CN110175712B - 一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法 - Google Patents

一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，本方法以均衡各区位间负载、减少车辆集港期间运输距离和降低区位内集港期间拥塞程度为目标进行区位分配，以减少贝位内压箱数为主要目标使用伊藤算法进行箱位分配，其中将可选箱位抽象为运动粒子，使用漂移算子控制粒子向较优箱位方向运动，使用波动算子控制粒子在周围扰动，有趋向性地寻找箱位使算法在有限次数的测试中找到较优的结果，从而提高计算效率。大量的实验表明，本方法能够很好地改善集装箱堆存过程中的压箱现象，在得到较优结果的同时拥有很好的实时性。

Description

一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法
技术领域
本发明属于计算机科学、港口物流技术领域，涉及一种区域空间规划方法，具体涉及一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法。
背景技术
近年来，随着海运市场的发展，越来越多的港口拥堵事例都在提醒人们集装箱装卸策略的重要性，也有越来越多的学者对其进行研究，他们的研究成果也在一定程度上提高了港口运行的效率。
Christopher等人的研究中，以集装箱运输过程中产生的翻箱次数最小为目标提出了一种启发式算法。Der-Horng Lee等人在研究中综合分析集装箱卡车在场区中的调度问题和集装箱空间分配问题，将卡车运输成本和集装箱装卸操作时间作为目标函数，并使用启发式算法进行求解。Rommert Dekker等人在研究中对不同的集装箱堆摞规则进行模拟，其中一种策略是通过对集装箱分类，属于同一类的放置在一起，划分类别的标准有运载集装箱的船只、集装箱的形状大小，集装箱的数量等，这样同类集装箱之间不需要考虑翻箱情况的存在；另一种策略是对集装箱的装船时间进行分析，装船时间较早的集装箱放置在时间较晚的集装箱之上，这样不会产生因为时间不同造成的翻箱。经过模拟，得出了分类别存放具有较优的效果。武慧荣在研究堆场空间资源优化方式的过程中，建立了两个模型，分别是堆场箱区均衡模型M1和堆场箱位指派模型M2，M1解决集装箱的分区问题，采用模拟退火算法，以均衡个箱区间的工作量为主要目的分配位置，提高集装箱装卸效率；M2采用启发式算法，以降低集装箱的压箱数为主要目的分配位置，降低集装箱管理运输过程中的成本。Bazzazi等人使用遗传算法解决集装箱堆场中空间分配的问题，其研究结果可以较好地平衡各箱区间工作负载，减少集装箱运输管理时间。Sharif等人建立的模型中，考虑了两个相互竞争的目标，即集装箱在各箱区中分布是否平衡和集装箱的运输距离，此模型平衡了各箱区的工作量，同时有效改善运输道路的拥挤现状。
现存的很多堆存算法基本存在以下两点问题：1.堆场中压箱现象普遍存在，且压箱数较多，同时在位置分配的过程中没有考虑各区位间的负载是否均衡；2.面对数量级较大的堆场，算法的计算效率较低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，使用伊藤算法在数据量较大的情况下，有趋向地搜索集装箱位置，在改善场区内压箱现象的同时有较好的实时性。
本发明所采用的技术方案是：一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用区位第一评价函数
Figure BDA0002065729480000021
为区位排序，选取评价函数值最低的前N个区位；其中
Figure BDA0002065729480000022
指区位i的第一评价函数；
步骤2：将同批进场的集装箱按照所属船只分类，属于同一船只的集装箱分配到同一区位内，将步骤1中选取的N个区位分别结合具体船只计算综合评价函数
Figure BDA0002065729480000023
是区位i的第二评价函数，综合评价函数值最低的区位即为相应船只分配的区位；
步骤3：在场区内空间大于阈值时，使用伊藤算法迭代计算合适箱位；在场区内空间小于等于阈值时，选取一定数量空闲箱位测试得出合适箱位。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：很好地改善集装箱堆存过程中的压箱现象，在均衡各区位间工作负载同时拥有很好的实时性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图；
图2为本发明实施例的堆场(容纳86400个集装箱)实验结果；
图3为本发明实施例的堆场(容纳90万个集装箱)实验结果。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，包括以下步骤：
步骤1：使用区位第一评价函数
Figure BDA0002065729480000024
为区位排序，选取评价函数值最低的前N个区位，其中
Figure BDA0002065729480000025
指区位i的第一评价函数；
本实施例中，区位第一评价函数为
Figure BDA0002065729480000031
其中
Figure BDA0002065729480000032
指区位i的第一评价函数，ui指区位i中已经存放的集装箱数，ci指区位i内还可以容纳的集装箱数，以各区位内被使用的空间比作为评价函数进行排序，选取评价函数值最低的前50个区位。
步骤2：将同批进场的集装箱按照所属船只分类，属于同一船只的集装箱分配到同一区位内，将步骤1中选取的N个区位分别结合具体船只计算综合评价函数
Figure BDA0002065729480000033
是区位i的第二评价函数，综合评价函数值最低的区位即为相应船只分配的区位；
本实施例中，为同时进场集装箱按照所属船只进行分类，以船只为单位为集装箱分配区位，综合评价函数为
Figure BDA0002065729480000034
其中
Figure BDA0002065729480000035
是区位i的第二评价函数，
Figure BDA0002065729480000036
为区位i至船只j集港地点的距离，
Figure BDA0002065729480000037
为区位i内在船只j集港期内同时进行集港的船只s的数量，
Figure BDA0002065729480000038
为区位i内在船只j集港期内同时进行装船的船只p的数量；首先为同时进场集装箱按照所属船只进行分类，以船只为单位，分别结合步骤1选取的50个区位计算其综合评价函数即
Figure BDA0002065729480000039
综合评价函数值最小的区位即为对应船只的集装箱分配的区位。
步骤3：当场区内空闲箱位大于总容量的25％时，使用伊藤算法迭代计算合适箱位；在场区内空间小于等于总容量的25％时，选取一定数量空闲箱位测试得出合适箱位；
本实施例中，使用伊藤算法迭代计算合适箱位，具体实现包括以下子步骤：
步骤A3.1：为集装箱θ初始化m个候选箱位，抽象为伊藤算法中的粒子，其中候选箱位均匀分布在区位内，定义迭代次数T；
步骤A3.2：计算集装箱在m个箱位上的评价函数
Figure BDA00020657294800000310
其中，
Figure BDA00020657294800000311
表示第i个箱位的评价函数为，
Figure BDA00020657294800000312
指箱位i已经存在的集装箱重量压箱数和时间压箱数，
Figure BDA00020657294800000313
指放置集装箱在箱位i上产生的集装箱重量压箱数和时间压箱数，χ指重量压箱的权重值，ε指时间压箱的权重值。通过比较m个评价函数值，得到最佳箱位和最差箱位；
步骤A3.3：根据最佳评价函数值和最差评价函数值，计算每个粒子的半径，
Figure BDA0002065729480000041
其中，fw指迭代过程中最差粒子的评价函数值，fb指在迭代过程中最优粒子的评价函数值，f0是粒子的评价函数值；在实施例中，半径范围是[0,1]；
计算下次迭代的环境温度，
t＝t0*speed
其中，t0是指此次迭代过程中的环境温度，speed是退火速度，环境温度在计算过程中一直保持下降状态以保持算法收敛；
计算粒子运动的漂移算子，
α＝αmin+f1(r)*f2(t)*(αmax-αmin)
计算粒子运动的波动算子，
β＝βmin+f1(r)*f2(t)*(βmax-βmin)
其中，αmax、αmin、βmax、βmin分别是漂移算子的最大最小值和波动算子的最大最小值，f1(r)是关于粒子半径的函数，f2(t)是关于环境温度的函数；
Figure BDA0002065729480000042
f2(t)＝e1/-t
粒子的漂移算子α和波动算子β的计算和环境温度与粒子半径有关，并根据其更新粒子，更新规则如下：
B1＝(B0+α+β+Bnum)％Bnum
R1＝(R0+α+β+Rnum)％Rnum
其中，B1指更新后的贝位号，B0指原来的贝位号，Bnum指一个区位内的贝位总数，R1指更新后的列号，R0指原来的列号，Rnum指一个贝位内的列总数；
如果迭代次数小于T，返回步骤A3.2；
步骤A3.4：最终产生的最佳粒子即为集装箱的合适箱位。
本实施例中，选取一定数量空闲箱位测试得出合适箱位，具体实现包括以下子步骤：
步骤B3.1：为集装箱θ初始化m个候选箱位，其中候选箱位以箱位号为顺序选出，定义迭代次数T；
步骤B3.2：分别计算集装箱在m个箱位上的评价函数
Figure BDA0002065729480000051
其中
Figure BDA0002065729480000052
指箱位i已经存在的集装箱重量压箱数和时间压箱数，
Figure BDA0002065729480000053
指放置集装箱在箱位i上产生的集装箱重量压箱数和时间压箱数；χ指重量压箱的权重值，ε指时间压箱的权重值；
通过比较m个评价函数值，记录迭代过程中的最佳箱位；并按箱位号的顺序选出下次测试的m个箱位，如果迭代次数小于T，返回步骤B3.2；
步骤B3.3：最终产生的最佳箱位即为集装箱的合适箱位。
为了验证算法在改善压箱数和计算效率方面的效果，本试验使用了数据量不同的两个数据集。数据集1如图2所示，试验对象是能容纳64800个集装箱的堆场，展示的是为63000个集装箱分配位置时产生的重量压箱数和时间压箱数。
具体实验数据如下：船只卸货点有15个，各区位与船只卸货点之间的距离随机产生，数值范围[10,14]；船只100个，即集装箱对应的集港时间有100个时间点；集装箱重量级范围[1,10],所属船只编号[1,100]，其中每只船对应的集装箱数量符合正态分布。从结果中可以看出在空间较充足时实验产生的压箱数极少，在空间有限的情况下，压箱数会相应增多，但其数值是现实操作中可以接受的。
数据集2如图3所示，试验对象是能容纳90万个集装箱的堆场，展示的是为88万个集装箱分配位置时产生的重量压箱数和时间压箱数。
具体实验数据如下：船只卸货点有30个，各区位与船只卸货点之间的距离随机产生，数值范围[10,14]；船只150个，即集装箱对应的集港时间有150个时间点；集装箱重量级范围[1,10],所属船只编号[1,150]，其中每只船对应的集装箱数量符合正态分布。从结果中可以看出在空间较充足时实验产生的压箱数极少，同时，计算速度可以满足生产实践中的要求。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用区位第一评价函数
Figure FDA0003655917920000011
为区位排序，选取评价函数值最低的前N个区位，其中
Figure FDA0003655917920000012
指区位i的第一评价函数；
所述区位第一评价函数为
Figure FDA0003655917920000013
其中
Figure FDA0003655917920000014
指区位i的第一评价函数，ui指区位i中已经存放的集装箱数，ci指区位i内还可以容纳的集装箱数，以各区位内被使用的空间比作为评价函数进行排序，选取评价函数值最低的前50个区位；
步骤2：将同批进场的集装箱按照所属船只分类，属于同一船只的集装箱分配到同一区位内，将步骤1中选取的N个区位分别结合具体船只计算综合评价函数
Figure FDA0003655917920000015
是区位i的第二评价函数，综合评价函数值最低的区位即为相应船只分配的区位；
所述综合评价函数为
Figure FDA0003655917920000016
其中
Figure FDA0003655917920000017
Figure FDA0003655917920000018
是区位i的第二评价函数，
Figure FDA0003655917920000019
为区位i至船只j集港地点的距离，
Figure FDA00036559179200000110
为区位i内在船只j集港期内同时进行集港的船只s的数量，
Figure FDA00036559179200000111
为区位i内在船只j集港期内同时进行装船的船只p的数量；首先为同时进场集装箱按照所属船只进行分类，以船只为单位，结合步骤1中选出的N个区位分别计算其综合评价函数即
Figure FDA00036559179200000112
综合评价函数值最小的区位即为对应船只的集装箱分配的区位；
步骤3：在场区内空间大于阈值时，使用伊藤算法迭代计算合适箱位；在场区内空间小于等于阈值时，选取一定数量空闲箱位测试得出合适箱位；
步骤3中所述使用伊藤算法迭代计算合适箱位，具体实现包括以下子步骤：
步骤A3.1：为集装箱θ初始化m个候选箱位，抽象为伊藤算法中的粒子，其中候选箱位均匀分布在区位内，定义迭代次数T；
步骤A3.2：计算集装箱在m个箱位上的评价函数
Figure FDA00036559179200000113
其中，
Figure FDA00036559179200000114
表示第i个箱位的评价函数，
Figure FDA00036559179200000115
指箱位i已经存在的集装箱重量压箱数和时间压箱数，
Figure FDA00036559179200000116
Figure FDA00036559179200000117
指放置集装箱在箱位i上产生的集装箱重量压箱数和时间压箱数，χ指重量压箱的权重值，ε指时间压箱的权重值；通过比较m个评价函数值，得到最佳箱位和最差箱位；
步骤A3.3：根据最佳评价函数值和最差评价函数值，计算每个粒子的半径，
Figure FDA00036559179200000118
其中，fw指迭代过程中最差粒子的评价函数值，fb指在迭代过程中最优粒子的评价函数值，f0是粒子的评价函数值；
计算下次迭代的环境温度，
t＝t0*speed
其中，t0是指此次迭代过程中的环境温度，speed是退火速度，环境温度在计算过程中一直保持下降状态以保持算法收敛；
计算粒子运动的漂移算子，
α＝αmin+f1(r)*f2(t)*(αmax-αmin)
计算粒子运动的波动算子，
β＝βmin+f1(r)*f2(t)*(βmax-βmin)
其中，αmax、αmin、βmax、βmin分别是漂移算子的最大最小值和波动算子的最大最小值，f1(r)是关于粒子半径的函数，f2(t)是关于环境温度的函数；
Figure FDA0003655917920000021
f2(t)＝e1/-t
粒子的漂移算子α和波动算子β的计算和环境温度与粒子半径有关，并根据其更新粒子，更新规则如下：
B1＝(B0+α+β+Bnum)％Bnum
R1＝(R0+α+β+Rnum)％Rnum
其中，B1指更新后的贝位号，B0指原来的贝位号，Bnum指一个区位内的贝位总数，R1指更新后的列号，R0指原来的列号，Rnum指一个贝位内的列总数；
如果迭代次数小于T，返回步骤A3.2；
步骤A3.4：最终产生的最佳粒子即为集装箱的合适箱位；
步骤3中所述选取一定数量空闲箱位测试得出合适箱位，具体实现包括以下子步骤：
步骤B3.1：为集装箱θ初始化m个候选箱位，其中候选箱位以箱位号为顺序选出，定义迭代次数T；
步骤B3.2：分别计算集装箱在m个箱位上的评价函数
Figure FDA0003655917920000022
其中
Figure FDA0003655917920000023
指箱位i已经存在的集装箱重量压箱数和时间压箱数，
Figure FDA0003655917920000024
指放置集装箱在箱位i上产生的集装箱重量压箱数和时间压箱数；χ指重量压箱的权重值，ε指时间压箱的权重值；
通过比较m个评价函数值，记录迭代过程中的最佳箱位；并按箱位号的顺序选出下次测试的m个箱位，如果迭代次数小于T，返回步骤B3.2；
步骤B3.3：最终产生的最佳箱位即为集装箱的合适箱位。
2.根据权利要求1所述的港口出口集装箱堆存区域空间规划方法，其特征在于：步骤3中所述阈值为25％。
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