港口集装箱码头泊位与岸桥的多阶段协作调度仿真研究.pdf
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1、 第卷 第期 年月:港 口 集 装 箱 码 头 泊 位 与 岸 桥 的 多 阶 段 协 作 调 度 仿 真 研 究冯 小 欧,杨瑾,袁 培 燕(郑 州 旅 游 职 业 学 院,郑 州;河 南 师 范 大 学 计 算 机 与 信 息 工 程 学 院,河 南 新 乡)摘要:港 口 集 装 箱 码 头 泊 位 与 岸 桥 的 分 配 与 调 度 分 开 运 行 有 局 限 性,两 者 的 协 作调 度 能 有 效 提 高 码 头 的 装 卸 效 率。为 解 决 连 续 型 泊 位 分 配 中 岸 桥 动 态 调 度 的 协 作优 化 问 题,建 立 以 最 小 化 延 迟 完 工 作 业 量 和 偏
2、 离 最 佳 泊 位 的 惩 罚 代 价 为 目 标 的 目标 函 数。为 求 解 最 优 化 目 标,将 协 作 调 度 分 阶 段 进 行,提 出算 法 对 连 续 泊 位 分配 进 行 求 解;将 岸 桥 分 配 分 两 步 进 行,提 出算 法 求 解 船 舶 泊 位 时 的 岸 桥 分配,算 法 进 行 船 舶 离 港 后 的 岸 桥 分 配;采 用 粒 子 群 算 法 对 模 型 进 行 编 解 码 及求 解。关 键 词:集 装 箱 码 头;泊 位 分 配;岸 桥 调 度;粒 子 群 算 法中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:(),(,;,):,:;收 稿 日
3、期:基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目();河 南 省 自 然 科 学基 金 项 目();河 南 省 教 育 厅 基 金 项 目()作 者 简 介:冯 小 欧(),女,河 南 济 源 人,硕 士,讲 师,主 要 研 究领 域 为 计 算 机 网 络,调 度 仿 真 技 术。:;:引言随 着 国 际 贸 易 的 快 速 发 展 和 大 规 模 大 吨 位 集 装 箱货 柜 船 舶 的 发 展 趋 势,集 装 箱 码 头 的 高 效 运 营 正 面 临巨 大 的 挑 战。集 装 箱 船 舶 及 其 装 卸 设 备 也 正 在 向 着 高速 重 负 荷 方 向 发 展,这 要 求
4、 调 度 计 划 和 集 装 箱 码 头 作业 不 仅 需 要 满 足 船 舶 的 装 卸 工 作 任 务 要 求,还 要 降 低码 头 的 作 业 代 价 和 投 资。集 装 箱 码 头 的 主 要 作 业 空 间第期冯 小 欧,等:港 口 集 装 箱 码 头 泊 位 与 岸 桥 的 多 阶 段 协 作 调 度 仿 真 研 究涉 及 两 类 主 要 资 源:泊 位 和 岸 桥。泊 位 和 岸 桥 是 集 装箱 码 头 的 稀 缺 资 源,泊 位 分 配 和 岸 桥 调 度 对 于 提 高 集装 箱 码 头 的 运 作 效 率 至 关 重 要。泊 位 分 配 是 指 为 到 港船 舶 安 排
5、靠 泊 位 置 和 靠 泊、离 港 时 间,并 最 小 化 船 舶 在港 时 间。船 舶 等 待 靠 泊 时 间 最 短、在 港 装 卸 作 业 时 间最 短、靠 泊 成 本 最 低 以 及 客 户 满 意 度 最 高 为 当 今 泊 位分 配 的 主 要 研 究 目 标。依 据 码 头 作 业 时 泊 位 分 布 方 式的 不 同,可 分 为 离 散 型 泊 位 和 连 续 型 泊 位。根 据 文 献 中 的 表 述,离 散 型 泊 位 是 将 码 头 分 割 成 一 定 数 量的 部 分,每 一 部 分 即 为 一 个 泊 位,在 每 一 个 时 间 点 每 一个 泊 位 上 只 能 停
6、靠 一 艘 船 舶。而 连 续 型 泊 位 分 布,码头 没 有 被 分 割,在 满 足 船 舶 长 度 的 情 况 下 船 舶 可 停 靠在 码 头 边 界 的 任 意 位 置。连 续 型 泊 位 相 对 离 散 型 泊 位能 更 好 地 利 用 空 间,但 连 续 型 泊 位 分 配 较 复 杂。岸 桥是 集 装 箱 码 头 重 要 的 装 卸 资 源,岸 桥 调 度 所 要 解 决 的是 在 给 船 舶 分 配 好 泊 位 后,根 据 到 港 船 舶 集 装 箱 装 卸任 务 量 以 及 船 舶 离 港 时 间 等 约 束 为 船 舶 分 配 可 用 的 岸桥。岸 桥 价 格 昂 贵,如
7、 何 减 少 岸 桥 的 闲 置 时 间,提 高 岸桥 的 利 用 率 是 集 装 箱 码 头 取 得 竞 争 优 势 的 关 键。泊 位 与 岸 桥 协 调 调 度 比 单 独 调 度 能 更 有 效 提 高 集装 箱 码 头 的 装 卸 效 率,减 少 船 舶 在 港 时 间。图给 出了 泊 位 与 岸 桥 单 独 调 度 和 协 调 调 度 的 作 业 流 程。由 于船 舶 停 靠 的 泊 位 和 泊 位 附 近 的 岸 桥 工 作 状 态 不 同,导致 船 舶 的 服 务 时 间 不 同。泊 位 决 策 影 响 岸 桥 分 配 决策,从 而 影 响 船 舶 在 港 时 间。协 调 调
8、度 在 泊 位 调 度 时不 仅 要 考 虑 泊 位 空 闲 情 况,也 要 考 虑 该 泊 位 可 用 岸 桥的 状 态,计 算 停 泊 泊 位 岸 桥 的 装 卸 时 间,选 择 使 船 舶 在港 时 间 最 短 的 泊 位 停 靠。单 独 调 度 则 将 两 个 调 度 流 程分 开,先 为 船 舶 选 择 最 短 泊 位 停 靠 等 待 时 间,停 靠 后 再分 配 可 用 岸 桥,后 者 忽 视 了 岸 桥 分 配 对 船 舶 在 港 时 间的 影 响,造 成 后 续 船 舶 的 等 待,具 有 一 定 的 局 限 性。协()泊 位 与 岸 桥 单 独 调 度()泊 位 与 岸 桥
9、协 作 调 度图泊 位 与 岸 桥 调 度 方 式调 调 度 避 免 了 单 独 调 度 的 局 限 性,可 有 效 减 少 船 舶 总在 港 时 间,并 提 高 岸 桥 的 装 卸 效 率。泊 位 与 岸 桥 调 度 方 式为 解 决 泊 位 和 岸 桥 两 类 资 源 的 调 度,很 多 学 者 进行 了 研 究。集 装 箱 码 头 的 泊 位 和 岸 桥 分 配 的 单 独 调 度研 究 如 文 献 。基 于 静 态 调 度 和 离 散 泊 位 调 度 的相 关 研 究,文 献 中 提 出 一 种 动 态 调 度 方 法,建 立 一种 混 合 整 数 规 划 模 型,其 目 标 是 最
10、短 化 船 舶 的 在 港 时间。文 献 中 提 出 连 续 泊 位 概 念,此 时 泊 位 被 视 为连 续 空 间,以 最 大 化 泊 位 的 利 用 率。此 外 还 将 泊 位 转换 为 二 维 渐 缩 进 行 分 析,结 果 表 明,泊 位 调 度 是问 题。为 解 决 连 续 泊 位 分 配,文 献 中 将 要 求的 离 港 时 间 和 在 非 最 优 泊 位 上 的 额 外 处 理 代 价 的 总 附加 代 价 设 置 为 最 优 化 目 标,并 通 过 模 拟 退 火 算 法 时 进行 求 解。基 于 以 上 的 工 作,文 献 中 通 过 分 支 界 限法 和 自 适 应 贪
11、婪 算 法 进 行 求 解。文 献 中 提 出 一 种多 重 任 务 调 度 模 型,目 标 则 是 最 短 化 最 近 船 舶 的 离 港时 间,并 提 出 一 种 启 发 式 算 法。类 似 内 容 还 出 现 在 文献 中。为 提 高 资 源 利 用 率,文 献 中 引 入 岸 桥 生 产 率到 泊 位 和 岸 桥 分 配 的 协 作 调 度。为 最 短 化 处 理 时 间、等 待 时 间 和 延 时 时 间 的 总 和,文 献 中 提 出 一 种 混合 遗 传 算 法 对 以 上 协 作 调 度 进 行 求 解。由 于 码 头 工 作的 复 杂 性,连 接 泊 位 和 岸 桥 分 配
12、的 协 作 调 度 仍 然 缺 乏有 效 的 调 度 机 制。文 献 中 为 最 短 化 船 舶 在 港 时间,提 出 免 疫 遗 传 算 法 的 协 作 调 度 算 法。文 献 中将 协 作 调 度 的 优 化 目 标 设 为 最 小 化 船 舶 在 港 时 间 和 岸桥 移 动 次 数,提 出 泊 位 分 配 子 模 型 和 岸 桥 分 配 子 模 型的 耦 合 模 型,并 采 取 一 种 嵌 套 循 环 进 行 算 法 进 行 求 解。基 于 连 接 泊 位 的 可 分 割 性,本 文 提 出 一 种 最 优 化 调 度模 型,模 型 利 用 多 阶 段 启 发 式 调 度 算 法 和
13、粒 子 群 优 化算 法(,)可 有 效 处 理 在集 装 箱 船 舶 动 态 调 度 中 的 协 作 调 度。算 法 目 标 是 决 定船 舶 的 泊 位 和 泊 位 顺 序 以 及 岸 桥 的 使 用 数 量,以 最 小化 优 于 非 最 优 泊 位 带 来 的 额 外 代 价 和 停 港 延 时 的 惩 罚代 价 之 和。模 型 描 述船 舶 到 港 后 的 作 业 过 程 主 要 包 括:船 舶 到 港、分 配靠 泊 位 置(泊 位)、分 配 岸 桥、集 装 箱 装 卸 以 及 船 舶 离港。为 最 短 化 船 舶 的 总 在 港 时 间,码 头 管 理 者 会 根 据到 港 船 舶
14、的 相 关 信 息 以 及 码 头 装 卸 的 优 化 策 略,将 最优 的 靠 泊 位 置 以 及 可 用 的 岸 桥 分 配 给 船 舶 装 卸 集装 箱。由 文 献 中 可 知,码 头 作 业 中,对 于 船 舶 而 言 有一 个 最 优 泊 位,其 装 卸 工 作 代 价 是 最 小 的,(如 邻 近 仓第卷库 位 置,此 时 运 输 成 本 可 以 最 小 化)。对 于 泊 位 调 度来 说,船 舶 均 想 要 优 先 选 择 这 些 泊 位,若 这 些 泊 位 不 可用 才 考 虑 在 次 最 优 位 置 进 行 泊 位。装 卸 作 业 时 间 取 决于 分 配 的 岸 桥 数 量
15、。为 确 保 船 舶 的 离 港 时 间 和 不 必 要的 设 备 消 耗,应 该 分 理、正 确 配 合 岸 桥 数 给 船 舶。因 为岸 桥 数 本 身 的 限 制,并 不 是 所 有 船 舶 都 能 得 到 充 足 的岸 桥 数,尽 量 当 船 舶 离 港 时,空 闲 岸 桥 需 要 重 新 分 配 给在 港 船 舶,同 时 满 足 船 舶 对 于 岸 桥 的 最 大 持 有 数,以 便降 低 船 舶 的 停 留 停 港 时 间 和 延 期 带 来 的 惩 罚 成 本。基 于 以 上 的 分 析,可 通 过 离 散 化 方 法 将 连 续 泊 位划 分 为 一 组 序 列 组 成 的 多
16、 个 泊 位,如 图所 示。船 舶的 最 优 泊 位 标 识 为 分 割 后 的 序 号,每 个 船 舶 可 占 用 多个 泊 位 段,但 不 能 超 过 码 头 长 度。同 时,船 舶 的 停 靠 位置 可 由 船 舶 占 用 的 泊 位 段 进 行 标 识。图连 续 泊 位 分 布 模 型 相 关 符 号 说 明:岸 桥 数 量 集 合,;:装 载 集 装 箱 的 船 舶 数 量 集 合,;:泊 位 码 头 长 度;:连 续 泊 位 分 割 量;:单 个 泊 位 的 长 度 集,;:航 线 运 输 的 集 装 箱 标 准 箱;:岸 桥 效 率,单 位:;:船 舶需 要 的 最 大 岸 桥
17、数;:船 舶的 长 度;:港 内 船 舶的 集 装 箱 总 量;:船 舶要 求 的 离 港 时 间;:船 舶的 到 达 时 间;:船 舶的 最 优 泊 位,以表 示;:船 舶最 右 边 的 岸 桥;:船 舶最 左 边 的 岸 桥;:船 舶的 实 际 泊 位;:船 舶的 泊 位 时 间;:船 舶的 实 际 离 港 时 间;:等 待 泊 位 的 船 舶 集;:作 业 过 程 中 的 船 舶 集;:延 期 船 舶 集;:船 舶按 时 完 成 任 务 需 要 的 额 外 岸桥 数;:处 于 泊 位左 边 的 岸 桥 集;:处 于 泊 位右 边 的 岸 桥 集;:船 舶按 时 完 成 任 务 需 要 的
18、 岸 桥 数;:如 果 岸 桥正 在 作 业,则,否 则;:如 果 泊 位 段正 在 作 业,则,否 则;:船 舶工 作 的 岸 桥 集;:船 舶工 作 时 的 泊 位 集;:船 舶的 左 边 集 装 箱 数 量;:船 舶的 估 计 作 业 时 间;:船 舶的 估 计 离 港 时 间;:船 舶工 作 时 的 岸 桥 数;:船 舶在 港 口 中 的 等 待 时 间;:船 舶的 作 业 持 续 时 间。船 舶 的 操 作 时 间 主 要 由 集 装 箱 货 柜 车 的 运 输 时 间和 操 作 的 岸 桥 数 决 定。船 舶 的 停 靠 位 置(泊 位)可 表示 为 运 输 时 间。岸 桥 数 量
19、 主 要 取 决 于 要 求 的 离 港 时间。本 文 应 用 文 献 中 提 出 的 模 型 来 求 解 这 个 调 度问 题。不 同 的 是,两 阶 段 的 岸 桥 分 配 在 泊 位 时 进 行 了考 虑。(),式 中:为 船 舶 在 非 最 优 泊 位 上 的 额 外 成本,为 船 舶的 单 位 额 外 成 本;()为 船 舶 延期 带 来 的 惩 罚 成 本;为 船 舶的 单 位 惩 罚 成 本。多 阶 段 协 作 调 度多 阶 段 协 作 调 度 包 括 船 舶 泊 位 分 配 和 岸 桥 分 配,岸 桥 分 配 又 划 分 为 泊 位 时 岸 桥 分 配 和 离 港 后 岸 桥分
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- 港口 集装箱码头 泊位 阶段 协作 调度 仿真 研究
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