摘 要

港口集装箱物流系统是一个由港口设备、设施以及人员组成的具有装卸、搬运以及存储集装箱的随机动态的复杂系统。在世界经济发展的背景下，我国的集装箱吞吐量也迅猛发展，港口为了面对更大的发展机遇和挑战，必须提高港口的竞争力，保证港口的规划建设具有前瞻性。港口集装箱物流系统是一个非常重要的系统，为了节约资源，节省人力物力的耗费，利用仿真软件进行建模仿真寻找系统的瓶颈以及缺陷等不足并加以改进优化非常有必要，因此对于港口集装箱物流系统的作业效率、布局规划、设施配置等方面的研究都极其具有实际意义，并且势在必行。考虑到港口集装箱物流系统的动态和离散的特点，选择Petri网理论作为描述工具进行理论分析，针对现实复杂系统中相似和可重复环节，提出使用着色Petri网进行建模研究简化了传统Petri网建模的规模，结合CPN Tools仿真建模工具，对港口集装箱物流系统的作业流程进行仿真分析，通过仿真数据发现集装箱物流系统可能存在的问题或瓶颈，为港口集装箱物流系统的优化建设提供依据。

关键词：港口集装箱物流系统，着色Petri网，CPN Tools，系统建模仿真

Abstract

The port container logistics system is a complex dynamic system consisting of port infrastructure, facilities and manpower, including loading, unloading, handling and storage of containers. In the context of the development of the world economy, China's container throughput has also developed rapidly. Facing greater development opportunities and challenges, the port must improve the competitiveness of the port and ensure that the port's planning and construction is forward-looking. The port container logistics system is a very important system. In order to save resources and save manpower and material resources, it is necessary to use simulation software to model and simulate the real practical system so as to find out bottlenecks and defects of the system, and to improve and optimize it. Therefore, it is extremely practical and imperative for the port container logistics system to study on operational efficiency, layout planning, and facility configuration. Considering the dynamic and discrete characteristics of the port container logistics system, the Petri net theory is selected as the description tool for theoretical analysis. For the similar and repeatable modules in the real complex system, colored Petri nets is competent to simplify the traditional Petri net construction. This research simulates the operation process of the port container logistics system with CPN Tools software, and then finds possible problems or bottlenecks of the container logistics system through simulation data, which provides a guideline for the optimization construction of the port container logistics system.

Key words：Port container logistics system；Colored Petri net； CPN Tools； System Modeling amp; Simulation；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究目标以及论文框架 3

1.4.1 本文的主要研究内容及目标 3

1.4.2 本文的基本框架 4

第 2 章 课题研究相关的理论基础 5

2.1 港口集装箱物流系统建模与分析方法介绍与选择 5

2.2 Petri网相关理论 6

2.2.1 Petri网的发展 6

2.2.2 Petri网理论 7

2.3 本章小结 9

第 3 章 仿真工具CPN TOOLS的介绍 10

3.1 着色petri网简介 10

3.2 CPN Tools介绍 10

3.3 CPN Tools简单的应用示例 12

3.4 本章小结 14

第 4 章 基于着色Petri网的港口集装箱物流系统理论模型建立 15

4.1 港口集装箱物流系统的案例分析 15

4.2 港口集装箱物流系统作业流程 18

4.3 基于着色Petri网的理论模型建立 19

4.3.1 模型的目标 19

4.3.2 模型生产调度的规则 20

4.3.3 模型的系统分析 20

4.4 本章小结 22

第 5 章 基于CPN TOOLS的港口集装箱物流系统建模仿真 23

5.1 基于CPN TOOLS的港口集装箱物流系统模型建立过程 23

5.1.1 模型框架的构造 23

5.1.2 内部变量的声明以及函数的编程 27

5.1.3 监视器设置 28

5.2 数据采集以及分析优化 32

5.3 本章小结 33

第 6 章 经济性分析 34

第 7 章 总 结 35

参考文献 36

致谢 38

绪 论

研究背景

在经济全球化的和国际贸易迅速发展的背景下，海运贸易量不断增长，并且国际贸易中起主导作用的就是海运，其80%中的海运是通过集装箱运输的^[1]。自从上个世纪五十年代以来，集装箱运输发展非常迅速，在国际贸易中的也越来越重要，同时其发展也促使了供集装箱船舶停靠及装卸作业码头的形成，不仅提高了集装箱的装卸效率，还为港口码头区域的经济发展做出了重要的贡献。

现在我国经济发展迅猛，海运业的规模也壮大了起来。根据有关统计数据表明，我国集装箱吞吐量已经多年位于全球首位。这几十年以来我国集装箱吞吐量飞速增长，港口国际集装箱的吞吐量年增长率高达32.9%^[1]。在2001年时港口货物吞吐量就达到了24亿吨，我国的进出口贸易总额达到5089亿美元，占全国总GDP的44%^[5]。在贸易总额中将近有90%的货物都是通过港口集装箱物流系统的水路运输完成的。由于集装箱吞吐量的迅猛发展，港口码头企业经营管理者必须对企业资源进行高效合理的配置规划，以提高设备设施的利用率和作业的效率。

物流系统本身就是复杂的离散时间系统，其中港口集装箱物流系统也是一种典型的复杂离散时间系统，发展的越来越复杂，并且物流系统建设的高成本高风险因素，对于企业来说并不是好的选择。投资港口的资本都是以亿为单位的，就码头前沿的一台国产61吨岸桥就是四千多万，并且港口中设备的数量和配置以及设备的使用效率与港口集装箱物流系统的工作效率和经济利益密切相关。在实际港口的工作时，要尽量使所有的设施和设备都尽可能的充分利用，提高装卸能力和效率，最大化的提高港口的竞争力和经济效益。因此，前期在研究物流系统的时候，对物流系统的仿真模拟是非常关键的过程，仿真模拟与实际的接近程度直接影响到企业的实际方案决策。因此建模仿真成了研究系统的重要手段和工程领域应用于高成本高风险系统的一种辅助决策的方法。

面对集装箱贸易的快速发展，如今港口集装箱物流系统日益凸显，建模仿真的研究以及应用越来越重要，特别是关于作业效率、布局规划、设施配置等方面的研究应用，利用其仿真结果提出指导性建议以及优化方向。本文的研究方向非常符合现实需要。

研究目的和意义

港口集装箱物流系统是一种复杂的离散动态随机系统，其组成包含许多互相联系互相影响的若干元素。传统数学解析方法对于港口集装箱物流系统有一定的局限性，并且如今很难对这种离散动态随机系统建立准确的数学解析模型，即使可以建立模型，也很难得到正确的结果，因此解决港口集装箱物流系统的管理、规划、资源配置等一系列问题根本无法完全依靠数学的方法。如今计算机仿真技术由于可以考虑较多随机因素，所以被广泛应用于离散动态随机系统的建模仿真。所以对于港口集装箱物流系统，我们可以使用计算机软件来进行建模仿真。这种方法具有诸多优点，例如成本低、设计周期短、显示直观等。如今，港口集装箱物流系统在优化理论、算法和仿真建模方面取得了一定的进展，但是距离实际的港口集装箱物流系统依然是有不小的差距，所以需要更加深入的研究。

Petri网是一种可以描述复杂离散动态系统（DEDS）的工具。它可以利用可视化的图形来描述DEDS，能够同时描述该系统的动态和静态结构，而且可以表达出离散动态系统中各个局部间的相互联系与影响。Petri网不仅支持严格的数学逻辑，并且能够层次化、模块化的描述复杂的动态离散系统，还可以进行赋时扩展，对离散系统内部的变化全部捕捉，以此来显示系统的冲突、互斥等现象。Petri网的扩展方式除了时间外，还能够进行增加颜色集等功能的着色扩展，即本文将会使用到的着色Petri网，是一种具有高度抽象性特点的建模方法，相比经典Petri网提高了描述复杂动态离散系统的能力。Petri网的应用和研究到如今已经在港口的许多方向进行展开，例如港口船舶进出港作业流程建模，堆场作业流程建模分析等等。

本篇论文首先利用经典的Petri网理论对港口集装箱物流系统建立基础的理论模型，进一步通过着色Petri网给出了港口集装箱物流系统CPN模型的定义，最后在采用CPN Tools软件对作业流程进行建模仿真，实现本文对港口集装箱物流系统仿真，有助于改进现有港口的生产调度与管理，使各种设备的配置更加合理，充分挖掘港口装卸的生产潜力，利于港口生产方案的决策，最大限度地提高集装箱港口运作的效益。并且针对港口集装箱物流系统的仿真建模研究，还有具有重要的理论意义，以验证着色Petri网和CPN Tools对港口物流集装箱系统的仿真效果，进一步提升建模仿真的深度与广度。

国内外研究现状

随着集装箱运输的迅速发展，港口集装箱物流系统也越来越多的使用计算机建模仿真技术。港口集装箱物流系统仿真研究的内容根据国内外目前的研究现状，可以根据不同的作业系统对港口进行全方面的仿真研究。

Petri网在建模方面特点是更容易处理复杂的系统，因此在建模仿真领域重要性日益显著。Petri网在码头前沿作业区域中的应用，如：邱跃龙等^[2]利用时间Petri网对集装箱码头自动导引车AGV系统建模并进行性能分析；容芷君等^[3]在Petri网的基础上提出了AGV的避碰策略；张新艳等^[4]采用Petri网，结合面向对象的方法对码头装卸系统进行建模研究；唐臣^[5]以集装箱码头通过能力为仿真目的，利用随机Petri网结合仿真软件进行了建模分析；黄国梁等^[6]分析了散货码头工艺系统的特点，研究了基于Petri-Net理论的建模方法并在Witness平台上实现仿真；张玉洁^[7]基于赋时着色Petri网，针对铁路集装箱各个作业过程流程建立了模型，以流程周期时间为指标，采用Exspect软件包进行仿真；陈秋琳等^[8]针对集装箱码头进口箱作业流程采用赋时Petri网进行建模，并对所建模型进行仿真验证；蔡芸^[9]为分析堆场起重机的运作过程，利用Petri网理论建立了堆场起重机的OPN模型，并用eM-Plant软件进行仿真，验证了模型的正确性，为堆场装卸工艺性能分析提供依据；Liu Chin I.等^[10]采用赋时Petri网对自动化集装箱码头进行建模与分析；Kia M等^[11]采用仿真分析装卸技术对码头作业及容量的影响；美国的DAS等^[12]以跨运车为研究对象，以最小化其空驶距离与客户等待时间为目标，设计了仿真调度程序为码头调度人员提供调度方法上的参考。

从以上国内外研究现状可以看出，Petri网被应用于各种工程系统的建模分析频率很高，尤其是着色Petri网，是一种非要直观出色的建模工具。着色Petri网能够对物流系统进行分层次分解，使一个复杂的系统从整体到局部进行分析通过层次结构处理大型复杂系统，通过颜色集去掉系统中多余的结构，简化并优化系统。基于大型物流系统的复杂性、庞大性、层次性，着色Petri网非常适合应用于大型复杂物流系统的建模。在比较众多建模软件后发现CPN TOOLS是一个优秀的仿真工具，利用该工具能够方便地建立可执行的图形化层次化模型，通过模型的运行直观地找出系统中还存在的问题，通过修改参数或其他方式形象地模拟物流系统的整个过程。因此，本论文采用着色Petri网对港口集装箱物流系统进行建模仿真分析，以切合港口实际的角度出发，利用仿真工具CPN Tools进行仿真分析，找出系统的瓶颈或者问题所在，并提出优化建议。

研究目标以及论文框架

本文的主要研究内容及目标

本论文首先深入学习港口集装箱物流系统，了解该系统的组成、设施、布局和作业流程。在Petri网的基础上，学习着色Petri网的建模方法，并利用着色Petri网的建模工具，针对港口集装箱物流系统的作业流程进行分析。首先以基础Petri网为基本理论，对港口集装箱物流系统进行理论分析，建立初步的模型，在逐步使用着色Petri网，最后运用CPN Tools对模型进行仿真运行，得到仿真结果，最后进行数据分析，提出优化建议，从而为提高港口集装箱物流系统的生产效率，提高设施设备的利用率提供理论依据。

本文的基本框架

本论文在研究国内外相关港口集装箱物流系统论文的基础上，回顾Petri网建模方法理论并学习CPN Tools建模软件，针对港口集装箱物流系统，构建相应的着色Petri网模型，通过CPN Tools将构建好的着色Petri网模型进行仿真分析，将分析结果进行优化。图1.1为论文研究的基本路线。

图1.1 论文研究路线

根据研究的基本路线，本文的主要的内容框架：第一章探讨研究意义结合国内外研究现状整理背景资料；第二章对离散系统的建模方法进行选择，并介绍所选择的Petri网理论；第三章对Petri网的高级网着色Petri网以及仿真工具CPN Tools进行介绍；第四章对港口集装箱物流系统进行分析整理，建立理论模型；第五章利用仿真工具建模得到数据结果进行分析；第六章作为论文经济性分析；第七章总结。

课题研究相关的理论基础

港口集装箱物流系统建模与分析方法介绍与选择

物流系统中通常有多个子系统，其中港口集装箱物流系统就是典型的多子系统集成的高级物流系统，港口集装箱物流系统属于典型的离散事件动态系统，简称为DEDS^[2]（Discrete Event Dynamic System）。离散事件动态系统代表的是一种人造系统，即系统运行的过程是由许多系统中的离散事件所触发，并且系统也随之发生而时刻发生状态变化，并且符合人为规则的系统。由于离散事件的发生是随机的，很难借助常规的数学工具（例如差分方程和微分方程）对系统的问题进行描述和求解，如今计算机以及自动化技术的崛起，极大的推动了DEDS研究理论的形成与发展。离散事件动态系统与连续变量动态系统相比较起来，DEDS拥有与之完全不同的问题描述方法和运行机制。根据利用若干的数学建模方法，离散事件动态系统已经发展了很多种建模的方法，例如Petri网、自动机^[5]、马氏过程、排队网络等。港口集装箱物流系统主要是研究其作业流程中设备和设施的利用率，所以要以时间为轴来分析研究系统的作业情况。这类方法主要包含有马尔可夫链、形式语言与自动机和Petri网。

马尔可夫链的名称是来自于俄国数学家安德雷·马尔可夫，为了纪念他的研究所以命名为马尔可夫链，是一种研究符合马尔可夫性质且存在于离散的指数集和状态空间内随机过程的建模方法，其应用广泛，常用来研究动力系统的数学建模，在物流系统中常被用来解决可靠性分析等数学问题；形式语言与自动机中的主要工具是形式语言，其作用是分析离散动态时间系统中的行为并且可以作为系统的监视器，离散动态时间系统监控方面的基础方法就是形式语言与自动机，主要应用在各种工程的控制领域；Petri网发展到今天应用非常广泛，应用的方面有计算机建模和分析、工业生产管理、供应链管理等众多领域，其同时兼顾图形和严格数学逻辑理论的特点，并且表示方法直观，当今被认为是研究离散动态事件系统最有效的工具。如今Petri网的出现已经实现了复杂离散系统动态行为的直观图形描述和严谨的数学逻辑，并且已经成为最为活跃的建模方法。所以本文选择了Petri网作为基础理论，来研究港口集装物流系统。Petri网理论将会在本章后续部分详细介绍。

表2.1 建模方法特点比较

针对于建模方法的选择，根据表2.1的特点对比，本文选择了Petri网进行建模，总结了Petri网的如下优势：Petri是具有优秀图像化建模形式，并且已经发展多年具备了非常严格的语言系统，并且非常直观，便于入门，十分适合描述大型系统。服从于严格的数学理论，分析能力突出，通过系统的状态来描述模型，根据准确的状态描述可以更好地区分系统的状态，还可以通过层次化的建模对模型进行一定的建模等等。总之，Petri网是对港口集装箱物流系统的非常适合的描述工具，也是本文选择其作为研究工具的原因。

Petri网相关理论

2.2.1 Petri网的发展

Petri网^[1]是从联邦德国的卡尔·A·佩特里所建立的系统模型流传下来的理论，1962年的时候，他在他的论文中模拟通信系统时，独创性的使用了网状结构来模拟，出自于《用自动机通信》这篇文章中。如今Petri网不仅表示这种类型的模型，还指代以此模型为基础的逐渐发展的理论，又称网论（net theory）。

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