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
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001]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
[0002]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。
[0003]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:
[0004](I)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。
[0005](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】
[0006]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:
[0007]元胞的选择
[0008]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；
[0009]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；
[0010]元胞的构成
[0011]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 ；
[0012]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 ；
[0013]元胞自动机的运行
[0014]入口元胞自动机模型
[0015]仿真初始时刻h，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100X24m，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；
[0016](一)元胞的初始化
[0017]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；
[0018](二)元胞自动机的运行
[0019]I)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；
[0020]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；
[0021]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:
[0022]X (i, tp+l) =x (i, tp) +v (i, tp+l)
[0023]其中:X(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0024]V (i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0025]仿真初始时刻、，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100X24m，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；
[0026]出口元胞自动机模型
[0027](一)元胞的初始化
[0028]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；
[0029](二)元胞自动机的运行
[0030]I)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；
[0031]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；
[0032]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:
[0033]X (i, tp+l) =x (i, tp) +v (i, tp+l)
[0034]其中:X(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0035]v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0036]仿真初始时刻、，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100X24m，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；
[0037]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。
[0038]本发明具备下列技术效果:
[0039]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
[0040]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。
[0041]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
[0042]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。
[0043]3.集装箱码头闸口缓冲区运营管理优化提供新方法
[0044]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。
[0045]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图
[0047]图
[0048]图
[0049]图
[0050]图
[0051]图
[0052]图
[0053]图
[0054]图
[0055]图
[0056]图
[0057]图
[0058]图
[0059]图
[0060]图
[0061]图
[0062]图
[0063]图
[0064]图图。
[0065]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。
[0066]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。
码头入口闸口缓冲区排队系统流程图。
码头出口闸口缓冲区排队系统流程图。
入口闸口前集卡排队示意图。
出口闸口前集卡排队示意图。
集卡司机选择最短队列示意图。
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。
内贸集港通道在内贸集港高峰期卡车队列时空斑点图。
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。
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。
104个提箱转栈通道在提箱转栈高峰期卡车队列时空斑点图。
115个提箱转栈通道在提箱转栈高峰期卡车队列时空斑点图。
12某码头公司入口闸口卡排队实景卫星图。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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[0067]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。
[0068]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。
[0069]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】
[0070]本发明的技术方案是:
[0071]元胞的选择
[0072]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)。
[0073]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。
[0074]元胞的构成
[0075]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。
[0076]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。
[0077]元胞自动机的运行
[0078]入口元胞自动机模型
[0079]仿真初始时刻、，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100X24m，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。
[0080](一)元胞的初始化
[0081]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。
[0082](二)元胞自动机的运行
[0083]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。
[0084]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。
[0085]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:[0086]X (i, tp+l) =x (i, tp) +v (i, tp+l)
[0087]其中:X (i, tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0088]V (i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0089]仿真初始时刻、，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100X24m，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。
[0090]出口元胞自动机模型
[0091](一)元胞的初始化
[0092]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。
[0093](二)元胞自动机的运行
[0094]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
[0095]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。
[0096]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:
[0097]X (i, tp+l) =x (i, tp) +v (i, tp+l)
[0098]其中:X(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0099]v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0100]仿真初始时刻h，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100X24m，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。
[0101 ] 下面结合附图和【具体实施方式】进一步详细说明本发明。
[0102]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。[0103]仿真系统基本框架
[0104]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。
[0105]元胞的选择
[0106]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)。
[0107]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。
[0108]元胞的构成
[0109]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。
[0110]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。
[0111]元胞自动机的运行
[0112]入口元胞自动机模型
[0113]仿真初始时刻h，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100X24m，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。
[0114](一)元胞的初始化
[0115]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。
[0116](二)元胞自动机的运行
[0117]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。
[0118]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。[0119]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:
[0120]x(i, tp+l)=x(i, tp) +v(i, tp+l)
[0121]其中:x(i, tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0122]v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0123]仿真初始时刻h，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100X24m，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。
[0124]出口元胞自动机模型
[0125](一)元胞的初始化
[0126]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。
[0127](二)元胞自动机的运行
[0128]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
[0129]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。
[0130]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:
[0131]x(i, tp+l) =x(i, tp) +V(i, tp+l)
[0132]其中:X(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置
[0133]v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度
[0134]仿真初始时刻h，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100X24m，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。
[0135]仿真实验及分析
[0136]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。
[0137]码头优化布局和设计实验
[0138]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。[0139]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。
[0140](一)内贸集港高峰期仿真实验
[0141]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。
[0142]表1内贸集港高峰期到达闸口集卡分布表
[0143]
【权利要求】
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h，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 X 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+l) =x (i, tp) +V (i, tp+l)其中:x(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度仿真初始时刻h，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 X 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+l) =x (i, tp) +V (i, tp+l)其中:x(i，tp)表示tp时刻第i个元胞所处的位置v(i, tp+l)表示tp+l时刻第i个元胞的速度仿真初始时刻h，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 X 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。
【文档编号】G06F17/50GK103593748SQ201310608730
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】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 申请人:天津市市政工程设计研究院