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        自動(dòng)化堆場混合堆存模式下雙軌道吊協(xié)同調(diào)度策略與優(yōu)化

        2021-04-02 05:32:10蔣敏敏范勤勤
        物流技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:效率作業(yè)策略

        蔣敏敏,添 玉,黃 渭,范勤勤

        (1.中山大學(xué)南方學(xué)院 商學(xué)院,廣東 廣州 510970;2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

        0 引言

        目前,全球貿(mào)易處于高速發(fā)展中,世界貨物進(jìn)出口量也隨之迅速增長,海上運(yùn)輸以貨運(yùn)成本低且運(yùn)輸量大的優(yōu)勢,在全球貿(mào)易中占據(jù)不可動(dòng)搖的地位。作為聯(lián)系海上運(yùn)輸與內(nèi)陸腹地的港口正面臨著集裝箱激增的巨大壓力,另外隨著勞動(dòng)力成本不斷增加以及環(huán)保理念日益深入人心,必然驅(qū)使港口向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場作業(yè)系統(tǒng)不僅是碼頭內(nèi)外作業(yè)區(qū)域的連接樞紐,而且保障了整個(gè)碼頭進(jìn)出貨物的均衡性,其裝卸工藝和設(shè)備也決定整個(gè)碼頭運(yùn)營效率。場橋是堆場的主要裝卸設(shè)備,其調(diào)度過程十分復(fù)雜,目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙場橋調(diào)度問題有一定研究。針對(duì)單一作業(yè)模式下雙場橋調(diào)度問題,邵乾虔,等[1]考慮進(jìn)口箱疏港過程中翻箱作業(yè)不能跨貝進(jìn)行的現(xiàn)實(shí)約束,并建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型并求解;景貞文,等[2]針對(duì)雙軌道吊作業(yè)進(jìn)口箱優(yōu)先權(quán)分配問題,提出9條優(yōu)先權(quán)分配規(guī)則以及直接避讓和動(dòng)態(tài)暫存區(qū)兩種非優(yōu)先軌道吊避讓方案;范厚明,等[3]考慮場橋?qū)嶋H作業(yè)中的安全距離,建立混合整數(shù)規(guī)劃模型,運(yùn)用遺傳算法求解;Gharehgozli,等[4]以場橋完成任務(wù)時(shí)間和由于被動(dòng)移動(dòng)和等待造成非正常作業(yè)時(shí)間為目標(biāo)研究雙場橋調(diào)度,建立混合整數(shù)規(guī)劃模型,并運(yùn)多重啟發(fā)式算法求解。針對(duì)雙場橋調(diào)度過程中交接問題,Zhou,等[5]提出交換點(diǎn)的概念,并用優(yōu)化算法求解最小化延遲時(shí)間和延遲的工作數(shù)量;魏晨,等[6]考慮不可跨越式ASC 之間的空間約束,以最小化任務(wù)完成時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)建立整數(shù)規(guī)劃模型并求解,減少因時(shí)空同步和干涉造成的等待;丁一,等[7]考慮接力、緩沖區(qū)、碰撞等條件約束,建立以最小化外集卡和船舶延時(shí)為目標(biāo)函數(shù)的不對(duì)稱的多旅行商模型,求解優(yōu)化雙自動(dòng)化軌道吊調(diào)度;Huang,等[8]提出一種利用裝載小車側(cè)面作業(yè)的雙自動(dòng)化軌道吊(ARMG)在線調(diào)度方法,用非零博弈策略建立雙場橋調(diào)度模型,并提出一步前瞻算法和兩步前瞻算法;周嫻靜,等[9]通過固定存、取箱貝位研究跨越式雙自動(dòng)化軌道吊調(diào)度,考慮上自動(dòng)化軌道吊作業(yè)同一貝位任務(wù)時(shí)避免碰撞約束,建立多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型。上述文獻(xiàn)缺乏多場橋調(diào)度、交接貝位選擇與協(xié)同策略的集成考慮,因此,本文以自動(dòng)化堆場為對(duì)象,考慮混合堆存模式下對(duì)等式ARMG 工藝特性和能耗成本,提出協(xié)同調(diào)度模型和策略,優(yōu)化存取順序以及交接點(diǎn)決策,改善自動(dòng)化堆場裝卸性能。

        1 問題描述

        目前,自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場布局采用垂直碼頭岸線為主,如荷蘭Euromax 碼頭、巴塞羅那港口(BEST)碼頭以及廈門遠(yuǎn)海和上海洋山港四期,如圖1所示。每個(gè)箱區(qū)兩側(cè)分別設(shè)有平行軌道,配置兩臺(tái)對(duì)等式ARMG,需保持一定安全距離,不能相互跨越。雖然該布置會(huì)降低裝卸設(shè)備的靈活性和可靠性,但可以提高場地利用率,降低投資成本,且可進(jìn)行海側(cè)、陸側(cè)及接力作業(yè),提高堆場效率。箱區(qū)海側(cè)端部配置支架系統(tǒng),有效緩解耦合剛性矛盾,采取混合堆存模式,既可堆放出口箱,也可臨時(shí)存儲(chǔ)進(jìn)口箱。一是提高ARMG 裝卸效率,如ARMG 作業(yè)卸船箱到指定位置后,可以順便提取附近的裝船箱至支架,減少空駛時(shí)間;二是提高AGV 裝卸效率;三是碼頭整個(gè)運(yùn)作系統(tǒng)由水平運(yùn)輸、岸橋作業(yè)以及堆場作業(yè)系統(tǒng)組成,每個(gè)環(huán)節(jié)都相互影響,AGV和堆場裝卸協(xié)同終將改善船舶裝卸效率。

        上述作業(yè)模式增加了系統(tǒng)柔性,但對(duì)裝卸設(shè)備的調(diào)度提出更高要求。自動(dòng)化堆場裝卸效率與雙對(duì)等式ARMG 的調(diào)度策略和交接貝有關(guān),所以可視為均衡優(yōu)化問題,即保持堆場穩(wěn)定有序作業(yè)的同時(shí)提高整個(gè)碼頭的運(yùn)作效率。因此,使用堆場裝卸完工時(shí)刻評(píng)價(jià)雙ARMG 協(xié)同程度,采用雙ARMG 行駛距離評(píng)價(jià)堆場作業(yè)成本,采用海側(cè)ARMG 完成所有裝船箱的結(jié)束時(shí)刻評(píng)價(jià)碼頭整體作業(yè)效率。

        圖1 自動(dòng)化集裝箱碼頭整體布局

        2 雙對(duì)等式ARMG調(diào)度模型

        2.1 假設(shè)條件

        (1)集港在裝船作業(yè)過程之前已經(jīng)完成,疏港在裝船作業(yè)過程之后進(jìn)行;(2)假設(shè)岸橋調(diào)度結(jié)果已知,這里岸橋調(diào)度的任務(wù)以簇任務(wù)形式定義,且簇任務(wù)約束關(guān)系已知;(3)調(diào)度計(jì)劃期內(nèi),已知每個(gè)箱任務(wù)的操作類型(裝/卸)、在船上以及堆場的存放位置;(4)ARMG、AGV可用數(shù)量已知,且每個(gè)設(shè)備一次只處理一個(gè)集裝箱;(5)ARMG、AGV 空/重載與行駛速度以及設(shè)備的裝卸效率已知;(6)進(jìn)出口箱允許堆存在同箱區(qū),各箱區(qū)貝位容量充足;(7)暫不考慮翻箱作業(yè)。

        2.2 符號(hào)變量說明

        2.3 目標(biāo)函數(shù)

        (1)最小化所有ARMG中最大結(jié)束時(shí)刻:

        (2)最小化ARMGa 中完成裝船任務(wù)的最大結(jié)束時(shí)刻:

        (3)最小化所有ARMG行駛路程:

        2.4 約束條件

        式(4)-式(7)表示ARMG 一次只能執(zhí)行一個(gè)箱任務(wù),且都要被執(zhí)行,一旦被執(zhí)行不能中斷。式(8)表示一個(gè)集裝箱只被分配箱區(qū)一個(gè)貝位。式(9)、式(10)表示同一個(gè)ARMG執(zhí)行相鄰任務(wù)的時(shí)間邏輯關(guān)系。式(11)、式(12)表示同一箱區(qū)的ARMG 任何時(shí)刻不可少于兩個(gè)貝位的時(shí)間間隔且不得跨越操作。式(13)-式(15)表示箱任務(wù)在堆場存放和交接位置的要求。式(16)-式(19)表示對(duì)于同一裝船箱任務(wù)的設(shè)備環(huán)節(jié)的時(shí)間邏輯關(guān)系及先后順序要求:ARMGb-ARMGa-AGV。式(20)-式(23)表示對(duì)于同一卸船箱任務(wù)的設(shè)備環(huán)節(jié)的時(shí)間邏輯關(guān)系及先后順序要求:AGV-ARMGa-ARMGb。式(24)、式(25)表示每一個(gè)ARMGa、ARMGb在先裝后卸的情況下需分別與岸橋、ARMGa作業(yè)順序一致。

        該模型的特征在于,并未要求ARMGb的作業(yè)序列完全遵照ARMGa,而只在ARMGa先裝后卸的情形下,ARMGb才須與ARMGa接力調(diào)度。增加雙ARMG的工作柔性,在一定程度上能提高雙ARMG 協(xié)同調(diào)度效果。此外,雙ARMG 作業(yè)過程中的碰撞和跨越問題采用時(shí)間上連續(xù)性處理。

        3 算法設(shè)計(jì)

        3.1 調(diào)度機(jī)制

        針對(duì)ARMG 的調(diào)度問題,大多文獻(xiàn)假設(shè)ARMGb遵守ARMGa的作業(yè)序列,雖然簡化了計(jì)算和執(zhí)行難度,但一定程度上造成大量的空駛、等待和被迫移動(dòng),浪費(fèi)設(shè)備資源。

        本文提出:僅在ARMGa先后兩個(gè)箱任務(wù)為先裝后卸時(shí),ARMGb 須按照ARMGa 的序列完成,其他情況下可以按照當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先程度選擇,如圖2 所示。交接點(diǎn)位置的選取,傳統(tǒng)方案是將箱區(qū)中間貝位選作交接貝,常常出現(xiàn)一臺(tái)ARMG任務(wù)量過重,而另一臺(tái)相對(duì)空閑,箱區(qū)中間貝位擁擠,其他貝位閑置,箱區(qū)資源浪費(fèi)。因此,應(yīng)改變固定式接力方式,將交接點(diǎn)作為相對(duì)位置進(jìn)行選擇,實(shí)現(xiàn)雙對(duì)等式ARMG均衡且柔性作業(yè),如圖2所示。

        圖2 ARMGa與ARMGb作業(yè)序列示意圖

        3.2 算法步驟

        3.2.1 序列編碼和解碼與交接點(diǎn)決策

        (1)ARMGa 操作序列?;诎稑蛘{(diào)度結(jié)果對(duì)所有箱任務(wù)采用自然數(shù)編碼,每個(gè)染色體代表一種所有箱任務(wù)的隨機(jī)排序,長度代表箱任務(wù)數(shù)量N。并按照下列啟發(fā)式策略循環(huán)N-1 次操作,得到ARMGa 操作序列:

        step1:從編碼序列中找到第i 個(gè)卸船箱,i<N,執(zhí)行step2。

        step2:判斷第i個(gè)卸船箱后續(xù)的編碼序列中箱任務(wù)屬性,若是卸船箱,則跳過,繼續(xù)尋找下一個(gè)元素,直到找到裝船箱,執(zhí)行step3。

        Step3:判斷step1 與step2 找到的兩個(gè)箱任務(wù)是否屬于同一艘船舶且也屬于同一個(gè)箱區(qū),若是,則一定概率將兩個(gè)編碼元素交換,若不是,則不作任何操作,然后執(zhí)行step4。

        Step4:完成該卸船箱在作業(yè)序列中的順序調(diào)整。尋找編碼中下一個(gè)卸船箱,反復(fù)執(zhí)行step1-step3,直到遍歷完所有卸船箱。

        (2)ARMGb操作序列編碼。將ARMGa的每個(gè)箱任務(wù)拆分為兩個(gè)操作任務(wù),其中一個(gè)由ARMGa自身作業(yè),另一個(gè)則由ARMGb 完成。因此ARMGb 作業(yè)序列生成如下:

        Step1:在ARMGa 編碼的隨機(jī)序列中,提取屬于同一個(gè)箱區(qū)任務(wù),得到對(duì)應(yīng)序列。

        Step2:在 Step1 上各加上每個(gè) ARMGa 操作任務(wù)數(shù)量,得到新的自然數(shù)編碼;

        Step3:將Step1的結(jié)果隨機(jī)排列,得到ARMGb隨機(jī)操作序列;

        Step4:按照類似上文ARMGa操作序列的啟發(fā)式策略得到ARMGb最終操作序列。

        下面用箱區(qū)1的10個(gè)箱任務(wù)為例對(duì)上述編碼進(jìn)行說明:-1表示卸船箱,+1表示裝船箱。

        表1 ARMGb編碼生成

        (3)交接點(diǎn)選擇策略。交接點(diǎn)選擇在相對(duì)貝位。這里針對(duì)箱任務(wù)所在目的貝位的中間位置。當(dāng)箱任務(wù)的目的貝在箱區(qū)中間區(qū)域前端,則只由ARMGa 作業(yè),反之則選擇目的貝位與海側(cè)的中間位置作為交接點(diǎn)。

        3.2.2 不可行和重復(fù)序列修正。隨機(jī)生成或迭代后的個(gè)體修正策略:(1)不可行序列修正:通過已知岸橋作業(yè)箱任務(wù)順序及簇任務(wù)約束關(guān)系修正:(2)重復(fù)序列修正:搜尋每代重復(fù)個(gè)體,并采用部分逆反變異操作生成新個(gè)體替換原染色體,得到新種群作為下一代,保持了種群的多樣性。

        3.2.3 染色體選擇交叉變異。(1)染色體選擇:采用輪盤賭的方法對(duì)染色體進(jìn)行選擇。(2)染色體交叉:采用部分匹配交叉方法。(3)染色體變異:采用部分逆反變異方法。

        3.2.4 適應(yīng)值函數(shù)設(shè)置。適應(yīng)值函數(shù)通常與目標(biāo)函數(shù)關(guān)聯(lián)。通過對(duì)所有ARMGa任務(wù)最大結(jié)束時(shí)刻、箱區(qū)作業(yè)時(shí)刻以及箱區(qū)作業(yè)成本這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別設(shè)置加權(quán)系數(shù)得到一個(gè)組合函數(shù),并將這個(gè)組合函數(shù)的倒數(shù)作為適應(yīng)值。

        4 案例結(jié)果分析

        4.1 案例說明

        以青島某自動(dòng)化集裝箱碼頭為例,整體布局和水平運(yùn)輸交通規(guī)則如圖1 所示。岸橋裝卸交換區(qū)域共7條行駛車道,堆場箱區(qū)數(shù)量為10個(gè),每箱區(qū)共32個(gè)貝位,編號(hào)從海側(cè)向陸側(cè)依次遞增,每個(gè)貝位寬13m,9列5層,可容納45個(gè)集裝箱。某船舶需要操作的進(jìn)出口集裝箱的位置及簇任務(wù)劃分和約束關(guān)系可通過船舶配載計(jì)劃獲得。ARMGa 初始位置在1 貝位,ARMGb 初始位置在 32 貝位,L-AGV 初始位置在緩沖車道,各設(shè)備完成所有任務(wù)后須回到初始位置。

        4.2 結(jié)果分析

        為比較雙對(duì)等式ARMG 接力模式與協(xié)同程度,設(shè)計(jì)以下四種調(diào)度組合策略,證明本文算法的優(yōu)越性。分別設(shè)計(jì)4 類實(shí)驗(yàn)案例,每組任務(wù)規(guī)模設(shè)置為10、20、40、80、100。

        策略1:接力調(diào)度+交接點(diǎn)固定;策略2:接力調(diào)度+交接點(diǎn)變化;策略3:協(xié)同調(diào)度+交接點(diǎn)固定;策略4:協(xié)同調(diào)度+交接點(diǎn)變化。

        4.2.1 交接點(diǎn)決策分析比較。圖3 顯示了箱區(qū)裝卸效率曲線,圖4 顯示箱區(qū)完成裝船箱的最大結(jié)束時(shí)刻。通過比較策略4與策略3、策略2與策略1各曲線發(fā)現(xiàn),交接點(diǎn)變化因減少雙ARMG等待時(shí)間,既有利于箱區(qū)裝卸效率,又提高了船舶完成裝船箱效率,且隨著任務(wù)規(guī)模的遞增,調(diào)度方案效果更為明顯。圖5所示為箱區(qū)的裝卸成本,策略1 與策略2 的曲線、策略3與策略4的曲線均基本重疊,表明交接點(diǎn)固定和相對(duì)變化對(duì)箱區(qū)裝卸成本無明顯差異。

        綜上,從效率和成本兩個(gè)方面評(píng)價(jià),箱區(qū)交接點(diǎn)變化更具有優(yōu)勢,對(duì)船公司和碼頭都是有利的。

        圖3 箱區(qū)結(jié)束任務(wù)時(shí)刻

        圖4 ARMGa裝船任務(wù)結(jié)束時(shí)刻

        圖5 箱區(qū)裝卸成本

        4.2.2 調(diào)度策略分析比較。由圖3可知,在交接點(diǎn)固定的情況下,相對(duì)于協(xié)同調(diào)度,接力調(diào)度時(shí)箱區(qū)結(jié)束更早。因?yàn)榇藭r(shí),前者ARMGb 重進(jìn)重出的比例下降,增加雙ARMG 空駛時(shí)間,降低了箱區(qū)的裝卸效率。而圖4 說明協(xié)同調(diào)度有助于船舶的裝卸效率。因?yàn)殡pARMG盡可能提高了岸橋裝船箱相對(duì)于卸船箱的優(yōu)先級(jí)。此外,圖5表明不管是交接點(diǎn)固定還是變化,雙ARMG 協(xié)同調(diào)度都會(huì)導(dǎo)致箱區(qū)成本上升。因?yàn)閰f(xié)同調(diào)度降低了箱區(qū)重進(jìn)重出程度,增加被迫移動(dòng)次數(shù),導(dǎo)致空駛距離增加。

        由此得出以下結(jié)論:一是船舶裝卸效率與堆場箱區(qū)效率一定程度上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(前者為全局目標(biāo),后者為局部目標(biāo)),即船舶裝卸效率最大化,會(huì)導(dǎo)致堆場裝卸效率下降,成本增加;二是調(diào)度策略影響裝卸重進(jìn)重出比例,其值越高越有助于降低堆場成本;三是交接點(diǎn)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生會(huì)減少ARMG 的無效等待時(shí)間,有利于堆場裝卸效率。

        5 結(jié)語

        自動(dòng)化集裝箱堆場的協(xié)同調(diào)度有利于提高船舶的整體裝卸效率。本文創(chuàng)新之處在于:一是考慮混堆模式下雙對(duì)等式ARMG 的調(diào)度策略;二是引入空間上的交接方式因素。通過模擬實(shí)驗(yàn)比較各種情形的優(yōu)劣,發(fā)現(xiàn)船舶裝卸效率與堆場裝卸效率和作業(yè)成本存在背反關(guān)系,其中,交接點(diǎn)的決策是影響堆場作業(yè)成本的重要因素。

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