一種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法
2023-12-12 01:21:17
一種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法
【專利摘要】一種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於包括以下幾個步驟：（1）構建岸吊分配的數學模型；（2）確定數學模型的目標和約束條件；（3）選用粒子群智能優化算法求解，得到優化的岸吊分配方案，以上述步驟得出了岸吊分配方法的軟體系統。本發明還提供了一種實施提高貨櫃碼頭岸吊作業效率分配方法的裝置，它包括至少一臺PC機；至少一網線接口；至少一臺路由器，其特徵在於：另設置有數據採集器、存儲器和岸吊分配方案上傳器，在PC機中安裝本發明的岸吊分配方法的軟體系統，並通過網絡、路由器連接到岸吊分配方案控制器。本發明的實施不僅能夠提高岸吊作業效率；還能夠確保碼頭作業的安全，保證船舶按時離港，並減少岸吊作業所需的電力等能源的浪費，取得較大的經濟效益。
【專利說明】—種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於一般的控制或調節的【技術領域】，具體涉及到貨櫃碼頭物流調度問題，即提供了一種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法。
【背景技術】
[0002]今天，經濟全球化促進了現代物流業發展的系統化、信息的自動化、以及倉儲運輸的綜合化，日益繁茂的物流產業凸現在貨櫃碼頭物流實踐中。對我國來說，貨櫃碼頭物流業的發展對於港口、碼頭管理和運營提出了全方位的挑戰。傳統的貨櫃碼頭物流作業模式已經不再適應現代的物流行業，如何優化並縮短碼頭作業過程，降低貨櫃庫存，加速對市場的反應，這是所有碼頭企業所面臨的問題。
[0003]目前，隨著港口競爭程度的日益激烈以及船舶的大型化發展，很多港口面臨著超負荷運行的問題。為了解決貨櫃飛速發展和港口資源有限的矛盾，辦法之一是購買並擴充港口土地以及購買更多的設備；辦法之二是充分利用港口現有資源，提高作業效率以儘可能少的資源高效的完成港口作業。顯然，單純地擴充港口面積以及購買更多的設備不僅不符合港口實際，還有可能會降低其經濟效益；只有提高港口作業效率才是促進港口自身發展的有效方法。因此，尋求港口有限資源之一的岸吊(即岸邊貨櫃起重機)最佳分配方案此時也就顯得極為重要。
[0004]研究岸吊作業時，首先要研究貨櫃船貨物(即貨櫃)堆放的形式。貨櫃在船上的位置通常用行、層和貝位三個坐標來確定，貨櫃船平面按縱向(與龍骨平行的方向)劃分為多個貝位。當貨櫃船停靠碼頭泊位時，岸吊作業面對的便是船上的貝位。所有的貝位分為船艙內和甲板上兩個部分，船艙和甲板之間通過船艙蓋連接。以第5?6代的貨櫃船為例，其標準裝貨量為:4800?8000TEU (貨櫃計量單位，I個TEU相當於一個20英尺的貨櫃)，船艙內一般可以堆放5?9層貨櫃，甲板一般可以堆放3?4層貨櫃。一艘貨櫃船停靠貨櫃碼頭後，貨櫃港口會分配一定數量的岸吊對這艘貨櫃船進行裝卸作業。岸吊作業方案制定的目的是給每臺岸吊分配具體的作業貝位和作業順序，使得貨櫃船能夠儘快完成裝卸作業並離開貨櫃碼頭。
[0005]迄今為止，很多貨櫃港口的岸吊分配是由調度員根據他們的經驗來制定，當停靠的貨櫃船數量增加時，調度員的經驗往往具有很大的局限性。岸吊是貨櫃船和貨櫃碼頭之間最主要的裝卸機械，作業方案制定的優劣直接決定了貨櫃船的在港處理時間和貨櫃港的運作效率。為了提高貨櫃港口的運作效率，建立岸吊作業方案的數學模型和開發求解算法來優化岸吊的作業過程是非常必要的。數學模型一方面可以反映調度員的實踐經驗，另一方面由於其客觀性，它又不會被調度員個人的實踐經驗所局限。
【發明內容】
[0006]本發明人在深入調研和綜合分析後，發現岸吊分配過程中，需要遵循以下操作規程:[0007]I)岸吊在啟動和在作業貝位間移動需要花費一定的成本，因此在實際操作中，為了降低成本，岸吊通常是完成一個貝位的作業後再移動到另一個貝位作業；另外，一個貝位最多只能容納一臺岸吊進行作業；
[0008]2)岸吊通常都在同一鐵軌上，因此岸吊之間不能相互穿越。這是岸吊分配方案制定的一條基本原則；
[0009]3)在岸吊的實際操作中，岸吊之間必須保持一定的安全距離以便作業順利安全地進行。這也是岸吊實際操作中的強制規定。
[0010]本發明人針對岸吊分配過程中存在的難點和企業的實際要求，研究解決貨櫃碼頭的岸吊分配問題，並將解決方案嵌入岸吊分配方案控制器中，使所開發的裝置能夠幫助碼頭企業實現對岸吊裝卸貨櫃全過程的優化作業和靜態控制，達到提高碼頭的吞吐量，減少岸吊無效操作的目的，從而在保證操作安全的情況下，降低能源消耗及操作成本。
[0011]本發明以貨櫃碼頭岸吊分配為研究對象，以提高卸船效率，提高碼頭吞吐量為目標，建立相應的岸吊分配優化建模，並設計合適的智能優化方法為貨櫃碼頭提供一種提高岸吊作業效率的分配方法，使得各個岸吊在不發生碰撞的同時，更好的完成貨櫃的裝卸任務。
[0012]本發明所提出的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於包括以下幾個步驟:
[0013]步驟1:在系統分析岸吊分配問題以及認真觀察貨櫃碼頭岸吊實際操作的基礎上，構建優化的岸吊 分配數學模型；
[0014]步驟2:根據碼頭實際作業需求，以提高碼頭裝卸效率，提高碼頭吞吐量為目標，考慮相應的岸吊不允許碰撞等約束條件，將岸吊操作過程中的目標和操作要求轉化為數學模型的目標和約束條件；
[0015]步驟3:採用粒子群智能優化算法對岸吊分配問題進行求解，對岸吊所執行的每個貝位及各貝位之間的操作順序進行實數編碼，在充分利用效率的同時，有效避免了岸吊之間的碰撞，並最終得到優化的岸吊分配方案。
[0016]本發明在構建優化的岸吊分配模型時，首先引進了如下一些參數，它們分別是:
[0017](I)Pi, V/'eii貝位i所需要的裝卸時間，Ω為所有貝位的集合；
[0018](2) S，岸吊移動一個安全距離所需要的時間；
[0019](3)M，一個很大的數值，其含義為碼頭裝卸一條船所需要的最大作業時間；
[0020](4) Xij e {0，1}，▽/,_;+εΩ,如果貝位i的裝卸完成時間不晚於貝位j的裝卸開始時間,那麼Xij = I ;否則Xij = O ；
[0021](5) ziq e {0，1}，％+￡0,外￡【，其中1(為所有岸吊的集合，如果貝位1的裝卸任務由厗吊Q來執燈，那麼zi(1 = I ;否則zi(1 = O ；
[0022]^)Di;V/eQ，貝位i的裝卸完成時間；
[0023](7) Cq，Vge [，岸吊q的完成時間。
[0024]本發明所採用的目標函數是貨櫃船上所有貝位的裝卸完成時間{maxDj，而讓目標函數最小化後得到的岸吊分配方案便是最優化的岸吊分配方案，
[0025]Minimize {maxDj
[0026]使船舶上所有貝位的裝卸完成時間最小化，也就能使到港船舶的停港時間最短，離港時間最早，合理進行岸吊分配，使到港船舶快速離港，這將提高碼頭的吞吐量，減少碼頭的損失，從而提高碼頭的經濟效益。反之，因為每艘到港船舶均有相應的離港時間，如果碼頭沒有按照船舶相應的離港時間完成裝卸計劃，碼頭必將交付相當大的拖期懲罰費用，這就會給碼頭造成不小的經濟損失。
[0027]本發明的約束條件按照岸吊的操作規程設計如下:
[0028](I)每臺岸吊必須在完成當前貝位的所有裝卸任務後才可以前往下一個貝位執行裝卸任務:
[0029]D1- (Dj-pj-s) +MxijX)
[0030]D1-(Dj-Pj-S)-M(1-Xij) ^ O
[0031](Dj-Pj)為貝位j的開始時間，Di為貝位i的完成時間。按照第一個不等式，當Xij=O時，DiMD^pp，表示如果貝位j和貝位i沒有先後關係約束，那麼貝位j可以在岸吊完成貝位i的裝卸並移開之前開始裝卸。按照第二個不等式，當Xij = I時，D^sC(Dj-Pj),表示如果貝位j和貝位i之間存在先後關係約束，那麼貝位j必須在岸吊完成貝位i的裝卸並移動離開後才能開始裝卸作業。
[0032]因為岸吊從一個貝位移動到另一貝位，需要耗費相當大的電力等能源，這條約束是為了節省岸吊不必要的移動，延長岸吊使用壽命，以及節約電力等能源，起到環保及節約成本的作用。
[0033](2)各個岸吊之間不允許發生碰撞:
[0034]
【權利要求】
1.一種提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於包括以下幾個步驟: 步驟1:在系統分析岸吊分配問題以及認真觀察貨櫃碼頭岸吊實際操作的基礎上，構建優化的岸吊分配數學模型； 步驟2:根據碼頭實際作業需求，以提高碼頭裝卸效率，提高碼頭吞吐量為目標，考慮相應的岸吊不允許碰撞等約束條件，將岸吊操作過程中的目標和原則轉化為數學模型的目標和約束條件； 步驟3:採用粒子群智能優化算法對岸吊分配問題進行求解，對岸吊所執行的每個任務及各任務之間的操作順序進行實數編碼，在充分利用效率的同時，有效避免了岸吊之間的碰撞，並最終得到優化的岸吊分配方案。
2.按權利要求1所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於所說的優化的岸吊分配模型包括以下參數: (1)凡，ΚεΩ貝位i所需要的裝卸時間，Ω為所有貝位的集合； (2)s，岸吊移動一個安全距離所需要的時間； (3)M—個很大的數值，其含義為碼頭裝卸一條船所需要的最大作業時間； (4)XiJe {O, I }, VUeO,如果貝位i的裝卸完成時間不晚於貝位j的裝卸開始時間，那麼Xij=I ;否則Xij=O ； (5)ziqe{0,1}, Wel Vgel，其中K為所有岸吊的集合，如果貝位i的裝卸任務由岸吊q來執行，那麼Zitl=I ;否則Zitl=O ； (6)D1, V/εΩ，貝位i的裝卸完成時間； (7)C95 Vgei:，岸吊q的完成時間。
3.按權利要求1所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於所說的優化的岸吊分配數學模型其目標函數是貨櫃船上所有貝位的裝卸完成時間ImaxDJ，而讓目標函數最小化後 Minimize{maxDj 得到的岸吊分配方案便是最優化的岸吊分配方案。
4.按權利要求1所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於所說的約束條件是: (1)每臺岸吊必須在完成當前貝位的所有裝卸任務後才可以前往下一個貝位執行裝卸任務:
D1- (Dj-pj-s) +MxijX),
D1-(Dj-Pj-S)-M(1-Xij) ( O ； 式中(D^pP為貝位j的開始時間，Di為貝位i的完成時間； (2)各個岸吊之間不允許發生碰撞: M(X + Xyj) > X qziq kz k +1 _.t^K V/< jeQ ； (3)每個貝位最多並且只能有一臺岸吊為其進行裝卸作業:Σ\=1 ; (4)每個貝位裝卸作業的完成時間一定不小於該未必的裝卸作業執行時間:D1-Pi ^ O ； (5)每臺岸吊的完工時間一定不小於其實行裝卸計劃的每個貝位的完工時間:
5.按權利要求1所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於所說的粒子群智能優化算法其具體步驟如下: 步驟1:設置種群規模E、迭代次數τ，隨機初始化種群中的所有個體； 步驟2:對每一個粒子，產生岸吊分配方案，所有岸吊分配方案必須滿足岸吊之間不可以發生碰撞，儘量減少岸吊移動以減少能源浪費等約束條件； 步驟3:對每個粒子，計算相應的適應度值，在滿足岸吊分配的約束條件下，儘可能的讓更多的船舶靠泊，並且減少碼頭對於船舶延遲離港的懲罰費用； 步驟4:更新每個粒子的最好位置和種群最好位置； 步驟5:根據速度更新公式，更新每個粒子的速度和位置:
Vmd^Vmd+C。(Pmd-Xmd) +C2T2 (pgd~Xmd)
Xmd_Xmd+Vmd 其中，Vffld和Xmd分別表示第m個粒子在第d維的速度和位置值；w為慣性權重，C1和C2為加速權重和r2為[O, I]之間產生的隨機值；pmd為第m個粒子在第d維找到的最好位置值；Pgd為所有粒子找到的最好位置值； 步驟6:如果達到預定迭代次數，停止，否則，返回步驟2 ; 步驟7:輸出全體最優與個體最優。
6.按權利要求5所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法，其特徵在於所說的粒子群智能優化算法的步驟2中，對每個粒子形成岸吊分配方案的方法如下: 步驟2.1:對每一個粒子進行實數值編碼，使每個粒子的每一維對應一個相應的待裝卸的貝位，並且每一維的編碼值均不小於O，且不大於最大的岸吊編號； 步驟2.2:將各個岸吊按海岸線上從左到右的順序依次進行編號，如:1，2...，N。初始化 i=l, q=l ； 步驟2.3:對於待裝卸的貝位i，找到岸吊q，其中q e K，使得貝位i相應的粒子上維數的編碼值大於(q_l)且不大於q，那麼將待裝卸的貝位i分配給岸吊q，執行步驟2.4 ；步驟2.4:如果所有待裝卸的貝位分配完畢，執行步驟2.5;否則，i = i+Ι返回步驟2.3 ； 步驟2.5:將每臺岸吊負責的待裝卸的貝位對應的編碼值按照從小到大的順序進行排列，若有兩個待裝卸的貝位對應的編碼值相等，那麼先執行編號小的待裝卸的貝位，排列後的順序即為該岸吊執行的裝卸順序；如果岸吊之間發生碰撞，讓編號小的岸吊進行等待，直到碰撞被避免； 步驟2.6:產生岸吊分配方案。
7.一種實施權利要求1所述的提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法的裝置，其特徵在於它包括至少一臺PC機；至少一網線接口 ；至少一臺路由器，其特徵在於:另設置有數據採集器、存儲器和岸吊分配方案上傳器，在PC機中安裝本發明的岸吊分配方法的軟體系統，並通過網絡、路由器將結果輸入到岸吊分配方案控制器。
8.按權利要求7所述的實施提高貨櫃碼頭岸吊作業效率的分配方法的裝置，其特徵在於首先安裝資料庫系統，然後再安裝本發明的軟體系統。
【文檔編號】G06Q10/08GK103996106SQ201310051816
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月17日 優先權日:2013年2月17日
【發明者】唐立新, 趙姣 申請人:東北大學