CN103593748A - 集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法 - Google Patents

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CN103593748A CN201310608730.5A CN201310608730A CN103593748A CN 103593748 A CN103593748 A CN 103593748A CN 201310608730 A CN201310608730 A CN 201310608730A CN 103593748 A CN103593748 A CN 103593748A
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白子建
柯水平
李新海
李旭彬
王晓华
王新岐
高潮
赵巍
马红伟
张瑞
林小旭
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Abstract

本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，为集装箱码头闸口缓冲区设施如闸口通道数量、缓冲区规模等的布局设计提供量化依据，为码头运营管理时闸口通道和缓冲区域的有效利用提供量化依据，以船舶到离港时间表为边界条件，对集装箱码头闸口前集装箱卡车排队系统进行仿真实验。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法，包括如下步骤：元胞的选择元胞的构成元胞自动机的运行入口元胞自动机模型（一）元胞的初始化（二）元胞自动机的运行出口元胞自动机模型（一）元胞的初始化（二）元胞自动机的运行。本发明主要应用于交通运输站场规划设计。

Description

集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法
技术领域
本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，具体讲，涉及集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法。
技术背景
当前国内外对于集装箱码头闸口缓冲区的研究很少，主要分为以下几个方面：一是通过有关假设建立港口闸口缓冲区排队论解析模型的方式，来对港口闸口缓冲区进行优化设计和管理。如：Morais和Lord于2006年提出著名的码头预约系统（TAS），通过前方码头与后方堆场、货主之间的信息交互，将集疏港高峰期的集卡合理的分布到非高峰期内，以缓解闸口在集疏港高峰期的通行压力，该方法的优点在于充分利用了信息的作用，很好的处理了集卡车集中到港所导致的拥堵问题，但是解决港口高密度集疏港时出现的集卡排队问题。郑学东分析了进出港闸口作业的问题和码头闸口作业影响因素，运用排队论建立了闸口排队分布解析模型，分析闸口车道数量变动和交箱时间变动的情况，针对提高天津港闸口通行能力提出了相关建议。该方法描述了集装箱码头的动态特征，但是其建立的模型是基于排队论理论，研究层面过于宏观，在建立解析模型时存在很多假设，无法全面地反映研究对象的真实状态，不能深入分析研究对象。二是通过建立仿真模型的方法，对港口闸口缓冲区进行优化设计和管理。如施梅超分析了传统闸口的弊端，利用EXTEND仿真软件建立了集装箱港口进出港闸口的仿真模型，并通过仿真对闸口系统进行了优化。该方法应用仿真模型对闸口缓冲区进行了优化研究，提出了“加快闸口检查速度、增加闸口通道数量”等优化措施，但是该方法是不能对到港集卡的行为准则进行定义，其研究处于宏观层面，模型无法贴近实际情况，也就无法保证结果的准确性。另外还有一些研究定性分析闸口缓冲区在运营过程中出现的问题，并针对这些问题提出改良措施来缓解闸口前的拥堵问题，如吴闵分析了集装箱码头缓冲区车辆滞留现象产生的原因，他认为集装箱码头缓冲区的拥堵是集卡司机操作不当和超时停车造成的，针对这些问题，从秩序管理角度提出了治理措施。该方法提出的措施是基于丰富的管理经验的，因此往往能够很好的治理港区内集卡司机的违规操作和超时停车问题，从一定程度上缓解了码头缓冲区的拥堵问题，但是没有对研究对象进行系统分析，往往无法挖掘出问题的根源，解决方案也无法量化，因此无法从根本上解决闸口前的拥堵问题。
从已知文献阅读分析可知，现有关于集装箱港口闸口和缓冲区优化的研究具有以下特点：
（1）当前很多对集装箱闸口缓冲区的研究都是基于宏观理论、建立排队论解析模型，其提出的研究方法也只是停留在宏观层面，无法反映闸口缓冲区交通流中各因素之间复杂的非线性关系，不能精细化地分析研究对象，往往无法达到期待的效果。
（2）很多对集装箱码头闸口缓冲区的仿真研究应用的软件虽然操作相对容易，界面也易于交互，但是在研究过程中不能对仿真模型中的决策主体agent的决策行为进行定义，其研究也就达不到微观层面。因此这些方法都存在不够精细、模型描述不能贴合实际等缺点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在为集装箱码头闸口缓冲区设施如闸口通道数量、缓冲区规模等的布局设计提供量化依据，为码头运营管理时闸口通道和缓冲区域的有效利用提供量化依据，应用元胞自动机模型，对集装箱码头闸口前集卡车排队系统进行建模，以船舶到离港时间表为边界条件，对集装箱码头闸口前集装箱卡车排队系统进行仿真实验。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法，包括如下步骤：
元胞的选择
将入口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为入口闸口通道检查点，闸口检查通道按照功能分为：提箱转栈通道、内贸集港通道、外贸集港通道和应急通道，外贸集港通道和应急通道为特殊通道；
在对出口闸口进行仿真实验时，同样将出口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为闸口通道检查点；
元胞的构成
在入口闸口仿真模型中，列中每一个元胞代表进入闸口通道执行集疏港任务的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点，集港集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为80秒，方差为25；提箱转栈卡车通过闸口检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为60秒，方差为20；
在出口闸口仿真过程中，列中每一个元胞代表从码头内部作业子系统出来进入闸口通道准备离港的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点。集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为50秒，方差为25；
元胞自动机的运行
入口元胞自动机模型
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s；在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真闸口通道检查通过集卡的过程；
（一）元胞的初始化
一维元胞进行初始化：一维元胞队列以船舶到离时间表为边界条件，产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量；
（二）元胞自动机的运行
1)运行规则：该元胞自动机仿真集卡接受入口闸口检验的情况，仿真步长为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞；集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，进入码头内部作业系统；
2)集卡选择队列规则，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候；
3)排队队列的更新，对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s；在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真卡车接受入口闸口检查的过程；
出口元胞自动机模型
（一）元胞的初始化
与入口元胞自动机模型形同，对模型中一维元胞进行初始化。一维元胞队列以船舶到离港时间表为边界条件，由码头内部作业子系统产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量；
（二）元胞自动机的运行
1)运行规则，该元胞自动机仿真集卡接受出口闸口检验的情形，仿真步长依然为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞；集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，离开前方码头；
2)集卡选择队列规则：与入口闸口模型相同，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候；
3)排队队列的更新：对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，每48s放行一个元胞，以仿真集装箱卡车接受出口闸口检查过程；
利用前述步骤进行仿真，分析仿真结果，确定闸口通道数量和缓冲区规模，在节约用地的前提下充分保障闸口的通行效率；或者应用在码头运营管理阶段，通过对闸口运营管理方案的改进，充分利用闸口通道资源，平衡各通道交通流。
本发明具备下列技术效果：
1.为集装箱码头闸口缓冲区研究提供新理论和新的微观仿真方法
本发明应用元胞自动机理论，针对集装箱码头闸口缓冲区建立全新的微观仿真模型，克服了现有技术中应用的宏观仿真方法中的弊病，使得对码头闸口缓冲区集卡车的分析和研究达到精细化程度，充分反映了决策主体——单辆集卡的决策行为对于整个系统的影响，使得模型更加贴近实际情况。
2.为集装箱码头相关设施优化布局和闸口缓冲区优化设计提供新方法
本发明为集装箱码头优化布局和闸口缓冲区优化设计提供全新的方法，即通过微观仿真实验的方法，为码头布局和闸口缓冲区的设计提供最优的解决方案。
3.集装箱码头闸口缓冲区运营管理优化提供新方法
本发明为码头企业闸口缓冲区优化管理提供全新的方法，具体应用元胞自动机模型，确定集、疏港高峰期各功能闸口通道的数量，充分利用现有资源，提高闸口的通行效率。
本发明提供的技术方案具有很强的适用性，本发明可以应用在码头前期建设方案设计阶段，确定闸口通道数量和缓冲区规模，在节约用地的前提下充分保障闸口的通行效率；还可以应用在码头运营管理阶段，通过对闸口运营管理方案的改进，充分利用闸口通道资源，平衡各通道交通流，提高闸口的通行效率，减少到港集卡对于码头周围道路交通的影响。
附图说明
图1码头入口闸口缓冲区排队系统流程图。
图2码头出口闸口缓冲区排队系统流程图。
图3入口闸口前集卡排队示意图。
图4出口闸口前集卡排队示意图。
图5集卡司机选择最短队列示意图。
图6 3个内贸集港通道在内贸集港高峰期卡车队列时空斑点图。
图7内贸集港通道在内贸集港高峰期卡车队列时空斑点图。
图8 2个外贸集港通道在外贸集港高峰期卡车队列时空斑点图。
图9 3个外贸集港通道在外贸集港高峰期卡车队列时空斑点图。
图10 4个提箱转栈通道在提箱转栈高峰期卡车队列时空斑点图。
图11 5个提箱转栈通道在提箱转栈高峰期卡车队列时空斑点图。
图12某码头公司入口闸口卡排队实景卫星图。
图13某码头闸口提箱转栈高峰期提箱转栈通道现状卡车队列时空斑点图。
图14某码头闸口提箱转栈高峰期外贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图15某码头闸口提箱转栈高峰期外贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图16某码头闸口集港高峰期提箱转栈通道现状卡车队列时空斑点图。
图17某码头闸口集港高峰期外贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图18某码头闸口集港高峰期内贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图19调整后某码头闸口提箱转栈高峰期提箱转栈通道现状卡车队列时空斑点图。
图20调整后某码头闸口提箱转栈高峰期外贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图21调整后某码头闸口提箱转栈高峰期内贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图22调整后某码头闸口集港高峰期提箱转栈通道现状卡车队列时空斑点图。
图23调整后某码头闸口集港高峰期外贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
图24调整后某码头闸口集港高峰期内贸集港通道现状卡车队列时空斑点图。
具体实施方式
本发明的技术方案是：
元胞的选择
将入口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为入口闸口通道检查点，如图2所示。闸口检查通道按照功能分为：提箱转栈通道、内贸集港通道、外贸集港通道和应急通道（将其作为特殊通道）。
在对出口闸口进行仿真实验时，同样将出口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为闸口通道检查点，如图3所示。
元胞的构成
在入口闸口仿真模型中，列中每一个元胞代表进入闸口通道执行集疏港任务的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点。集港集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为80秒，方差为25；提箱转栈卡车通过闸口检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为60秒，方差为20。
在出口闸口仿真过程中，列中每一个元胞代表从码头内部作业子系统出来进入闸口通道准备离港的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点。集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为50秒，方差为25。
元胞自动机的运行
入口元胞自动机模型
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真闸口通道检查通过集卡的过程。
（一）元胞的初始化
一维元胞进行初始化。一维元胞队列以船舶到离时间表为边界条件，产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量。
（二）元胞自动机的运行
4)运行规则。该元胞自动机仿真集卡接受入口闸口检验的情况，仿真步长为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞。集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，进入码头内部作业系统。
5)集卡选择队列规则。如图5所示，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候。
6)排队队列的更新。对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真卡车接受入口闸口检查的过程。
出口元胞自动机模型
（一）元胞的初始化
与入口元胞自动机模型形同，对模型中一维元胞进行初始化。一维元胞队列以船舶到离港时间表为边界条件，由码头内部作业子系统产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量。
（二）元胞自动机的运行
4)运行规则。该元胞自动机仿真集卡接受出口闸口检验的情形，仿真步长依然为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞。集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，离开前方码头
5)集卡选择队列规则。与入口闸口模型相同，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候。
6)排队队列的更新。对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，每48s放行一个元胞，以仿真集装箱卡车接受出口闸口检查过程。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
经济发展对于港口作业的压力日益增大，导致很多码头在集疏港时闸口前出现严重的集卡排队现象。很多码头设置的闸口通道数量和缓冲区规模不合理，使得大量集疏港集卡在闸口前排队等待，排队队列甚至延伸到附近道路，造成码头附近交通严重拥堵。而通过分析上述背景技术可知，本发明克服现有仿真软件无法发映出agent个体的非线性行为对系统产生的影响，。为集装箱码头闸口缓冲区设施如闸口通道数量、缓冲区规模等的布局设计提供量化依据，为码头运营管理时闸口通道和缓冲区域的有效利用提供量化依据。本研究采用的技术方案为：应用元胞自动机模型，对集装箱码头闸口前集卡车排队系统进行建模，以船舶到离港时间表为边界条件，对集装箱码头闸口前集装箱卡车排队系统进行仿真实验。
仿真系统基本框架
基于元胞自动机模型的集装箱码头闸口缓冲区仿真系统基本框架如图1所示。集疏港集卡车入港进入码头闸口后判定入口通道是否空闲，如空闲则进入通道接受检查，否则在缓冲区排队等待，直到入口通道空闲方能进入通道；在接受检查后，集卡车进入码头内部进入码头堆场作业子系统进行提箱或交箱等作业，完成作业后到达码头出口大门，同样需要判定闸口通道是否空闲，若空闲进入闸口通道接受检查，否则在缓冲区排队等待，直到闸口通道空闲，方能接受检查，然后离开码头。
元胞的选择
将入口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为入口闸口通道检查点，如图2所示。闸口检查通道按照功能分为：提箱转栈通道、内贸集港通道、外贸集港通道和应急通道（将其作为特殊通道）。
在对出口闸口进行仿真实验时，同样将出口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为闸口通道检查点，如图3所示。
元胞的构成
在入口闸口仿真模型中，列中每一个元胞代表进入闸口通道执行集疏港任务的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点。集港集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为80秒，方差为25；提箱转栈卡车通过闸口检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为60秒，方差为20。
在出口闸口仿真过程中，列中每一个元胞代表从码头内部作业子系统出来进入闸口通道准备离港的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点。集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为50秒，方差为25。
元胞自动机的运行
入口元胞自动机模型
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真闸口通道检查通过集卡的过程。
（一）元胞的初始化
一维元胞进行初始化。一维元胞队列以船舶到离时间表为边界条件，产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量。
（二）元胞自动机的运行
7)运行规则。该元胞自动机仿真集卡接受入口闸口检验的情况，仿真步长为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞。集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，进入码头内部作业系统。
8)集卡选择队列规则。如图5所示，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候。
9)排队队列的更新。对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真卡车接受入口闸口检查的过程。
出口元胞自动机模型
（一）元胞的初始化
与入口元胞自动机模型形同，对模型中一维元胞进行初始化。一维元胞队列以船舶到离港时间表为边界条件，由码头内部作业子系统产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量。
（二）元胞自动机的运行
7)运行规则。该元胞自动机仿真集卡接受出口闸口检验的情形，仿真步长依然为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞。集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，离开前方码头
8)集卡选择队列规则。与入口闸口模型相同，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候。
9)排队队列的更新。对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s。在队列的最前端，每48s放行一个元胞，以仿真集装箱卡车接受出口闸口检查过程。
仿真实验及分析
本微观仿真方法通过不同的仿真实验可以应用在码头优化布局和优化设计、码头运营优化管理两个层面，为码头优化布局和设计、码头运营管理提供科学的最优化方案。
码头优化布局和设计实验
当前，在码头的前期建设规划设计阶段，闸口检查通道数量和缓冲区规模的确定只是通过定性分析，无法保证规划方案的合理性，产生很多问题：若闸口通道数量不足，缓冲区规模过小，导致闸口前集卡排队队列过长、缓冲区无法容纳排队集卡、司机通过闸口等待时间过长、集卡队列干扰港区内交通等问题，从而严重影响了码头作业效率和港区内交通秩序；另一方面，若闸口通道数量过多，缓冲区规模过于庞大，会造成严重的资源浪费。
本实验在以船舶到离港时间表为边界条件下产生的通过码头闸口的交通流下，通过对闸口排队系统进行多次仿真实验，选取典型实验结果分析实验数据，得到码头闸口通道数量和缓冲区规模的最佳解决方案。
（一）内贸集港高峰期仿真实验
经过实地调查得知，集装箱码头内贸集港的高峰期发生在每周的周四、周五，本实验根据由船舶到离港港时间表激发的按时间服从正态随机分布的集卡交通量如表1，对内贸集港高峰期集装箱码头闸口前的集卡排队系统进行仿真实验。
表1内贸集港高峰期到达闸口集卡分布表
时间 到达闸口集卡数量 时间 到达闸口集卡数量
2013-04-18 00 148 2013-04-19 00 131
2013-04-18 01 111 2013-04-19 01 205
2013-04-18 02 121 2013-04-19 02 80
2013-04-18 03 103 2013-04-19 03 117
2013-04-18 04 88 2013-04-19 04 141
2013-04-18 05 54 2013-04-19 05 139
2013-04-18 06 85 2013-04-19 06 181
2013-04-18 07 54 2013-04-19 07 37
2013-04-18 08 106 2013-04-19 08 79
2013-04-18 09 209 2013-04-19 09 129
2013-04-18 10 202 2013-04-19 10 129
2013-04-18 11 207 2013-04-19 11 123
2013-04-18 12 188 2013-04-19 12 122
2013-04-18 13 170 2013-04-19 13 187
2013-04-18 14 166 2013-04-19 14 186
2013-04-18 15 151 2013-04-19 15 82
2013-04-18 16 234 2013-04-19 16 151
2013-04-18 17 216 2013-04-19 17 125
2013-04-18 18 184 2013-04-19 18 86
2013-04-18 19 139 2013-04-19 19 22
2013-04-18 20 199 2013-04-19 20 86
2013-04-18 21 219 2013-04-19 21 84
2013-04-18 22 157 2013-04-19 22 90
2013-04-18 23 141 2013-04-19 23 63
针对码头布局优化问题，本研究对内贸集港高峰期闸口前集卡排队系统进行了大量的仿真实验，选取其中部分结果进行分析，仿真实验结果如下：
图6是在内贸集港高峰期，码头闸口设置3个内贸集港通道时集港卡车在闸口前排队的时空斑点图，横轴表示集卡车的位置，纵轴表示时间，其中每一个黑点代表一辆执行集疏港任务的集卡车，由图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，当前的集港任务量下，在内贸集港高峰期，若在闸口建设中设置3个内贸集港通道，前来执行集港任务的卡车会迅速在闸口前形成很长的排队队列，在仅仅60000秒（近17小时）的时间内，形成了2400米的排队队列，即如设置3个内贸集港通道，需要修建至少3000长的缓冲区，若不修建足够大的缓冲区，集港车辆会严重影响港区内的道路交通，但修建如此大规模的缓冲区从用地角度考虑并不现实，由此可见，修建3个内贸集港通道无法满足内贸集港高峰期的通行需求。
图7是内贸集港高峰期，码头闸口设置4个内贸集港通道时集港集卡在闸口前排队通过的时空斑点图。从图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，若在闸口建设中设置4个内贸集港通道，在为期两天的内贸集港高峰期仿真中，闸口前并没有出现大规模的集卡排队等待现象，在72000s、120000s和144000s时闸口前出现了轻微排队，但是排队的长度并不长，只有一百米左右，可以通过建设100米长的缓冲区来吸收集卡排队队列，有效避免排队等待的集卡延伸至港区内其他道路，影响港区交通。
通过对比实验结果可以得出结论，码头建设时修建4个内贸集港通道和100米长的缓冲区完全可以吸收前来执行集港任务的集装箱卡车，并保证可以使其快速通过。
（二）外贸集港高峰期仿真实验
通过实地考察，外贸集港的高峰期往往出现在每周的周四、周五，本实验根据由船舶到离港港时间表激发的按时间服从正态随机分布的集卡交通量如表2，对外贸集港高峰期集装箱码头闸口前的集卡排队系统进行仿真实验。
表2外贸集港高峰期到达闸口集卡分布表
时间 到达闸口机卡数量 时间 到达闸口机卡数量
2013-04-18 00 140 2013-04-19 00 235
2013-04-18 01 118 2013-04-19 01 118
2013-04-18 02 146 2013-04-19 02 181
2013-04-18 03 110 2013-04-19 03 201
2013-04-18 04 99 2013-04-19 04 168
2013-04-18 05 57 2013-04-19 05 145
2013-04-18 06 53 2013-04-19 06 73
2013-04-18 07 86 2013-04-19 07 86
2013-04-18 08 214 2013-04-19 08 114
2013-04-18 09 238 2013-04-19 09 163
2013-04-18 10 211 2013-04-19 10 152
2013-04-18 11 206 2013-04-19 11 148
2013-04-18 12 196 2013-04-19 12 202
2013-04-18 13 219 2013-04-19 13 182
2013-04-18 14 204 2013-04-19 14 140
2013-04-18 15 213 2013-04-19 15 160
2013-04-18 16 206 2013-04-19 16 97
2013-04-18 17 172 2013-04-19 17 97
2013-04-18 18 91 2013-04-19 18 72
2013-04-18 19 192 2013-04-19 19 61
2013-04-18 20 191 2013-04-19 20 100
2013-04-18 21 201 2013-04-19 21 90
2013-04-18 22 176 2013-04-19 22 72
2013-04-18 23 150 2013-04-19 23 39
应用元胞自动机仿真模型对外贸集港高峰期闸口前集卡排队系统进行仿真实验，结果如下：
图8是外贸集港高峰期，码头闸口设置2个外贸集港通道时集港集卡在闸口前排队通过的时空斑点图。从图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，若在闸口建设中设置2个外贸集港通道，在为期两天的外贸集港高峰期仿真中，闸口检查点处并没有出现很长的集卡排队队列，但是集卡排队队列一直存在，在24000s、60000s处都出现了比较长的排队队列，大约250米，即在设置2个外贸集港通道的情况下，若要使排队等待的集卡不影响港区交通，需要修建超过250米的缓冲区。
图9是外贸集港高峰期，码头闸口设置3个外贸集港通道时集港集卡在闸口前排队通过的时空斑点图。从图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，若在闸口建设中设置3个外贸集港通道，在为期两天的外贸集港高峰期仿真中，绝大多数时间内闸口前没有发生集卡排队现象，到达的集卡可以随到随检，不需要等待。
通过对比两次实验的结果可知，在闸口设置3个外贸集港通道与设置2个通道相比，集卡通行效率要提高很多，还节省了修建大规模缓冲区的资金成本。
（三）提箱转栈高峰期仿真实验
通过实地考察，外贸集港的高峰期往往出现在每周的周二、周三，本实验根据由船舶到离港港时间表激发的按时间服从正态随机分布的集卡交通量如表3，对提箱转栈高峰期集装箱码头闸口前的集卡排队系统进行仿真实验。
表3提箱转栈高峰期到达闸口集卡分布表
时间 到达闸口集卡数量 时间 到达闸口集卡数量
2013-04-16 00 47 2013-04-17 00 110
2013-04-16 01 44 2013-04-17 01 79
2013-04-16 02 50 2013-04-17 02 63
2013-04-16 03 43 2013-04-17 03 52
2013-04-16 04 75 2013-04-17 04 43
2013-04-16 05 36 2013-04-17 05 24
2013-04-16 06 16 2013-04-17 06 8
2013-04-16 07 5 2013-04-17 07 65
2013-04-16 08 46 2013-04-17 08 123
2013-04-16 09 36 2013-04-17 09 128
2013-04-16 10 43 2013-04-17 10 126
2013-04-16 11 40 2013-04-17 11 137
2013-04-16 12 84 2013-04-17 12 135
2013-04-16 13 89 2013-04-17 13 188
2013-04-16 14 67 2013-04-17 14 68
2013-04-16 15 148 2013-04-17 15 180
2013-04-16 16 88 2013-04-17 16 138
2013-04-16 17 125 2013-04-17 17 153
2013-04-16 18 125 2013-04-17 18 47
2013-04-16 19 159 2013-04-17 19 152
2013-04-16 20 172 2013-04-17 20 148
2013-04-16 21 203 2013-04-17 21 198
2013-04-16 22 167 2013-04-17 22 100
2013-04-16 23 72 2013-04-17 23 162
应用元胞自动机仿真模型对提箱转栈高峰期闸口前集卡排队系统进行仿真实验，结果如下：
图10是提箱转栈高峰期，码头闸口设置4个提箱转栈通道，提箱转栈集卡在闸口前排队通过的时空斑点图，由图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，当前的疏港任务量下，在提箱转栈高峰期，若在闸口建设中设置4个提箱转栈通道，前来执行提箱转栈任务的集装箱卡车会在闸口前形成排队队列，并且随着时间的推移，队列不断增长，在仅仅60000秒（近17小时）的时间内，形成了超过2000米的排队队列，若要使提箱转栈车辆不影响港区的交通，需要修建至少3000长的缓冲区，否则，集港车辆会严重影响港区内的道路交通。但从用地角度考虑，修建如此大规模的缓冲区并不现实，由此可见，修建4个提箱通道无法满足提箱转栈高峰期的通行需求。
图11是提箱转栈高峰期，码头闸口设置5个提箱转栈通道，提箱转栈集卡在闸口前排队通过的时空斑点图，由图中闸口前集卡队列随时间演变过程中呈现出的状态可以分析出，当前的疏港任务量下，在提箱转栈高峰期，若在闸口建设中设置5个提箱转栈通道，闸口前并没有形成大规模的集卡排队现象，仅在24000s、72000s时出现了不到100米的集卡排队队列，前来执行疏港任务的集卡可以快速通过闸口，进入码头进行提箱作业。
通过对比两组实验结果可以得出结论，为满足提箱转栈高峰期集卡车的通行需求，码头需要在闸口前设置5个提箱转栈通道。
通过以上实验可以得出码头前期建设规划阶段闸口的建设方案，实验案例中的港口的闸口需要修建4个内贸集港通道、3个外贸集港通道、5个提箱转栈通道和至少100米长的缓冲区。此方案完全可以保证集卡车及时通过闸口进入码头进行提箱送箱作业，并能不影响港区内的道路交通。
码头运营优化管理实验
由于码头公司闸口通道的数量是固定的，缓冲区的规模也是规定的，如何充分利用这些资源成为提高闸口通道通过效率最有效的方法。
本研究充分利用提箱转栈高峰与集港高峰的时间特性，通过可变LED显示屏根据需求改变通道功能，调整各个功能通道的数量，达到缓解闸口压力的目的。
本研究以天津某集装箱码头公司为例，其闸口现状为：3个内贸通道、2个外贸通道和3个提箱转栈通道，缓冲区的规模为80米。其在提箱转栈高峰期（周二周三）和集港高峰期（周四周五）从0点到23点各功能通道的到达集卡数量分别如表4和表5所示。
表4提箱转栈高峰期到港集卡分布表
Figure BDA0000421314590000131
表5集港高峰期到港集卡分布表
Figure BDA0000421314590000132
Figure BDA0000421314590000141
（一）现状仿真实验
考察该码头公司闸口特性，利用元胞自动机模型对闸口排队系统在提箱转栈高峰期和集港高峰期的集卡通过情况进行系统仿真。
a)提箱转栈高峰期仿真实验
应用元胞自动机模型对该码头公司提箱转栈高峰期的闸口排队系统现状进行仿真实验，得出各功能通道集卡排队状况如下：
图13、图14和图15分别是该码头提箱转栈高峰期入口闸口提箱转栈通道、外贸集港通道和内贸集港通道排队系统的时空斑点图。分析集卡排队队列随时间演化呈现出的状态可以发现，在提箱转栈高峰期，提箱转栈通道承受了很大压力，随着时间的推移，闸口前形成了较长的集卡排队队列，集卡司机需要等待很长时间才能接受闸口检查服务进入码头进行装卸作业，队列最长可以达到800米左右，码头公司80米长的缓冲区根本无法吸收，溢出的集卡已经严重影响到港区其他区域的交通。而由于此时并非集港高峰期，外贸集港通道和内贸集港通道（如图14、图15所示）通过的集卡数量很少，图中可以看出，集港通道甚至出现了空闲等待状态，缓冲区一直处于无车等待状态。
b)集港高峰期仿真实验
应用元胞自动机模型对该码头公司提箱转栈高峰期的闸口排队系统现状进行仿真实验，得出各功能通道集卡排队状况如下：
图16、图17和图18分别是该码头集港高峰期入口闸口提箱转栈通道、外贸集港通道和内贸集港通道排队系统的时空斑点图。分析集卡排队队列随时间演化呈现出的状态可以发现，在集港高峰期，内贸集港通道承受了很大压力，随着时间的推移，闸口前形成了较长的集卡排队队列，集卡司机需要等待很长时间才能接受闸口检查服务进入码头进行装卸作业，队列最长可以达到500米左右，从缓冲区中溢出的集卡严重影响到港区其他区域的交通；外贸集港压力虽然不如内贸集港通道大，但是其队列最长也超过了200米，影响到了港区道路交通。而由于此时并非提箱转栈高峰期，提箱转栈通道（如图16所示）通过的集卡数量很少，图中可以看出，集港通道很长时间处于空闲等待状态，缓冲区一直处于无车等待状态。
通过应用元胞自动机对该码头公司闸口排队系统仿真实验，对比分析实验结果可以得出结论：
闸口各功能通道的利用率在提箱转栈高峰期和集港高峰期是极其不平衡的，在提箱转栈高峰期，提箱转栈通道的压力极大，排队队列最长超过了800米，前来提箱的集卡无法被缓冲区吸收，严重影响了港区的道路交通，而集港通道却长时间处于空闲状态；在集港高峰期，情况则相反，集港通道产生了很长的排队队列，提箱转栈通道出现了长时间的空闲状态。由此可以看出，该闸口的经营管理方式是不合理的，无法有效利用空闲的闸口通道资源，降低了码头的作业效率，影响港区的道路交通。
（二）改进方案仿真实验
基于对该码头公司闸口现状问题的分析，本研究提出了闸口经营管理的改进方案：
应用VMS（Variable Message Signs）技术显示该闸口通道的功能，其内容可变，当码头处于集港高峰期时，将一定数量提箱转栈通道变更为集港通道；当码头处于提箱转栈高峰期时，处理措施则相反。以此充分利用通道资源，缓解拥堵通道通行压力，提高码头作业效率，减少集疏港集卡对码头周围道路交通的影响。
为验证方案的实施效果，本研究通过元胞自动机模型对改进方案进行仿真实验。
a)提箱转栈高峰期仿真实验
当码头处于提箱转栈高峰期时，将一个内贸集港通道变更为提箱转栈通道，即此时该码头公司有4个提箱转栈通道、2个外贸集港通道和2个内贸集港通道。通过元胞自动机模型对提箱转栈高峰期闸口排队系统仿真实验，结果如下：
通过分析仿真实验结果可知，在改进方案下，提箱转栈通道并未出现排队现象，其通行压力得到很大程度的缓解，到达的集卡可以随到随检；外贸集港通道由于数量未发生改变，其集卡通行状态也并未发生改变；内贸集港通道由原来的3个变为2个，其通行压力变大，但闸口前并没有出现大规模排队，集港集卡完全可以被缓冲区吸收。由此可见，通过本方案的改进，到达集卡被平衡到各个闸口通道，达到充分利用闸口通道资源的目的。
b)集港高峰仿真实验
当码头处于集港高峰期时，将一个提箱转栈通道变更为内贸集港通道，将一个提箱转栈通道变更为外贸集港通道，即此时该码头公司有1个提箱转栈通道、3个外贸集港通道和4个内贸集港通道。通过元胞自动机模型对集港高峰期闸口排队系统仿真实验，结果如下：
通过分析仿真实验结果可知，在改进方案下，提箱转栈通道由原来的3个变为2个，集卡的分布密度增大，但是并未出现排队现象，外贸集港通道由原来的2个变为3个，其通行压力得到很大程度的缓解，闸口前没有出现集卡排队队列，到达的集卡车可以随时接受闸口检查服务；内贸集港通道由原来的3个变为4个，其通行压力同样得到了很大程度的缓解，闸口前也没有出现大规模的排队现象，到达的集卡车可以快速通过闸口进入码头进行装卸作业。由此可见，通过本方案的改进，到达集卡被平衡到各个闸口通道，达到充分利用闸口通道资源的目的。
通过对本组仿真实验数据的对比分析可知，通过VMS技术对闸口通道功能的调整，可以将到港的集卡均匀的分配到各个通道，充分利用闸口通道资源，提高闸口的通过效率，降低集疏港集卡对码头周围道路交通的影响。
通过对闸口建设方案设计阶段和运营管理阶段的仿真实验，分析实验数据，对比实验结果，可以得出以下结论：
1.在码头优化布局和设计阶段，通过仿真实验得出：在当前的集疏港任务量下，码头的闸口需要设置4个内贸集港通道，3个外贸集港通道，5个提箱转栈通道，在该方案下，集卡车可以及时通过闸口通道，进入港区内进行交提箱作业。
2.在码头运营优化管理阶段，通过上述方案的调整，该码头公司的闸口前并没有出现大量集卡车排队的现象，改良效果明显。可以看出，通过VMS调整闸口通道的功能能够有效的提高闸口的通过效率。

Claims (2)

1.一种集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法，其特征是，包括如下步骤：
建立基于元胞自动机模型的仿真系统：
元胞的选择
将入口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为入口闸口通道检查点，闸口检查通道按照功能分为：提箱转栈通道、内贸集港通道、外贸集港通道和应急通道，外贸集港通道和应急通道为特殊通道；
在对出口闸口进行仿真实验时，同样将出口闸口通道检查口前的集卡排队队列用一列元胞代表，队列最前方的元胞为闸口通道检查点；
元胞的构成
在入口闸口仿真模型中，列中每一个元胞代表进入闸口通道执行集疏港任务的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点，集港集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为80秒，方差为25；提箱转栈卡车通过闸口检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为60秒，方差为20；
在出口闸口仿真过程中，列中每一个元胞代表从码头内部作业子系统出来进入闸口通道准备离港的集卡车，队列最前方为闸口通道的检查点，集卡车通过检查的时间以车为单位，服从正态随机分布，均值时间为50秒，方差为25；
元胞自动机的运行
入口元胞自动机模型
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s；在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真闸口通道检查通过集卡的过程；
（一）元胞的初始化
一维元胞进行初始化：一维元胞队列以船舶到离时间表为边界条件，产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量；
（二）元胞自动机的运行
1)运行规则：该元胞自动机仿真集卡接受入口闸口检验的情况，仿真步长为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞；集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，进入码头内部作业系统；
2)集卡选择队列规则，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候；
3)排队队列的更新，对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s；在队列的最前端，在集港过程中，每84s放行一个元胞；在提箱转栈过程中，每60s放行一个元胞，来仿真卡车接受入口闸口检查的过程；
出口元胞自动机模型
（一）元胞的初始化
与入口元胞自动机模型形同，对模型中一维元胞进行初始化，一维元胞队列以船舶到离港时间表为边界条件，由码头内部作业子系统产生按时间服从正态随机分布的需要进入闸口通道进行检查的集卡数量；
（二）元胞自动机的运行
1)运行规则，该元胞自动机仿真集卡接受出口闸口检验的情形，仿真步长依然为12s，元胞运行的速度为每仿真步长一个元胞；集卡车在进入排队系统之前处于匀速运动状态，当集卡车进入排队队列后，其状态由运动态变为间歇运动态，即跟随前车运动；当完成闸口检查后，集卡变为运动态离开闸口排队系统，离开前方码头；
2)集卡选择队列规则：与入口闸口模型相同，当集卡车司机即将进入缓冲区时，会观察各个闸口通道的车辆排队情况，若当前队列为所有排队队列中最短时，集卡司机会选择不更换队列直接进入当前队列排队等候；若集卡司机发现队列中有比当前队列更短的队列，他会选择变更车道，进入最短队的排队队列等候；
3)排队队列的更新：对于时刻tp队列中的元胞，其下一秒的位置状态为：
x(i,tp+1)=x(i,tp)+v(i,tp+1)
其中：x(i,tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
v(i,tp+1)表示tp+1时刻第i个元胞的速度
仿真初始时刻t0，仿真步长为12s，每一个元胞仿真长度为24m，排队区域的长度为100×24m，集装箱卡车在闸口缓冲区行驶的速度根据文献为每个时间步长行走一个元胞的距离，即2m/s，在队列的最前端，每48s放行一个元胞，以仿真集装箱卡车接受出口闸口检查过程；
利用前述仿真系统进行仿真，分析仿真结果，确定闸口通道数量和缓冲区规模，在节约用地的前提下充分保障闸口的通行效率；或者应用在码头运营管理阶段，通过对闸口运营管理方案的改进，充分利用闸口通道资源，平衡各通道交通流。
2.如权利要求1所述的集装箱码头闸口缓冲区优化设计及交通组织微观仿真方法，其特征是，基于元胞自动机模型的仿真系统基本框架为：集疏港集卡车入港进入码头闸口后判定入口通道是否空闲，如空闲则进入通道接受检查，否则在缓冲区排队等待，直到入口通道空闲方能进入通道；在接受检查后，集卡车进入码头内部进入码头堆场作业子系统进行提箱或交箱等作业，完成作业后到达码头出口大门，同样需要判定闸口通道是否空闲，若空闲进入闸口通道接受检查，否则在缓冲区排队等待，直到闸口通道空闲，方能接受检查，然后离开码头。
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