1 船舶输运方式Witness仿真方

本文应用Witness仿真软件，结合相关资料，在Witness中建立了描述模型,进行船舶运输方式的仿真优化分析；根据货源地集装箱生成的预测参数和港口的配备情况，优化船舶数量；再现从集装箱的生成到运输至海港的动态过程，分析了船只配置的合理性，研究集装箱调度方案的最优模式。

   1.1 Witness仿真模型 

      图 1-1 船舶疏运Witness仿真模型

      图 1-2 模型输入数据

图1-1为Witness仿真模型，图1-2所示为模型输入数据。数据存储于外部Excel文件中，通过Witness内置函数读取进入模型变量中。这种方式有利于后期模型的维护和参数修改。模型中的时间单位约定为小时。此仿真考虑泸州直达上海与重庆转运上海两种运输模式。

1.2 Witness模型结构说明

在本节中详细描述Witness模型结构与参数设置说明。

1.2.1 集装箱到达模式

模型的主要目的是为了得到领先的船型配比，因此，集装箱的到达模式是一个主要的输入参数，根据相关技术资料显示为集装箱按照均匀分布到达各个城市。集装箱在模型中以“零件”元素代表，设置为主动到达的模式，如下图所示为到达成都的集装箱设置，其他城市设置类似： 

图 1-3 集装箱到达模式

由于集装箱到达的目的地为不同城市，因此，我们以“缓冲区”代表各个城市存储集装箱的地方，在此地集装箱等待汽车运输到目标港口堆场。如上图所示成都的集装箱主动到达成都，以Push to Buf_ChengDu定义。Buf_ChengDu为集装箱在成都城市的暂存区。

集装箱的到达模式为Uniform (0,2 * 24 / Str2Num (Initialization.P_Arrival(3, 2)))，表示为集装箱每批量到达1个，每批量之间的间隔时间为均匀分布。以成都为例，

每天生成量为207，因此每批量之间的间隔时间均匀分布为服从[0,24/207*2]小时区间的均匀分布。上式的定义中Str2Num (Initialization.P_Arrival(3, 2))表示变量存储于二维数组Initialization.P_Arrival的3行2列。以变量指针的方式定义变量的输入。各个城市的集装箱到达如下表所示：

     表 1-1 集装箱到达设置

1.2.2 货船到达模式

模型中的船舶使用“零件”元素代表，模型中分别建立TEU400、TEU300、TEU255、TEU200、TEU150五种零件分别代表五种不同的船型。此外，定义名为SHIP_C的整形属性来代表不同船型的装载容量。定义名为Ship_Velocity的实型属性代表不同船型的速度。200TEU以上的船型只能执行重庆到上海的运输任务，以下以400TEU船型来说明货船的到达模式，如下图所示：

  图 1-4 船舶到达模式

在模型中，我们认为船舶直接在泸州港和重庆港待命。船舶到港时间服从1到10小时的均匀分布，每次到港一艘船舶。

船舶在仿真开始的时刻给定最大到达数量，此最大到达数量表示了400TEU船型在仿真中一共有多少艘。我们的仿真目标也就是去确定各类船型的最优配比，使得集装箱在港口的等待时间在4天以内并且船舶成本最低。如图1-4所示，表示400TEU的船只一共有13艘进入到仿真系统执行任务，而且400TEU船只进入到重庆港：PUSH to ChongQing.BUFF_Ship。具体船舶进入规则如下表所示：

表 1-2 货船到达模式

在每个货船进入到模型时，给每个对应的船型设置容量与速度，如上文所述以两个属性变量来代表这两个参数。如下图所示：

      

      图 1-5 船舶参数设定

如上图所示，400TEU船只进入到系统时，属性Ship_C=400表示容量为400，Ship_Velocity为二维数组中的一个值，即对应为24km/h。其它船型同理。

1.2.3 运输路线模式

    

                                           图 1-6 运输路线分布图

按照给定的集装箱运输路线，在Witness中建立起相对应的路线，红色表示陆路运输通道，灰色为水路运输通道。在模型中均用“路径”元素代表。路径元素允许我们设定起始点，路径时间等参数。对于公路运输的时间，直接设定为给定的公路运输时间，如下图为德阳到重庆的陆路设定：

                               图 1-7德阳到重庆的陆路运输设定

其中经过时间直接给定的是二维数组中的变量，对于水路来说，路径经过时间给定的则是表达式：路径长度/船速，其中路径为已知的变量，船速在船舶进入到模型中的时刻已经给每个特定的船舶设定了特定的船速，因此在一个航道中，船速较快的船舶会超越船速较小的船只。下图所示为重庆到上海的路径设定：

图 1-8 重庆到上海的水路设定

其中的路径经过时间为：Str2Num (Initialization.Sim(9, 3)) / Ship_Velocity + 7。

Str2Num (Initialization.Sim(9, 3))为航道长度，Ship_Velocity为船速，7为过三峡船闸的时间。

1.2.4陆路运输模式

陆路运输假设为有足够的汽车进行运输，因此，只要某一个城市产生集装箱，则通过路径运输到泸州或者重庆。泸州和重庆的堆场用“缓冲区”代表，容量分别设定为9000与12000箱容量，如果堆场满，则集装箱等待。

每一个城市的运输在模型中以“机器”元素代表，以一个广义的机器元素来代表汽车装载集装箱运输到目的地的过程。如下为成都到泸州的设定： 

                              图 1-9 成都到泸州的陆路发送

陆路发送的情况下，每次发送一个集装箱，集装箱按照之前设定的路径进入到各自的目标堆场，在路径上的耗费时间按照运输路线中设定的时间来确定。

1.2.5 水路运输模式

根据技术资料显示，船舶在港停留平均时间为7小时。因此，在代表船舶等待的缓冲区内，我们设置延迟时间为7，如下图所示：

                               图 1-10 船舶在港停留时间

如上图，进入到重庆港的船舶必须等待7小时之后才允许进行装载，以此来模拟船舶的在港时间。对于其他港口的设定也是如此。

在船舶可以进行装船作业并从队列中输出的时刻，判断港口中等待的集装箱数量是否大于船舶容量，如果大于船舶容量，那么当前船舶的装载率为1；如果等待的集装箱数量不大于船舶容量，则当前船舶的装载率=集装箱数量/船舶容量。

水路运输中，在港口的装船按照装配的模式进行仿真。仿真原理为：代表装卸的“机器”首先从船舶等待的队列中拉入一个代表船舶的零件，根据当前船舶的容量和装载率来确定后续可以装载的集装箱数量，认为装载的过程是瞬间完成，因此周期时间设定为0，如下图所示：

                                             图 1-11 船舶装载设定

SEQUENCE /Wait BUFF_Ship#(1),Buf_ChongQing#(Ship_C * LoadRate)此命令强制船舶首先进入到机器中，根据船舶的特定容量属性Ship_C值来确定此船装载多少集装箱，在此我们使用了Ship_C * LoadRate，LoadRate作为装载率。

1.2.5.1泸州直运上海模式

在此运输组织模式下，泸州港的集装箱通过200TUE与150TEU两种类型的船只直接运送到上海港进行卸货。

对于船舶卸载及船舶回程，我们按照拆分的方式来模拟，在上游港口已经把船舶与对应的集装箱组装为一个部件运输到上海港，到达上海港之后进行拆分，船舶回到各自的港口继续进行工作，集装箱则输出到系统之外。设定如下图所示：

              图 1-12 上海港拆分设定

拆分的输出规则按照零件的类型进行判定，如果是TEU400、TEU300、TEU255则直接发送回到重庆港，还是经过上海到重庆的水路；如果是TEU200 、TEU150则发送到泸州港，也是通过水路；如果不是船舶，则推送到系统之外：Push to Ship。

1.2.5.2 重庆转运上海模式

在此运输组织模式下，泸州港的集装箱通过200TUE与150TEU两种类型的船只运送到重庆港进行卸载，之后所有的集装箱在重庆港通过大船运送到上海港进行卸货。

对于船舶由泸州港到重庆港的卸载及船舶回程，我们按照拆分的方式来模拟，在泸州港口已经把船舶与对应的集装箱组装为一个部件运输到重庆港，到达重庆港之后进行拆分，船舶通过水路回到泸州港继续进行工作，集装箱则输出到重庆港堆场。设定如下图所示： 

                         图 1-13 泸州到重庆的转运过程

当泸州港的所有货物都运送到重庆港堆场暂存之后，货物通过重庆港以同样的设定方式由大船运送到上海港进行装卸，之后船舶回到重庆港继续工作，在此不再赘述。

1.2.6 仿真目标设定

在仿真模型中我们定义了几个仿真目标函数以监测各个船型配比下的系统性能，详细如下：

1. 重庆港的货船装载率：RETURN Average_LoadRate(1)

2. 泸州港的货船装载率：RETURN Average_LoadRate(2)

3. 重庆港集装箱时间加权平均等待时间：RETURN ATime (ChongQing.Buf_ChongQing)

4. 泸州港集装箱时间加权平均等待时间：RETURN ATime (LuZhou.Buf_LuZhou)

5. 系统运行的总成本：船舶购置成本+空载惩罚成本+等待时间惩罚成本

A. 船舶购置成本=400TEU * 3.3 + 300TEU * 2.8 + 255TEU * 2 + 200TEU* 1.1 + 150TEU* 0.82

B. 空载惩罚成本= (1 - LoadRate) * 0.001

C. 等待时间惩罚成本= -(96 - ChongQing_WaitingTime ()) * 0.001 - (96 - LuZhou_WaitingTime ()) * 0.001

在仿真优化阶段，我们以系统运行的总成本最小为目标去优化船型配比。

2 仿真优化分析

2.1 泸州直运上海模式

在此次仿真中，我们以系统运行的总成本最小为目标进行仿真优化分析。

 

                   图 2-1泸州直运上海模式仿真分析设定（目标：总成本最小）

设定预热时间为14天，仿真长度为140天进行模拟优化分析。经过优化模块的分析，结果如下：

                             表 21 泸州直运上海模式仿真优化结果

由上表可得出总成本最小的船舶型号配比结果，最优配比的船舶购置费用为117860万元。

2.2重庆转运上海模式

我们同样以总成本最小为目标进行仿真优化分析。

图 2-2 重庆转运上海模式仿真分析设定（目标：总成本最小）

设定预热时间为14天，仿真长度为140天进行模拟优化分析。经过优化模块的分析，结果如下：

       3 小结

由上表可得出总成本最小的船舶型号配比结果，最优配比的船舶购置费用为125320万元。

通过Witness对泸州直达上海的运输组织模式进行了仿真优化分析，得到了各型船舶的领先配比。

Witness的独特建模方式与开放的建模思路保证了用户的高灵活性。可以高效便捷地进行船舶输运类型的仿真分析。

4技术优势

通过上述仿真方案的阐述总结了Witness的一些技术优势如下：

1) Witness建模元素的能力与范围是无以伦比的，正确的模型结构和建模思想能快速组建有效的模型，基本建模元素的丰富功能给建模者提供了最大的灵活性。

2) 提供了迄今为止最为强大的逻辑规则比如PUSH， PULL， LEAST， MOST， PERCENT， SEQUENCE等等，此外IF和MATCH规则的加入更深化了这一点。

3) Witness是少数几个提供层次建模的软件之一，通过不限层级的模块建造，用户可以很方便的克隆并重新使用整个模型。

4) Witness提供了全面的报表功能，任意可以复制和粘贴报表到用户的文字编辑软件里面，提供HTML的输出模式并可以自定义自己的报表和输出。

5) Witness的强大交互性能使得它从很多软件中脱颖而出，很少有产品能提供这样的功能：可以停止一个模型的运行，改变任何的参数继续运行；可以把模型与模型状态保存以便之后导入继续运行；打断流程中的某一环节观察系统的反应；可以倒回和从新播放模型运行的状况（类似于DVD倒带）。

6) Witness 提供了类似于微软系列产品的操作界面使得初学者很容易上手和操作，从而很多软件操作习惯得以继承下来。

7) Witness提供了广泛的数据接口——可以与EXCEL、任何OLE数据库（ORACLE， SQL Server， Access等），CAD系统，XML保存格式等等进行直接的联接。

8) Witness提供了Quick 3D功能，可实现一键式地从2D布局到3D布局的转变，3D直接建立系统模型常常引入不必要的第三维参数从而限制了建模的速度，此外，纯3D建模的方式在建立大模型的时候会变得异常复杂。我们认为，2D模型足以表达系统的特征和工作流程特性，3D只是视觉辅助。

9) Witness拥有领先的无二的优化技术，Witness优化器模块提供了先进且易用的优化算法。

5 WITNESS软件功能模块说明：

模块名称	模块功能说明
WITNESS 13	WITNESS 13 基本包，通过内置或自定义的建模元素进系统建模。定义流程及元素逻辑，通过内置的仿真引擎，快速地进行模型的运行仿真，展示流程的运行规律。
WITNESS 13 Documentor	WITNESS 13 归档器模块，仿真运行完成之后，为仿真模型的结构、模型细节和模型逻辑等创建各种报表，包括：元素名称类型，设备故障调整细节，物料和信息流，活动设计等。
WITNESS 13 Optimizer	WITNESS 13 优化器模块，显著节省优化设计的时间。通过定义关键绩效指标（KPI）以及系统可变动参数的范围，以高效优化算法在所有可能的参数配置中找到最优化的参数组合。
WITNESS 13 Scenario Manager	WITNESS 13 方案管理器，可对系统进行完全的自定义，多次重复运行整个系统，得出考虑随机因素的结果（置信区间），比较各个运行方案下的系统表现。
WITNESS 13 VR	WITNESS 13 虚拟现实模块，二维的工业流程仿真模型，可以快速地生成具有高度真实感的三维的、真实几何尺寸的生产场景。