基于Arena的港口泊位三维仿真系统的实现
基于Arena软件的船闸仿真建模
基于Arena软件的船闸仿真建模陶安1，陈艳2，高苏洋3（1,2,3.东南大学交通学院，南京 210096）摘要：阐释了内河航道上船闸的重要作用，介绍了仿真软件Arena及其优点；基于船舶过闸的随机性和离散性，运用Arena建立了船舶过闸作业系统模型并进行了试验；对于仿真软件在船闸各方面的研究作了展望。
关键词：船闸；随机过程；仿真模型Ship lock simulation and modeling based on the software of ArenaTAO An1，CHEN Yan2，GAO Su-yang3（1,2,3.School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China）Abstract：The paper illustrated the importance of shiplocks on inland waterway and introduced the simulation software of Arena and its advantages；Used Arena to modeling ships passing shiplocks operating system and tested the model,based on ships'randomness and discreteness in passing the shiplocks；visualized the simulation software in studying many aspects of the ship lock.Key words：shiplock；random process；simulation model随着我国经济的迅速发展和相关政策的引导，内河水运已呈现出持续快速发展的良好态势。
例如，我国长江航道干线主要港口货物吞吐量年平均增幅在5％左右，货物周转近1000亿吨千米，占流域社会总量的60％左右。
基于数值仿真的虚拟现实仿真试验在集装箱码头布局中的应用研究
基于数值仿真的虚拟现实仿真试验在集装箱码头布局中的应用研究作者：张变亚来源：《经济技术协作信息》 2018年第19期随着集装箱码头规模的扩大，港口装卸系统向大型化、高速化、自动化、信息化发展。
为了提高码头生产效率和服务水平，集装箱码头堆场的布置方案显得尤为重要。
将计算机技术即虚拟现实仿真系统引入到集装箱码头的规划设计中，是提高码头规划设计水平的有效途径之一。
一、集装箱码头虚拟现实仿真试验评价方法集装箱码头虚拟现实仿真的评价方法主要有两种：基于动态三维视景的码头物流系统性能评价和基于数值仿真数据的码头物流系统性能评价。
1.基于动态三维视景的码头物流系统性能评价。
通过三维场景漫游对码头进行全面浏览。
用户可以在不同漫游模式下，根据需要对码头三维场景进行全方位、多角度漫游。
在漫游过程中，不同的设计人员可以通过直观感受对当前的码头方案进行评价。
通过所设定装卸作业工况下动态视景仿真对码头方案细节进行研究。
在对码头进行数值仿真后，试验人员通过数据分析发现问题，针对需要做进一步分析，可以有针对性地进行再次数值仿真得到指定工况下的作业数据，然后驱动虚拟现实模型，进行虚拟现实试验，从而可加深对各个工况生产状况的认识，同时使不同专业的人员都能参与到仿真试验和数据分析中，充分发挥团队协作能力。
2.基于数值仿真数据的码头装卸系统性能评价。
基于数值仿真数据的码头装卸系统性能评价是指在数值仿真模型中加入一系列能够反映码头装卸系统整体或布局生产指标的统计量，通过对试验数据的分析，进而评估码头装卸系统性能。
集装箱码头数值仿真主要统计指标见表1。
由于集装箱码头是各个环节紧密联系、相互影响的系统，因此以上统计指标的分析不能独立进行，要在考虑相关性的情况下评估系统，才能准确找到系统瓶颈。
二、集装箱码头堆场布置的虚拟现实仿真试验1.研究对象。
目前集装箱码头堆场布置主要有箱条平行岸线布置和箱条垂直岸线布置两种。
在我国集装箱码头大都采用箱条平行岸线布置，而在国外大多数自动化码头，均采用垂直岸线布置。
三维互动港口仿真系统技术方案(纯方案,27页)
目录四、项目说明一览表 (2)4.1 系统概述及实用效益 (2)4.2 技术开发平台介绍 (4)4.3 系统使用说明及功能介绍 (6)4.3.1 港口教学管理平台 (6)4.3.2 港口虚拟仿真系统 (7)4.3.3 港口信息管理系统 (11)4.3.4 辅助外设系统 (11)4.4 教学教案设计 (12)18.4 投标人技术服务和售后服务内容及措施 (15)18.4.1 安装、调试方案 (15)18.4.2 验收方案 (16)18.4.3 质量保证体系 (17)18.4.4 供货进度安排、运输方式 (18)18.4.5 技术服务方案 (21)18.4.6 售后服务内容及响应措施 (21)18.4.7 投标人承诺给予招标人的优惠条件 (26)18.4.8 投标人对本项目的合理化建议 (27)四、项目说明一览表4、三维互动港口仿真系统4.1 系统概述及实用效益三维互动港口仿真系统采用计算机人工智能（AI—Artificial Intelligence）技术、虚拟现实（VR—Virtual Reality）技术、多媒体技术共同构建出一个沉浸式的三维港口的虚拟环境，学生通过计算机输入输出设备、VR仿真模拟器等跟虚拟世界中的实体进行信息交换，产生仿真的结果。
让学生熟悉作业环节、体验岗位操作、验证设计方案、执行管理活动、仿真策略执行结果，同时避免误操作引起的人身安全隐患。
系统涵盖的知识面广、实验内容丰富、实验模式多样、表现形式生动，具有很强的实验性。
另外，教学管理平台是对课程开展进行管理，信息管理系统是对港口作业进行信息管理，这三者紧密结合，构成三维互动港口仿真系统。
1.三维互动港口仿真系统的出现解决了物流港口实训课难以开展的问题，硬件设备可以构建码头环境，但是无法构筑港口背景，且造价太高。
本系统真实模拟了上海最大的深水港，真正以企业运作地模式开展港口作业，作业过程全程可控。
2.在虚拟企业环境中，学生可利用课本中的理论知识设计作业方案并执行方案，并且引入了成本管理的概念，真正达到学以致用的教学目标，同时在这个过程中学生也能熟练地掌握物流企业的作业方法和作业标准，理论联系实际，为社会培养复合型人才。
基于Arena的港口泊位三维仿真系统的实现
Arena 3Dplayer 是在 Arena 逻辑模块的基础上 进 行 三 维 仿 真 动 画 设 计 的 。 运 行 一 个 Arena 3Dplayer 的三维动画模型需要 pbf(playback file) 和.a3d（layout file）两个文件支持，其中 pbf 文件 是通过运行 Arena 逻辑模型生成的仿真数据文件， 并作为三维仿真动画的驱动数据文件。另一个 a3d 文件是 Arena 3Dplayer 生成的三维模型文件，它保 存的是在 Arena 3Dplayer 中创建的各种三维模型以 及布局。只有两个文件同时存在，才能运行 Arena 3Dplayer 的三维仿真动画。
Arena 提供了一整套完整的工具来从始至终地 支持仿真工程，包括输入数据的统计分析，观察如 何处理工作、与其他系统沟通的动画，帮助统计对 比仿真运行结果并做出决策的输出分析工具，为选 中的情节自动决定最优答案的优化能力等等。流程 图风格的建模方法论、分层建模、广泛的图形库、 完整的仿真支持等特点，都构成了其成为世界领先 的仿真工具的因素。
Keywords: berth; Arena; Arena 3DPlayer; 3D simulation
1 引言
2 港口泊位作业系统描述
港口泊位作业过程中存在着许多随机因素，运 用系统仿真的方法可以对泊位营运过程进行模拟， 通过对仿真输出结果的分析，决策得出在给定的岸 线长度条件下，规划合理的泊位数量，用以提高岸 线利用率，减少船舶等待时间。
arena系统仿真课程设计
arena系统仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解arena系统仿真的基本概念，掌握仿真模型构建的基本步骤。
2. 学生能描述仿真软件Arena的操作流程，运用Arena软件进行简单的仿真实验。
3. 学生了解仿真技术在项目管理、生产流程等领域的应用。
技能目标：1. 学生能够运用Arena软件构建简单的仿真模型，进行数据分析和参数优化。
2. 学生能够通过实际案例，分析问题、设计解决方案，运用仿真技术验证方案的有效性。
3. 学生能够运用Arena软件进行实验设计，独立完成仿真实验，并撰写实验报告。
情感态度价值观目标：1. 学生对系统仿真产生兴趣，认识到其在解决实际问题中的价值。
2. 学生在团队协作中培养沟通、合作能力，养成积极探索、主动学习的习惯。
3. 学生能够通过仿真实验，培养严谨的科学态度和问题分析能力。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，旨在通过实际操作，让学生掌握Arena系统仿真的基本技能。
学生特点：学生为高年级本科生，具备一定的理论基础和实际操作能力，对新技术有较高的接受度。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，鼓励学生动手实践，培养实际应用能力。
通过课程学习，使学生在实际操作中掌握仿真技术，提高解决实际问题的能力。
教学过程中，注重培养学生的团队协作、沟通表达和问题分析能力。
二、教学内容1. Arena系统仿真基本概念：仿真模型、仿真引擎、事件调度等。
2. Arena软件操作流程：软件界面介绍、基本操作、模型构建与运行。
3. 常用仿真元素及其应用：实体、资源、队列、处理器、决策点等。
4. 仿真模型构建方法：识别系统元素、建立逻辑关系、设置参数、运行与调试。
5. 实际案例分析：项目管理系统、生产流程优化、物流配送等。
6. 数据分析与参数优化：输出分析、敏感度分析、优化算法应用。
7. 实验设计与实验报告撰写：设计实验方案、实施实验、分析结果、撰写报告。
教学大纲安排：第一周：Arena系统仿真基本概念介绍，软件安装与界面熟悉。
基于Arena仿真的天津港大沽沙航道通过能力研究
口规划、建 设 和 运 营 管 理 决 策 提 供 重 要 理
论和技术支持。随着大沽口港区和南疆南
侧岸线码 头 的 快 速 建 设，进 出 港 船 舶 数 量
不断增加，尤其 ５万 ｔ级及以上大型船舶数
量有所增 加，大 沽 沙 航 道 船 舶 通 航 密 度 明
显上升，其 通 过 能 力 将 在 一 定 程 度 上 限 制 港区吞 吐 量 的 增 长。 因 此，为 了 对 大 沽 沙 航道的通 过 能 力 有 最 精 确 的 把 握，提 高 大
干散货作业区、原油码头区，南侧码头岸线 １２．０ｋｍ，规划为石化作业区、支持系统区和预留发展区。
港口航道通过能力是体现航道适航程
度的客观 指 标，是 港 口 服 务 水 平 以 及 核 心
竞争力的重 要 体 现［１］。当 前，航 道 通 过 能
力已经成为制约大型港口经济发展的瓶颈
因素之一，航 道 通 过 能 力 的 研 究 可 以 为 港
中航油码头
５００００×２
煤油
５０
２．１ ＲｏｃｋｗｅｌｌＡｒｅｎａ仿真技术简介
圣瀚石化码头 ５００００×２ 原油化工品
３０
２６．６万 ｍ３ ＬＮＧ及 ＦＳＲＵ
计算机仿真是通过计算机仿真软件建立现实系 ＬＮＧ码头
１０２
ＬＮＧ船
泊位
统的计算机模型，并利用计算机强大的数值计算能力
来运行模型，以获取和分析模型运行记录的仿真研究
过程。ＲｏｃｋｗｅｌｌＡｒｅｎａ软件是美国 ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ公
表 １ 大沽沙航道南北岸线码头参数表 Ｔａｂ．１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｄａｇｕｓｈａｃｈａｎｎｅｌｎｏｒｔｈａｎｄｓｏｕｔｈｓｈｏｒｅｄｏｃｋ
码头泊位
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ２＃～３＃ ４＃
港口物流系统仿真建模及三维可视化研究
港口物流系统仿真建模及三维可视化研究武汉理工大学(武汉430063) 王少梅 张 煜 摘 要:对基于虚拟环境的集装箱码头三维仿真建模及软件开发进行了研究。
针对港口物流系统离散性、随机性的特点以及系统仿真模型场景复杂的问题,分析了系统几何建模、运动学建模的方法,以及系统仿真模型参数的处理及实时交互控制的实现手段。
在虚拟现实支撑软件基础上二次开发的系统实现了参数化的集装箱码头三维动态仿真和人机交互控制的仿真过程。
关键词:虚拟现实;物流;仿真;建模;港口 Abstract:This paper discuses the m et hods of simulation modling and softwar e development based on Vir tual R eality.For solving the problems caused by the character istics of discr ete and r andom icity of port logistics and t he intrica te scene of system modeling and sim ulation,t he methods of system geometr y modeling and kinematics modeling and the means t o deal with the par ameters of simulation model and r eal time cont rol are put for ward.Based on the VR softwar e-MultiGen a nd Vega,by using C++and OpenGL,the3D gr aphics simula tion syst em is developed and applied in t he case study of conta iner ter minal. Key wor d:Vir tual Reality;Logistics;Simula tion;Modeling;Port1 引言集装箱港口由于结构复杂、投资大、建设周期长以及生产过程的随机因素,使港口的合理规划意义重大,难度也较大。
基于排队论的港口服务系统的建模与仿真研究
基于排队论的港口泊位系统的建模与仿真研究摘要：本文总结了排队论和仿真技术的发展以及应用情况，在前人的研究基础之上分析了系统仿真技术在港口泊位系统中的应用。
分析了研究港口系统服务的特征，建立了港口运营生产的计算机仿真系统，系统充分考虑了港口生产的随机特性及其影响因素，能够比较客观地反映港口的实际运行状况，获得可靠的港口数值特征值，为综合性港口的优化设计提供了参考数据。
本文还结合实例分析，研究探讨了港口泊位利用率和锚地保证率，借助计算机仿真技术、排队论方法构造泊位服务系统模拟模型和分析泊位服务水平，具有一定的实际指导意义。
前言加入WTO以后，我国对外贸易事业得到迅猛发展，港口业也进入了快速增长时期，港口吞吐量逐年上升。
日益增长的吞吐量需求给我国能力不足的港口业既带来了发展机遇，也带来了巨大的挑战。
如何满足巨大的船舶吞吐量需求，提高码头作业效率，降低运作成本，成为了港口业亟待解决的重要课题。
排队论发展及其应用排队论是在概率论和数理统计基础上发展起来的运筹学分支，它是解决排队问题的有效手段。
排队系统的数学研究开始于1909~1920年之间，丹麦工程师爱尔朗(AzKzErlang)在电话交换机的设计上为解决等线和通道问题首先提出了最初的排队论方法，1928年福瑞(Fry)在这个领域做出了较大贡献，促进了排队论的早期研究工作。
50年代初肯德尔(DZGZKendall)对排队论的研究代表了当时该领域的研究水平，他提出的肯德尔符号一直沿用到今天，并依此对排队模型进行分类。
在日常生活及工程中，排队现象无处不在、无时不有。
例如，顾客去商店购买商品、顾客去服务场所接受某种服务(理发、就餐等)、机械零件在车间中加工、运输车辆由装载机装料、船舶进港靠泊码头等，当不能立即得到服务时就需要等待服务(若允许排队等待)，因而就发生了排队现象。
排队现象的产生主要是由于要求服务者的到达是随机的，服务机构的服务时间也是随机的，在某时刻要求服务者的数量超过了服务机构的容量，服务者就需要排队等待。
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本文利用可视化仿真软件 Arena 及基于其上开 发的 Arena 3Dplayer，建立了港口泊位作业系统的 仿真模型。该模型具有动画效果和交互功能，可实 时演示港口泊位作业系统的服务过程并可以与使 用者进行实时交互。
港口泊位作业系统的服务对象是集装箱船舶， 服务设备是港口的所有设施，其中最主要的是供船 舶停靠的泊位数量及其装卸设备。
Abstract: The paper presents a 3D Simulation model of berth operation system in a container terminal using the Arena 3DPlayer. The author analyzes and models the berth operation system with Rockwell Arena, and animates the model with 2D animation tools, then, the working flow of 3D Simulation is proposed based on Arena 3DPlayer, finally, the key technology of Arena 3D simulation is summarized.
（2）只导入 Arena 逻辑模块（没有 Arena 二 维动画）创建三维仿真动画。这种方法只是将 Arena 逻辑模块中的信息导入 Arena 3Dplayer 中，二维动 画信息没有导入，这时只有资源、路线、站点等信 息导入到 Arena 3Dplayer 中。
（3）直接在 Arena 3Dplayer 中创建三维仿真动 画。这种方法是在没有 Arena 逻辑模块的基础上进 行三维仿真动画的创建，但是并不是不需要 Arena 逻辑模块，只是先进行三维仿真动画，然后再进行 Arena 逻辑模块的设计，所以这种方法对设计者的 要求比较高，需要有清晰的设计思路。
当集装箱船舶到港后,首先需要为其安排泊位， 然后再配置相应的装卸设备资源以及堆场空间资 源，以便进行装卸作业。由于泊位空间是港口的一 种稀缺资源，因此，泊位配置问题是提高集装箱港 口效率的关键点之一。
所谓泊位配置问题，就是为到港的集装箱船舶 指定适当的位置，供其靠泊作业，以减少船舶的在 港时间，提高港口的运作效率。目前，集装箱港口 的泊位配置大多是计划人员根据以往经验来安排，
Arena 3DPlayer 是在 2003 年由美国 Rockwell Automation 公司和 System flow 公司合作开发的基 于 Arena 模型的三维动画仿真软件，它通过本身的 三维建模功能以及良好的交互性、方便的操作性， 为 Arena 二维仿真模型创建对应的三维仿真动画。
Arena 3DPlayer 三维动画仿真环境的应用界面 主要由三个部分组成：三维布局窗口、树形目录窗 口和仪表板窗口。其中三维布局窗口和仪表板窗口 的上方都列有功能快捷按钮。它自带一个标准模型 库，包括了 100 多种常用的机械、矿山、建筑等方 面的三维模型，方便了设计者的调用，而且设计者 可以对标准模型库中的模型进行编辑、修改和保 存。另外，设计者可以把一个模型剪切、拷贝、粘 贴到另一个模型中，这样就充分的增加了模型库中 模型的多样性以及通用性。用户在 Arena 3DPlayer 自带的三维建模环境下自行建立的模型都保存在 一个专门的用户模型库中，这样不但可以防止用户 模型库和标准模型库的混淆，方便设计人员之间的
（2）打开 Arena 3DPlayer，点击 File 菜单中的 Import Arena Layout，此时会自动载入 Arena 中港口 泊位的 doe 文件（如果此时 Arena 尚未运行，则系 统会自动运行并询问所要打开的 doe 文件，此时选 择需要的文件，并打开），在弹出的对话框中需要 对导入项目进行选择，通常选择 select all 然后确定。
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系统仿真技术
第3卷 第1期
表 1 港口泊位服务系统三维仿真动画设计说明表
构成元素
逻辑模块
静态实体
实体模型 运行路线 距离设计
队列 站点设计
设计方 法概要 Arena 模 块设计
Pro/E
模型库
Route Distance Queue Station
模型导 入途径
VRML 和模 型库
VRML 和模 型库
27 图 2 港口泊位作业系统逻辑模型设计流程图
图 1 港口泊位作业系统仿真模型业务流程图
该系统逻辑模型设计流程图如图 2 所示。
5 港口泊位作业系统的三维仿真模型
系统的三维仿真模型设计流程图如图 3 所示。 系统总体设计说明如表 1 所示，详细设计步骤 如下。
图 3 港口泊位服务系统三维仿真动画制作流程图
摘 要：本文在三维仿真软件 Arena 3DPlayer 平台上实现了港口泊位作业系统的三维动画仿真。首先分析了 港口泊位作业系统并利用 Arena 对该系统进行了二维仿真模拟，然后给出该系统在 Arena 3DPlayer 平台上三维仿 真动画的实现过程，最后总结了其中的关键技术。
关键词：港口泊位；Arena；Arena 3DPlayer；三维仿真
26
系统仿真技术
第3卷 第1期
没有现成的模型和方法。因此，港口泊位作业仿真 系统的实现就成为当今许多企业的强烈需求。
3 Arena 及 Arena 3DPlayer
Arena 是美国 Rockwell Automation 公司研制开 发的新一代可视化通用交互集成仿真环境。基于 SIMAN/CIMEMA，很好地解决了计算机仿真环境 和可视化技术的有机集成，兼备高级仿真器的易用 性和专用仿真语言柔性的优点，并且还可以和用通 用过程语言（如 visual basic、c/c++等）编写的程序 连接运行。
（5）在 Arena 3DPlayer 中通过 Tools 菜单下的 Shape Manager 对文件的三维实体模型进行导入、 编辑、配置，实体包括集装箱船和集装箱。
首先利用外部三维建模工具软件，如 SolidWorks 或 Pro/E 等为实体建立三维模型，然后
导入到 Arena 的模型库中，并根据需要对实体的三 维模型即集装箱船进行编辑。对于实体模型集装箱 可直接在 Shape Manager 自带的三维建模环境下进 行修改编辑，最后存入模型库。
2007 年 1 月 第3卷 第1期
中图分类号：TP39
文献标识码：A
系统仿真技术 System Simulation Technology
Jan., 2007 Vol. 3, No.1
基于 Arena 的港口泊位三维仿真系统的实现
王永辉，胡青泥，舒宏
(大连理工大学机械工程学院，辽宁，116023)
Arena 提供了一整套完整的工具来从始至终地 支持仿真工程，包括输入数据的统计分析，观察如 何处理工作、与其他系统沟通的动画，帮助统计对 比仿真运行结果并做出决策的输出分析工具，为选 中的情节自动决定最优答案的优化能力等等。流程 图风格的建模方法论、分层建模、广泛的图形库、 完整的仿真支持等特点，都构成了其成为世界领先 的仿真工具的因素。
Arena 3DPlayer 为三维仿真动画的创建提供了 三种方法。
（1）通过导入 Arena 逻辑模块和 Arena 二维 动画创建三维仿真动画。这种方法主要是将逻辑模 块和二维动画全部在 Arena 中创建完成，并生成 playback 文件，然后将 Arena 逻辑模块的全部信息 都导入 Arena 3Dplayer 中，这样在三维仿真动画的 创建中就充分利用了二维动画的基础。
（3）保存导入 Arena 3Dplayer 中的文件，为了 混淆，保存路径与 playback 文件的保存路径相同， 文件名称也与 Arena 导出的 playback 文件名称一 致。
（4）在 Arena 3DPlayer 中点击 File 菜单中的 Open Playback And Layout,打开步骤 3 中保存的 Layout 文件（以 a3d 为扩展名），文件即可运行。 然后运行 Arena 二维动画生成的 playback 文件。
Keywords: berth; Arena; Arena 3DPlayer; 3D simulation
1 引言
2 港口泊位作业系统描述
港口泊位作业过程中存在着许多随机因素，运 用系统仿真的方法可以对泊位营运过程进行模拟， 通过对仿真输出结果的分析，决策得出在给定的岸 线长度条件下，规划合理的泊位数量，用以提高岸 线利用率，减少船舶等待时间。
Implementation of Berth 3D Animation Simulation System Based on Arena
WANG Yonghui, HU Qingni, SHU Hong
(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning, 116023)
模型共享，而且方便了设计者对 Arena 3Dplayer 的 模型库进行管理。在材质方面，Arena 3Dplayer 支 持三维模型表面的纹理功能，使创建的三维模型更 加逼真。