CN112016749B - 一种箱位分配与场桥调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种箱位分配与场桥调度方法，将决策期划分为P个子时段，模拟出口箱实时到场过程，为每个子时段内到场的出口箱分配箱位。优化过程包括以下三个步骤：(1)针对某子时段，以完成该时段到场出口箱的堆存作业和该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业总时间最短为目标，构建模型得到箱位分配和场桥调度的一级优化方案；(2)基于所述一级优化方案，以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，构建模型得到预翻箱和场桥调度的二级优化方案；(3)如果所述二级优化方案使出口箱进出场作业系统总作业时间最短则优化下一子时段；否则，重复步骤(2)。本发明同时考虑出口箱堆存作业优化及装船作业优化，提供的箱位分配及场桥调度方案可以优化出口箱堆场整体作业效率。

Description

一种箱位分配与场桥调度方法
技术领域
本发明涉及集装箱码头堆场空间资源分配与场桥调度优化领域，具体而言，尤其涉及一种同时考虑出口箱进出场及预翻箱的箱位分配与场桥调度方法。
背景技术
目前，针对出口箱堆存作业优化与装船作业优化问题均作为独立研究，在出口箱堆场进行出口箱作业优化的过程中，针对同一批出口箱，缺乏既优化其堆存作业过程又优化其装船作业过程的研究。同时，针对出口箱到场序列不确定性的研究缺乏普适性。目前针对这个难点问题的解决策略有随机、预测、预约等，但这些解决策略都有特定的适用情景，更与现实操作存在一定差异。此外，预翻箱问题与翻箱问题割裂。虽然在现有研究中对翻箱问题及预翻箱问题的研究比较多，但如何平衡翻箱量及预翻箱量使堆场作业系统总时间最短方面的研究缺乏。
发明内容
根据上述提出出口箱交箱序列不确定时箱位分配与场桥调度问题，而提供一种箱位分配与场桥调度方法，该方法同时考虑出口箱堆存作业优化及装船作业优化，提供的箱位分配及场桥调度方案可以优化出口箱堆场整体作业效率。
本发明采用的技术手段如下：
一种箱位分配与场桥调度方法，包括：
S1、对决策期进行时段划分，获得P个时间长度相等的子时段；
S2、针对某子时段，结合船舶配载计划、该时段出口箱到场顺序和该时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，以完成该时段到场出口箱的堆存和该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业总时间最短为目标，构建模型得到一级优化方案，所述一级优化方案包括一级箱位分配方案和一级场桥调度方案；
S3、基于所述一级优化方案，对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱，以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，构建模型得到二级优化方案，所述二级优化方案包括二级箱位分配方案和二级场桥调度方案；
S4、判断所述二级优化方案是否使出口箱进出场作业系统总作业时间最短，如果是则输出当前时段到达集装箱的箱位分配方案、已到场集装箱的预翻箱方案和此时段内场桥的调度方案，否则执行步骤S3；
S5、根据所述当前子时段场桥调度方案调度场桥，根据当前子时段箱位分配方案将该时段内到场出口箱放置到相应位置，然后进行下一子时段的优化；
S6、遍历决策期内所有子时段，决策所有到场出口箱的最优箱位分配方案和场桥调度方案。
进一步地，S2中所述结合船舶配载计划、该时段出口箱到场顺序和该时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，以完成该时段到场出口箱的堆存和该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业总时间最短为目标，构建模型得到一级优化方案，包括：
S21、结合船舶配载计划和某时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，为该时段内到场的出口箱分配箱位，获取该时段的一级箱位分配方案，并计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间；
S22、根据所述一级箱位分配方案、以场桥完成该时段到场出口箱的堆存作业时间最短为目标，获取一级场桥调度方案，并计算所述一级场桥调度方案对应的该时段内到场出口箱堆存作业时间。
进一步地，S3中基于所述一级优化方案，对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱，以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，构建模型得到二级优化方案，包括：
S31、对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱作业，以使装船作业时场桥的提箱时间最短，并重新计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间；
S32、以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，更新场桥调度方案，并计算更新后场桥调度方案对应的完成预翻箱作业及堆存作业总时间。
进一步地，所述需要在装船过程中翻箱的出口箱为：需要被提走但是没有被置于堆场贝位某一栈的最高层的出口箱，此时场桥需将目标箱上方集装箱移至同一贝位的其他栈后再提取目标箱。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明同时考虑出口箱堆存作业优化及装船作业优化，提供的箱位分配及场桥调度方案，可以优化出口箱堆场整体作业效率。
2、本发明同时考虑出口箱预翻箱作业优化与翻箱作业优化，提供的预翻箱作业优化方案与翻箱作业优化方案，可以优化出口箱堆场整体作业效率。
基于上述理由本发明可在码头资源调度等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明箱位分配与场桥调度方法执行流程图。
图2为本发明时段划分示意图。
图3为本发明一次翻箱作业示意图。
图4为本发明二次翻箱作业示意图。
图5为本发明三次翻箱作业示意图。
图6为本发明预翻箱作业图论问题示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种箱位分配与场桥调度方法，主要包括：
S1、对决策期进行时段划分，获得若干个子时段。具体来说，将决策期划分为P(p＝1,2,3,…,P)个时间长度相等的时段，为每个小时段p内到场的出口箱分配箱位，模拟出口箱实时到场过程。当决策期划分时段数量趋于无限大时，则能准确地描述出口箱的实时到场过程。每个决策期的决策次数为P次，每次决策的决策范围为所有已经到场的出口箱，如图2所示。通常来讲，集装箱码头在出口箱还没有通过闸口之前是无法准确获得该出口箱的离场时间或离场顺序，当出口箱通过闸口后这些信息才能准确获得。因此随着信息的不断更新实时调度出口箱的堆存箱位，更符合码头生产调度的实际。
S2、针对某子时段，结合船舶配载计划、该时段出口箱到场顺序和该时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，以完成该时段到场出口箱的堆存和该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业总时间最短为目标，构建模型得到一级优化方案，所述一级优化方案包括一级箱位分配方案和一级场桥调度方案。具体包括：
S21、结合船舶配载计划、该时段出口箱到场顺序和该时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，为该时段内到场的出口箱分配箱位，获取该时段的一级箱位分配方案，并计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间；
S22、根据所述一级箱位分配方案、以场桥完成该时段到场出口箱的堆存作业时间最短为目标，获取一级场桥调度方案，并计算所述一级场桥调度方案对应的该时段内到场出口箱堆存作业时间。
S3、基于所述一级优化方案，对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱，以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，构建模型得到二级优化方案，所述二级优化方案包括二级箱位分配方案和二级场桥调度方案。具体包括：
S31、对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱作业，以使装船作业时场桥的提箱时间最短，并重新计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间。具体来说，定义当前待装船出口箱为目标箱，在实际作业过程中存在多种类型目标箱：当目标箱位于堆场贝位某一栈的最高层时，场桥可直接将箱提走，不产生翻箱；当目标箱并未堆放在最高层，定义堆放于目标箱之上的箱为阻碍箱，此时场桥需将阻碍箱移至同一贝位的其他栈后再提取目标箱，这就产生翻箱；以四层箱区为例，根据阻碍箱数量的不同可以定义三种不同程度的翻箱，如图3-5所示，待提取目标箱作业完成后，阻碍箱回归原栈，不考虑落箱位的选择问题。同理可知预翻箱作业过程，同时将不产生翻箱的位置移动也视为预翻箱作业。将预翻箱与堆存问题转化为图论问题。如图6所示，预翻箱的图论问题：由于每一次场桥作业只能抓取最上层的出口箱，因此将优化过程转化为以下最短路问题，求解步骤包括：a遍历所有最上层节点并计算其预翻箱作业时间，取作业时间最短的节点执行该作业，当最上层不存在需要进行预翻箱作业的节点时，直接遍历下一层；b更新各节点位置，返回a；c直至所有节点都被遍历，得到最终预翻箱作业方案。同理，堆存作业时场桥每次只能堆存最下层出口箱，每次取堆存作业时间最短的下层节点执行该堆存任务，直至所有节点被遍历，此处不再赘述。
S32、以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，更新场桥调度方案，并计算更新后场桥调度方案对应的完成预翻箱作业及堆存作业总时间。
S4、判断所述二级优化方案是否使出口箱进出场作业系统总作业时间最短，如果是则输出当前时段到达集装箱的箱位分配方案、已到场集装箱的预翻箱方案和此时段内场桥的调度方案，否则执行步骤S3。
S5、根据所述当前子时段场桥调度方案调度场桥，根据当前子时段箱位分配方案将该时段内到场出口箱放置到相应位置。然后进行下一子时段的优化。
S6、遍历决策期内所有子时段，决策所有到场出口箱的最优箱位分配方案和场桥调度方案。
本发明为提高堆场出口箱入场堆存作业效率及提箱装船作业效率，考虑两者之间的关系，构建同时考虑出口箱进出场及预翻箱的箱位分配与场桥调度双层规划模型。上层模型为堆场作业系统优化过程，以堆存和装船作业总时间最短为目标，给实时入场的出口箱合理分配箱位并调度场桥；下层模型服务于上层模型，结合上层模型中箱位分配方案，求解预翻箱及堆存作业的最优场桥调度方案。模型通过不断平衡入场堆存作业效率及提箱装船作业效率之间的关系使堆场作业系统效率最优。在求解模型时，优选采用改进的遗传模拟退火算法，利用遗传算法生成模拟退火算法初始解，可提高模拟退火算法中初始解的质量，既克服了遗传算法容易陷入局部最优的缺陷，也解决了模拟退火算法收敛速度慢的问题。同时提出一种自适应的Metropolis准则，使模拟退火算法解的跳变具有自适应性，更利于算法寻优。
需要说明的是，本发明方法基于以下假设实现：(1)待堆存出口箱箱型一致；(2)出口箱入场后可知其装船顺序，且装船时提箱次序固定；(3)场桥的移动以贝位为单位进行计算，场桥在堆场中的作业是匀速的；(4)每个时段的出口箱作业都能在该时段完成；(5)翻箱在贝位内完成，完成目标箱作业之后，阻碍箱回归原栈，每个级别的翻箱作业时间一定；(6)不产生翻箱的位置移动也视为预翻箱作业；(7)集卡的数量相对充足，满足场桥的作业需求，不存在等待问题，即集卡不是制约性因素。
下面通过具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。
如图1所示，p时段优化过程为：
步骤一、结合船舶配载计划和p时段前到场的出口箱箱位分配方案为p时段到场出口箱分配箱位，并计算所有出口箱的装船作业时间。
步骤二、结合上述箱位分配方案调度场桥，使场桥完成p时段到场出口箱的堆存作业时间最短。
步骤三，对p时段到场的所有出口箱进行箱位分配，并对p时段前到场在装船过程中的可能需要翻箱的出口箱进行预翻箱作业，重新计算装船作业时间，并调度场桥使场桥完成预翻箱作业及堆存作业时间最短。
步骤四，不断重复步骤三，直到找到一种箱位分配及场桥调度方案使堆出口箱进出场作业系统总作业时间最短。
如图2所示，将决策期划分为P个时段，模拟出口箱实时到场过程，假设p时段到场的出口箱到场顺序一致，可以集中起来一起调度。当决策期划分时段数量P趋于无限大时，则能准确地描述出口箱的实时到场过程。每个决策期的决策次数为P次，每次决策的决策范围为所有已经到场的出口箱。
如图3-5所示，以装船过程中的翻箱作业为例，对翻箱及预翻箱过程进行详细分析。定义待装船出口箱为目标箱，在实际作业过程中存在多种类型目标箱：当目标箱位于堆场贝位某一栈的最高层时，场桥可直接将箱提走，不产生翻箱；当目标箱并未堆放在最高层，定义堆放于目标箱之上的箱为阻碍箱，此时场桥需将阻碍箱移至同一贝位的其他栈后再提取目标箱，这就产生翻箱；本文以四层箱区为例，根据阻碍箱数量的不同可以定义三种不同程度的翻箱，待提取目标箱作业完成后，阻碍箱回归原栈，不考虑落箱位的选择问题。同理可知预翻箱作业过程。
如图6所示，将预翻箱与堆存问题转化为图论问题。图6中带有数字的节点表示需要进行预翻箱作业的出口箱，0号节点为起点，9号节点为终点，代表所有预翻箱作业完成后场桥回归初始位置。由于每一次场桥作业只能抓取最上层的出口箱，因此将优化过程转化为以下最短路问题：
步骤一，遍历所有最上层节点并计算其预翻箱作业时间，取作业时间最短的节点执行该作业，当最上层不存在需要进行预翻箱作业的节点时，直接遍历下一层；
步骤二，更新各节点位置，返回步骤一；
步骤三，直至所有节点都被遍历，得到最终预翻箱作业方案。
同理，堆存作业时场桥每次只能堆存最下层出口箱，每次取堆存作业时间最短的下层节点执行该堆存任务，直至所有节点被遍历。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种箱位分配与场桥调度方法，其特征在于，包括：
S1、对决策期进行时段划分，获得P个时间长度相等的子时段；
S2、针对某子时段，结合船舶配载计划、该时段出口箱到场顺序和该时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，以完成该时段到场出口箱的堆存和该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业总时间最短为目标，构建模型得到一级优化方案，所述一级优化方案包括一级箱位分配方案和一级场桥调度方案，包括：
S21、结合船舶配载计划和某时段到来前到场的出口箱箱位分配方案，为该时段内到场的出口箱分配箱位，获取该时段的一级箱位分配方案，并计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间，
S22、根据所述一级箱位分配方案、以场桥完成该时段到场出口箱的堆存作业时间最短为目标，获取一级场桥调度方案，并计算所述一级场桥调度方案对应的该时段内到场出口箱堆存作业时间；
S3、基于所述一级优化方案，对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱，以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，构建模型得到二级优化方案，所述二级优化方案包括二级箱位分配方案和二级场桥调度方案，包括：
S31、对该时段前到场的出口箱中需要在装船过程中翻箱的出口箱进行预翻箱作业，以使装船作业时场桥的提箱时间最短，并重新计算该时段结束后所有已到场出口箱的装船作业时间，
S32、以场桥完成预翻箱作业及堆存作业总时间最短为目标，更新场桥调度方案，并计算更新后场桥调度方案对应的完成预翻箱作业及堆存作业总时间；
S4、判断所述二级优化方案是否使出口箱进出场作业系统总作业时间最短，如果是则输出当前时段到达集装箱的箱位分配方案、已到场集装箱的预翻箱方案和此时段内场桥的调度方案，否则执行步骤S3；
S5、根据当前子时段场桥调度方案调度场桥，根据当前子时段箱位分配方案将该时段内到场出口箱放置到相应位置，然后进行下一子时段的优化；
S6、遍历决策期内所有子时段，决策所有到场出口箱的最优箱位分配方案和场桥调度方案。
2.根据权利要求1所述的箱位分配与场桥调度方法，其特征在于，所述需要在装船过程中翻箱的出口箱为：需要被提走但是没有被置于堆场贝位某一栈的最高层的出口箱，此时场桥需将目标箱上方集装箱移至同一贝位的其他栈后再提取目标箱。
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