基于Flexsim集装箱码头装卸系统的仿真

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、机械设计技术, 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方法就是仿真。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 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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 69 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。 70 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题组创建的, 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 71 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 72 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. 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[ 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标准和方法,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。 73 第 36 卷 第 2 期 2007 年 4 月 船 海 工 程 SH IP& OCEAN ENGINEERING Vol. 36 No . 2 Apr . 2007