許冬敏,黃有方,楊斌,丁一,孫曉,2
(1.上海海事大學(xué)科學(xué)研究院 上海 201306;2.上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,上海 200431)
集裝箱運(yùn)輸是多數(shù)國際貿(mào)易得以最終實(shí)現(xiàn)的重要保證,在國際貿(mào)易中占據(jù)重要地位.特別是隨著集裝箱量的持續(xù)增加,其重要程度不斷加強(qiáng),預(yù)計(jì)2020年集裝箱貨運(yùn)量將達(dá)100億t.[1-2]然而集裝箱運(yùn)輸覆蓋地域廣、參與主體多、活動(dòng)協(xié)調(diào)難,因而深入研究集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)尤為迫切.此外,諸多國家及相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)交通運(yùn)輸能耗問題的日益關(guān)注,使得探究集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)能耗優(yōu)化問題愈顯必要.
靳志宏等[3]針對(duì)集裝箱多式聯(lián)運(yùn)協(xié)調(diào)復(fù)雜性,建立集裝箱運(yùn)輸任務(wù)分配優(yōu)化模型,更多學(xué)者[4-9]則從供應(yīng)鏈管理角度對(duì)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行分析,但無論是從多式聯(lián)運(yùn)角度還是從供應(yīng)鏈管理角度對(duì)集裝箱運(yùn)輸進(jìn)行分析均過于強(qiáng)調(diào)上下游環(huán)節(jié)的協(xié)作,缺少對(duì)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)參與者之間相互制約、相互協(xié)作的研究,以及個(gè)體參與者對(duì)系統(tǒng)影響的研究.如能在此基礎(chǔ)上深入研究系統(tǒng)成員之間以及成員與系統(tǒng)間的影響機(jī)制,集成整個(gè)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),則有望進(jìn)一步推進(jìn)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化.多Agent技術(shù)為解決這一問題提供了方法.
多Agent系統(tǒng)是一種分布式、松散耦合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有協(xié)調(diào)、組織獨(dú)立Agent的能力,能夠通過有效協(xié)同Agent實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo);Agent系統(tǒng)成員間協(xié)同完成任務(wù)活動(dòng),協(xié)調(diào)、合作解決復(fù)雜問題,協(xié)商矛盾和沖突.集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的、地理和功能分布復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),運(yùn)輸各參與方既具有獨(dú)立完成一定任務(wù)的能力,又服從總體需求實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo),因而多Agent系統(tǒng)適用于解決集裝箱運(yùn)輸問題.目前已有學(xué)者將多Agent系統(tǒng)用于解決交通運(yùn)輸問題,如交通運(yùn)輸樞紐組織信息架構(gòu)和交通流仿真平臺(tái)[10-11]、鐵路運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸[12-13]、海鐵聯(lián)運(yùn)和多式聯(lián)運(yùn)[14-15]以及路徑選擇[16].本文在已有研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步闡述集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),將多Agent系統(tǒng)理論引入集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),基于多Agent技術(shù)構(gòu)建集裝箱供應(yīng)鏈多Agent模型,并對(duì)Agent體功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析;以集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)能耗優(yōu)化為目標(biāo),仿真分析集裝箱供應(yīng)鏈Agent體無約束和有約束情況下的能耗優(yōu)化;探討由集裝箱供應(yīng)鏈Agent體變動(dòng)而引發(fā)的各Agent體之間任務(wù)分配、活動(dòng)協(xié)同、目標(biāo)優(yōu)化問題.
HU[4]認(rèn)為,集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是供應(yīng)鏈的一種特殊表現(xiàn)形式,是伴隨著集裝箱的快速發(fā)展和國際貿(mào)易的持續(xù)增長應(yīng)運(yùn)而生的,是供應(yīng)鏈理念在國際貿(mào)易活動(dòng)中集裝箱運(yùn)輸環(huán)節(jié)的新型表現(xiàn)形式,并將其定義為集裝箱供應(yīng)鏈(Container Supply Chain,CSC).
實(shí)際上,集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是由分布于各處、具有不同功能的要素或集合構(gòu)成的服務(wù)型系統(tǒng),具有特定的系統(tǒng)要素、系統(tǒng)邊界、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)環(huán)境.集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)要素可分為運(yùn)輸功能集和轉(zhuǎn)運(yùn)功能集,每個(gè)功能集包含若干獨(dú)立功能要素.運(yùn)輸功能集指內(nèi)陸或者海上運(yùn)輸載體及其活動(dòng)過程,轉(zhuǎn)運(yùn)功能集指銜接高效、運(yùn)作有序的轉(zhuǎn)運(yùn)站、堆場等.該系統(tǒng)在運(yùn)行中受到國家產(chǎn)業(yè)政策、運(yùn)輸法律法規(guī)、國際貿(mào)易狀況等因素影響,這些因素又對(duì)集裝箱運(yùn)輸體系機(jī)構(gòu)、運(yùn)作成本、時(shí)間、能耗等產(chǎn)生影響.
以“門到門”(Door-to-Door)整箱(FCL)運(yùn)輸為例,集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.
圖1 集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由圖1可知,由不同功能要素或集合構(gòu)成的集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),其要素間存在某種關(guān)系.S={ei}表示系統(tǒng)要素集合,R={rij}表示系統(tǒng)要素間關(guān)系集合,rij表示要素ei與ej的關(guān)系,則集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)可表示為G={S|R}.[9]該式可理解為集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是滿足關(guān)系 R 的集合 S.rij∈{1,0},rij為 1 時(shí),表示ei與ej間存在業(yè)務(wù)協(xié)同關(guān)系;rij為0時(shí),表示ei與ej無直接活動(dòng)關(guān)系.
圖2描述集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),其中Ei為某種功能要素ei的集合.從圖中可以看出,集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)包含若干子系統(tǒng),具有復(fù)雜系統(tǒng)的某些特征.
圖2 集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)描述
整個(gè)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)就空間層次而言,不同功能要素集合以及同一功能集內(nèi)部各要素之間呈現(xiàn)明顯的異地分布性;就時(shí)間層次而言,當(dāng)功能要素間有關(guān)聯(lián),即rij=1時(shí),作業(yè)活動(dòng)呈現(xiàn)有序性銜接,此時(shí)上下游功能要素應(yīng)在時(shí)間窗口完成相應(yīng)任務(wù)活動(dòng),以保證整個(gè)鏈條有序運(yùn)行.對(duì)于集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)上下游活動(dòng)呈現(xiàn)的有序性,以下暫將集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)理解為 CSC.[4]
CSC功能要素既作為獨(dú)立個(gè)體存在,又同時(shí)作為供應(yīng)鏈系統(tǒng)的一部分存在.作為個(gè)體,功能要素呈現(xiàn)自主性、交互性、反應(yīng)性、合作性和適應(yīng)性;作為系統(tǒng)的一部分,功能要素之間呈現(xiàn)協(xié)作性、統(tǒng)一性.如轉(zhuǎn)運(yùn)功能集的堆場要素,既作為獨(dú)立的服務(wù)單元對(duì)集裝箱空箱、重箱實(shí)施堆存、碼放等活動(dòng),又作為CSC一環(huán)承擔(dān)轉(zhuǎn)運(yùn)職能.通常集裝箱運(yùn)輸過程中不同功能要素間以供應(yīng)鏈整體任務(wù)活動(dòng)為主導(dǎo)目標(biāo),協(xié)調(diào)各要素間任務(wù)分配,調(diào)動(dòng)設(shè)施、設(shè)備以滿足任務(wù)需求,對(duì)所承擔(dān)的功能活動(dòng)部分作出有效反應(yīng).
綜上,CSC具有明顯的復(fù)雜性、分布性、時(shí)序性,各功能要素兼具自治和半自治特性;而多Agent系統(tǒng)各Agent為自治和半自治的結(jié)合體[17],且多Agent技術(shù)在協(xié)調(diào)解決異地分布、多階段的活動(dòng)中有良好表現(xiàn).因此,將多Agent技術(shù)引入集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),建立基于多Agent的CSC模型有其合理性.
多Agent CSC是由具有一定功能特性的Agent體采用某種組織結(jié)構(gòu)、依據(jù)相關(guān)協(xié)議規(guī)則而構(gòu)成的服務(wù)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)各Agent相互協(xié)作共同完成任務(wù)活動(dòng).參照?qǐng)D1,本文將CSC劃分為供應(yīng)商Agent,內(nèi)陸運(yùn)輸Agent,集裝箱堆場Agent,海運(yùn)Agent和客戶Agent,其中內(nèi)陸運(yùn)輸Agent和集裝箱堆場Agent涵蓋出口與進(jìn)口.
供應(yīng)商Agent分為提取空箱、裝箱和裝車發(fā)運(yùn)3個(gè)活動(dòng);裝車環(huán)節(jié)將供應(yīng)商Agent與內(nèi)陸運(yùn)輸Agent鏈接起來,內(nèi)陸運(yùn)輸Agent主要負(fù)責(zé)內(nèi)陸運(yùn)輸;集裝箱堆場Agent負(fù)責(zé)接收整箱/發(fā)送空箱以及協(xié)調(diào)裝船和卸船活動(dòng);海運(yùn) Agent負(fù)責(zé)海上運(yùn)輸;客戶Agent負(fù)責(zé)接收整箱、掏箱和返還空箱.具體活動(dòng)流程見圖3.
圖3中,圓角長方形框內(nèi)Agent屬于運(yùn)輸功能集,直角長方形框內(nèi) Agent屬于轉(zhuǎn)運(yùn)功能集.各Agent在運(yùn)輸過程中的信息傳遞在此不詳細(xì)分析.
圖3 基于多Agent的CSC流程
CSC中各Agent能夠?qū)崿F(xiàn)圖3所示的協(xié)同作業(yè),源于其具有結(jié)構(gòu)特性.本文將Agent體定義為具有一定特征集的功能要素,Agent特征集關(guān)系見圖4.
圖4 Agent特征集關(guān)系
Si代表某時(shí)刻第i個(gè)Agent狀態(tài)集,包括Agent功能活動(dòng)基本信息,如集裝箱堆場收發(fā)整箱/空箱狀態(tài),堆場整箱、空箱數(shù)量,集裝箱分布等.Si的改變由與之相關(guān)聯(lián)的事件活動(dòng)引發(fā)(如內(nèi)陸運(yùn)輸Agent整箱進(jìn)入,使得集裝箱堆場數(shù)量增加、位置擺放變動(dòng);當(dāng)集裝箱堆場發(fā)生裝船事件時(shí),堆場狀態(tài)亦隨之改變).由于事件活動(dòng)發(fā)生,Si處于動(dòng)態(tài)更新中.如將Si視作第i個(gè)Agent自治性表現(xiàn),則Ki體現(xiàn)出各Agent的半自治性.
Ki代表當(dāng)?shù)趇個(gè)Agent處于某時(shí)點(diǎn)狀態(tài)時(shí),其他Agent狀態(tài)知識(shí)集.作為供應(yīng)鏈一環(huán)的Agent在了解自身狀態(tài)基礎(chǔ)上,必須明晰其在整個(gè)CSC的地位和作用,同時(shí)知曉其他相關(guān)Agent的過去、現(xiàn)在甚至將來的信息(如集裝箱堆場在獲知船舶延期到達(dá)信息后,可能需要對(duì)等待裝船的集裝箱停放位置進(jìn)行調(diào)整).Ki作為一個(gè)數(shù)據(jù)倉庫的形式存在,通過信息共享機(jī)制實(shí)現(xiàn).
Ri代表第i個(gè)Agent與其他Agent之間關(guān)系的集合.如供應(yīng)商Agent作為顧客,內(nèi)陸運(yùn)輸Agent是服務(wù)提供商,它們的關(guān)系為內(nèi)陸運(yùn)輸Agent為供應(yīng)商Agent提供安全、高效的運(yùn)輸服務(wù).
Ii代表第i個(gè)Agent信息輸入集.信息處理通常按照“先到先服務(wù)”原則,當(dāng)不同內(nèi)陸運(yùn)輸Agent進(jìn)入堆場Agent時(shí),堆場依據(jù)進(jìn)場時(shí)序進(jìn)行卸箱.信息輸入發(fā)生意味著第i個(gè)Agent新活動(dòng)開始,同時(shí)Si信息更新.Oi代表第i個(gè)Agent信息輸出集.信息輸出意味著第i個(gè)Agent某項(xiàng)任務(wù)活動(dòng)完結(jié),同時(shí)將信息傳遞至下游Agent,Si和Si+1發(fā)生相應(yīng)的變化.
Ψi代表第i個(gè)Agent控制集.第i個(gè)Agent接收信息后須發(fā)出信息處理指令集,例如內(nèi)陸運(yùn)輸Agent接到運(yùn)送集裝箱的信息后將激發(fā)運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸路徑等指令活動(dòng).
Pi為第i個(gè)Agent績效評(píng)估向量集,如內(nèi)陸運(yùn)輸Agent績效評(píng)估包括運(yùn)輸時(shí)間T,運(yùn)輸成本C,運(yùn)輸安全性S,能源消耗E等.各個(gè)Agent績效評(píng)估與Ψi控制指令發(fā)出有密切聯(lián)系,指令發(fā)出要求考慮績效,即目標(biāo)優(yōu)化的需求.P代表整個(gè)CSC績效評(píng)估值,假定,其中λi為第i個(gè) Agent在整個(gè)CSC中的權(quán)重,即第i個(gè)Agent對(duì)CSC的影響因子.
由以上分析可知,Agent功能活動(dòng)構(gòu)成集裝箱供應(yīng)鏈,Agent特征集保障供應(yīng)鏈有效運(yùn)作.
基于多Agent的CSC模型,通過各Agent間協(xié)作尋求整個(gè)集裝箱供應(yīng)鏈的優(yōu)化配置,而尋優(yōu)過程與各Agent能力及Agent體間協(xié)作程度密不可分.以下就CSC Agent體能力變動(dòng)而引發(fā)Agent體間協(xié)同作業(yè)進(jìn)行仿真,以能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型,多Agent CSC系統(tǒng)見圖5.圖中:有向線段 TPA(Transport Agent)代表運(yùn)輸 Agent集;節(jié)點(diǎn) TSA(Transfer Agent)代表轉(zhuǎn)運(yùn)Agent集;O代表發(fā)運(yùn)地;D代表目的地.
圖5 多Agent CSC系統(tǒng)
有關(guān)模型符號(hào)、參數(shù)、變量定義如下:S={1,2,3,4,5}表示集裝箱運(yùn)輸?shù)?5 個(gè)階段;T={1,2,3}表示每階段承擔(dān)相應(yīng)任務(wù)的3個(gè)節(jié)點(diǎn);fik表示在階段i節(jié)點(diǎn)k的Agent集裝箱實(shí)際處理量;uik表示在階段i節(jié)點(diǎn)k的Agent最大集裝箱處理量;eik表示在階段i節(jié)點(diǎn)k的Agent處理單位標(biāo)準(zhǔn)箱的能耗(包括燃油消耗、裝卸設(shè)備使用和資源消耗、占用成本等);fikjl表示從階段i節(jié)點(diǎn)k至階段j節(jié)點(diǎn)l的集裝箱實(shí)際流量;uikjl表示從階段i節(jié)點(diǎn)k至階段j節(jié)點(diǎn)l的集裝箱最大流量;dikjl表示從階段i節(jié)點(diǎn)k至階段j節(jié)點(diǎn)l的運(yùn)距;eikjl表示從階段i節(jié)點(diǎn)k至階段j節(jié)點(diǎn)l運(yùn)輸單位標(biāo)準(zhǔn)箱、單位距離的能耗;βikjl表示從階段i節(jié)點(diǎn)k至階段j節(jié)點(diǎn)l的能耗分布系數(shù),該系數(shù)與運(yùn)距相關(guān);z為最小能耗.
數(shù)學(xué)模型為
目標(biāo)函數(shù)(1)由運(yùn)輸功能體和轉(zhuǎn)運(yùn)功能體能耗構(gòu)成.根據(jù)距離原理,隨著運(yùn)距增加,單位運(yùn)距能耗呈現(xiàn)逐步降低趨勢,并且這種降低趨勢趨于平緩,于是在目標(biāo)函數(shù)中引入能耗系數(shù)βikjl,并假定βikjl服從負(fù)指數(shù)分布.式(2)說明從階段i各節(jié)點(diǎn)運(yùn)至階段j節(jié)點(diǎn)l的箱量之和等于階段j節(jié)點(diǎn)l處理的箱量;式(3)說明階段i節(jié)點(diǎn)k處理的箱量等于自節(jié)點(diǎn)k運(yùn)至階段j各節(jié)點(diǎn)的流量之和;式(4)說明轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點(diǎn)流入、流出平衡;式(5)說明轉(zhuǎn)運(yùn)功能Agent處理能力限制,在網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為點(diǎn)容量限制;式(6)說明運(yùn)輸功能Agent運(yùn)力限制,在網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為弧容量限制;式(7)說明集裝箱運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)量均為整數(shù).
表1 發(fā)送和接收數(shù)量
表2 轉(zhuǎn)運(yùn)Agent單位能耗
表3 運(yùn)輸Agent單位能耗/運(yùn)輸距離
CSC中運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)Agent體能力均不受限時(shí),最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置見圖6,最低能耗為216 990.
圖6 Agent能力不受限時(shí)最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置
轉(zhuǎn)運(yùn)Agent體由于資源(如時(shí)間、人員、設(shè)備等)局限,使其提供相關(guān)服務(wù)過程能力有限.假定轉(zhuǎn)運(yùn)Agent體能力受限如表4所示,則最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置見圖7,最低能耗為237 510.
表4 轉(zhuǎn)運(yùn)Agent能力受限
圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)Agent能力受限時(shí)最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置
在轉(zhuǎn)運(yùn)Agent能力受限時(shí),運(yùn)輸Agent由于道路、車輛等原因,其能力也會(huì)受限,從而使CSC整體運(yùn)作難度增加.假定運(yùn)輸Agent能力受限情況如表5所示,則最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置見圖8,最低能耗為327 629.
表5 運(yùn)輸Agent能力受限
圖8 轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸Agent能力均受限時(shí)的最優(yōu)路徑配置
對(duì)比分析圖6,7和8可得,在CSC結(jié)構(gòu)不變的情況下,Agent能力受限與不受限時(shí)的最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置(包括運(yùn)輸路線的選擇和運(yùn)量的分配)明顯不同;轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸Agent能力均受限時(shí),二者路徑配置存在部分一致,見圖9.
圖9 能力受限時(shí)路徑配置對(duì)比分析
圖9 中,標(biāo)有數(shù)字的有向?qū)嵕€表示運(yùn)輸Agent體在轉(zhuǎn)運(yùn)Agent能力受限時(shí)與轉(zhuǎn)運(yùn)、運(yùn)輸Agent能力均受限時(shí)活動(dòng)一致部分;標(biāo)有數(shù)字的圓圈表示轉(zhuǎn)運(yùn)Agent體在轉(zhuǎn)運(yùn) Agent能力受限時(shí)與轉(zhuǎn)運(yùn)、運(yùn)輸Agent均受限時(shí)活動(dòng)一致部分.以上說明:(1)CSC Agent能力變化會(huì)引起最優(yōu)運(yùn)輸路徑配置變動(dòng);(2)路徑配置變動(dòng)程度與能力受限變化程度有一定關(guān)聯(lián),通常Agent能力變動(dòng)較大時(shí),新路徑配置方案與原有方案差異較大.
分析不同限制下的能耗可得:(1)Agent能力變動(dòng)引發(fā)其最小能耗變動(dòng);(2)能耗變化程度與CSC Agent能力變化程度存在某種聯(lián)系.通常在原有Agent體結(jié)構(gòu)和處理能力基礎(chǔ)上增加某個(gè)/些功能體能力限制條件,會(huì)引起能耗增加.從本文仿真情況看,隨著供應(yīng)鏈中Agent限制條件增多,Agent間協(xié)作難度加大,可執(zhí)行選擇范圍縮小,致使最小能耗增加;當(dāng)CSC Agent能力變動(dòng)并非在固有結(jié)構(gòu)能力基礎(chǔ)上增加新的限制時(shí),難以確定最小能耗增減情況,因此不能將CSC Agent能力變化簡單理解為能耗增加或減少.
綜上,CSC Agent能力變動(dòng)會(huì)引發(fā)集裝箱運(yùn)輸路徑選擇及運(yùn)量再分配,引起能耗變化.基于多Agent CSC在某個(gè)/些 Agent能力發(fā)生變化時(shí),各Agent特征集通過對(duì)知識(shí)的獲取、狀態(tài)的更新以及Agent間信息的交互實(shí)現(xiàn)CSC整體優(yōu)化.這種優(yōu)化目標(biāo)可以是能耗最小、成本最低或者時(shí)間最短,也可以是具有雙重目標(biāo)或?qū)哟文繕?biāo),如最小成本最大流、最短時(shí)間最大流等.
進(jìn)一步分析可知,當(dāng)CSC結(jié)構(gòu)發(fā)生變動(dòng)并引發(fā)Agent能力變動(dòng)時(shí),多Agent CSC能夠?qū)崿F(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的調(diào)整,并在系統(tǒng)目標(biāo)框架下合理調(diào)配Agent間的任務(wù)活動(dòng)優(yōu)化任務(wù)目標(biāo).
本文深入分析集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),針對(duì)集裝箱運(yùn)輸異地分布、協(xié)同作業(yè)的復(fù)雜性,將多Agent技術(shù)引入集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng),構(gòu)建多Agent CSC系統(tǒng)模型,并對(duì)模型進(jìn)行分析.在此基礎(chǔ)上,針對(duì)集裝箱運(yùn)輸能耗問題,進(jìn)一步建立基于多Agent CSC能耗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知,多Agent CSC系統(tǒng)模型有助于CSC Agent體能力變動(dòng)引發(fā)的Agent之間任務(wù)協(xié)同和目標(biāo)優(yōu)化.然而,本文對(duì)于多Agent CSC系統(tǒng)模型Agent間協(xié)作和通信機(jī)制缺乏完備的分析,這有待于今后進(jìn)一步研究.
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