[发明专利]码头堆存容量与靠泊能力匹配的微观仿真方法

摘要

本发明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。本发明主要应用于交通运输场站规划设计和管理。

主权项

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，最后根据船期表，船舶由航道驶离港口；疏港过程：船舶依船期表驶入港口航道子系统，码头装卸作业人员依照制定的船舶积载图在船边卸船模块进行卸船，然后集卡载着集装箱驶入码头道路模块，有一部分集装箱为危险品时，直接通过码头闸口子系统后，到达港区道路子系统，再运往港区外；而大部分被放置在前方堆场模块，若集装箱在前方堆场位置不充足或者若干天后仍然没有提走，则通过码头卡闸口子系统，港区道路子系统转栈到后方堆场，经过在集装箱中心的拆箱后，运往港区外；评价指标：为装卸作业总时间、堆存率、场桥处等待作业的集卡数、岸桥处等待作业的集卡数、码头前沿道路交通状况和港区道路交通状况；其中装卸作业总时间越短越好；堆存率越大越好；场桥处等待作业的集卡数适中较好，一般有两到三辆，保证集卡不在场桥处大量堆积，而是在岸桥处作业或者码头道路上；岸桥处等待作业的集卡数不能太少，防止岸桥作业后没有后续车辆，造成启动岸桥的人力和物力资源的浪费，也不能太多，造成道路的拥挤；码头前沿道路交通状况同样是反应岸桥处等待作业的集卡数以及码头道路状况；港区道路交通状况为闸口外部的交通状况，若没有在闸口处有大量的拥挤，则为匹配度较好；港区道路交通量预测模块：首先对港口规划年的吞吐量进行预测，根据预测的吞吐量生成节点的交通量，结合土地的利用形态，产生生成吸引PA(Production Attraction)矩阵，在交通分配阶段需将生成吸引PA矩阵转化为出发目的地OD(Orignation Destination)矩阵，然后基于已有OD矩阵，考虑港区节点和道路网络的容量约束，建立配流模型，分配的交通量分为一般和高峰两个时段，最后根据分配的结果，对港区各节点约束、港区道路路阻函数进行调整，以期达到港区道路网络交通量的整体均衡；港区道路路网模块：本仿真中涉及多种道路运行规则，其中港区道路交叉口两相位的信号配时方案：(1)交通灯为红灯，除右转车道的车辆外，其余车辆必须在停止线前停车；(2)交通灯为绿灯，当不同方向车辆驶离交叉口时，该方向车辆按照正常规则行驶，否则停车让行；(3)驶入控制区以及在交叉口内部运行的过程中，除左转和右转车辆外其他车辆不能换道或改变方向；(4)当经过信号灯时，如果车辆和后面的车辆的间距小于一个设定值数值时，后面车辆就需要降低速度；在交叉口内部，渠化后的车道按功能不同通常分为直左、直右、专门左转、直行和专门右转5种类型车道；正常行驶时则按照码头前沿道路模块进行更新；集装箱码头堆场模块：重集卡达到前方堆场，同时，有一部分集装箱需要转栈到后方堆场，重箱由船舶配载图，使每个箱子所在的箱区尽量靠近相应船舶所对应的泊位，若条件不允许，则需安排到附近的其它箱区，每个箱区内部，堆场针对集装箱具体箱位的摆放有多种选择方案，通过比较各个方案中所有集装箱装卸完成所耗时间以及成本，选出最优的方案，确定下来箱子的具体位置，集卡将集装箱卸下，空车离开堆场，由船舶配载图我们可以知道集装箱的装船顺序，在寻找下一个离开堆场到船的集装箱时，依据各集装箱的状态确定是否需要翻箱、翻几次；完成翻箱后，将该集装箱装车，重卡离开堆场区驶入相应的码头道路；船边装船作业模块：重集卡驶入相应的码头道路，行驶到相应的岸桥处时，判断岸桥是否是空闲状态，若非空闲状态，则在此处进行排队，等待装船作业；否则，依船舶配载图进行装船作业，完成后空集卡驶出码头前沿道路，驶入堆场区；船边卸船作业模块：船舶靠岸后，空集卡驶入相应的前沿道路，依进口船图确定卸船顺序，然后岸桥执行卸船作业，将箱子放到空集卡上，此时，重集卡驶出码头前沿道路，驶入堆场区。