專利名稱：面向作業(yè)面的集裝箱碼頭裝船配載非線性規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集裝箱碼頭裝船配載領(lǐng)域。特別涉及碼頭管理、堆場管理、集卡調(diào)度和
配載技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集裝箱碼頭一般會根據(jù)船舶的到港時(shí)間和作業(yè)資料制定周期逐漸縮小和準(zhǔn)確的 船舶靠泊計(jì)劃，然后根據(jù)出口船舶的卸船計(jì)劃和其他作業(yè)資料，制定裝船配載計(jì)劃，確定裝 船的集裝箱任務(wù)序列，并安排集卡和橋吊的分派。相對于進(jìn)口卸船而言，出口裝船更為復(fù) 雜。裝卸配載計(jì)劃是影響碼頭資源利用和作業(yè)效率的重要環(huán)節(jié)。裝船配載計(jì)劃，涉及到不 同船舶、作業(yè)線、橋吊、集卡、場吊等多種資源的協(xié)調(diào)，如何通過它們之間的協(xié)作保證橋吊利 用率，提高碼頭作業(yè)效率，具有直接的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。 目前，針對裝船配載計(jì)劃優(yōu)化的全面資源配置沒有專門的研究和公開的專利成 果。港口計(jì)劃人員在實(shí)際配載時(shí)，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定資源的分配，安排任務(wù)的作業(yè)序列，通過 軟件工具實(shí)現(xiàn)配載，具有很大的隨意性，難以達(dá)到優(yōu)化的目標(biāo)。已經(jīng)公開的研究成果雖然某 種程度涉及配載問題，但整體的全面的優(yōu)化模型還很少見。例如，l)文獻(xiàn){[1]張維英，林 焰，紀(jì)卓尚，鄧林義，集裝箱船舶配載方案評價(jià)的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.大連海事大學(xué)學(xué) 報(bào)，2005.31 (3) :13-18.}提出了船舶配載方案評價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；2)文獻(xiàn){[2]王鴻鵬， 基于知識的集裝箱船自動(dòng)配積載專家系統(tǒng).上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002. 23(1) :46-49. }研究 了配載的專家系統(tǒng)，這是商用碼頭管理軟件常用的方式。這些文獻(xiàn)都是從特定的角度，將部 分因素獨(dú)立出來簡化配載問題，這也是配載優(yōu)化的典型思路。 以上公開的成果，并沒有從全局考慮多作業(yè)線的并行、多資源類型(橋吊、集卡和 場吊等)協(xié)同作業(yè)的配載問題，距離實(shí)際應(yīng)用還有很遠(yuǎn)，難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。本發(fā)明公 開的方法，面向作業(yè)面，全面整體的考慮了各種資源，是一個(gè)全局優(yōu)化的配載模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向作業(yè)面的集裝箱碼頭配載非線性規(guī)劃優(yōu)化方法，實(shí)
現(xiàn)對橋吊、集卡和龍門吊的協(xié)調(diào)配置，實(shí)現(xiàn)裝卸任務(wù)的排序與作業(yè)資源的分配。 —、假設(shè)條件 鑒于橋吊資源的昂貴，本發(fā)明以裝船時(shí)的橋吊的充分利用為主要假設(shè)和最小化在 泊時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，而本發(fā)明的方法通過簡單的轉(zhuǎn)化能夠適應(yīng)進(jìn)口卸船，或完善以上兩者 混合的情況。 根據(jù)集裝箱船的靠泊計(jì)劃，可以確定船舶的靠泊時(shí)間和預(yù)計(jì)的離泊時(shí)間、作業(yè)線 以及作業(yè)線所分配的船艙Bay位序列。根據(jù)裝船單能夠確定每個(gè)集裝箱的再堆場的位置 (所在堆場、Bay位、行和層)。配載計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對作業(yè)線內(nèi)的裝卸任務(wù)進(jìn)行排序，并 安排每個(gè)任務(wù)的作業(yè)集卡和龍門吊。
裝卸任務(wù)的排序需要盡量滿足三個(gè)條件1)堆場翻箱率盡量?。?)橋吊裝船時(shí)倒箱操作盡量少；3)同一作業(yè)線內(nèi)的集裝箱滿足卸船時(shí)的順序要求。假設(shè)在進(jìn)行配載時(shí)，所
有出口集裝箱都已經(jīng)堆碼在堆場。 配載計(jì)劃安排橋吊、集卡、龍門吊等資源的配置。 一般，因?yàn)闃虻醢嘿F，首先假設(shè)橋 吊被充分利用；其次假設(shè)龍門吊被充分利用；而集卡則認(rèn)為是充足的。對于每條船舶，根據(jù) 為其分配的作業(yè)線的數(shù)量，能夠?qū)φ腂ay分割為連續(xù)的區(qū)段，每個(gè)大的區(qū)段對應(yīng)一條 作業(yè)線，或者說一個(gè)橋吊。作業(yè)線工作量和時(shí)間根據(jù)橋吊的作業(yè)效率，假定在靠泊計(jì)劃中已 經(jīng)盡量平衡。顯然，這些作業(yè)線是并行的。作業(yè)線是Bay位的作業(yè)序列，一般為了避免橋吊 的來回移動(dòng)造成的時(shí)間，以Bay位為作業(yè)單位，即一個(gè)Bay位作業(yè)完畢才移動(dòng)到下一個(gè)Bay 位。在同一Bay位內(nèi)，假設(shè)配載計(jì)劃部要求倒箱；并且，在堆場作業(yè)過程，也沒有倒箱。
本發(fā)明依據(jù)靠泊計(jì)劃和出口集裝箱裝船的位置約束建立模型?？坎从?jì)劃對船舶的 裝卸任務(wù)分解為作業(yè)線，根據(jù)靠泊計(jì)劃確定作業(yè)線的開始時(shí)間、根據(jù)合同確定裝卸任務(wù)的 最晚結(jié)束時(shí)間。 建模思路可以概括如下。對每一個(gè)出口集裝箱，對應(yīng)一個(gè)任務(wù)，有出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)； 一個(gè)任務(wù)需要經(jīng)歷三個(gè)時(shí)間段龍門吊作業(yè)段、集卡作業(yè)段、橋吊作業(yè)段；其中橋吊的兩個(gè) 任務(wù)需要滿足以上所述的裝卸排序的三個(gè)條件，同時(shí)包括時(shí)間條件，一個(gè)在另一個(gè)結(jié)束后 開始；其中集卡的兩個(gè)任務(wù)一個(gè)任務(wù)結(jié)束到另一個(gè)任務(wù)開始，需要滿足行使時(shí)間間隔約 束；其中龍門吊的兩個(gè)任務(wù)一個(gè)任務(wù)結(jié)束到另一個(gè)任務(wù)開始，需要滿足行駛時(shí)間間隔約 束。從而，在碼頭集裝箱操作的各個(gè)階段，對出口集裝箱裝船的位置進(jìn)行約束，規(guī)定了不允 許的裝船序列，以滿足盡量少翻箱的要求。對堆場的任意Bay上的任務(wù)的作業(yè)時(shí)間，取決于 作業(yè)序列，如果有倒箱則加上倒箱時(shí)間作為龍門吊在該任務(wù)上的作業(yè)時(shí)間，即場吊作業(yè)的 翻箱時(shí)間采用分?jǐn)偟姆绞?，均分到作業(yè)任務(wù)中；集卡的作業(yè)時(shí)間是路上時(shí)間；橋吊的任務(wù) 作業(yè)時(shí)間是確定數(shù)值。二、模型下面定義船舶、時(shí)間、堆場、作業(yè)線、任務(wù)、橋吊移動(dòng)時(shí)間和單箱作業(yè)時(shí)間等等。
定義TASK = {1，2， . ， NTK}:全部作業(yè)任務(wù) (1)QC = {1，2， . ， NQC}:橋吊集合，實(shí)際上是作業(yè)線集合，橋吊的分(2)配假設(shè)已經(jīng)通過泊位分派確定YC = {1，2， . ， NYC}:龍門吊集合 (3)TRUCK = {1，2， . ， NTK}:集卡集合 (4)AQCta,qc G {0，1}:任務(wù)ta分配給橋吊qc (5)TTSTARTt :作業(yè)任務(wù)t G TASK的最早作業(yè)時(shí)間，即靠泊(6)時(shí)間TTENDt作業(yè)任務(wù)t G TASK的最晚作業(yè)時(shí)間，即離泊(7)時(shí)間TQCSQa,b G {0，1}:TQCSQa， b = 1表示任務(wù)a必須在任務(wù)b前面 (8)根據(jù)規(guī)則生成。QCMTt :橋吊作業(yè)任務(wù)t G TASK時(shí)在相鄰Bay位移動(dòng) (9)的時(shí)間
QCTTt :橋吊作業(yè)任務(wù)t G TASK的作業(yè)時(shí)間(10)TRUCKTTt :集卡作業(yè)任務(wù)t G TASK的運(yùn)輸時(shí)間(11)根據(jù)堆場與任務(wù)所在作業(yè)線計(jì)算YCTTt :龍門吊作業(yè)任務(wù)t G TASK的作業(yè)時(shí)間(12)YCMTa,b :龍門吊作業(yè)任務(wù)a， b之間的移動(dòng)時(shí)間，取決(13)于兩個(gè)作業(yè)任務(wù)之間的Bay位距離和(如果
位于不同堆場)不同堆場之間的移動(dòng)時(shí)間決策變量ATrUCkta,tr G {0，1}:任務(wù)ta分配給集卡tr(14)AYcta,yc G {0，1}:任務(wù)ta分配給龍門吊yc(15)TQcStartta :橋吊在任務(wù)ta的啟動(dòng)時(shí)間(16)TTrStartta :集卡在任務(wù)ta的啟動(dòng)時(shí)間(17)TYcStartta :龍門吊在任務(wù)ta的啟動(dòng)時(shí)間(18)目標(biāo)Minimize :2,(:，,"",。(19)最小化總在泊時(shí)間約束任 務(wù)分 配 給 集卡
麗，J]臘《=:1 (20)任 務(wù)分 配 給 場吊
r息， 戸rc(21)單一任務(wù)三個(gè)時(shí)間的關(guān)系(22)<formula>formula see original document page 5</formula>同機(jī)任務(wù)時(shí)間不交疊::(23)攀,。,辜幼,1=><formula>formula see original document page 5</formula> 船上Bay位不翻箱(26)<formula>formula see original document page 6</formula>
—個(gè)集裝箱的裝卸操作作為一個(gè)完整的任務(wù)，它通過橋吊、集卡和場橋配合完成。 從定義(1)至定義(13)，靠泊計(jì)劃對船舶的裝卸任務(wù)分解為作業(yè)線，進(jìn)一步通過將作業(yè)線 分解為Bay位上的集裝箱裝卸任務(wù)，根據(jù)作業(yè)線的開始時(shí)間和最晚結(jié)束時(shí)間，可以確定每 個(gè)任務(wù)的最早開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，式(6)、 (7)、 (9)、 (11)和(12)對集裝箱裝卸任務(wù)涉及 的各種時(shí)間進(jìn)行了定義；并且，通過式(8)和約束(26)定義了 Bay位集裝箱任務(wù)序列的位 置約束，滿足盡量少翻箱的要求，即滿足集裝箱裝船的位置約束。 式(5)說明橋吊對任務(wù)的分派，但是其他的定義都說明橋吊對連續(xù)的Bay位序列 操作，即橋吊按作業(yè)線分配。而從定義決策變量的式(14)、式(15)、約束(20)和(21)則說 明集卡和場吊不限制在特定的作業(yè)線，針對所有作業(yè)任務(wù)分派。 對于橋吊、集卡和場吊作業(yè)的所有任務(wù)，都涉及的任務(wù)的排序，從定義決策變量的 式(16)至(18)可以看出，模型不規(guī)定任務(wù)的唯一排序。而約束式(22)至式(25)則說明， 任務(wù)在橋吊、集卡和場吊設(shè)備上的作業(yè)排序，滿足設(shè)備同時(shí)只作業(yè)一個(gè)任務(wù)的約束；每一個(gè) 任務(wù)在三種設(shè)備上的作業(yè)時(shí)間，滿足先場吊、再集卡、最后橋吊的順序。 綜上所述，本發(fā)明公開的面向作業(yè)面的集裝箱碼頭裝船配載非線性規(guī)劃方法，依
據(jù)靠泊計(jì)劃和出口集裝箱裝船的位置約束建立支持多船舶多作業(yè)線的并行任務(wù)作業(yè)的模
型，該模型考慮集裝箱裝船任務(wù)的排序問題，是一種面向作業(yè)面的配載優(yōu)化模型。 本發(fā)明公開的方法考慮了集裝箱碼頭的新型作業(yè)模式，所建立的配載模型為集裝
箱碼頭的配載提供優(yōu)化方法，能夠在現(xiàn)有集裝箱碼頭管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提升軟件的優(yōu)化
和決策能力，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的配載計(jì)劃，最大限度的提高碼頭資源的利用率。


下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施過程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明公開的方法進(jìn)一步加以說明。 本發(fā)明公開的模型的輸入是靠泊計(jì)劃、船公司提供的作業(yè)資料、以及碼頭的資源 配置，目標(biāo)是得到滿足約束的任務(wù)資源分配和最優(yōu)作業(yè)任務(wù)序列。 根據(jù)靠泊計(jì)劃，分解船舶作業(yè)區(qū)域得到作業(yè)線，作業(yè)線并行作業(yè)，一般一個(gè)作業(yè)線相應(yīng)于一個(gè)橋吊的作業(yè)。 一個(gè)作業(yè)線是船舶上連續(xù)的若干Bay位。每個(gè)出口集裝箱相應(yīng)
于一個(gè)任務(wù)，完成該任務(wù)，即該集裝箱的出口裝船，需要場吊、集卡和橋吊的協(xié)作，并滿足在
Bay位的堆碼要求，即盡量減少翻箱。模型的目標(biāo)是根據(jù)場吊、集卡和橋吊的配置，以及作
業(yè)時(shí)間的要求，得到任務(wù)在各個(gè)資源上的分配順序，滿足船舶總在泊時(shí)間最短的目標(biāo)。根據(jù)
以上的資料，通過模型得到的輸出包括每個(gè)任務(wù)在場吊、集卡和橋吊上的啟動(dòng)時(shí)間和作業(yè)
時(shí)間；場吊、集卡和橋吊上的任務(wù)序列，以及各個(gè)任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)間與作業(yè)時(shí)間。即配載計(jì)劃。
根據(jù)配載計(jì)劃，事實(shí)上可以很容易的通過很多策略對靠泊計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。 雖然以上的模型公開了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不偏離由
權(quán)利要求書提出的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的條件下，還可以進(jìn)行許多改進(jìn)，特別是l)計(jì)算
流程的調(diào)整；2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與假設(shè)條件的削弱或增強(qiáng)。并且，這些改進(jìn)和調(diào)整，仍然確保能夠
根據(jù)基礎(chǔ)資料得到配載計(jì)劃。
權(quán)利要求
面向作業(yè)面的集裝箱碼頭裝船配載非線性規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下特點(diǎn)1)依據(jù)靠泊計(jì)劃和出口集裝箱裝船的位置約束建立模型；2)所述的模型支持多船舶多作業(yè)線的并行任務(wù)作業(yè)；3)所述的模型是一種面向作業(yè)面的配載優(yōu)化模型；4)所述的模型考慮集裝箱裝船任務(wù)的排序問題。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述方法，其特征在于所述的特點(diǎn)l)，靠泊計(jì)劃對船舶的裝卸任務(wù) 分解為作業(yè)線，并能夠確定作業(yè)線的開始時(shí)間和最晚結(jié)束時(shí)間；出口集裝箱裝船的位置約束規(guī)定不允許的裝船序列，以滿足盡量少翻箱的要求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述的特點(diǎn)2)，分解船舶裝卸任務(wù)為作業(yè) 線，對每作業(yè)線得到Bay位作業(yè)序列，每Bay位的集裝箱作業(yè)序列滿足盡量少翻箱的要求， 即滿足出口集裝箱裝船的位置約束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的特點(diǎn)3)，橋吊對作業(yè)線分配；集卡 和場吊不限制在特定的作業(yè)線，針對所有作業(yè)任務(wù)分派。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的特點(diǎn)4)，對于橋吊、集卡和場吊作 業(yè)的所有任務(wù)，都涉及的任務(wù)的排序，所述的模型不規(guī)定任務(wù)的唯一排序；任務(wù)在橋吊、集 卡和場吊設(shè)備上的作業(yè)排序，滿足設(shè)備同時(shí)只作業(yè)一個(gè)任務(wù)的約束；每一個(gè)任務(wù)在三種設(shè) 備上的作業(yè)時(shí)間，滿足先場吊、再集卡、最后橋吊的順序。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向作業(yè)面的集裝箱碼頭裝船配載非線性規(guī)劃方法，涉及到碼頭管理、堆場管理、集卡調(diào)度和配載優(yōu)化的技術(shù)領(lǐng)域。該方法在靠泊計(jì)劃的基礎(chǔ)上，針對集裝箱出口業(yè)務(wù)，以集裝箱出口任務(wù)為單位，所有作業(yè)線并行作業(yè)，考慮橋吊、集卡和場吊充分利用的面向作業(yè)面的作業(yè)方式，建立船舶在泊時(shí)間最小的配載計(jì)劃全局優(yōu)化的非線性規(guī)劃模型，求解最優(yōu)的作業(yè)線任務(wù)作業(yè)序列。該方法涉及復(fù)雜的模型與算法，能夠?yàn)榇a頭的配載計(jì)劃提供參考，實(shí)現(xiàn)對橋吊、集卡和場吊資源的充分利用，提高碼頭的作業(yè)效率。
文檔編號G06Q10/00GK101782981SQ20091005448
公開日2010年7月21日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者胡志華 申請人:上海海事大學(xué)