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        基于全能Agent的分布式優(yōu)化油料保障模型

        2015-05-07 08:55:20
        物流技術(shù) 2015年19期
        關(guān)鍵詞:油料油品分布式

        (后勤工程學(xué)院,重慶 401311)

        1 引言

        油料保障聯(lián)盟呈現(xiàn)地域分布特征,致使在整個油料保障鏈中,每個保障實體可能以局部最大利益來采取保障行動及其優(yōu)化各自區(qū)域的局部保障性能。這一現(xiàn)象不符合油料保障鏈總體目標要求[1]。應(yīng)將保障鏈中的不同地域、不同環(huán)節(jié)的分布式油料保障決策集成,以便提供強勁的油料保障性能,而這卻常被保障鏈某些短期目標和局部視角缺陷所隱匿。

        對于高度集中式油料保障鏈決策,以往使用分析方法,重點研究如何提高整個保障鏈中各保障實體的運作效率,而不是提高其綜合保障效能[2,3]。雖然,一般情況下,油料保障聯(lián)盟擁有全局性油料保障規(guī)劃總體方案,試圖考慮作為其成員的各保障實體的主要活動、目標、所觸發(fā)的行為復(fù)雜性,這使得難于集成其保障效能[4,5]。此外,即使油料保障鏈集中式規(guī)劃系統(tǒng)簡單得足于運作,但油料保障環(huán)境的頻繁和不可預(yù)見的變化,導(dǎo)致油料保障規(guī)劃方案滯后或過時,難于快速響應(yīng)保障環(huán)境態(tài)勢。

        油料保障鏈中各保障實體呈地域自然分布,但緊耦合為一個網(wǎng)絡(luò)。因此,分布式約束優(yōu)化方法適合用于解決油料保障鏈管理問題,它使得Agent的局域自利本性符合全局油料保障優(yōu)化要求。它允許Agent以異步和較有效方式來運行,使用與相鄰Agent的局域通信,對此,具有單個中央Agent的通信是難于做到的[6,7]。

        本文應(yīng)用約束網(wǎng)絡(luò)與Holonic Agent技術(shù),對分布式優(yōu)化油料保障模型進行研究。將分布保障實體所考慮的涉及局部保障因素的算法內(nèi)嵌到多角色Holon,調(diào)用分布式約束多目標最優(yōu)化智能算法,以便實現(xiàn)油料保障資源調(diào)度與配置。

        2 分布式油料保障問題域

        對于油料保障鏈中分布式油料保障問題,Agent嘗試尋找對一組受到約束變量的分配。假設(shè)Agent子集具有每個給定約束的知識,Agent可以分布式異步方式,只與相鄰Agent通信,來優(yōu)化全局函數(shù)。這不同于涉及自益Agent的其它相關(guān)形式,它嘗試單個最大限度地發(fā)揮自己的效用。Agent通過所選擇最優(yōu)解決方案,最大限度地發(fā)揮其所累積的效應(yīng)。

        2.1 問題描述

        將分布式約束優(yōu)化油料保障鏈問題描述為5元組(A,X,D,C,F),其中:A=a1,a2,…,an是 Agent集;X=x1,x2,…,xn是油料保障變量集;D=d1,d2,…,dn是有限離散域集,每個域與對應(yīng)變量相關(guān)聯(lián)。 C=cij:Di×Dj→N(i,j=1,2,…,n,i≠j)是用每對變量xi和xj的保障成本函數(shù)cij所表示的約束集。目標函數(shù)為:

        只有Agent具有知識,控制和分配與其相關(guān)聯(lián)變量的值。Agent的目標是為所有變量選擇估值,以便最大化目標函數(shù)F,該目標被建模為一組值的約束。

        2.2 影響因素與決策變量

        油料保障鏈在給定時間域T演變,T被劃分為期間Γε,ε ∈ {1 ,...,T},通過其索引ε來表示。在每個周期的開始時,根據(jù)過去和將來決策知識來做出決策。時間域H中的一系列決策被稱為決策策略集Q。決策意味著向所有決策變量分配數(shù)值。油料保障鏈涉及不同層次眾多保障資源,根據(jù)全局保障目標和不同層次油料保障計劃puε來調(diào)配,從每個時期ε、每個保障實體u所產(chǎn)生的保障計劃離散集中,選擇確定相應(yīng)保障計劃。

        另一方面,對于每個時期t,每個油庫w,選擇最優(yōu)油品庫存量Qbest={Qmin,Qmax},Qmin表示安全庫存,Qmax表示庫存容量限制,來處理每種油品的庫存管理。通過補充或發(fā)放所需的油品數(shù)量,確保在時期ε結(jié)束時,相應(yīng)的庫存水平等于Invwoε。

        決策變量有:

        (1)Puε:期間ε由保障實體u的保障計劃;

        (2)Invwoε:期間ε結(jié)束時,在油庫(或加油站)w中,油品o的庫存水平。ε∈{1 ,...,T},e∈E(油料裝備集),o∈O(油品集),p∈P=E?O。

        輸入?yún)?shù)有:

        (1)In(e;o;puε):在期間ε,使用保障計劃puε,保障實體u所處理的油品o的數(shù)量;

        (2)Out(u;e;put):在期間ε,使用保障計劃puε,保障實體u所處理的油料裝備e的數(shù)量;

        (3)Dmweε:在期間ε,在油庫w所對應(yīng)的保障區(qū)域,所預(yù)測的油料裝備e的需求量;

        (4)preCostue:保障實體u調(diào)運油料裝備e的一個單位成本;

        (5)ProCosto:油品o的單位價格;

        (6)InvCostwo(Invwot):在期間ε,油庫w的庫存油品o,庫存水平的庫存成本函數(shù)Invwoε;

        (7)RfRateRo:在油料保障區(qū)R,油品o的運價;

        (8)WZfRateWZo:在戰(zhàn)區(qū)WZ,各油料保障區(qū)域之間的油品o的運價;

        (9)SfRateo:供應(yīng)商與戰(zhàn)區(qū)之間油品o的運價。

        2.3 油料保障實體holarchy結(jié)構(gòu)

        根據(jù)油料保障仿真約束、計算資源,對所仿真行為的復(fù)雜性和真實性進行調(diào)整。在角色和交互方面,使用油料保障實體組織模型來定義油料保障實體行為,采用holon對油料保障實體建模,構(gòu)建油料保障實體holarchy結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 油料保障實體holarchy結(jié)構(gòu)

        該結(jié)構(gòu)描述油料保障實體行為,保障執(zhí)行器和保障感知器分別提供保障實體在油料保障環(huán)境中行為和感知的手段。油料保障實體角色,根據(jù)holon目標,將感知與行動計算、保障環(huán)境約束相集成。在holarchy的較低層次,超級holon的油料保障實體行為是相同成員,但感知和行為被匯總,然后使用聚合油料保障實體的行為。

        內(nèi)部油料保障人員在保障鏈的各個層次、各自holon中承擔(dān)head角色作用,負責(zé)保障鏈中保障任務(wù)的執(zhí)行,負責(zé)反饋相應(yīng)保障區(qū)域油品及其裝備的消耗和需求信息,確保保障實體與被保障單位之間的供需資源平衡與匹配。上級油料保障人員,代表保障決策指揮角色,可由軟件或油料保障專家來扮演。承擔(dān)油料保障調(diào)運計劃制定、保障任務(wù)分配、保障資源配置等作用,還負責(zé)預(yù)測每種油品及其裝備的總需求。

        3 分布式優(yōu)化油料保障模型

        油料保障鏈由許多用約束所連接的保障實體節(jié)點組成,屬于非結(jié)構(gòu)化約束網(wǎng)絡(luò),表示保障實體之間的關(guān)系。將Agent技術(shù)與約束網(wǎng)絡(luò)集成,每個Agent被分配來對保障實體進行建模,關(guān)系可被定義為這些Agent之間的約束,以便支持油料保障鏈的保障實體之間的信息協(xié)作和共享。

        當(dāng)Agent之間關(guān)系由約束來建模時,它們可以被集成為一個網(wǎng)絡(luò),全局優(yōu)化成為可能。這些關(guān)系涉及油品如何從保障實體單位流動到被保障單位,如何用油品數(shù)量、成本或調(diào)度與運輸?shù)缺U闲袨閬肀硎具@些關(guān)系。油料保障環(huán)境對保障鏈施加約束限制,采用約束變量表示約束限制,約束變量值在有限域內(nèi)被分配給定。因此,該約束模型考慮變量有限集,它們與有限域、約束集相關(guān)聯(lián)。

        3.1 油料保障約束函數(shù)

        用決策變量和輸入?yún)?shù)表示模型的約束。為簡化起見,采用因變量,定義如下:

        式中,Δuot為在期間ε對應(yīng)于保障實體u,油品o的接收數(shù)量與發(fā)送數(shù)量之差。

        將分布式油料保障問題域分為“部隊”、“保障區(qū)”和“戰(zhàn)區(qū)”3個層次,使用所有變量和參數(shù),表示每個層次的約束函數(shù)。

        過去和未來油料保障規(guī)劃之間的約束關(guān)系,將出現(xiàn)在“保障區(qū)”和“戰(zhàn)區(qū)”層次(即全局),它來自于與保障鏈實體之間油品調(diào)運相關(guān)物理時間約束。在“部隊”層次,假設(shè)在單位時間周期內(nèi),一個相同區(qū)域的兩個不同油庫,足夠接近運送彼此之間的油品。因時間周期受到限制,即ε∈{1 ,...,T },應(yīng)考慮邊界條件:

        3.2 油料保障目標函數(shù)

        油料保障鏈管理涉及選擇保障決策策略Φ(puε,Invwpε),以便確保保障鏈績效指標最優(yōu)。油料保障鏈績效指標是在H期間整個保障鏈的效能。假設(shè)油品供應(yīng)商可提供無限量的任何油品,向所有被保障單位需求提供保障。因此,優(yōu)化目標是最大化保障鏈總效能??傂躎E(Total effectiveness,縮寫為TE)表示為:

        式中:ESendo:向被保障單位發(fā)送油品的效能;ESende:向被保障單位發(fā)送油料裝備的效能;PurCosto:油品采購成本;PurCoste:油料裝備采購成本;TraCostT:油品和油料裝備運輸總運費。由每個部隊內(nèi)運輸油品和油料裝備的總運費;(Tra-CostMi_Tε):在不同地點之間,每個地點(Meuwε)內(nèi)運輸油品和油料裝備的總運費;(TraCostMe_Tε):在保障區(qū)和供應(yīng)商間每個區(qū)域(Me_Suwε)內(nèi)運輸油品和油料裝備的總運費(TraCostMe_S_Tε)所獲得;InvCost:在期間H油品和油料裝備總庫存成本。

        3.3 基于Holonic Agent的模型求解模式

        記油料保障人員為“POLstaff”,對于每個元組(o,ε),創(chuàng)建一個Agnet。在POLstaff角色的情形下,單個Agnet對應(yīng)于一個保障實體。由于所有層次的POLstaff Agnet具有相同head角色,它們負責(zé)因變量的運算,根據(jù)保障決策變量分配更新因變量,從POLstaff Agnet向上發(fā)送到位于上一層次的其它POL-staff Agnet。此外,當(dāng)在保障區(qū)中觀層次和戰(zhàn)區(qū)宏局層次,平衡油品及其裝備供應(yīng)量與被保障單位需求時,正確時間段之間的適當(dāng)匹配,也是相關(guān)POLstaff Agnet的責(zé)任。肩負油品及其裝備管理角色的Agnet,管理和控制決策變量puε,而庫存管理者角色的Agnet關(guān)注決策變量Invwoε。

        式中,數(shù)值約束函數(shù)被定義為兩個相鄰Agnet之間的關(guān)系。在所關(guān)注的holonic模型,一對Agnet中,一個Agnet總是具有POLstaff角色(L),而另一個Agnet則扮演其它任一角色(α)。隨著一對相鄰Agnet、由它們以及參數(shù)之間所交換的變量,提出所有這些函數(shù),因為這些后面的參數(shù)可以根據(jù)油料保障環(huán)境動態(tài)地變化。

        在holon的情形下,其后面跟隨著head Agnet(symbol≡),它表示在通信中的全部holon。所有變量直接作用于目標函數(shù)。內(nèi)部層次約束表示為:

        4 結(jié)束語

        本文將約束網(wǎng)絡(luò)方法與Holonic Agent方法相結(jié)合,建立分布式約束優(yōu)化油料保障模型,用于支持油料保障鏈的協(xié)作和管理。分析分布式油料保障問題域特點,確定影響因素與決策變量。采用holon對油料保障實體建模,構(gòu)建油料保障實體holarchy結(jié)構(gòu),將感知與保障行為響應(yīng)、保障環(huán)境約束相集成。將油料保障鏈總效能作為優(yōu)化目標,建立相關(guān)約束函數(shù)。論述了基于Holonic Agent的優(yōu)化模型求解模式。該模型通過約束網(wǎng)絡(luò)將在空間和時間分布的油料保障實體緊密集成,并使其油料保障行為優(yōu)化,對于增強油料保障鏈整體效能具有重要意義。

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