钢铁企业铁路运输系统仿真优化研究.pdf

1、北京交通大学硕士学位论文基于AnyLogic的钢铁企业铁路运输系统仿真优化研究姓名：郑友妍申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：吕永波20090601摘要铁路运输是钢铁企业厂内运输的主要方式在钢铁企业铁路运输系统的优化中，需要对铁路运输系统的能力现状进行查定，找出铁路运输系统运能提升的症结所在。由于传统的铁路运输能力计算方法存在计算过程繁琐和计算精度较低等不足，论文提出了采用计算机模拟仿真的方法对钢铁企业铁路运输系统实施优化，为厂内铁路运输组织的优化、以及各种铁路布局方案、运输设备的合理配置提供了一种科学的研究手段。论文分析和研究了钢铁企业铁路运输系统的特点，引入排队论的理论和方法，构建了

2、铁路运输能力利用判定的多项指标，为运输仿真优化提供了理论基础。在仿真系统实现过程中，论文设计了钢铁企业铁路运输仿真系统的总体结构，并划分各子系统模块，定义了系统的各项功能。通过逻辑流程的建立及其与仿真显示的关联，实现了仿真系统运输流程模拟；通过对钢铁企业厂内铁路运输调度策略的分析，定义了运输仿真模型的调度规则；并分析和研究了铁路运输仿真系统运行模拟中死锁问题产生的原因，建立了动态区段预约模型，较好的解决仿真系统中的死锁问题。最后，论文以某钢铁企业咽喉区为例，开发了钢铁企业铁路运输仿真系统，并根据仿真系统运行的各项显示结果，提出了运输系统优化改造的措施建议，验证了上述理论和方法的可行性和工程实用

3、性。关键词：计算机仿真铁路运输系统优化A n y l o g i c分类号：U 2 9 4 8：U 2 9 2 5A B S T R A C TT h er a i l w a yt r a n s p o r ti st h em a i nf o r mo ft r a n s p o r ti ni r o na n ds t e e lf a c t o r y I ti sn e c e s s a r yt oa s s e s st h ea v a i l a b l ec a p a c i t yo ft h er a i lt r a n s p o r t a t i

4、o nt of i n dt h ep r o b l e m st ol i f tt h a ti nr a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o n B ym e a n so ft h ea n a l y s i sa n dc o n t r a s ta b o v et h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d st oc a l c u l a t ec a p a c i t yo ft h er a i lt r a n s p o r t a t i

5、 o n,t h ep a p e rp r o p o s e st oo p t i m i z er a i l w a yt r a n s p o r to fi r o na n ds t e e lf a c t o r yb yc o m p u t e re m u l a t i o n,w h i c hp r o v i d e sas c i e n t i f i cr e s e a r c hm e t h o df o ro p t i m i z a t i o no fr a i lt r a n s p o r to r g a n i z a t i

6、o ni n-p l a n t,l a y o u ts c h e m eo fr a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n da p p r o p r i a t ea l l o c a t i o no ft h et r a n s p o r t a t i o nd e v i c e T h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a i l w a yt r a n s p

7、 o r ts y s t e mb a s e do nt h eq u e u i n gt h e o r ya n de l a b o r a t e si n d e xt oj u d g et h ec a p a c i t yo ft h er a i lt r a n s p o r t a t i o na st h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l et or a i l w a yt r a n s p o r ts i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n I nt h ep r o

8、 c e s so fi m p l e m e n t i n gr a i l w a yt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m，t h i sp a p e rd e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h er a i lt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m，d i v i d e si ti n t ov a r i o u ss u b s y s t e mm o d u l e s，a n dd e s

9、i g n st h ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h es y s t e m T h i sp a p e rr e a l i z e st h es i m u l a t i o no ft r a n s p o r tp r o c e s s e st h r o u g hc r e a t i n gt h el o g i c a lp r o c e s sa n di t sc o r r e l a t i o nw i t ht h es i m u l a t i o ns h o w n S e c o n d l y

10、,t h i sp a p e rs t u d i e st h es c h e d u l i n gs t r a t e g yo fr a i l w a yt r a n s p o r t，a n dr e a l i z e si ti nt h es i m u l a t i o ns c h e d u l i n gm o d e l T h i r d l y,A i m i n ga tt h ed e a d l o c ko ft h es i m u l a t i o ns y s t e m st h i sp a p e ra n a l y s e

11、st h ec a u s eo ft h ep h e n o m e n o n，t op u tf o r w a r dad y n a m i cc h a i nm o d e lo fb o o k i n gs e c t i o na n dd e s c r i b e dt h em o d e lr u l e sS Ot h a tt h ei s s u eo fd e a d l o c ki nt h es i m u l a t i o ns y s t e mc a nb eb e t t e rs o l u t e F u r t h e r m o r

12、 e，i nt h eo p t i m i z a t i o no ft h et r a n s p o r ts y s t e m，f i n a l l y,t a k i n gat h r o a ta r e ai na ni r o na n ds t e e lf a c t o r yf o re x a m p l e，t h ep a p e rc r e a t e sar a i lt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m B a s e do nt h ei n d i c a t o r so fs t

13、a t i s t i c a li n f o r m a t i o nf r o mt h i ss y s t e m，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e so n，a n da l s ov e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a l i t yo ft h ea b o v et h e o r i e sa n dm e t h o

14、d K E Y W O R D S：C o m p u t e rs i m u l a t i o n；R a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o n；A n y l o g i cC L A S S N O：U 2 9 4 8：U 2 9 2 5独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所

15、做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：鄄研签字日期：硝年石月i o 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：麦p 脚导师签名：签字日期：刀矽年易月1 0 日签字日期秽k 听年6月夕日l致谢本论文的工作是在我的导师吕永波教授的悉心指导下完成的，吕永波教授严谨的治学态度和科学的工作方

16、法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢几年来吕老师对我的关心和指导。杜鹏、任远老师悉心指导我进行仿真模拟中相关的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向杜鹏、任远老师表示衷心的谢意。刘子玲老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，彭文师兄、付蓬勃师兄、毕克玲等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。序2 0 0 9 年是不平凡的一年。由于金融危机的扩散和蔓延，钢铁企业受到严重冲击，而我国钢铁企业在经历了长期粗放型扩张后，要在当前

17、逆境中生存和发展，抓住机会进行一次大规模的内部调整正当其时。我国大多数钢铁企业始建于二十世纪五、六十年代，工艺落后、布置凌乱、功能分区不明，物流不畅、运输方式单一、重复运输多，改扩建过程中往往是“填空式、“见缝插针式 地“挤地皮，使得钢铁企业的厂区布置与其生产发展极不适应。在研究生学习阶段，我有幸走访了国内几家大中型钢铁企业，通过调研了解到我国钢铁企业的运输现状，深深体会到钢铁企业铁路运输系统的整体优化势在必行。新建企业的设计，好比在一张白纸上画画，可以按照最理想的要求，画出最美的图画。对旧厂的改建扩建，情况就不一样，旧有的运输生产设施已经存在，要想提高运输能力，会受到各种限制，还要在改建扩建

18、中尽量不影响现有的生产能力和经济效益，这给铁路运输系统的改造带来许多困难。此外，在铁路运输系统的优化中，需要诊断企业铁路运输系统现有的运输设施、设备和运输组织方式下，铁路运输系统运能提升的症结所在。我们发现传统的手工计算方法，已经不能满足我们对数据信息数量以及精度的需求，这便是本文尝试运用计算仿真的方法研究铁路运输系统的初衷。本文以钢铁企业铁路运输系统为主要研究对象，旨在通过建立铁路运输仿真系统，获取企业运输生产信息，这些信息有助于分析厂内铁路设施布局，确定运输能力瓶颈，为规划改造提供依据，为铁路运输设备的合理配置提供科学的研究平台。1 引言1 1选题背景与意义1 1 1钢铁企业铁路运输系统优

19、化经济发达国家的钢铁工业发展史表明，在建设新企业的同时，这些国家也十分重视老企业的改造、扩建，并使之现代化，这是世界钢铁工业发展史的一条共同规律。它是以较少的投资和较快的速度增加钢铁生产的捷径。据统计，改建、扩建比新建企业节省投资3 0 -4 0，建设速度也快，投资比新建企业回收快，新建企业需要1 啦!3 年，改造现有企业只需6 8 年【。当前，我国国民经济正处在调整和改革时期，由于资金不足，不可能大量的建设新企业，要稳步的发展我国工业，就必须走旧企业改造的路子。改、扩建企业有许多有利的因素，可以充分利用原有的物质基础，现有的协作渠道和熟练的职工队伍等。同时，对旧企业进行改造，不仅可以扩大规模

20、、增加品种、提高质量、降低原材料和能源消耗，降低成本、提高效率，而且可以更好地解决“三废综合利用、减少环境污染、改善劳动条件，促使改、扩建企业向现代化企业迈进。对现有企业进行改扩建是我国发展现代化下业的必经之路。我国的大部分钢铁企业始建于1 9 5 0 年以前，工艺落后，布置凌乱，功能分区不明，物流不畅，运输方式单一，重复运输多，堆场面积大，企业场地未得到合理利用，企业改扩建场地严重不足，改扩建过程中又不重视企业的总平面设计及总图管理，往往是“填空式、“见缝插针式地“挤地皮，使得钢铁企业的总平面设计与其生产发展不相适应。因此，必须对这些钢铁企业进行合理的改扩建，调整并优化运输组织，使其与生产发

21、展相适应。铁路运输是工业企业运输的主要方式，在大型工业企业内部运输中占据主导地位。其线路渗透到车间内部，肩负着运送物资保障生产的重任，其运输总量一般可占到全企业运量的7 0-8 0，每年有少则数百万吨，多则上千万吨的物资通过企业铁路运往工厂或发往全国，是企业生产的重要基础设施，常被称为企业的生命线。在钢铁企业的运输生产中，铁路运输承担了主要的运输任务，如煤、焦炭、铁矿石等钢铁生产所需的原料和燃料的运输以及铁水、废钢、钢坯等厂内半成品、产成品的转运等。钢铁企业的生产性质决定了运输必须为其生产服务，时间性较强，每个环节都必须紧密配合，要保证较高的安全性和准确性；而钢铁企业的铁路运输往往受到生产情况

22、的影响，存在着复杂性、动态性、多目标、多约束和不确定性，给运输组织的优化带来了很大的困难。目前钢铁企业的竞争日趋激烈，优化铁路运输系统、提高运输生产能力有利于降低企业运行成本，提高企业的经济效益，使其在国内、国际的竞争中处于优势，因此钢铁企业铁路运输系统优化方向的课题具有重要的研究意义。1 1 2铁路运输中的排队问题铁路运输是一个复杂的大系统，这一庞大的系统具有线长、点多、工种多、分工细、连续性强的特点。为使各环节协调配合，铁路运输生产必须实行集中统一指挥的管理原则。凡与运输有关部门、各工种都必须在运输调度的统一指挥下，进行日常生产活动。列车运行图规定了列车到达、出发或通过车站的时刻，各次列车

23、均应严格按运行图规定的时刻运行。然而实际列车运行是一个十分复杂的运输生产过程，它需要利用多种铁路技术设备，同时要求与运输相关各部门、各工种、各项作业之间相互协调配合。特别是，日常运输组织工作中，由于货流车流发生变化、线路施工、气候影响、自然灾害以及行车事故等影响，经常发生列车停运、加开、早点、晚点的情况。因此，列车实际在车站的到达、出发或通过，通常不可能完全按照运行图规定的时刻进行，一趟列车的正点运行，不仅与车站有关，往往会涉及几个区段、作业车间，对相邻区间而言还会造成晚点传播。例如进站重车在厂内的技术作业流程，整个技术作业系统可分解为到站、解体、检斤、装卸货、集结、编组、发车等子系统，列车在

24、调车机车的牵引下在各子系统间流转，完成各项技术作业。一个环节出问题，就会影响列车的安全正点，造成运输系统中列车车流积压，在各子系统中排队等待的现象。因此，铁路运输技术作业系统具有一般排队系统的特征。从总体上看，它的“顾客”是列车，且在一定的时段(一个班次)内数量是有限的，每个技术作业环节可以看成一个独立的简单排队系统，列车以单个式到达等待制的排队系统接受服务。而微观上，由于不同种类的货物铁路运输技术作业流程不同，列车所进行的作业均可以抽象为经过多个道岔、轨道区段，到达目的地，最终完成整个作业流程。铁路运输系统中的各列列车正是在微观和宏观上不断进行着排队，接受服务而完成整个运输流程。运用排队论理

25、论可以协助研究者抽象的分析铁路运输系统中存在的问题，分析系统性能指标，提出系统优化方面改进的对策。21 1 3仿真技术的应用为了协助企业分析铁路运输系统中存在的问题，需要对铁路运输系统的各项指标予以定量化，以确定系统状况，对运输系统实施优化。目前铁路运输在计算通过能力时主要采用分析计算法和图解计算法，这些方法在理论和计算上都存在一定的缺陷和不足，主要是空费时间和等待时间的计算不够合理和准确，误差较大，不能反映各种因素变化对通过能力的影响。针对这种情况，本文考虑通过建立铁路运输仿真系统的方法，解决定量化的问题。系统仿真是作为分析和研究系统允许行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法，

26、是随着系统科学研究的深入，控制理论、计算机技术、计算机科学与技术的发展而形成的-I 新兴学科。仿真技术按模型类型划分，可分为连续系统仿真(系统模型以微分方程描述)、离散事件系统仿真(系统模型以面向事件、面向进程、面向活动的方法描述)、连续离散(事件)混合系统仿真和定性系统仿真(系统模型以模糊理论等描述)，其中离散事件系统是系统状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的。事件是引起这类系统状态变化的原因，通常状态的变化与事件的发生是一一对应的，这类系统的仿真，称为离散事件系统仿真。本文在传统的计算方法基础上，改用离散事件系统仿真的方法来模拟企业运输系统，确定运输系统存

27、在的问题，进而优化整个企业铁路运输系统，达到优化生产，提高企业经济效益的目的。建立铁路运输仿真系统，有如下作用：(1)通过获取仿真系统提供的运输生产统计信息，有助于分析厂内铁路设施布局，确定运输线路瓶颈，为规划改造提供依据，为铁路运输设备的合理配置提供科学的研究平台；(2)有助于正确进行运输组织优化，可对铁路运输调度方案的合理性进行科学地评估，协助企业确定最优的行车组织方案，为企业领导者提供决策；(3)有助于推进企业的信息化建设，可以真实的模拟企业运输生产过程，在宏观和微观方面达到良好的可视化效果；(4)对于仿真系统在企业生产中的研究与应用，有重要的理论研究价值。1 2国内外研究现状在铁路运输

28、技术发达的欧美等国，很早采用计算机仿真技术深入研究铁路运输领域的子问题。2 0 世纪7 0 年代美国联邦铁路局与P e a t，M a r w i c k&M i t c h e l lC o 3(P M M&C O)公司合作对线路运送能力与各种影响因素之间的统计关系进行研究；M e l l i t t 等人对快速铁路运输系统运营及供电系统进行仿真研究【2】，M e l l i t t 与G o o d m a n 等人针对伦敦J u b i l e e 地铁线路进行节能问题的仿真研究【3】；C u r r y 等人研究了地下铁路系统时刻表的编制及优化问趔4】：C r e m o n i n

29、i 等人对列车自动防护系统进行仿真研究嘲。计算机仿真技术不仅应用于研究铁路运输领域的子问题，而且深入研究不同用途的铁路运输仿真系统【叫。日本交通控制实验室于2 0 世纪8 0 年代开始研制，9 0年代应用的铁路模拟系统U T R A S，已用于日本新干线的改造研究；1 9 9 3 年O k u d a等人研究以西日本铁路干线为对象研究建立了其列车间隔评价模拟系统；1 9 9 5 年，加拿大国家铁路公司在C o r p o r a t eS t r a t e g i e s，I n c 的帮助下，开发了铁路分析与交互线路模拟系统，研制了一个评价线路能力理论能力与实际能力的模拟工具，经过数百次运

30、行，建立了设备与列车特性、信号等因素之间的统计关系。英国A E A 铁路技术公司开发的V I S I O N 系统，能快速分析列车间隔和线路能力；美国开发的L O G S I M 系统，已成功地应用于研究时刻表、列车运行实时调度等方面的问题，具备部分调度决策能力；S Y S T R A 公司研制的R A I L S I M 铁路线路能力优化仿真系统；1 9 9 9 年北美O R T H S T A R 公司开发的T r a i n S T A R 系统，它将W A B C O 导航技术和O R T H S T A R 列车模拟技术相结合，提供了新一代的智能列车控制系统；英国I n c o n

31、t r o l 研究所和R a i l n e d 等铁路部门联合开发的S i m o n e 铁路路网能力仿真系统等。我国的科研人员和工程设计人员从2 0 世纪8 0 年代开始铁路运输计算机仿真的研究，研究主要集中在铁路编组站及列车运行过程计算、线路或车站通过能力计算、自动闭塞区间列车追踪间隔计算、驼峰溜放车组的速度控制仿真等方面，并在列车运行仿真研究方面取得不少成果。国内现有的系统包括：北京交通大学的京沪高速铁路列车运行仿真实验系统【l o】，是一种人机交互式的仿真系统；同济大学研发的基于牵引和制动计算的列车实验仿真系统【u】，提出了集列车牵引、制动计算功能于一体的试验仿真软件的设计实现方

32、法；由北京理工大学和上海中岳公司及中国铁路通信信号集团公司合作开发的列车自动运行仿真系统，实现对轨道交通基本的信号控制系统和列车运行进行高准确度的数字化仿真模拟，已用在城市轨道交通A T C 仿真软件中【1 2 1，提升了轨道交通的整体运输能力和管理水平。计算机仿真技术不仅应用于研究国家干线铁路的组织运输，而且对企业铁路运输也有所研究。文献【l3】以有色冶炼企业的铁路运输组织为背景，分别就装卸能力充足和有限条件下，建立了放射状铁路线一点对多点取送调车作业的优化模型并提出了求解最优取送调车作业的具体算法和仿真实例。文献【1 4】分析了宝钢铁水运输系统的特点，针对不同于一般的铁路运输，将人的因素包

33、含在内建立了对应的4仿真系统。通过一系列的关键技术的解决和使用，仿真系统实现了对现有系统和待建系统的系统特性分析，其结论一方面可以作为辅助决策的依据，另一方面，也为现场进行铁水物流系统的优化提供了参数和方案。文献【1 5 1 利用p e t r i 网，针对仿真系统的各个实体，包括高炉出铁口，高炉出铁线、脱硫间等，建立模型并进行了仿真试验。从以上分析可以看出，无论是在理论研究上，还是在应用研究上，国内和国外均有一定差距，国外的铁路模拟系统研究已经比较成熟。1 3A n y L o g i c 仿真软件简介A n y L o g i e 是由X JT e c h n o l o g i e sC o m p a n yL t d 开发的通用建模仿真工具，适用于离散事件系统、连续系统和混合系统的建模开发。A n y L o g i e 的动态仿真具有独创的结构可以通过模型的层次结构以模块化的方