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考虑能耗的集装箱码头泊位与岸边集装箱起重机联合调度研究.pdf
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1、港口装卸2 0 2 3 年第3 期(总第2 7 0 期)考虑能耗的集装箱码头泊位与岸边集装箱起重机联合调度研究代永该庞利宝黄麟富?1武汉航科物流有限公司2烽火通信科技股份有限公司摘要:以集装箱码头泊位与岸桥调度优化为研究目的,考虑连续动态型泊位、岸桥作业状态、岸桥所处的岸线位置等影响因素,结合实际作业数据,分析岸桥平均单箱作业时间,构建了考虑能耗的泊位与岸桥联合调度模型;以最小化船舶实际离港时间与期望离港时间的偏差、岸桥能耗最小化作为双目标函数,并从精英选择策略、交叉算子和变异算子3 个方面改进多层编码的NSGA-I 算法;以某一集装箱码头的船舶数据为基础,运用算法进行求解,从改进前后的情况验
2、证了模型与算法的有效性,对泊位与岸桥绿色作业调度优化有一定的参考价值。关键词:集装箱码头;能耗;改进NSGA-II算法;多目标优化;联合调度Study on Joint Dispatching of Container Terminal Berths and QuaysideContainer Cranes Considering Energy ConsumptionDai Yonggai Pang Libao Huang Linfu?1Wuhan Hangke Logistics Co.,Ltd.2FiberHome Telecommunication Technologies Co.,Lt
3、d.Abstract:Taking container terminal berth and quayside bridge scheduling optimization as the research purpose,considering the influence factors such as continuous dynamic berths,quayside bridge operating status and the shorelineposition of quayside bridge,combined with the actual operation data,the
4、 average working time per container of quaysidebridge is analyzed,and a berth-quayside bridge joint dispatching model is constructed considering energy consumption.Minimizing the deviation between the actual departure time and the expected departure time and minimizing the shore andbridge energy con
5、sumption are taken as the double objective function,the multi-layer coding NSGA-II algorithm is improvedfrom three aspects:elite selection strategy,crossover operator and mutation operator;based on the ship data of a containerterminal,the algorithm is used to solve the problem,and the effectiveness
6、of the model and algorithm is verified from thesituation before and after the improvement,which has a certain reference value for the green job scheduling optimization ofberth and quayside bridge.Key words:container terminal;energy consumption;improved NSGA-II algorithm;multi-objective optimization;
7、joint dispatching理能源消耗成本作为双目标函数,将其进行归一化1引言处理,运用文化基因算法求解该问题 2 。HeJ等在在国内政策和环境经济发展的背景下,集装箱TanC等的研究基础上对能耗消耗与岸桥处理效率码头绿色化、节能化的研究发展迅速。王智灵等选之间的关系进行了研究,着重考虑岸桥驾驶员成本、择连续泊位作为研究对象,将船舶到港时间、岸边集昼夜作业效率差异和昼夜绩效报酬对泊位与岸桥分装箱起重机(以下简称岸桥)装卸作业时间的不确配的影响,构建了包含司机成本、船舶延迟离港的成定性转变为服从均值的均匀分布,并借助缓冲时间本和岸桥能耗消耗成本三部分的单目标函数模型,吸纳不确定因素的影响,
8、构建考虑多方服务损失的在遗传算法的基础上,提出了元启发式算法,并设计模型,运用改进遗传算法求解,并验证模型的可行了三阶段算法 3-4。司玉军等考虑相邻岸桥作业彼性 。HeJ着眼于节能和省时,以最小化所有船舶此干扰的约束,建立了基于优先级计算方法的多吨的总离港延误成本、最小化岸桥对所有船舶的总处级位岸桥联合调度模型,以最小作业成本惩罚作为33Port Operation2023.No.3(Serial No.270)目标函数 5 。胡鸿韬等以缩短船舶总在港时间作为目标,运用粒子群算法求解 6 。在实际作业过程中,岸桥的作业效率是变化的、具有波动性的。为此,探讨泊位与岸桥的联合调度问题,以实际数据
9、为基础,分析岸桥的作业效率,考虑岸桥能耗和船舶期望离港时间,采用改进NSGA-算法求解,获得最优方案。2泊位与岸桥联合调度问题分析2.1岸桥能耗分析岸桥主要包含起升机构、小车运行机构、大车行走机构等,作业状态可以细分为等待作业状态、装卸作业状态。结合岸桥结构,装卸作业单位为贝位,将岸桥能耗分成大车移动能耗、装卸集装箱状态下能耗和岸桥因干扰而等待的能耗。2.2岸桥作业效率分析对某集装箱码头1 周内的1 2 台自动化岸桥作业数据进行分析,统计各个岸桥在每h内的所有单箱作业时间,并计算平均值。借助方差分析的方法 7 进行单因素方差分析,F为每h内的所有单箱作业时间的均方与平均值均分之比,值为显著性值
10、,计算得到F=0.8,p=0.64330.05,则均数间不存在显著差异,1 2 台岸桥的作业效率是一致的。各时间段的平均单箱作业时间见表1,设置为函数:f(h)=eh,f(h)表1 岸桥每h平均单箱作业时间表时间段平均单箱作业时间/s0:001:001021:00 2:00882:00 3:00923:004:00934:00 5:00895:006:00856:00 7:00907:00 8:00988:00 9:001189:0010:008010:00 11:009711:00 12:008512:00 13:009213:00 14:009014:0015:009215:0016:00
11、10416:00 17:0010217:00 18:009218:00 19:0010919:00 20:0011220:00 21:009421:00 22:009422:00 23:008923:00 24:0010234表示每个时段的平均单箱作业时间函数,eh对应表1中的平均单箱作业时间,例如f(1)=e,=88。2.3联合调度问题分析泊位与岸桥资源在分配、使用方面有密切的关系。船舶到达码头时,会先在锚地等待靠泊指令,码头会为船舶制定靠泊时间、位置、岸桥调度计划。在考虑能源消耗的情况下,对泊位与岸桥联合调度时,先考虑泊位是否空闲可用,同时考虑是否有岸桥完成装卸作业,或者处于空闲状态下;当
12、泊位被占用,岸桥数量不满足时,船舶则会在锚地等待;若泊位未被占用,岸桥的数量足够,那么将会为船舶分配泊位、发出靠泊指令、分配合适数量的岸桥,装卸任务具体分配到贝位进行岸桥调派,使得泊位与岸桥联合调度问题更为具体。3考虑能耗的联合调度模型建立3.1模型假设与变量模型假设:船舶到港的时间与计划表一致;船舶仅靠泊一次,不受水深等限制;船舶占用岸线的长度=船长+安全距离;船舶从锚地驶至泊位的时间不计;左端船头为靠泊位置;完成装卸作业后即可离港;岸桥在服务过程中不会作业中断;不考虑翻箱;集卡数量充足;初始时泊位与岸桥处于空闲。决策变量。RA,:船舶i实际靠泊时间;P;:船舶i靠泊位置;Dh:在h时期内,
13、岸桥k为船舶i提供装卸作业时数值为1,反之为0;Wik:在h时期内,当岸桥k对船舶i的第t个任务装卸作业时数值为1,反之为0。3.2模型构建目标函数有2 个,f为船舶实际离港时间与期望离港时间的偏差,公式如下:minfi=Z(RL,-QL,)iE1式中,i为船舶编号;QL,为船舶i期望离港时间;RL,为船舶i实际离港的时刻。f,为岸桥大车移动能耗、装卸作业状态下能耗和等待能耗的总和,公式如下:minf2=ZZZe(A+B)+Ze,WikielkeQteT,+2ZoZuTeT.teT,he式中,h为时段编号,h;k 为岸桥编号;T,为船舶i的装卸任务集合;。为岸桥大车移动的单位移动平均能耗,un
14、it/m;A 为两船间岸桥的行程总和;B为岸桥在不同贝位之间行驶的距离总和;,为装卸作业的单位时间平均能耗,unit/s;,为岸桥因干扰而(1)heH(2)(h+1)k(8)港口装卸2 0 2 3 年第3 期(总第2 7 0 期)等待的单位时间平均能耗,unit/s;Z,表示岸桥k间,其中e,是船舶i的第t个任务结束的时刻。若完成作业任务t后继续进行作业任务t*时为1,否A=ZZZ it W*)-s,WaielheQteT;n+1则为0;t,表示岸桥完成任务t后开始任务t*前因其他岸桥干扰需要等待的时间。3.3约束条件模型的约束条件需满足同时段同一泊位上不能靠泊2 艘船舶;靠泊位置相同的船舶无
15、时间冲突;船舶必须停靠在码头的泊位;在同一时期内,靠泊船舶总长在岸线总长之内;船舶在到港、靠泊、离港时间上存在的先后顺序;任何时刻进行装卸的岸桥数目总和应少于或等于岸桥的总数目;同一艘船舶服务的岸桥数目不得少于1,或超过最大岸桥数;在同一时间1 台岸桥只能服务1 艘船舶;不同编号之间的岸桥为不同船舶服务时不可跨越;船舶在全部作业完成后才能离港等。除以上普遍性约束条件之外,模型约束条件还包括以下项目。Pi,=P,+(l-mN,)+mn,Vi E I,Vn,E T,N式中,Pi,为有装卸作业的贝位n,与码头岸线的位置关系;l,为船舶i占据泊位的总长(含安全距离);m为1 个贝位与岸线对应的长度;N
16、,为船舶i的贝位集合N=1,2,3,n);N为船舶i的全部贝位;T,N为具有装载作业的船舶i的贝位集合,T,N=(ni,n2,n3,n,。C,=RL,-RA,Vi e I式中,C,为船舶i在泊位停靠的时间,RA,是船舶i实际靠泊的时间。Diu+Dwu-1 Di(a+),Vi e I,V h e H,Vk,k*EQ,且k*k+2式(5)表示同时期内,岸桥k和k*为船舶i提供服务,两者间的岸桥也应为船舶提供服务,其中Dh为在h时期内,岸桥k为船舶i提供装卸作业时数值为1,反之为0。e,=s,+T,/eh,VieI,VteT,式(6)表示船舶i上的任务t完成时间ei等于任务开始的时刻加上岸桥的装卸时
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