CN112070296A - 一种基于模糊推理的集卡调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊推理的集卡调度方法，其特点是，包括如下步骤：部署作业系统、设置作业区最优路径、定义输入参数、设置模糊规则、集装箱码头操作系统请求集卡调度、集卡调度计算、集装箱码头操作系统执行集卡调度结果；本发明采用模糊数学的方法实现对集卡的作业调度，提高装卸船效率，缩短船期,大大提高集卡的作业效率，控制集卡的配备数量，降低生产成本，减少码头的车流量，提高安全系数。

Description

一种基于模糊推理的集卡调度方法

技术领域

本发明涉及集装箱码头作业机械调度技术领域，特别涉及一种基于模糊推理的集卡调度方法。

背景技术

随着港口竞争的不断加剧，在集装箱码头吞吐量不断攀升的背景下，提高作业效率，降低生产成本已经成为集装箱码头提升服务水平，增强核心竞争力的重要途径。

集装箱卡车（简称集卡）作为连接集装箱码头岸边装卸箱和堆场出入箱的纽带，其作业效率对码头的整体作业效率有着决定性的影响。如何充分利用码头现有数量的集卡，对集卡的拖运作业进行科学、有效的调度安排，从而提高码头的装卸效率，减少船舶的靠泊时间，为码头客户提供优质的装卸服务，是集装箱码头亟需解决的重要问题。

集装箱码头的常规作业主要包括装卸船、堆场移箱和收提箱作业，码头常用的作业设备包括岸桥、场桥和集卡等（注：码头集卡不参与收提箱作业，故集卡调度不考虑收提箱）。

卸船作业的基本流程为：岸桥将集装箱从船上卸到岸边的集卡上，然后集卡将该集装箱拖运到堆场指定位置，再由场桥从集卡上将集装箱吊起放至堆场里指定的箱位。装船作业的基本流程则与卸船流程相反。

每艘集装箱船由多个BAY构成，通常一个BAY中的所有作业任务由一台岸边桥式起重机（简称岸桥）负责完成；同时在岸线前沿，由多台岸桥对一艘船或多艘船并行作业。

传统的集卡调度模式，每一辆集卡只服务于一台岸桥，即面向作业线（岸桥）来安排集卡的拖运任务。由于受同一台岸桥的作业限制，很难做到边装边卸，集卡在一次作业循环中经常只参与卸船或装船，以卸船为例，集卡的拖运过程往往是：集卡载着集装箱从岸边到堆场，待集装箱被场桥吊入堆场后，再空车返回岸边，造成集卡空载率高（接近50%），单辆集卡的利用率低。

另外，由于在作业过程中的集卡数量繁多，且作业线之间的生产节奏不尽相同，传统的调度模式很难达到各作业线的动态平衡，经常会出现作业紧张的作业线得不到充足的集卡，而不繁忙的集卡也不能及时地被调度到最需要集卡的作业线上的现象，造成集卡的群体资源不能被充分利用，码头的装卸船效率明显受到影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术存在的不足，而提供一种基于模糊推理的集卡调度方法。

本发明提供的技术方案是：一种基于模糊推理的集卡调度方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

a部署作业系统，作业系统包括集装箱码头操作系统和集卡调度系统；

所述的集装箱码头操作系统由中控机和无线终端组成，所述的无线终端由手持终端、场桥终端和集卡终端组成；

所述的集卡调度系统由TOS接口、集卡调度服务器和集卡调度监控客户端组成；

所述的TOS接口用于与集装箱码头操作系统对接，接收集装箱码头操作系统的集卡调度请求，将请求转发给集卡调度服务器，并在收到集卡调度服务器的调度结果后再返回给集装箱码头操作系统；所述的集卡调度服务器与数据库连接，实现了基于模糊推理的集卡调度方法；所述的集卡调度监控客户端以图形化的方式实时监控集卡的调度情况，并提供模糊规则设置、作业报表统计等辅助功能；

b设置作业区最优路径，先通过集装箱码头操作系统里的中控机绘制集装箱码头的布局图，再完成以下几步：

1）在码头布局图中定义节点的位置信息，如属于哪个堆场的起点和终点，属于哪个泊位的起点和终点，或其他作业区域的起点和终点，完成作业位置到节点的转换；

2）关联节点和道路的对应关系，完成集卡行驶路径的定义；

3）在码头布局图中设定集卡在节点之间的行驶方向，完成由节点组成的有向图；

4）采用floyd算法计算有向图中任意两个节点之间的最短路径，并存储到最短路径表中，以供调度计算时查用；

c定义输入参数；根据集装箱装卸的工艺流程和业务特点，综合考虑影响集卡拖运作业的各个因素，归纳输入参数；

d设置模糊规则；除了集卡调度系统提供的缺省的一组模糊规则外，码头的作业管理人员可以根据实际经验和现场情况，在系统里调整、新增集卡调度的模糊规则，形成专家规则库，供集卡调度服务做模糊推理时使用；模糊规则的格式一般为“IF THEN”格式：

IF 输入参数 IS 模糊值 THEN 动作 IS 模糊判定值，

规则中的操作符可以是：=，IS，NOT，

规则中多个条件之间可以是：AND，OR；

e集装箱码头操作系统请求集卡调度；码头作业管理人员通过集装箱码头操作系统的中控机发送装卸船作业的一批指令，并由集装箱码头操作系统自动产生对应的机械指令；集装箱码头操作系统向集卡调度系统发出集卡调度的请求，同时将集卡指令列表和相关的作业数据传给集卡调度系统；集卡调度系统判断当前是否有空闲集卡，若无则循环等待直到有空闲集卡为止，若有则进入集卡调度的作业循环；

f集卡调度计算；集卡调度服务器循环进行集卡调度的模糊计算，每一次计算完成后就将该次的调度结果返回给集装箱码头操作系统；对于集装箱码头操作系统给定的调度请求具体进行如下步骤处理：

1)计算输入参数：

2)对各输入参数进行模糊化(Fuzzification)处理，即根据确定的隶属度函数来将各参数的计算数值转化为模糊值；

3) 根据规则库里的模糊规则进行推理得出模糊判定(Action)；把一个输入参数的模糊值代入对应的模糊规则，得到的模糊判定(Action)有三种：推荐做、可以做、不建议做；

将一辆集卡的各输入参数的模糊值依次代入对应的模糊规则，得到多个模糊判定(Action)，即一辆集卡的模糊推理结果集；

4)去模糊化（Defuzzification）采用Center of Gravity方法，将上一步得到的模糊推理结果集转化成二维直角坐标系里的图形，计算该图形的重心坐标，即得到一辆集卡的模糊计算的结论数值；

5)对于给定的指令，进行择优计算，即循环对每一辆空闲集卡执行上述模糊计算，最终得到一个结论数值列表，取列表中数值最高的对应的集卡，即为和给定指令配对的最优集卡，最后将该调度结果返回给集装箱码头操作系统，从而完成一次集卡调度计算；

g集装箱码头操作系统执行集卡调度结果；集装箱码头操作系统根据调度结果将集卡指令发给指定的集卡，收到指令的集卡执行本次集卡指令，具体执行过程以卸船为例：集卡到岸边取箱点，手持终端确认卸船的岸桥指令后，集装箱上车，集卡变为满载状态；然后集卡开到堆场卸箱，场桥终端确认卸船的场桥指令后，集装箱被放入堆场，集卡变为空载状态，从而完成本次集卡指令，进入下一轮集卡调度，直到所有的集卡指令都被执行完成，集卡调度的作业循环结束，从而完成本批次的装卸船作业。

进一步的，a步骤所述的中控机用于码头装卸作业的管理；所述的手持终端在岸边操作，用于确认岸桥对作业指令的执行情况；所述的场桥终端安装在场桥设备上，用于确认场桥对作业指令的执行情况；所述的集卡终端安装在集卡车辆的驾驶室里，用于显示集卡指令，指导集卡司机进行拖运集装箱的作业。

进一步的，c步骤所述的输入参数为：

1）Distance：集卡到作业点的距离；

2）WorkLine：集卡所属作业线，具体考虑指令是否属于集卡所在的设备组，优先考虑本设备组中的指令调度；

3）TruckNum：某一设备下已经等待的集卡数，优先考虑等待数量最少的设备；

4）TruckTime：集卡当前正在作业指令的时间，优先考虑快要完成当前指令的集卡进行调度；

5）InstTime：指令的存在时间，优先考虑集装箱码头操作系统最早发出的指令；

6）Priority：指令优先级，集装箱码头操作系统可以设置作业指令的优先级，先对优先级高的指令分配集卡。

本发明的有益效果：

1、本发明的集卡调度方法采用一种面向作业面（即全码头多个作业线）的调度模式来安排集卡的拖运任务，实现了集装箱码头的全场集卡调度和边装边卸作业流程（如图4所示），每辆集卡服务于多台岸桥，且在各岸桥并行作业的情况下，可以实现一艘船或多艘船范围内的边装边卸，使装船、卸船和堆场移箱一系列需要集卡参与的多路作业线共享所有集卡，让每一辆集卡同时对应多路作业线，实现集卡在卸箱后可就近投入其他需要载箱的作业线中；大大缩短了集卡空载的行驶时间和距离，从而提高集卡的作业效率，进而提高岸桥的装卸效率，缩短船舶的在港停靠时间；

2、本发明的集卡调度方法的应用，可以在不增加集卡的情况下，按时完成比以前更多的作业量，同时也节省了不少司机资源，在提高生产力的情况下，降低了码头的生产成本。

附图说明

图1是本发明基于模糊推理的集卡调度方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式的物理拓扑图；

图3是本发明具体实施方式的流程图；

图4是本发明实现全场集卡调度和边装边卸的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施方式详细说明本发明。

如图1、2、3所示，一种基于模糊推理的集卡调度方法，以厦门远海集装箱码头为例，具体步骤如下：

1、部署应用系统

为了实现对码头集卡的作业管理，厦门远海集装箱码头需要部署两套应用系统，即集装箱码头操作系统(以下简称TOS系统)和集卡调度系统，如图2所示；

1）TOS系统由中控机和无线终端组成；中控机负责码头装卸作业的管理（如装卸船计划的编排，作业线的设置，集卡设备组的设置，作业指令的发送和撤销等等）；无线终端由手持终端、场桥终端和集卡终端组成；手持终端在岸边操作，其上的手持终端程序负责确认岸桥对作业指令的执行情况；场桥终端安装在场桥设备上，其上的场桥终端程序负责确认场桥对作业指令的执行情况；集卡终端安装在集卡车辆的驾驶室里，其上的集卡终端程序负责显示集卡指令，指导集卡司机进行拖运集装箱的作业；

2）集卡调度系统由TOS接口、集卡调度服务器和集卡调度监控客户端组成；TOS接口负责与TOS系统对接，接收TOS系统的集卡调度请求，将请求转发给集卡调度服务器，并在收到集卡调度服务器的调度结果后再返回给TOS系统；集卡调度服务器与数据库连接，实现了基于模糊推理的集卡调度方法；集卡调度监控客户端以图形化的方式实时监控集卡的调度情况，并提供模糊规则设置、作业报表统计等辅助功能；

2、设置作业区最优路径

先通过TOS系统里的中控机绘制出厦门远海集装箱码头的布局图，再完成以下几步：

1）在码头布局图中定义节点的位置信息，如属于哪个堆场的起点和终点，属于哪个泊位的起点和终点，或其他作业区域的起点和终点，完成作业位置到节点的转换；

2）关联节点和道路的对应关系，完成集卡行驶路径的定义；

3）在码头布局图中设定集卡在节点之间的行驶方向，完成由节点组成的有向图；

4）采用floyd算法计算节点有向图中任意两个节点之间的最短路径，并存储到最短路径表中，以供调度计算时查用；

3、定义输入参数

根据厦门远海码头集装箱装卸的工艺流程和业务特点，综合考虑影响集卡拖运作业的各个因素，归纳出6个输入参数：

1）Distance：集卡到作业点的距离；

2）WorkLine：集卡所属作业线，具体考虑指令是否属于集卡所在的设备组，优先考虑本设备组中的指令调度；

3）TruckNum：某一设备下（岸桥，场桥）已经等待的集卡数，优先考虑等待数量最少的设备；

4）TruckTime：集卡当前正在作业指令的时间，优先考虑快要完成当前指令的集卡进行调度；

5）InstTime：指令的存在时间，优先考虑TOS系统最早发出的指令；

6）Priority：指令优先级，TOS系统可以设置作业指令的优先级，先对优先级高的指令分配集卡；

4、设置模糊规则

除了集卡调度系统提供的缺省的一组模糊规则外，码头的作业管理人员可以根据实际经验和现场情况，在系统里调整、新增集卡调度的模糊规则，形成专家规则库，供集卡调度服务做模糊推理时使用；模糊规则的格式一般为“IF THEN”格式：

IF 输入参数 IS 模糊值 THEN 动作 IS 模糊判定值

规则中的操作符可以是：=，IS，NOT

规则中多个条件之间可以是：AND，OR

模糊规则的例子如下：

IF Distance IS Low AND Approaching NOT Slow THEN Signal IS Brake

IF Distance IS Average AND Approaching IS Fast THEN Signal IS Brake

IF Speed IS Fast THEN Signal IS Brake

IF Distance NOT Low AND Approaching IS Average THEN Signal IS Maintain

IF Distance IS High AND Approaching NOT Fast AND Speed IS Acceptable THENSignal IS Maintain

IF Distance IS Average AND Speed IS Slow THEN Signal IS Maintain

IF Distance IS High AND Speed IS Slow THEN Signal IS Accelerate；

5、TOS系统请求集卡调度

集卡调度方法的实施流程如图3所示；码头作业管理人员通过TOS系统的中控机发送装卸船作业的一批指令，并由TOS系统自动产生对应的机械指令（包括岸桥指令、场桥指令和集卡指令）；TOS系统向集卡调度系统发出集卡调度的请求，同时将集卡指令列表和相关的作业数据传给集卡调度系统；集卡调度系统判断当前是否有空闲集卡，若无则循环等待直到有空闲集卡为止，若有则进入集卡调度的作业循环；

6、集卡调度计算

集卡调度由于其动态性、非线性，导致非常难于建模实现；特别是全场集卡调度，需要考虑的因素很多，如作业距离、作业时间、优先级等等；这些因素在作业过程中都是随时变化的，难于通过建模做精确计算，获得集卡与指令匹配的最优解；

集卡调度服务器循环进行集卡调度的模糊计算，每一次计算完成后就将该次的调度结果返回给TOS系统；具体的计算过程如图1所示，对于TOS系统给定的调度请求进行以下5步处理：

1) 计算输入参数：

2) 对各输入参数进行模糊化(Fuzzification)处理，即根据确定的隶属度函数来将各参数的计算数值转化为模糊值；

3) 根据规则库里的模糊规则进行推理得出模糊判定(Action)；把一个输入参数的模糊值代入对应的模糊规则，得到的模糊判定(Action)有三种：推荐做、可以做、不建议做；如：

IF WorkLine IS 是 AND Distance IS 近 THEN 推荐做；

IF Distance IS 中 THEN 可以做；

IF TruckNum IS 多 THEN 不建议做；

……

将一辆集卡的各输入参数的模糊值依次代入对应的模糊规则，得到多个模糊判定(Action)，即一辆集卡的模糊推理结果集；

4) 去模糊化（Defuzzification）采用Center of Gravity方法，将上一步得到的模糊推理结果集转化成二维直角坐标系里的图形，计算该图形的重心坐标，即得到一辆集卡的模糊计算的结论数值；

5) 对于给定的指令，进行择优计算，即循环对每一辆空闲集卡执行上述模糊计算，最终得到一个结论数值列表，取列表中数值最高的对应的集卡，即为和给定指令配对的最优集卡，最后将该调度结果返回给集装箱码头操作系统，从而完成一次集卡调度计算；

7、TOS系统执行集卡调度结果

TOS系统根据调度结果将集卡指令发给指定的集卡，收到指令的集卡执行本次集卡指令（空车到取箱点取集装箱，然后载着集装箱到交箱点交箱），具体执行过程以卸船为例：集卡到岸边取箱点，手持终端确认卸船的岸桥指令后，集装箱上车，集卡变为满载状态；然后集卡开到堆场卸箱，场桥终端确认卸船的场桥指令后，集装箱被放入堆场，集卡变为空载状态，从而完成本次集卡指令，进入下一轮集卡调度，直到所有的集卡指令都被执行完成，集卡调度的作业循环结束，从而完成本批次的装卸船作业。

Claims (3)

1.一种基于模糊推理的集卡调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

a部署作业系统，作业系统包括集装箱码头操作系统和集卡调度系统；

所述的集装箱码头操作系统由中控机和无线终端组成，所述的无线终端由手持终端、场桥终端和集卡终端组成；

所述的集卡调度系统由TOS接口、集卡调度服务器和集卡调度监控客户端组成；

所述的TOS接口用于与集装箱码头操作系统对接，接收集装箱码头操作系统的集卡调度请求，将请求转发给集卡调度服务器，并在收到集卡调度服务器的调度结果后再返回给集装箱码头操作系统；所述的集卡调度服务器与数据库连接，实现了基于模糊推理的集卡调度方法；所述的集卡调度监控客户端以图形化的方式实时监控集卡的调度情况，并提供模糊规则设置、作业报表统计等辅助功能；

b设置作业区最优路径，先通过集装箱码头操作系统里的中控机绘制集装箱码头的布局图，再完成以下几步：

1）在码头布局图中定义节点的位置信息，完成作业位置到节点的转换；

2）关联节点和道路的对应关系，完成集卡行驶路径的定义；

3）在码头布局图中设定集卡在节点之间的行驶方向，完成由节点组成的有向图；

4）采用floyd算法计算有向图中任意两个节点之间的最短路径，并存储到最短路径表中，以供调度计算时查用；

c定义输入参数；根据集装箱装卸的工艺流程和业务特点，综合考虑影响集卡拖运作业的各个因素，归纳输入参数；

d设置模糊规则；除了集卡调度系统提供的缺省的一组模糊规则外，码头的作业管理人员可以根据实际经验和现场情况，在系统里调整、新增集卡调度的模糊规则，形成专家规则库，供集卡调度服务做模糊推理时使用；模糊规则的格式一般为“IF THEN”格式：

IF 输入参数 IS 模糊值 THEN 动作 IS 模糊判定值，

规则中的操作符可以是：=，IS，NOT，

规则中多个条件之间可以是：AND，OR；

e集装箱码头操作系统请求集卡调度；码头作业管理人员通过集装箱码头操作系统的中控机发送装卸船作业的一批指令，并由集装箱码头操作系统自动产生对应的机械指令；集装箱码头操作系统向集卡调度系统发出集卡调度的请求，同时将集卡指令列表和相关的作业数据传给集卡调度系统；集卡调度系统判断当前是否有空闲集卡，若无则循环等待直到有空闲集卡为止，若有则进入集卡调度的作业循环；

f集卡调度计算；集卡调度服务器循环进行集卡调度的模糊计算，每一次计算完成后就将该次的调度结果返回给集装箱码头操作系统；对于集装箱码头操作系统给定的调度请求具体进行如下步骤处理：

1)计算输入参数：

2)对各输入参数进行模糊化处理，即根据确定的隶属度函数来将各参数的计算数值转化为模糊值；

3) 根据规则库里的模糊规则进行推理得出模糊判定；把一个输入参数的模糊值代入对应的模糊规则，得到的模糊判定有三种：推荐做、可以做、不建议做；

将一辆集卡的各输入参数的模糊值依次代入对应的模糊规则，得到多个模糊判定，即一辆集卡的模糊推理结果集；

4)去模糊化，采用Center of Gravity方法，将上一步得到的模糊推理结果集转化成二维直角坐标系里的图形，计算该图形的重心坐标，即得到一辆集卡的模糊计算的结论数值；

5)对于给定的指令，进行择优计算，即循环对每一辆空闲集卡执行上述模糊计算，最终得到一个结论数值列表，取列表中数值最高的对应的集卡，即为和给定指令配对的最优集卡，最后将该调度结果返回给集装箱码头操作系统，从而完成一次集卡调度计算；

g集装箱码头操作系统执行集卡调度结果；集装箱码头操作系统根据调度结果将集卡指令发给指定的集卡，收到指令的集卡执行本次集卡指令，具体执行过程以卸船为例：集卡到岸边取箱点，手持终端确认卸船的岸桥指令后，集装箱上车，集卡变为满载状态；然后集卡开到堆场卸箱，场桥终端确认卸船的场桥指令后，集装箱被放入堆场，集卡变为空载状态，从而完成本次集卡指令，进入下一轮集卡调度，直到所有的集卡指令都被执行完成，集卡调度的作业循环结束，从而完成本批次的装卸船作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊推理的集卡调度方法，其特征在于，a步骤所述的中控机用于码头装卸作业的管理；所述的手持终端在岸边操作，用于确认岸桥对作业指令的执行情况；所述的场桥终端安装在场桥设备上，用于确认场桥对作业指令的执行情况；所述的集卡终端安装在集卡车辆的驾驶室里，用于显示集卡指令，指导集卡司机进行拖运集装箱的作业。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊推理的集卡调度方法，其特征在于，c步骤所述的输入参数为：

1）Distance：集卡到作业点的距离；

2）WorkLine：集卡所属作业线，具体考虑指令是否属于集卡所在的设备组，优先考虑本设备组中的指令调度；

3）TruckNum：某一设备下已经等待的集卡数，优先考虑等待数量最少的设备；

4）TruckTime：集卡当前正在作业指令的时间，优先考虑快要完成当前指令的集卡进行调度；

5）InstTime：指令的存在时间，优先考虑集装箱码头操作系统最早发出的指令；

6）Priority：指令优先级，集装箱码头操作系统可以设置作业指令的优先级，先对优先级高的指令分配集卡。

Images