集裝箱碼頭堆場拖車的創(chuàng)新策略研究

外文翻譯集裝箱碼頭堆場拖車的創(chuàng)新策略研究摘要本文首先提出了一個新穎的調(diào)度方法，該方法是契合整個碼頭的一種調(diào)度策略，而不僅僅是針對碼頭某一特定的操作層面。隨后基于調(diào)度策略開發(fā)了一個整數(shù)規(guī)劃模型來解決實(shí)際問題，此模型的目標(biāo)函數(shù)是受到以下兩個條件的約束，即總運(yùn)輸時間最小化和總運(yùn)輸能耗最小化。鑒于問題計算的合理數(shù)值范圍，本文應(yīng)用了基于匈牙利算法的啟發(fā)式算法。另外，考慮到碼頭工作任務(wù)產(chǎn)生與完成的動態(tài)特征，提出新算法的實(shí)施。最后，實(shí)驗(yàn)計算旨在驗(yàn)證對于堆場拖車調(diào)度問題，所應(yīng)用方法的績效結(jié)果。關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭，堆場拖車調(diào)度，整數(shù)規(guī)劃，匈牙利算法，適應(yīng)整個碼頭。引言作為集裝箱碼頭堆場和碼頭前沿之間最重要的運(yùn)輸設(shè)備之一，堆場拖車在碼頭生產(chǎn)能力和能源消耗上起到了關(guān)鍵作用。如果拖車調(diào)度缺乏合理性的話，岸邊裝卸橋和堆場起重機(jī)都有可能需要等待拖車的到來。因此，十分有必要運(yùn)用合理的堆場拖車調(diào)度來保證裝卸橋和堆場起重機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。隨著在全球貿(mào)易中集裝箱碼頭的重要性地位日益增強(qiáng)，越來越多的學(xué)者關(guān)注起碼頭操作運(yùn)營的研究。例如，Yin等[1]（2011）提出了針對動態(tài)港計劃調(diào)度問題的分布式智能系統(tǒng)。Kim和Park[2]（2004）建立了解決堆場起重機(jī)調(diào)度問題的數(shù)學(xué)模型，并把分支定界法和貪婪隨機(jī)自適應(yīng)搜索方法結(jié)合在一起來獲得調(diào)度問題的最優(yōu)解法。Lee等[3]（2008）研究了堆場起重機(jī)的調(diào)度問題，其中考慮的是互不干涉的約束條件，并運(yùn)用遺傳算法得到近似最優(yōu)解。Zhang等[4]（2003）提出滾動平面法和雙層次數(shù)學(xué)模型以解決堆存空間分配問題。宓為建等[5]（2009）結(jié)合目標(biāo)規(guī)劃和遺傳算法解決堆存空間分配問題。何軍良等[6]（2010）基于靜態(tài)滾動平面法建立目標(biāo)規(guī)劃模型以解決場橋調(diào)度問題。萇道方等[7]（2010）開發(fā)了整數(shù)規(guī)劃模型，綜合討論了泊位安排和場橋聯(lián)合調(diào)度的課題。嚴(yán)偉等[8]（2011）提出基于知識的場橋調(diào)度系統(tǒng)。萇道方等[9]（2011）對于場橋調(diào)度問題給出動態(tài)滾動平面法的決策策略。丁等[10]（2012）在輪胎吊實(shí)時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，建立了輪胎吊調(diào)度安排的數(shù)學(xué)模型和啟發(fā)式算法。Choi等[11]（2012）開發(fā)了內(nèi)陸集裝箱貨場運(yùn)作效率的仿真模型。特別對于堆場拖車的分配調(diào)度，也有許多相關(guān)的研究文章。Lee等[12]（2009）綜合研究了堆場集卡調(diào)度和庫存分配問題。相類似地，曹等[13]（2010）綜合討論堆場集卡和起重機(jī)調(diào)度問題，并用Benders分解算法來解決此整合性問題。Ng等[14]（2007）調(diào)度安排集裝箱碼頭的堆場集卡，以求最小化集卡跨度。Bish[15]（2003）探討了多岸吊和多拖車的聯(lián)合問題。Kim和Bae[16]（2004）利用遠(yuǎn)期交貨的地點(diǎn)、時間信息，研究了自動導(dǎo)引車的調(diào)配問題。文中首先提出了一個新穎的調(diào)度方法，該方法是契合整個碼頭的一種調(diào)度策略，而不僅僅是針對碼頭某一特定的操作運(yùn)輸層面。隨后基于調(diào)度策略開發(fā)了一個整數(shù)規(guī)劃模型來解決實(shí)際問題，此模型的目標(biāo)函數(shù)是受到以下兩個條件的約束，即總運(yùn)輸時間最小化和總運(yùn)輸能耗最小化。鑒于問題計算的合理數(shù)值范圍，本文應(yīng)用了基于匈牙利算法的啟發(fā)式算法。另外，考慮到碼頭工作任務(wù)產(chǎn)生與完成的動態(tài)特征，提出新算法的實(shí)施。最后，實(shí)驗(yàn)計算旨在驗(yàn)證對于堆場拖車調(diào)度問題，所應(yīng)用方法的績效結(jié)果。問題闡述為減少非工作狀態(tài)下堆場拖車的運(yùn)行距離、岸吊與場橋的閑置時間以及拖車的數(shù)量，本文提出面向整個碼頭的拖車調(diào)度策略，非常新穎。在此策略下，當(dāng)堆場拖車完成任務(wù)時，它將到達(dá)靠近當(dāng)前位置的某一任務(wù)的原點(diǎn)位置，并可能歸屬于另一不同的操作運(yùn)輸線，以替代沒有任何載重地回到同一操作運(yùn)輸線上，下一個任務(wù)的原點(diǎn)位置。這里針對堆場拖車調(diào)度問題提出整數(shù)規(guī)劃模型，模型假設(shè)如下：（1）當(dāng)堆場拖車輸送到目的地之后馬上由起重機(jī)完成此次工作任務(wù)。（2）每輛拖車每次能處理一項作業(yè)任務(wù)。（3）所有拖車的移動速度都是一致的。（4）可以忽略拖車與拖車間的干擾。參數(shù)定義設(shè)立如下：所有作業(yè)的集合（用i表示）。所有堆場拖車的集合（用j表示）。拖車j從其原點(diǎn)到作業(yè)i原點(diǎn)的行駛時間。從作業(yè)i原點(diǎn)到其終點(diǎn)的行駛時間。從作業(yè)i終點(diǎn)到作業(yè)i’原點(diǎn)的行駛時間，其中。堆場拖車每單位時間的行駛能耗（單位：千瓦）較大正數(shù)求解過程因?yàn)橛嬎愕碾y解性，這是不可能通過商業(yè)數(shù)學(xué)規(guī)劃求解如數(shù)字規(guī)劃引擎來解決堆場拖車調(diào)度此類大規(guī)模問題。因此滾動平面法得到了運(yùn)用，這樣就把安排調(diào)度轉(zhuǎn)換成在每一個滾動周期內(nèi)的問題。另外，匈牙利算法也用來解決相關(guān)的調(diào)配問題。接著，運(yùn)用修正后計劃期的靜態(tài)滾動平面法，我們的解決方案是在每一計劃周期運(yùn)行計算，選定的計劃周期為1分鐘。在每一周期開始時，上一周期的剩余工序?qū)⑥D(zhuǎn)移至本周期繼續(xù)進(jìn)行。因所有作業(yè)任務(wù)的等候時間都不盡相同（例如，上一周期剩余作業(yè)的等待時間多于當(dāng)前周期新作業(yè)任務(wù)的等待時間），所以等待時間應(yīng)當(dāng)考慮到調(diào)度安排問題中來。若某些作業(yè)任務(wù)等待時間較長的話，則該任務(wù)需要給予更高的優(yōu)先級來運(yùn)輸作業(yè)。從而，新模型應(yīng)當(dāng)最大化在每一周期所有作業(yè)的總等待時間。此目標(biāo)要保證有更長等候時間的作業(yè)優(yōu)先。數(shù)值試驗(yàn)為了說明集裝箱碼頭堆場拖車調(diào)度所提出的策略，在本小節(jié)中進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。本小節(jié)包括兩個部分：一個特定的案例分析用來例證說明，不同規(guī)模級別集裝箱碼頭的綜合性實(shí)驗(yàn)。為評估研究方法的綜合性能，獲取來自中國天津港五個集裝箱碼頭運(yùn)營的長期（半年）數(shù)據(jù)集。在這些碼頭中堆場拖車的規(guī)模數(shù)量是不同的，分別是23、44、50、52和59。在對于泊位分配、堆場安排、岸吊調(diào)度和場橋調(diào)度的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用了所獲取的運(yùn)行數(shù)據(jù)。綜合性能包含兩個方面：岸吊的平均停工時間和總運(yùn)輸能耗。圖2表示五個集裝箱碼頭中上述兩種性能的改進(jìn)情況。從圖中可以得到結(jié)論為：岸吊的平均停工時間和總運(yùn)輸能耗都小于實(shí)際中的數(shù)值，兩者最小的減少率分別為12.7%和13.6%。因此，所提出的方法適用于不同規(guī)模的集裝箱碼頭?？偨Y(jié)作為集裝箱碼頭堆場和岸邊最重要的運(yùn)輸設(shè)備之一，堆場拖車的調(diào)度安排在集裝箱碼頭生產(chǎn)力和能源消耗上起到了重要的作用。所以，本文提出了一種新穎的調(diào)度方法，該方法是契合整個碼頭的一種調(diào)度策略，而不僅僅是針對碼頭某一特定的操作運(yùn)輸層面。隨后基于調(diào)度策略開發(fā)了一個整數(shù)規(guī)劃模型來解決實(shí)際問題，