天津港远航国际矿石码头有限公司 天津 300452
摘要：文中首先概述国内外港口码头系统计算机模拟技术的应用与发展情况；然后针对国外计算机动画模拟技术迅速发展而国内有关部门所掌握的仍然是只能开发数值模拟模型的工具的情况介绍国外有关的计算机动画模拟专用语言系统。
关键词：计算机模拟技术；港口工程；
引言
模拟是以影响系统行为的主要元素及其相互关系来建立系统模型，研究和运行模型从而对系统的行为做出可靠预测的模型化方法对于简单的系统可以建立具有解析解的数学模型进行模拟研究；而具有多个相互关联随机变量或动态行为非常复杂的系统，往往难以或不可能建立这样的模型随着计算机技术的发展在50年代初计算机模拟技术开始被用来建立这类系统的模拟模型。目前在发达国家，计算机模拟技术已经成为广泛使用的为系统提供决策信息的有效手段之港口码头是由船堆场货物集疏运等子系统构成的复杂系统船舶、货物集疏运工具到港时间具有很大的随机性；码头作业受气候条件制约；船舶泊位设备及人员的情况随时间变化；货源组成结构及数量随时间变化；码头的堆场环境受一定的条件制约港口码头系统的这些特点使得计算机模拟技术受到港口规划设计和营运管理人员的重视。
一、模拟技术简介
模拟（simulation）也称作仿真，传统意义上的模拟包括连续型模拟和离散型模拟2类，本文中的“模拟”专指离散型模拟（discrete-eventsimulation）。近年来模拟技术在国外的应用涉及工业、商业、交通运输、军事等诸多领域，被用于系统的分析、设计、诊断评估和预测等各个方面。模拟技术研究的是“系统”，其通常具有复杂性（构成元素多且动态联系复杂）、随机性（系统中包括大量随机因素）和不可试验性（在设计阶段不可能通过物理模型进行试验研究）等特点。在应用模拟技术对某个系统进行研究时，大致可概括为以下步骤：系统分析，对构成系统的每个元素进行数学规律上的描述及系统规则的定量化；模型构造，基于系统分析结果提出概念模型，并利用计算机语言将其转变为仿真模拟模型；模拟试验，仿真模拟模型一般需要通过多次试验的对比来寻求问题的最佳答案，可结合求最小综合成本的方法实现设计方案的优化，当计算成本有困难时，也可通过直接考察系统的运行效果来进行设计方案的比选。建立模拟模型时所需的辅助支撑软件包括：用于复杂编程的一般高级语言，如VC、VB等；用于简单编程的专用语言，如GPSS、SIMAN等；无需编程的可视化建模技术，如Arena等。从表现形式上可分为数值模拟和动画模拟，动画模拟又可分为二维动画和三维动画，与普通动画软件（如3DS）不同，其显示画面由仿真模拟模型驱动，随系统中各构成单元状态的变化而改变，形成动画的效果。
二、模拟技术在港口码头工程设计中的应用
码头装卸系统模拟技术在我国的应用与发展上世纪70年代末，中交第一航务工程勘察设计院有限公司的前身———交通部第一航务工程勘察设计院（简称一航院）承担了秦皇岛港煤码头二期工程的设计任务，当时是我国建国以来引进外资建设的规模最大的港口码头工程，使用第1期日元贷款，OCDI要求项目必须与日本公司联合设计。当时，我国刚刚改革开放，对国际港口工程设计方面的先进技术还缺乏了解，其中就包括计算机模拟技术。为此，一航院、南开大学数学系和中科院应用数学研究所合作进行相关研究，在1982年前后开发出“煤炭出口码头模拟模型”，并成功应用在秦皇岛港煤码头三期工程的设计中。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1984年发表在《系统工程理论与实践》杂志上的“随机模拟在煤码头装卸系统设计中的应用”可能是国内第1篇关于港口工程中应用模拟技术方面的论文。此后，在一航院承担的国内主要散货和集装箱码头工程的设计中都广泛应用了计算机仿真模拟系统，本文将以目前正在进行的黄骅港煤码头三期工程为例，简要介绍在煤炭出口码头设计中应用仿真模型的相关问题。
三、国内外港口系统计算机模拟技术的应用与模拟语言的发展
计算机模拟技术最初应用于军事领域随着计算机的应用以及由于服务和生产系统复杂性不断增加生命周期不断缩短性能要求又越来越高系统规划设计和营运管理部门经常面临要及时作出有关系统的科学决策的形势发展计算机模拟技术逐渐应用到相应的领域但是在60年代初计算机模拟专用语言诞生以前由于计算机的普及程度较低而且只能使用通用计算机语言建立模型模型开发成本高周期长计算机模拟技术的应用发展受到制约90年代以前受计算机技术及计算机模拟支撑软件的发展制约计算机模拟模型绝大部分是数值模拟模型数值模拟的数据比较抽象，不易被理解，其模拟过程是一个按照一定规则运行的黑箱开发者也不能确信，其确定的那些与系统运行时间历程相联系的规则是否完全与用户的要求相一致这使得计算机模拟技术和模拟结果被理解和接受的程度受到限制80年代末计算机模拟技术由数值模拟发展到了动画模拟阶段计算机动画模拟技术虽然以数值模拟技术为基础，但其克服了数值模拟的缺点以直观的图形信息显示系统的动态过程不但适合人的视觉观察而且容易被理解其在系统动态描述可视干涉模拟真实感模拟可靠性模拟结果检验和确认中具有明显的优势此外动画模拟技术极大地方便了模型的调试加速了建立模型的进程因此计算机动画模拟技术进一步推动了计算机模拟技术的应用与普及。
在国外港口系统计算机模拟技术的应用也经历了上述发展历程90年代以前利用通用或专用计算机模拟语言开发了一系列的数值模拟模型以解决港口的规划设计营运管理问最近几年，开始利用专用计算机动画模拟语言研究开发港口计算机动画模拟模型这进一步促进了计算机模拟技术在港口上的应用与发展加速了有关港口决策科学化的进为此港口系统的计算机动画模拟技术被认为是最近几年来的港口开发技术的最新进展之一国内从80年代初开始港口的规划设计和营运管理方面也都开发了一些计算机数值模拟模型但是应用的普及程度较差这一点在港口营运管理方面尤为突出其主要原因一是模型开发的周期较二是数值模拟模型及模拟结果难以为管理人员理解和接受为改变这一现状1996年交通部派出多位工程师赴加拿大学习计算机动画模拟技术；1997年初交通部又委托水运科学研究所举办了两期计算机动画模拟技术培训班。
结束语
模拟技术在我国港口工程的设计中虽有一定应用，但并不广泛，就国内码头装卸系统模型而言，在大宗散货类码头方面的应用较为成功。集装箱码头一般是多台装卸桥同时作业，堆场作业往往具有在水平位置上多点分布的特点。集装箱船均要求根据每个集装箱抵达的目的港和箱重安排其堆放顺序。一般来讲，集装箱集港的时间顺序与装卸船的顺序会不一致，为尽量避免出现倒箱，码头堆场的分配是涉及多因素的复杂过程。目前，国内集装箱码头装卸系统模拟模型对此过程的简化过于理想，涉及堆场作业和车流组织的模拟结果难以反映实际情况。建议加强对集装箱码头现场资料的调研分析，抽象归纳出符合实际的概念模型，这将是今后构造集装箱码头装卸系统模型的研究重点。
参考文献：
［1］杨兴晏，魏恒州.沿海港口集装箱码头合理的泊位利用率分析[J].港工技术，2017（3）：5-7.
[2]彭传圣.集装箱码头计算机动画模拟模型的开发[J].水运科学研究所学报，2016.
[3]罗德润集装箱码头装卸系统的模拟研究港口科技动态2017（12）
论文作者:孟祥峰
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第7期
论文发表时间:2019/10/14
标签：模型论文; 计算机论文; 系统论文; 港口论文; 技术论文; 码头论文; 动画论文; 《建筑细部》2019年第7期论文;