鲫t

拖糊度瞎nt I?

?l锚地管理枷nt


f13龇ont

?l岸桥如nt I黼协nt

资源(,设备)作业执行姆小

H锚地船nt

j工
系统总线控镧

资源(,设备)作业执行Ag∞‘

资潦(,设备)控翻决簧A鲫t
内集卡调度_^gent

内集卡Agent

资源(,设备)作蚴行Agent

j【
存储管理

资灞(,设备)控橱决策A鲫t

.—一堆场分配唧t卜、.
场桥调度^gen‘ 堆场管理_^gent

港口大门作业调度(I/O设备)

资湃(,设备)控制;胍geat


场桥^卵nt


堆区^驴nt

l大门作业调蜘tI
港口大['lAgent 资源(/设备)作业执行Ag∞‘

\~。/
资源(,设备)作业执行A鲫t

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图3.10 CTLS的生产调度层次结构

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3.5本章小结
本章主要对基于哈佛体系结构的CS与CTLS进行了类比与映射,结果发现
无论是从系统层次结构、顶层视图、互连结构、系统组成、体系结构,还是从

系统作业组织和资源分配机制的角度来看,两者之间都非常相似,这为建模
CTLS这样一个复杂系统,提供了一个有效的建模体系结构,即用CS体系结构 来建模CTLS。

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第4章基于哈佛体系结构和Agent计算的CTLS建模
4.1引言
在基于Agent的建模思想和方法中,采取的是一种由底向上的建模思路,把 Agent作为系统的基本抽象单位,先建立组成系统的每个个体的Agent模型,然 后采用合适的MAS体系结构来组装这些个体Agent,从而最终建立整个系统的 系统模型。在第2章中,已经利用Agent作为集装箱码头物流系统(Container
Terminal Logistics

System,CTLS)的基本抽象单位,建立了CTLS各个主要组

成部分的Agent模型;而在第3章中则从系统层次结构、顶层视图、互连结构、 系统组成、体系结构以及系统作业组织和资源分配机制等角度则详细论述了 CTLS与基于哈佛体系结构的计算机系统(Compmer System,CS)的相似性。

本章在上述两章的基础上,融合经典的精确计算和分布式控制架构——哈佛体 系结构和典型的分布式控制系统建模模式——基于Agent的计算的设计思想和
方法体系建模CTLS,提出一种基于哈佛体系结构和Agent计算(Harvard
Architecture and Agent.based

Computing,HA.AC)的CTLS建模体系结构,并根

据计算机体系结构的相关技术提出在此体系结构下的交互协作框架和集装箱码

头生产调度模型。

4.2基于HA.AC的整体建模思想
由2.3节的CTLS分析,可知其是一个典型的分布式控制系统,如果将集装 箱码头内的装卸作业看做是一种广义的“计算”,用CS系统组成和体系结构的 思想建模集装箱码头的装卸作业系统和生产调度系统,即用一种精确计算的架 构来构建一个复杂开放系统,那么整个CTLS将都是基于计算机体系框架的(集 装箱码头的信息管理系统显然是基于计算机运转的)。另一方面, 2.5节已经对

CTLS中的各个Agent进行了描述与分析,即从基于Agent的计算的视角将CTLS 的各个组成部分都抽象为相应的Agent,从而整个CTLS便是一个多Agent系统

(MAS),因为无论是物理世界中的装卸作业系统、生产调度系统还是信息世界
中的管理信息系统,它们都是基于Agent进行抽象的。利用精确计算的体系结构

武汉理一r大学博士学位论文

——哈佛体系结构架构CTLS的MAS模型,融合经典的分布式控制架构——哈
佛体系结构和典型的分布式控制系统建模模式——基于Agent的计算两者的优 势,得出一条新的建模仿真优化CTLS运作的途径。由于采用计算机体系结构来
构建CTLS的MAS模型,于是从计算机体系结构中获取CS成熟的设计思想,

并以此为借鉴在基于哈佛体系结构和Agent计算(Harvard
Agent.based

Architecture and

Computing,HA.AC)的CTLS建模体系下,提出CTLS的整体生产

调度模型。在以上的基础上将计算机操作系统的通用调度框架引入到集装箱码 头生产调度系统中,并利用计算机操作系统的资源分配算法和计算智能作为集 装箱码头生产调度策略。最后利用基于Agent的仿真和基于仿真的优化去帮助港 口选择合适的调度策略和设备配置,以帮助港口制定生产计划和调度,从而提 高码头的作业效率和辅助决策规划港口的未来发展。

4.3基于HA.AC的CTLS的建模体系结构
4.3.1

CTLS与CS的组成映射关系

在2.5.1节中,已经将整个CTLS分为21种Agent,这种分类方式其实借鉴 了计算机组成原理、计算机体系结构和操作系统资源调度的思想,尤其是参考 了CS发展的历史和趋势。在计算机发展的初期阶段,中央处理器中的控制器控 制计算机中的所有设备,包括计算器、存储器和输入输出设备。人们很快发现

这样计算机运行有两个重要的缺陷:第一是系统的效率十分低下,因为任何一 个设备的运行都需要控制器的介入;其次是每种设备的运行往往需要单独针对 此种设备的指令集,而中央处理器的指令集不可能如此庞大。鉴于上述的原因,
人们引入图形处理器,中断、通道、直接主存存取等控制单元到CS中,使得控 制器摆脱繁琐的输入输出和存储业务,减轻了其工作负载,使得其能够专注于 程序的核心控制,从而提高了计算机系统运行的整体效率。基于同样的道理, 在CTLS将所有的Agent分为两类,引入多种资源(/设备)控制决策Agent,去

分别控制和调配CTLS中各个生产装卸环节中的设备和资源,这本身也符合 CTLS是一个分布式系统的本质。2.5.1节中CTLS组成的各类Agent可以根据第 3章CTLS与CS的系统组成与体系结构对比分析所得出的CTLS与CS的比较 映射关系,将其一一映射为CS中的关键部件,其映射关系如表4.1所示。

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表4.1系统关键部件的映射关系表
计算机系统 缓冲区管理 作业管理 处理器分配 进程管理 系统总线控制 存储分配 存储管理 内存管理单元 通道 缓冲区 中央处理器 处理器核心 系统总线 主存 页 地址转换结构 I/o设备 I/O设备 I/O设备 I/o设备 I/0设备 数据 集装箱码头物流系统 锚地管理Agent 拖轮调度Agent 泊位分配Agent 岸桥调度Agent 集譬调度Agent 堆场分配Agent 堆场管理Agent 场桥凋度Agent 人门作业调度Agent 锚地Agent 泊位Agent 岸桥Agent 内集卡Agent 堆区Agent 贝位Agent 场桥Agent 锚区Agent 拖轮Agent 港口大门Agent 外集卡Agent 集装箱船Agent 集装箱Agent

4.3.2基于HA.AC的CTLS的建模体系结构
鉴于4.2节所述的基于HA.AC的CTLS整体建模思想和4.3.1节对CTLS中

实体的Agent分类与Cs组件的映射关系,本节提出如图4-l所示基于HA.AC 的CTLS建模体系结构。CTLS是一个复杂、动态、离散的开放系统,基于系统
工程、软件工程和工业工程的方法论,对其建模时考虑作业类型、组织作业的 方法、Agent间的协作机制、港1:3的集疏运体系以及模型运作时的可扩展性和鲁

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棒性,提出了上述的建模体系结构。如2.4节所述,基于HA.AC的CTLS建模 体系将采用典型的多层次分布式控制来管理调度集装箱码头的整个装卸作业流 程,这样将有效地提高码头生产作业的灵活性、高效性和鲁棒性。

图4.1基于HA.AC的CTLS建模体系结构

61

武汉理』=大学博士学位论文

图4.1所示的基于HA.AC的CTLS的建模体系结构旨在将集装箱码头的装 卸作业系统、生产调度系统和管理信息系统融为一体,从而有机地全面整合集 装箱码头物流企业的各项软硬件资源,全面提高企业的日常运作和长远规划水 平。其建模的主要焦点是集装箱码头的装卸作业和生产调度系统,这也是本文 的重点。大体上4.3节中资源(/设备)控制决策Agent是集装箱码头生产调度系 统的拆分,而资源(/设备)作业执行Agent集合即是集装箱码头装卸作业系统。 集装箱码头的装卸作业和生产调度系统的多Agent结构采用计算机的经典体系

结构——哈佛体系结构。其中码头前沿可被看作是CTLS的“中央处理器”集群,
堆场则是CTLS的“主存”:其中泊位指派Agem和岸桥调度Agent组成“CPU” 集群的控制器;泊位Agent和岸桥Agent组成“CPU”的计算器。其余的各个设 备控制类Agent则可认为是CTLS的内存管理、设备管理,例如拖轮调度Agent 可看作是CTLS中的“直接主存存取(Direct MemoryAccess,DMA)”,闸口调 度Agent则可认为是其“通道(Channel)";其它各个设备执行类Agent则可认

为是系统的“总线”与“输入输出设备”。更重要的是在以上的CTLS的建模框架中, CTLS和基于哈佛体系结构的计算机系统十分相似,它们都具有两个自控的存储
器空间,一个是专门储存指令,另一个只储存数据,并且它们各自拥有自己的

总线及控制器。因此,在运行时,机器罩没有总线冲突,而当CPU通过数据总
线进入数据储存器,CPU能同时存取操作指令。在图4.1中,“集装箱流总线” 和“信息流总线"分别能产生数据和指令,而且后者和前者相互协调。它们构 成了CTLS的中枢,且它们之间的同步与协调得到了现代信息技术的充分保障。

4.4

CTLS中各Agent间的交互和协作描述
Agent间的相关性

4.4.1

多Agent系统由多个自主、灵活运作的相对独立主体构成。但是在大部分的
系统中,构成系统的许多成分不仅在结构上存在各种的相关性,而且在行为上 也存在各种相关性。其中主体问的结构相关性是指多个主体在系统构成以及组 织结构等方面存在的相关性,它描述了这些主体在系统中的结构关系;主体之 间的行为相关性是指多个主体的活动和行为之间的关联关系。主体间的相关性 是主体间进行协作,实现主体以及多主体系统的设计目标的起因。有效的协作 将对多主体系统的运行以及系统设计目标的实现产生积极的影响,具体表现为:

62

武汉理工大学博士学位论文

1)防止系统的混乱;2)满足系统的全局性约束;3)实现信息、数据、资源和
服务的共享;4)避免死锁和活锁;5)提高系统的运行性能。而在多主体系统 中,主体之间进行协作的方式也是多种多样的,大体包括以下3种类型:合作、 协商和竞争【坨o‘1221。在4.3所述的基于HA.AC的CTLS建模体系结构中,通过 各个Agent间有效地相互协作,MAS协作对系统所产生的5种积极影响在CTLS

均有明确的体现。而MAS中三种类型的协作在基于HA.AC的CTLS建模体系
结构亦均存在,例如泊位Agent与岸桥Agent、岸桥Agent与集卡Agent、场桥

Agent与集卡Agent之间都是合作关系;而岸桥Agent与场桥Agent在协作一起
装卸集装箱船Agent时,它们之间是协商关系,而岸桥Agent与岸桥Agent之间 竞争内集卡资源时是竞争关系。总体上来说,在基于HA.AC的CTLS建模框架 中,资源(/设备)控制决策Agent与相应的资源(/设备)作业执行Agent之间 是合作或协商关系,而不同的资源(/设备)控制决策Agent之间和不同的资源 (/设备)作业执行Agent之间是协商或竞争关系。CTLS中各Agent的基本关系 如图4.2所示。
4.4.2

Agent间的通信方式

在多Agent系统中,一个Agent要和另一个Agent进行交互和协作,就需要 有相应的方式以便将相关的信息从一个Agent传送到另一个Agent,从而实现 Agent之间的交互。在有完备信息技术支撑的集装箱码头上,即以网络和计算为 基础的多Agent系统中,通信是实现交互的一种主要手段,并且主体之间通常采

用以下几种方式进行通信:消息传递、黑板方式和邮箱方式。在本文所用的仿
真平台AnyLogic中,其对以上三种通信方式皆有较好的支持,而随后的仿真实 验也对这三种通信方式有较为充分的融合应用。 本文所使用的仿真平台AnyLogic对上述的三种通信方式都有着良好的设计 与支撑。1)AnyLogie自身就提供了良好的点对点通信(通过Agent间的Port 动态连接与发送消息)与广播通信(通过Agent所在的Environment)的机制;2)

AnyLogic良好的开放体系结构使得其能够与数据库或者文件服务器进行良好的
交互,而无论是数据库还是文件服务器都可以充当黑板系统;3)而基于仿真的

优化中的优化器可以将所生成的解决方案周期性地投放在邮件服务器中,由仿 真部分周期性地去读取解决方案,同时将仿真结果存放在邮件服务器中,供优
化器读取,来评估相应组合优化解的优劣,而邮件服务器可以根据建模仿真的

武汉理工人学博士学位论文

需要,通过数据库或程序定义的公共带锁区域都可以实现。上述的Agent间的通 讯方式的具体融合实现如图4.3所示。
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图4-2 CTLS中的主要Agent及其相互基本关系

武汉理工大学博+学位论文

图4-3 CTLS中Agent通讯方式的具体实现
4.4.3

Agent间的通信交互定义
由于一直在基于计算机体系结构来建模CTLS,而CTLS亦是一个典型离散

事件动态系统,且各种Agent的状态模式都较为简单,例如泊位Agent,其状态 仅有空闲和占用2种;岸桥Agent的状态只有作业、空闲、移泊和保养4种;场 桥Agent的状态类似,亦只有作业、空闲、移场和保养4种;内集卡则有空载行 驶、重载行驶、等待装卸和保养4种。在CTLS各Agent之间主要传递的是作业 任务量及各自Agem的状态信息,因此,完全可以用二进制来编码定义CTLS中 各Agent之间的通讯内容,如泊位的状态,仅有1位2进制编码,而岸桥、内集 卡和场桥的状态也仅用2位二进制编码即可,至于装卸的工作量,由于现在几

乎没有超过15000TEU的集装箱船,即一艘集装箱船舶在一个码头的装卸箱量不
可能超过30000TEU,那么即可以用15位二进制数来表示,以此类推。所有在

CTLS中通讯的内容都可以利用适当位数的二进制编码来实现,故利用二进制编
码来定义CTLS中Agent之间的通信内容,以此来完成各个Agent间的协作。而 在基于HA.AC的CTLS建模框架中,2.5.2节所述的CTLS中各相关Agent的交 互和协作方式如图4-4所示。从图4.4可以看出CTLS的各个Agent之间交互关 系复杂,一个生产环节的调度往往会受其余多个环节的影响,因此从整体上对 CTLS调度进行综合考虑十分必要。

65

图4—4基于HA—AC的CTLS中Agent间的交互框架



武汉理1二大学博士学位论文

4.5基于HFS—BA的集装箱码头生产调度建模
4.5.1基于属性的有阻塞的混合流水车间问题
混合流水车间(Hybrid
Flow

Shop,HFS),也称柔性流水线(Flexible

Flow

Line,FFL),是两类经典调度问题Flow shop和Parallel shop的推广,其由一系 列处理阶段组成,每个处理阶段有多个并行处理器,其中某些阶段可能只有一 个处理器,但至少有一个阶段存在有两个以上的并行处理器,工件可由并行处 理器中的任一处理器处理,且工件在车间里单向流动。混合流水车间调度问题 是一类具有很强工程背景的组合优化问题,相当普遍地存在于化工、钢铁、制 药等流程工业中。HFS是设备分配和工件排序问题的组合,比一般的Flow shop 调度问题要复杂得多,即使是小规模问题最优求解也比较困难,而较大规模问 题最优求解几乎不可能,该调度问题已被证明是NP.Hard问题,Gupta甚至已经 证明了以最小化makespan为目标函数的两阶段HFS问题就是NP.Hard问题。基 本HFS是由m级的流水车间构成,第j级(J∈{l,2,…,mj)由Mj个相同的设

备组成,每台设备一次只能加工一个工件。调度的对象是一组待加工的工件 iI,2,…,刀j,所有工件的加工路线都是一致的,每个工件都要依次经过m个工序,
所有工序中至少有一个工序中存在并行设备,即至少有一个Mi大于l。工件可 由并行处理器中的任一处理器处理,且工件在车间罩单向流动。调度的环境假

设各阶段之间存在无限缓冲区,工件允许在工序间等待,而工件在完成上一工
序后,如果设备允许,可以无等待地进入下一工序。调度的任务是找到工件的 加工排序和在并行设备上的分配情况,调度的目标则是使得工件的最大完工时 间最小,并且使得同一阶段的并行设备的加工时间相对均衡【129。b¨。 带有阻塞(Blocking)限制的HFS调度问题(HFS.B),其各级设备之间不 存在工件临时存储区,许多实际生产环境,如钢铁、石油化工等流程工业都是 HFS.B环境。在2.3.1和3.4.1节中,已经从柔性制造系统和排队网络理论的角 度论述了CTLS的生产运作,显然两者都是从一种流水线加工的视角来对CTLS

的装卸作业进行分析,可以看出CTLS亦是一个HFS.B的作业环境;另一方面,
在CTLS中被处理的各个集装箱船和集装箱都有各自的属性,规格型号各不相 同,这些属性对于CTLS中的装卸作业和生产调度至关重要,于是下面基于属性 的有阻塞的混合流水车间(Hybrid
Flow Shop with Blocking Based
on

Attributes,

HFS.BA)来描述和建模CTLS的生产调度系统,它比以往所常用的排队网络理

67

武汉理T大学博士学位论文

论更适合于CTLS的生产调度。正如3.3.2节所述,集装箱码头装卸工艺的发展 与计算机系统的演变毫无相干,但却意外地呈现出同样的规律和趋势。通过随 后对中央处理器的技术分析可以发现,其实CPU处理数据的方式同样可以用 HFS.BA来对其进行描述和建模。事实上,也正是因为前面利用计算机体系结构 来建模CTLS,所以期望从CPU的高度处理数据的方式获取更为有效的CTLS 生产调度方式,而最终决定采用基于HFS.BA从CTLS整体运作的角度来描述 和建模的其生产调度。

4.5.2中央处理器与集装箱码头前沿装卸
4.4.2.1处理器组织与集装箱码头前沿装卸工艺
为理解中央处理器(Central
Processing

Unit,CPU)的组织,可以首先考虑

对CPU的要求,它必须做的事情有:1)取指令:CPU必须从存储器读取指令; 2)解释指令:必须对指令进行译码,以确定所要求的动作;3)取数据:

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