本文是一篇物流论文，本文结合复杂系统多尺度信息理论，按照空间一致性、时间一致性的原则将集装箱码头物流系统划分为设备尺度、作业路尺度、泊位尺度及码头作业尺度4个行为尺度，分析不同尺度上影响物流行为的变量及不同尺度间变量的关联关系；
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
港口作为综合交通运输枢纽，在国民经济体系中占有重要地位。港口不仅是我国“一带一路”战略框架中“海上丝绸之路”的重要战略节点，更是我国实现交通强国中重要的一环。为全面提升我国港口发展水平，实现从世界大港向世界一流强港的转变，2019年以来，国家相关部委在《交通强国建设纲要》的总指引下，围绕着包括港航产业在内的综合交通运输顶层设计陆续颁布了一系列政策指导性文件，提出在港口建设、生产运营和管理等方面进一步提升智能港口技术和系统集成能力，有效提高港口智能化及运营效率。
集装箱码头作为专业性最强、标准化程度最高的港口码头之一，在提高码头运营效率方面具有显著优势。港口运营商不断尝试把各种先进技术运用到港口的装卸活动中，如自动定位与防撞技术、自动拆装锁钮技术、无线射频识别技术、远程遥控技术等；配置自动化高效设备，如自动导引小车（AGV）、双小车岸边起重机、自动化轨道吊（ARTG）等先进设备；同时，国内不断尝试创新装卸工艺与平面布置，如振华重工创新的“U”型装卸工艺，采用“岸桥+IGV+双悬臂ARMG”的模式，完美地解决了端部装卸工艺同一堆场两台轨道吊共轨运行的问题。纵观国内外港口及其科技创新的发展，可以看到，无论是从技术创新、设备创新还是码头设施布局创新，都致力于提高码头的运营效率。
集装箱码头物流系统由众多装卸设施、设备及集装箱组成，不同设施、设备之间又通过集装箱的流动相互联系、相互制约。为了提高集装箱在码头内及港口间流动过程，码头的作业过程不断的演化、发展，从局部到整体，形成了码头物流系统特有的结构、功能与规模。在各种内在成分及外在因素的交互作用和影响下，集装箱码头物流系统表现出非常复杂的特征。
1.2 多尺度信息理论研究现状
1.2.1 多尺度分析
在大多数复杂系统的研究及应用领域，对不同层次上呈现的过程或现象进行辨识与分析已然成为研究的热点[2]。多尺度分析作为一种新兴的思想方法，一经诞生就对许多学科领域产生了显著影响，成为跨学科理论及应用研究的基础。
其中最著名的研究成果是在1976年，Warshel和Levitt[3]通过简化分子周边而把关键部位用量子计算的方法成功用计算机实现了模拟生物酶反应，成为多尺度分析方法发展史上的一次重要突破，其因在复杂化学领域做出的巨大贡献而获得了2013年的诺贝尔化学奖。
到目前为止，多尺度分析方法并没有统一的定义，但是已经广泛应用于生物学、物理学、材料科学、信号分析等不同学科领域。
Costa等[4]提出了多尺度熵的概念，将时间序列在空间尺度上展开，再计算每一个尺度上的样本熵值，多尺度熵反映了生理时间序列的动力学复杂性，熵值的大小表征了序列动力学复杂性的强弱。
沈昊[5]在研究DC/DC变换器的建模方法时，将多尺度系统的思想引入电力电子系统，首先对电力电子系统进行尺度的划分，提出了电力电子系统多尺度模型库框架，分别建立了电路级、器件级尺度模型，构建了尺度模型之间映射函数，通过仿真验证了模型的正确性与有效性。
Nakamura 等[6]多尺度分析方法应用到生物医学信号的临床应用分析上，研究表明，这些生物医学信号具有多尺度复杂系统独有的鲁棒性，并且在病理状态下，一些表征多尺度复杂性的参数实际上发生了改变，显示出多尺度分析方法作为一种新型环境诊断或预后工具的潜在可用性。
第2章 集装箱码头物流系统多尺度特性分析
2.1 复杂系统的多尺度信息理论
2.1.1 复杂系统
系统是由众多相互作用的组元构成[52]，从相互作用的效用来区分，系统分为随机系统、相干系统与相关系统。如图2-1所示，随机系统中所有组元的行为、状态都独立于其他组元；相干系统中所有组元间相互影响，行为、状态始终保持一致；相关系统组元之间的作用关系不同于这两种极端的系统，其组元之间相互关联但又保持独立的状态与行为。我们常说的复杂系统就是一种相关系统。
复杂系统是由众多具备智能性、自适应性的组元构成，这些基本组元常常会“涌现”出大量独立个体不会表现的特性，形成系统新的特征、行为与功能，组元间及组元与环境间形成复杂的非线性作用[53]。综合来看每个复杂系统具有以下基本特征：
（1）组成、规模的复杂性
复杂系统由众多组元及子系统构成，每个子系统都具有相对独立的行为、结构与功能。不同子系统的组元类型与数量不同，表现为系统整体的行为、状态的差异性。
（2）非线性与动态性
复杂系统是具有非线性特质的动态系统。非线性是指系统各组成元素间相互关联、相互制约，导致系统的整体并非是系统组元之间简单的相加关系。系统的动态性表现在系统是不断变化的，具有自适应特性的系统组元间的内部作用关系促使系统不断调整自身结构，涌现出系统特有的行为与特征，形成更加高级、有序的系统。
2.2 集装箱码头物流系统的多尺度特性
2.2.1 物流系统的多尺度特性
多尺度性作为复杂性的一种具体表现形式，是许多物理现象的本质特征，具有极其丰富的科学内涵。多尺度性是系统内部组元间非线性关系下的一种状态表现，是由大量组元构成的组织或系统的内在属性。
集装箱码头物流系统是由装卸设备、运输车辆、操作人员、集装箱货物、作业控制中心等众多元素构成的完整系统，系统组成规模越大，系统越复杂，系统的多尺度特征越明显。系统各组成成分间相互交织相互影响，在多重时间与空间尺度上运行，导致理解和刻画系统变得十分困难。其演化过程中呈现的多层次性、耦合性、不确定性、放大及耗散等的构成了集装箱码头物流系统的多尺度特性。
（1）多层次性
复杂系统行为跨越微观到宏观的多个层次，对系统进行合理的层次划分是正确认识系统的有效方法。系统的多层次性表现为系统组成元素在类型、功能及结构上的异质性。一般来讲，系统不同层次上的复杂性可以用具体的熵值来描述[55]，从而通过理解层次间的熵值的变化规律找到系统演化的规律。
集装箱码头的多层次性表现在物流行为的多层次与作业计划的多层次性。物流行为的多层次包括泊位装船作业、设备抓取箱装卸车作业、集疏运作业等；作业计划的多层次性包括船舶计划、集运计划、卸船计划、装船计划、疏运计划等。
（2）耦合性
耦合性是指两个系统、两个模块或者是两个事物之间相互影响、相互依赖的动态关联关系。分析复杂系统在不同尺度的耦合作用是研究和理解系统动态机制和组成成分间相互作用的一个重要方法。
集装箱码头物流系统中耦合关系错综复杂。物流层次间的耦合关系是指下一层次物流活动对上一层次活动的动态影响。同理，物流环节之间也存在耦合关系，如集运环节中集装箱存放的位置对于装船环节的堆场箱区提箱产生的影响；物流设备之间、设施之间、设施设备间存在耦合协同关系，如装卸工艺与路网的耦合关系，堆场场桥与集卡、岸桥之间的耦合关系。
第3章 集装箱码头物流系统多尺度物流行为分析 .................................... 23
3.1 集装箱码头物流系统组成 ...................................... 23
3.2 装卸搬运设备的物流行为分析 ...................... 24
第4章 基于分层Petri网的集装箱码头物流系统建模 ........................ 45
4.1 分层Petri网概述 ................................. 45
4.2 基于分层Petri网的集装箱码头物流系统建模 ................... 47
第5章 集装箱码头物流系统核心变量仿真试验 ........................... 55
5.1 仿真试验思路 .......................................... 55
5.2 仿真试验设计 .................................. 55
第5章 集装箱码头物流系统核心变量仿真试验
5.1 仿真试验思路
集装箱码头物流系统是一个多尺度的复杂系统，由多个相互影响、相互作用的元素、子系统组成。在对系统各个尺度行为的影响变量进行归纳分析后，采取仿真的方法对其中关键的参数进行动态分析。
为了寻找影响集装箱码头物流能力的核心变量，设计两个仿真试验，并进行综合分析，分别是设备尺度下场桥、岸桥的多个技术参量变化的码头作业仿真试验。通过对两个试验的数据进行分析，识别设备尺度上场桥、岸桥的基本参量对码头作业的跨尺度影响。
针对码头装卸搬运设备，选择经典的“轨道场桥+岸桥+集卡”装卸工艺进行定量研究。其中轨道场桥选择双悬臂轨道场桥，岸桥选择单小车岸桥，设计以装卸设备技术参量为变量因子的仿真试验。并基于本文的研究思路，设计不同的对照实验。
研究集装箱码头小尺度上物流行为对大尺度行为的影响，需要在作业参数确定的情况下，分析码头整体的作业能力。集装箱码头的运行状态一般可以看作是稳定的、正常作业的，因此仿真试验采用稳态型仿真，设置足够长的仿真时间，收集集装箱码头在运行时的相关数据，并做灵敏性分析。
第6章 结论
6.1 研究成果
集装箱码头物流系统是一个多层次交叉的复杂系统，其物流行为随着微观到宏观尺度发生非线性变化，给码头的精益设计与生产组织带来较多的学术及工程问题。如何跨越码头生产物流系统的尺度变化，挖掘出对系统行为真正起到影响的重要信息或核心变量，是提高集装箱码头生产效能的关键。 本文基于复杂系统思想，结合多尺度信息理论，分析集装箱码头物流系统的多尺度特性，对集装箱码头物流系统进行尺度划分，研究不同尺度行为的影响因素，结合多尺度信息理论的形式化表述分析跨尺度行为变量的关联关系，最后构建集装箱码头物流系统层次概念模型，利用仿真分析的方法挖掘码头系统物流行为产生影响的核心变量。主要研究成果如下：
（1）基于复杂系统的多尺度信息理论，归纳了复杂系统的多尺度性在行为与信息上的表现，总结了集装箱码头物流系统的多尺度特征；根据系统物流行为的空间、时间一致性原则将其划分为设备尺度、作业路尺度、泊位尺度及码头作业尺度；在系统物流行为多尺度特征的基础之上，构建了集装箱码头多尺度信息层次结构模型。
（2）从设备底层到码头作业尺度，从微观到宏观分析了不同尺度上对物流行为有影响的关键因素，并构建集装箱码头物流系统各尺度行为变量模型；结合多尺度信息理论形式化表述，分析小尺度对大尺度行为的跨尺度影响，构建码头跨尺度行为变量关联关系模型，定性分析出影响码头作业效率的核心变量来源于设备尺度上场桥、岸桥作业环节。
（3）基于集装箱码头物流系统多尺度特征及分层Petri网建模理论方法，自顶向下地构建了集装箱码头物流系统层次概念模型，以解决复杂系统建模过程繁琐及建模深度难以确定的问题；基于分层Petri网概念模型，提出了在建立仿真模型时的模型分层框架结构，并进行仿真模型模块的划分，最后在Witness专业仿真软件上实现仿真试验平台的搭建。
参考文献（略）