JP2008162757A - 運搬計画演算システム - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で効率的な船舶の運航計画などの運搬計画を求めることが可能な運搬計画演算システムを提供する。
【解決手段】少なくとも船舶の使用不能な制約条件を無視して船舶数分の運航計画を求めた後に、運航の制約条件を考慮して、その船舶数分の運航計画と実際の船舶との対応付けを行うと共に、その運航計画について最適化を行って最終的な運航計画とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の船舶（運搬装置）で、予め定められた航路（運搬路）でそれぞれ所定回数の航海（運搬）を行うために、複数の船舶の効率的な運行計画（運搬計画）を策定するのに好適な、運搬計画演算システムに関する。

工業製品、半製品などの物品輸送において、船舶による輪送は大きな比重を占めており、その船舶の効率的な運航計画は、船舶の運航管理上において重要である。
効率的な運航を行うためには船舶の前回の運航計画の他、バースプランなど積み地／揚げ地の運用も総合的に考慮した計画管理が必要である。これらを個別に最適化する仕組みは見られるが、全体を見て効率的な運航計画を立案し管理することは依然として困難であり、熟練者の判断に委ねられているケースが多い。

こうした課題を解決するための取り組みとして、例えば特許文献１に記載される技術がある。この特許文献１では、特定の船舶について予め定めた航海の寄港順選択ルールに基づきシミュレーションベースで複数の運航計画案を作成し、その中で最も判定基準に適合した計画を採用する技術が開示されている。
また、特許文献２では、船舶の運航計画問題を、積み地、揚げ地の在庫量制約の下で航海ルートを適切に選択することにより、コスト最小化を行う整数計画問題として比較的短期間を対象にモデル化し、各時点での最適解を逐次的につなぎ合わせることにより運航計画を立案する技術が開示されている。
特開平５−１２３０８号公報 特開２０００−１７２７４５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、特定の船舶の運航計画だけを対象とするため、複数船舶が同一積み地や揚げ地で作業競合する可能性が高まるなど、船舶団全体の運航を効率化することに限界がある。
また、特許文献２の方法は、その時点時点で最適と思われる運航を単純に繋げていくことにより総合的にコスト最適化を図ろうとするものであるため、先に決めた航海のために後になって積み地／揚げ地で在庫の過不足や船舶の競合・待機等を引き起こす可能性がある。また、積み地／揚げ地の作業休止時間や複数船舶競合時の待機時間の扱いなど整数計画問題としての定式化が複雑になるという問題がある。

また一般に、最適化手法による運航計画では、現実の運航で要求されるいくつかの制約条件、例えば出発／到着の等間隔性を盛り込むことが困難である。これは、効率化とは相反する条件だからである。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、短時間で効率的な船舶の運航計画などの運搬計画を求めることが可能な運搬計画演算システムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、物品を運搬するための複数の運搬装置で、所定の計画期間に、予め決められた運搬路を所定運搬回数だけ運搬するための各運搬装置の運搬計画を、上記計画期間の運搬計画では使用できない各運搬装置の使用不能期間や上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間を含む運搬制約条件を考慮して、求める運搬計画演算システムにおいて、
上記各運搬装置の使用不能期間及び上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間のうち少なくとも各運搬装置の使用不能期間の制約条件を無視して、運搬装置数、運搬路、およびその運搬回数に基づき、最適化処理によって各運搬の並べ替えを行って効率の良い運搬の並びからなる上記運搬装置数の運搬計画を算出する第１最適運搬計画演算手段と、
第１最適運搬計画演算手段が算出した運搬装置数の運搬計画について、少なくとも上記各運搬装置の使用不能期間及び上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間のうち少なくとも各運搬装置の使用不能期間の制約条件と干渉して運搬ができなくなる運搬の数が少なくなるように、上記運搬装置数の運搬計画と実際の各運搬装置との対応付けを行う干渉チェック手段と、
上記実際の運搬装置との対応付け後の運搬計画であり且つ上記干渉して運搬ができなくなる運搬を削除した運搬計画について、上記運搬制約条件の下で、各運搬装置に対応する運搬計画単位に各運搬の位置を変更して空き時間を調整して、上記干渉して運搬ができなくなる運搬をできるだけ運搬計画の空き時間に入り込むように最適化処理を行う第２最適運搬計画演算手段と、
を備えることを特徴とするものである。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記干渉チェック手段は、上記実際の運搬装置との対応付け後の運搬計画に対して、運搬計画中の選択された運搬について位置を変更する編集手段と、その運搬計画中の選択された運搬の位置を固定させる固定処理手段と、を備えることを特徴とするものである。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、干渉チェック手段は、第２最適運搬計画演算手段で求めた運搬計画を取得可能に構成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、必要な制約条件の全部若しくは一部を無視して、第１段の最適な運搬計画を演算し、その演算した第１段の運搬計画を基準にして、制約条件を考慮した最適な運搬計画を演算するので、最初から全ての制約条件を考慮して最適な運搬計画を演算する場合に比べて容易に且つ簡易に最適な運搬計画を求めることが可能となる。
特に、第１段の最適な運搬計画を求める際には、少なくとも実際の運搬装置についての使用可能性の制約条件を無視しているので、各運航の並びをできるだけ等間隔化して最適化することが可能となる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、運搬装置として船舶の場合を例示して、複数の船舶で、予め定められた複数の運航路（運搬路）を、予め設定された所定計画期間にそれぞれ所定回数の航海（運搬）を行う際における、各船舶の効率的な運航計画を求める場合を例に説明する。なお、本願発明は、船舶による運搬に限定されず、トラックなどによる荷（物品）の運搬計画であっても適用可能である。

（構成）
本実施形態の運搬計画演算システムは、図１のように、演算本体部２と、制約条件記憶部４と、演算本体部２が演算した内容を表示する表示部３と、演算本体部２に情報を入力する入力装置１と、を備える。
演算本体部２は、図２に示すように、第１最適運搬計画演算部２Ａ、干渉チェック部２Ｂ、編集固定部２Ｃ、及び第２最適運搬計画演算部２Ｄを備える。ここで、第１最適運搬計画演算部２Ａは、第１最適運搬計画演算手段を構成し、干渉チェック部２Ｂ及び編集固定部２Ｃは、干渉チェック手段を構成し、第２最適運搬計画演算部２Ｄは、第２最適運搬計画演算手段を構成する。

上記第１最適運搬計画演算部２Ａには、対象となる計画期間、対象とする航路（航海等に必要な時間を含む）、計画期間内における各航路の航海数、及び使用する船舶数が、初期条件データとして入力される。そして、初期条件が入力された第１最適運搬計画演算部２Ａは、公知の最適化手法を適用したプログラムを持った演算部で、上記対象となる航海数の並べ替えを繰り返して、稼働時間・作業時間が短い、運搬物品数が多いなどの効率が良いといった最適な並びを求める最適化処理を実施して、計画期間における、船舶数分の運航計画を演算し、演算した運航計画のデータを干渉チェック部２Ｂに出力する。

上記最適化処理では、制約条件として、上記計画期間の運搬計画では使用できない各船舶の使用不能期間（以下、船舶制約条件と呼ぶ）や、上記航路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間（以下、航路拠点制約条件と呼ぶ）からなる制約条件を考慮しないで処理が行われる。
上記船舶制約条件としては、前回の作成した運航計画との接続条件（今回の計画期間における対象とする各船舶の本計画開始時の運航状態）によって本計画で使用不能な期間や、計画作成期間中の船舶の検査（ドック検査期間（各船舶は例えば３年毎に検査を受ける必要がある）等）による非稼働期間などがある。

また、上記航路拠点制約条件としては、計画作成期間中の船舶港湾設備の検査等による非稼働期間などが挙げられる。
ここで、上記第１最適運搬計画演算部２Ａでの最適化処理の際には、船舶自体の制約条件（船舶制約条件）を考慮しないで最適化を実施しているので、船舶数分の運航計画は、実際の船舶とは対応付けが成されていない。そして、この第１最適運搬計画演算部２Ａでは、船舶数が５隻であれば、５隻分の運航計画が求められる。また、上記制約条件による制約が無い状態で最適化処理を演算するので、各船舶の出発／到着の等間隔性を盛り込むことがその分容易となる。

干渉チェック部２Ｂは、第１最適運搬計画演算部２Ａが演算した船舶数分の運航計画のデータを取得して、その船舶数分の運航計画について、上記船舶制約条件及び航路拠点制約条件に干渉する、つまり航海ができない航海の数が最小となる、上記船舶数分の運航計画と実際の船舶との対応付けを行う。
上記干渉チェック部２Ｂの具体的処理は、各航海の位置を固定して、船舶数分の運航計画と複数の船舶との全ての組合せについて、それぞれ上記船舶制約条件及び航路拠点制約条件に干渉する航海数を求め、その干渉する航海数が一番小さな組合せを抽出し、その抽出した組合せに船舶数分の運航計画と実際の船舶との対応付けを決定する。更に、上記対応付けを決定したら、上記船舶制約条件及び航路拠点制約条件に干渉する航海を上記運航計画が削除して、一時的に待避する。

編集固定部２Ｃは、上記干渉チェック部２Ｂが演算した対応付け後の航海計画を入力して、各運航計画データ中の各運航の位置を変更する変更処理部２Ｃａと、運航計画データ中の各運航の位置を固定する固定処理部２Ｃｂと、からなる。
変更処理部２Ｃａは、オペレータの入力情報によって、各運航計画中から対象とする運航を選択し、その選択した運航の位置データを更新することで変更する。位置の更新は、対応する船舶の運航計画内でのみ位置（日時）をずらすことで行う。なお、他の運航と干渉する場合には更新はしない。

固定処理部２Ｃｂは、オペレータの入力情報によって、各運航計画中から対象とする運航を選択し、その選択した運航の位置データを固定に変更する。位置データの固定は、各運航データ中に固定フラグを持たせて、その固定フラグのオン・オフによって選択し、後述の第２最適運搬計画演算部２Ｄで、固定フラグを参照して、その運航データの位置の変更を禁止させても良いし、位置固定の運航に関する情報を制約条件データとして後述の第２最適運搬計画演算部２Ｄに出力しても良い。
上記編集固定部２Ｃの処理操作は、例えば対応する運航計画のデータの並びを画面上に表示させ、その画面上の各運航位置をマウスで直接変更指示を行うように構成しても良いし、対象とする運航を選択して、日時を入力すること変更、固定指示を行うように構成しても良い。

第２最適運搬計画演算部２Ｄは、干渉チェック部２Ｂが求めた対応付け後の運航計画（編集固定部２Ｃが起動された場合には、編集固定部２Ｃで更新後の運航計画）を入力し、公知の最適化手法を適用したプログラムを持った演算部で、設定された制約条件の下、船舶と対応付けされた各運航計画単位に、その運航計画に含まれる運航の日時を変更して、上記干渉チェック部２Ｂで削除した航海を入れ込み可能な位置を検出する処理を実施して、上記削除された航海ができるだけ入れ込み可能な運航計画を演算する。なお、計画に入れ込みできなかった運航は別途、表示する。

上記第２最適運搬計画演算部２Ｄが演算した運航計画は、オペレータの操作によって、印刷されたり、上記編集固定部２Ｃの処理データとして入力されたりする。
ここで、最適化処理に使用される最適化手法としては、整数計画法で問題を解く際に使用される最適化手法など、公知の最適化手法であれば適用可能である。例示としては、資源制約スケジューリング問題（ＲＣＰＳＰ）として定式化したタブーサーチ法を挙げることが出来る。

また、上記説明では、干渉チェック部２Ｂで、船舶制約条件及び航路拠点制約条件の両制約条件で干渉チェックを実施しているが、船舶制約条件だけを使用して干渉チェックをしても良い。
また、各処理部、演算部は、自動的に次の処理部を起動するように構成しても良いし、オペレータの操作で次に行う処理を順次選択できるように構成されていても良い。

（作用効果）
本実施形態の運搬計画演算システムでは、少なくとも各船舶特有の船舶制約条件を考慮しないで、使用する船舶分の運航計画を一度求めた後に、船舶制約条件などの制約条件と干渉する運行数が少ない、運航計画と実際に船舶との対応付けを行い、そのときに干渉する航海をその最適な運航計画から一時的に削除し、その後に、一時的に削除した運航を対象として、必要とする制約条件を考慮して、最適な運航計画を求めるというように、段階を追って運航計画を作成するため、初めから船舶制約条件や航路拠点制約条件を考慮して最適化手法を使用して最適な運航計画を求める場合に比べて、短時間で運航計画を作成できる。

また、第１最適運搬計画演算部２Ａで行われる、使用する船舶分の運航計画を最適化する処理において、各船舶特有の船舶制約条件を考慮しないので、運航計画作成者のノウハウや、最適化問題への定式化が複雑になる条件を演算処理に反映しやすい。例えば、出発／到着の等間隔性を盛り込むことが容易にできるようになる。
また、本実施形態にあっては、前述の従来技術のような、計画作成期間全体にわたる運航計画を一度に最適化しシミュレーションにより運航計画を作成する方法や、その時点時点で最適と思われる運航計画をつなげて全体の運航計画を作成する方法で起こりうる、先に決めた航海のために、後になって積み地／揚げ地で船舶の競合・待機等を引き起こすという問題の発生を抑えることが出来る。

また、編集固定部２Ｃにより、干渉チェック部２Ｂが求めた結果を編集することにより、前記第２最適運搬計画演算部２Ａにおける、基準となる運航計画についてオペレータが取捨選択できるため、運航計画における部分的な制約条件の対応が可能となる。
また、前記第２最適運搬計画演算部２Ａの処理と編集固定部２Ｃの処理とを繰り返すことで、オペレータによる運航計画のカスタマイズが可能となる。

（運搬計画演算システムの実施例）
図３に本実施例の運搬計画演算システムの別の概要構成例を示す。この実施例では、第１最適運搬計画演算部２Ａと第２最適運搬計画演算部２Ａを実行するための最適化処理装置１０として、同じ装置が使用される場合のシステム構成例であって、最適化処理装置１０が参照する運航情報ファイル（制約条件ファイル）の中身を空にして処理を実行することで、第１最適運搬計画演算部２Ａの処理とし、また、運航情報ファイルに必要な制約条件データを設定して実行することで、第２最適運搬計画演算部２Ａの処理とするものである。上記最適化処理装置１０には、公知の最適化手法に基づいたプログラムが組まれている。

また、図３中、基本データファイルには、航路ごとの所要時間および目標航海数、使用船舶数が格納されている。制約条件を格納する運航情報ファイルには、前月最終航海の終了日時（各船舶の今回の計画に接続する初期条件）、および船舶・港湾設備の検査等の非稼働時間等が格納されており、必要に応じて上位のシステムから更新される。
そして、本実施例では、まず、最適化処理装置１０の運航情報ファイルを空、かつ、干渉チェックによる運航計画を空として、最適化処理装置１０を実行して、制約条件を考慮しない最適運航計画を作成する。運航情報ファイルを空、かつ、干渉チェックによる運航計画が空であるため、最適化ツールヘのフォーマット変換過程において、船舶制約条件や航路拠点制約条件を考慮しないで、最適運航計画作成問題の入力ファイルが生成され、最適運航計画が得られる。

次に、干渉チェック装置１１において、上記最適化処理装置１０で得られた最適運航計画と、空でない運航情報ファイルを与え、作成済みの運航計画や、計画作成期間中の船舶・港湾設備の検査等の非稼働時間と干渉する航海を、各航海の時間（位置）を固定したまま運航計画単位で船舶の対応付けの入れ替えを行いながら干渉回避チェックを行い、干渉する航海が一番少ない対応関係を求め、その対応状態で干渉を回避できない航海を運航計画から一時的に削除する。また、その結果をオペレータに表示し、結果の編集を行う。

図８に干渉チェック装置での編集に用いる画面を示す。オペレータは画面上のガントチャートから航海を表す線をマウスで選択することで第２最適運搬計画演算部２Ａとしての最適化処理装置１０の対象とする航海を選択することができる。また、画面上のガントチャートから航海を表す線をマウスで選択したままで左右に移動することで、干渉チェックの結果を編集することができる。

次に、再度、最適化処理装置１０において、干渉チェックで編集された結果と、空でない運航情報ファイルを与えて実行し、最適化処理を行って最適運航計画を作成する。
このとき、干渉チェック装置１１で編集された結果と、空でない運航情報ファイルを与えるため、最適化ツールヘのフォーマット変換過程において、作成済みの運航計画との接続条件や、計画作成期間中の船舶・港湾設備の検査等の非稼働時間を考慮した最適運航作成問題の入力ファイルが生成され、最適運航計画が得られる。

得られた結果が不満足なものであった場合には、必要に応じて干渉チェック装置１１による処理と最適化処理装置１０による処理を繰り返す。
本実施例は、最適化処理装置１０の計画作成期間中の船舶・港湾設備の検査等の非稼働時間を考慮しない最適運航計画作成に対応させた例である。一部に人手による運航計画の処理が行われても良い。

（動作例）
始めに、運航計画作成対象となる船舶は、積載量、航行速度などは同一であり、区別して扱う必要は無いものとする。
第１最適運搬計画演算部２Ａ（最適化処理装置１０）では、船舶制約条件や運航拠点制約条件を考慮せずに、与えられた航海数と船舶数から、最適化手法を用いて最適な運航計画を作成する。この入力データとして、図５に示すような目標航海数データ、図６に示す運航計画作成対象船舶数を用いる。
このデータをもとに、最適化手法を用いて最適な運航計画を作成する。この段階では、完全な運航計画作成問題に比べて制約条件が少なくなっているため、短時間で最適解を得ることができる。

図７は最適化処理装置１０の最適運航計画を作成した例である。この例では作成期間を一ヶ月に設定し、図７では、その前半部分の最適運航計画例を示している。また、この例は、航路Ｄを１３航海／月、航路Ｎを２９航海／月、航路Ｋを２０航海／月の目標航海数と、船舶型Ｅを５隻、船舶型Ｓを１隻与えた場合の最適な運航計画である。図２は横方向に長方形で船舶の稼働状況をあらわしており、記号Ｄ、Ｎ、Ｋは航路の名称をあらわしている。予め決められている船舶制約条件や運航拠点制約条件を考慮していないため、前月の最終航海は、当該月の最適運航計画と接続するように、また、出発／到着の等間隔性を盛り込んだ状態となっている。また、このとき、各運航計画は、実施の船舶との対応付けが成されていない。

干渉チェック部２Ｂでは、上記第１最適運搬計画演算部２Ａで作成した最適な運航計画に含まれる航海のうち、船舶制約条件や運航拠点制約条件と干渉する航海と、各航海の時間を固定したまま対応させる具体的な船舶の入れ替えを行いながら干渉回避を行い、干渉を回避できない航海を最適な運航計画から削除する。また、その結果をオペレータに表示し、結果を編集し、第２最適運搬計画演算部２Ａの対象となる航海を取捨選択する。図８に干渉チェックによる干渉回避前後の運航計画を示す。この例では、図８（ａ）の斜線で示した２航海が、前月最終航海、あるいはドック検査との干渉のために削除されており、これにより図８（ｂ）の斜線で示した部分に空き時間が生じている。ここで、Ｅ１〜Ｅ５が実施の船舶を特定する記号である。

第２最適運搬計画演算部２Ａでは、干渉チェックで削除された航海を、空き時間に当てはめる最適化問題を解く。この処理では、第１最適運搬計画演算部２Ａの最適化の問題に比べて、最適化対象とする航海および期間が大幅に少なくなっており、短時間で最適解を得ることができる。図９は、第２最適運搬計画演算部２Ａで得られた最終的な最適運航計画結果である。図８に示した、「干渉チェックで削除された航海１」が、干渉チェックで生じた空き時間に配置されている。

第２最適運搬計画演算部２Ａの結果によれば、「干渉チェックで削除された航海１」は干渉チェックで生じた空き時間に配置されたが、「干渉チェックで削除された航海２」は配置できていない。一方で、干渉チェック部２Ｂで生じた空き時間はまだ残っている。
この場合には、再度、編集固定部２Ｃにもどり、図１０のように、残った空き時間の部分に最適化処理装置１０の最適運航計画結果が前詰めになるように、編集固定部２Ｃでの更新結果を再編集し、再度、第２最適運搬計画演算部２Ａを実行することで、図１１の結果を得ることができる（この例では、船舶Ｅ３の運航計画について各運航の位置をずらして空きを確保している。）。再度干渉チェック部２Ｂおよび第２最適運搬計画演算部２Ａを実行することで、「干渉チェックで削除された航海２」も運航計画に入れ込むことができる。

本発明に基づく実施形態に係るシステム構成概要を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る演算本体部の構成を示す図である。 実施例におけるシステム構成概要を示す図である。 干渉チェック処理後の各運航計画を重ねてガントチャートの形式で画面に表示する場合の例を示す図である。 目標航海数のデータ例を示す図である。 対象船舶数のデータ例を示す図である。 第１最適運航計画演算後の６隻分の運航計画例を示す図である。 干渉チェックの処理を説明する図である。 第２最適運航計画演算での処理を説明する図である。 編集処理を説明する図である。 編集処理を説明する図である。

符号の説明

２ 演算本体部
２ 航海
２Ａ 最適運搬計画演算部
２Ｂ 干渉チェック部
２Ｃ 編集固定部
２Ｃａ 変更処理部
２Ｃｂ 固定処理部
２Ｄ 最適運搬計画演算部
３ 表示部
４ 制約条件記憶部
１０ 最適化処理装置
１１ 干渉チェック装置
Ｄ、Ｋ、Ｎ、Ｓ 航路
Ｅ 船舶型
Ｓ 船舶型
Ｓ１，Ｅ１〜Ｅ５ 実際の船舶に対応する記号

Claims (3)

1. 物品を運搬するための複数の運搬装置で、所定の計画期間に、予め決められた運搬路を所定運搬回数だけ運搬するための各運搬装置の運搬計画を、上記計画期間の運搬計画では使用できない各運搬装置の使用不能期間や上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間を含む運搬制約条件を考慮して、求める運搬計画演算システムにおいて、
   上記各運搬装置の使用不能期間及び上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間のうち少なくとも各運搬装置の使用不能期間の制約条件を無視して、運搬装置数、運搬路、およびその運搬回数に基づき、最適化処理によって各運搬の並べ替えを行って効率の良い運搬の並びからなる上記運搬装置数の運搬計画を算出する第１最適運搬計画演算手段と、
   第１最適運搬計画演算手段が算出した運搬装置数の運搬計画について、少なくとも上記各運搬装置の使用不能期間及び上記運搬路中の物品の揚げ降ろし地点の非稼働期間のうち少なくとも各運搬装置の使用不能期間の制約条件と干渉して運搬ができなくなる運搬の数が少なくなるように、上記運搬装置数の運搬計画と実際の各運搬装置との対応付けを行う干渉チェック手段と、
   上記実際の運搬装置との対応付け後の運搬計画であり且つ上記干渉して運搬ができなくなる運搬を削除した運搬計画について、上記運搬制約条件の下で、各運搬装置に対応する運搬計画単位に各運搬の位置を変更して空き時間を調整して、上記干渉して運搬ができなくなる運搬をできるだけ運搬計画の空き時間に入り込むように最適化処理を行う第２最適運搬計画演算手段と、
   を備えることを特徴とする運搬計画演算システム。
2. 上記干渉チェック手段は、上記実際の運搬装置との対応付け後の運搬計画に対して、運搬計画中の選択された運搬について位置を変更する編集手段と、その運搬計画中の選択された運搬の位置を固定させる固定処理手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載した運搬計画演算システム。
3. 干渉チェック手段は、第２最適運搬計画演算手段で求めた運搬計画を取得可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した運搬計画演算システム。

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