一种自动化集装箱码头岸边装船指令顺序控制方法与流程

本发明涉及一种自动化集装箱码头自动化岸边起重机和自动导引运输车的控制方法，更具体地说，涉及一种岸边装船指令顺序控制方法。
背景技术：
：岸边装船指令顺序控制问题是自动化集装箱码头岸边起重机(简称岸桥)实现持续高效作业必须解决的问题。自动化集装箱码头是使用自动化设备的集装箱码头，这些设备由码头生产作业系统(terminaloperationsystem，简称tos，下同)完全控制，设备作业指令也由tos直接下发。在传统的人工集装箱码头，岸桥的装船指令由码头工作人员在码头现场实时给出。由于并不存在现场工作人员，自动化集装箱码头的tos需要程序化的岸边装船指令顺序控制方法。集装箱码头的岸桥装船总是以“吊”为作业单位。岸桥总是依次将集装箱装到船上，因此将岸桥一次装船的集装箱称为一吊。岸桥的一吊可能包含1个任意尺寸的集装箱，也可能同时包含2个20英尺的集装箱。在集装箱码头的装船流程中，岸桥每一吊的集装箱，总是先由agv从堆场运输到岸边，然后再由岸桥装到船上。集装箱在船上的堆放位置(简称船箱位，下同)是预先确定的。出于效率和安全方面的考虑，码头会在不同的船箱位之间定义装船偏序规则(船箱位偏序规则，简称偏序规则，下同)，即装到某些船箱位的集装箱必须在装到另一些船箱位的集装箱之前(或之后)装船。受此影响，岸桥的不同装船吊之间存在偏序关系(装船吊偏序关系，简称偏序关系，下同)，某些吊必须在另一些吊之前(或之后)装船。自动化集装箱码头的装船指令是一系列岸桥指令和agv指令的统称。对于岸桥装船的每一吊，码头都要依次发出三类指令：首先，在agv带箱到达暂存区(在岸桥后方，参见图1)后，发出agv交接区运输指令，让agv从暂存区向交接区(在岸桥下方，参见图1)移动；其次，在agv到达交接区后，发出岸桥门架小车装船指令，让岸桥门架小车将集装箱从agv向岸桥中转平台搬运；最后，在集装箱放到中转平台后，发出岸桥主小车装船指令，让岸桥主小车将集装箱从中转平台向船上搬运。为了保证岸桥各装船吊的顺序总是符合偏序关系，码头要求，同一台岸桥的不同装船吊的任意一类装船指令的发送顺序，都必须符合偏序关系。自动化集装箱码头岸边装船指令顺序控制问题是一个面向局部的实时决策问题。由于码头水平运输时间无法准确预测的特点，agv到达暂存区的实际顺序往往与面向全局的计划顺序不同。如果严格按照计划顺序发送装船指令，很可能导致某些agv无法及时到达交接区，造成岸桥等待，使岸桥的实际作业效率偏低。为了尽量减少岸桥的等待时间，提高岸桥的实际作业效率，自动化集装箱码头的岸边装船作业指令应根据先到先服务(firstcomefirstserve,fcfs)规则下发。然而，采用简单的fcfs规则发送岸边装船指令时，无法保证不同吊的同一类装船指令的发送顺序始终符合偏序关系，因此自动化集装箱码头的岸边装船指令顺序需要合适的控制方法。在现有文献中，并不能找到合适的自动化集装箱码头岸边装船指令顺序控制方法。现有文献专注于研究面向全局的集装箱码头岸桥计划顺序优化问题，问题的目标是优化全局计划顺序，对局部装船顺序的控制问题并不适用。技术实现要素：针对现有技术中不存在自动化集装箱码头岸边装船指令顺序控制方法的问题，本发明的目的是提供一种岸边装船指令顺序控制方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岸边装船指令顺序控制方法，包括：步骤0，设定船箱位偏序规则；步骤1，获取装船吊的总数i和偏序关系矩阵，确定需要发出的岸边装船指令的类型m；步骤2，获取各装船吊的第m类岸边装船指令的可发送状态和已发送状态的值，以及各吊进入可发送状态的顺序；步骤3，取出各装船吊的处于可发送状态的m类岸边装船指令形成集合；如果此时集合为空，则流程结束；否则，转到步骤4；步骤4，计算集合中各指令的dmi值，并删去集合中dmi>0的所有指令；如果此时集合为空，则流程结束；否则，转到步骤5；步骤5，从集合中选出最早进入可装船状态的岸边装船指令，并将该指令发到对应的设备，流程结束。其中，i表示装船吊总数，编号为i和i'，1≤i,i'≤i；dmi表示当前发出第i吊的第m类岸边装船指令是否会违反装船吊偏序关系的整数变量。进一步地，所述船箱位偏序规则包括：如果船箱位a在船箱位b的正下方，且两个船箱位相邻，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船；如果船箱位a和b都在甲板上方且相邻，同时船箱位a更靠近海侧，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。进一步地，所述船箱位偏序规则还包括：如果船箱位a在船箱位b的正下方，且两个箱位的层数差超出一定范围，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船；如果船箱位a的海侧不存在相邻船箱位，且与船箱位b海侧相邻的船箱位正好在船箱位a的正下方，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。进一步地，所述控制模型的目标函数为：其中，smii'表示第i吊的第m类岸边装船指令进入可发送状态的顺序；xmi表示当前是否发出第i吊的第m类岸边装船指令的0-1变量。进一步地，对于任意吊的任意一类岸边装船指令，其至多处于“可发送”和“已发送”这两种状态中的一种。进一步地，对于任意吊的任意一类岸边装船指令，在可发送或已发送状态下，其进入可发送状态的顺序总是唯一确定的。进一步地，对于第i吊的第m类装船作业指令，若存在另一不处于已发送状态的同类装船作业指令，且另一指令所属的吊应在第i吊之前装船，则因变量dmi的值大于0。进一步地，只有在第i吊的第m类岸边装船指令处于可发送状态、且发送该指令不会违反装船吊偏序关系时，才能发送该指令。进一步地，当前发出的各类岸边装船指令，总数均不超过1个。在上述技术方案中，本发明设计了全新的岸边装船指令顺序控制方法，用于指导码头岸边装船指令的生成顺序。附图说明图1是自动化集装箱码头岸边的布局平面示意图；图2是自动化集装箱码头岸边的设备示意图；图3是船上同倍的船箱位示意图；图4是本发明方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。自动化集装箱码头的岸边布局如图1所示。图中的双划线表示岸线1，虚线表示岸桥的大车轨道2，点划线则表示自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)在岸边的行车线3。图1中两个相互重叠的粗线方框表示岸桥4，能够在大车轨道上沿岸线方向移动。图1中自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)行车线上的横向细线方框表示自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)与岸桥的交接区5，能够在行车线上沿岸线方向移动，且其在岸线上的水平位置总是与岸桥保持一致。图1中最下方的竖向细线方框表示自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)在岸边的暂存区6，这些区域的位置是固定的。自动化集装箱码头的岸边主要作业设备如图2所示。图2中以双线表示岸线，以粗实线表示双小车岸桥。图2中的细实线表示水平面，两个细实线方框则表示两台自动导引运输车agv。图2中靠左的agv停在agv暂存区，其车身方向与岸线垂直；靠右的agv停在agv交接区，正好在岸桥大梁下方，其车身方向与岸线平行。图2中还标出了岸桥的高大梁7、低大梁8和中转平台9。注意图中的岸桥为双小车岸桥，在高大梁和低大梁上各有一台小车并未标出。高大梁上的主小车用于在船舶和中转平台之间搬运集装箱，低大梁上的门架小车则用于在自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)和中转平台之间搬运集装箱。中转平台则用于暂时存储集装箱。自动化集装箱码头的岸边装船流程，总是以吊为单元。1吊相当于自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)的1次运输、岸桥门架小车的1次搬运、或者岸桥主小车的1次搬运。1吊可能包含1个各种尺寸的集装箱，或者2个20英尺的集装箱。自动化集装箱码头的集装箱岸边装船流程，总是可以用“指令”与“反馈”相间的形式进行描述。自动化集装箱码头的岸边装船指令，可以分为agv交接区运输指令、岸桥门架小车装船指令和岸桥主小车装船指令三类。agv在堆场获取集装箱后，总是向某一暂存区行驶，岸边装船流程随之开始。agv到达暂存区后，向tos发出反馈。获取agv到达暂存区的反馈后，tos向agv发出交接区运输指令，让agv向某个交接区行驶。agv到达指定交接区后，向tos发出反馈。获取agv到达交接区的反馈后，tos发出岸桥门架小车装船指令，让岸桥门架小车将agv上的集装箱搬运到中转平台上。门架小车完成搬运后，向tos发出反馈。获取集装箱到达中转平台的反馈后，tos发出岸桥主小车装船指令，让岸桥主小车将中转平台上的集装箱搬运到船上。岸桥主小车完成搬运后，向tos发出反馈，至此集装箱的装船流程结束。注意同一吊的“指令”和“反馈”之间存在严格的先后关系：收到上一条指令的完成反馈之前，tos无法发出该吊的下一条指令。自动化集装箱码头的agv水平运输是一个复杂的多车协调过程，agv的水平运输时间具有无法准确预测的特点。在多辆agv同时行驶期间，经常会有部分agv的行驶速度受到实时干预，行车路线也可能被实时调整。因此，agv到达暂存区的实际顺序总是无法准确预测，导致岸边装船指令顺序必须基于fcfs规则制定。装船吊偏序关系是船箱位偏序规则的产物。自动化集装箱码头总是具有一组确定的船箱位偏序规则集合，不同码头的偏序规则集合之间可能存在差异。一般而言，码头的船箱位偏序规则集合中总是包含如下两条规则：(1)如果船箱位a在装船箱b的正下方，且两个船箱位相邻，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。(2)如果船箱位a和b都在甲板上方且相邻，同时船箱位a更靠近海侧，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。此外，码头的船箱位偏序规则集合中还可能包含(但不限于)如下规则。(3)如果船箱位a在船箱位b的正下方，且两个箱位的层数差超出一定范围，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。(4)如果船箱位a的海侧不存在相邻船箱位，且与船箱位b海侧相邻的船箱位正好在船箱位a的正下方，则装到船箱位a的集装箱必须在装到船箱位b的集装箱之前装船。为了对以上规则进行说明，图3给出了某条船上同一船舱的若干船箱位的示意图。图3中左侧为陆侧，右侧为海侧，双线表示甲板。图3中甲板上方有12个船箱位，下方有10个船箱位，各船箱位的编号如图中所示。按照规则(1)，可以从图3中获取14对偏序关系，其中8对在甲板上方，例如1号船箱位应优先于5号船箱位装船，6号船箱位应优先与10号船箱位装船；6对在甲板下方，例如19号船箱应优先于22号船箱位装船。按照规则(2)，可以从图3中获取9对偏序关系，全部在甲板上方，例如7号船箱位应优先于6号船箱位装船，6号船箱位应优先于5号船箱位装船。按照规则(3)，假设装船箱的箱位层数差不能大于1，则可以从图3中获取24对偏序关系，其中16对在甲板上方，例如11号船箱位应优先于4号船箱位装船，9号船箱位应优先于1号船箱位装船；8对在甲板下方，例如21号船箱位应优先于15号船箱位装船。按照规则(4)，可以从图3中获取2对偏序关系，全部在甲板上方，例如8号船箱位应优先于11号船箱位装船，以及4号船箱位应优先于7号船箱位装船。本发明将提出一种以fcfs规则为基础，且考虑船箱位偏序规则的自动化集装箱码头岸边装船指令顺序控制方法，用于形成合理的岸边装船指令发送顺序。该方法在tos发出岸边装船指令前执行，能够按照自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)到达暂存区的实际顺序发送岸边装船指令，且能够保证所发出的指令顺序总是符合船箱位偏序规则。以下将对本发明方法的模型和算法进行陈述。本发明提出一个适用于各类岸边装船指令的顺序控制的数学模型。该模型用于描述tos对下一个agv交接区运输指令、岸桥门架小车装船指令或者岸桥主小车装船指令的决策目标和约束；模型的求解结果，将作为tos是否发出某类岸边装船指令、以及发出与哪一个吊对应的指令的决策依据。本发明的模型假设船箱位偏序规则是已知的，且规则中定义的船箱位配对不会首尾相连形成环结构。由于真实码头的船箱位偏序规则总是秉持“从海侧向陆侧”和“从底层向高层”两条基本原则，因此该假设一般成立。下表是对某一吊的流程状态变化的示意。状态编号吊状态指令反馈1去暂存区2在暂存区暂存区到达反馈3去交接区agv交接区运输指令4在交接区交接区到达反馈5去中转平台岸桥门架小车装船指令6在中转平台岸桥门架小车装船反馈7去船上岸桥主小车装船指令8在船上岸桥主小车装船反馈表1某一吊的流程状态变化如上表所示的模型假设，对于每一吊的岸边装船流程，总是可以用有限种状态进行描述。岸边装船流程开始前，agv正向暂存区行驶，此时的吊状态为“去暂存区”。agv到达暂存区后，给出反馈，吊状态转为“在暂存区”。收到反馈后，tos给出指令让agv向交接区行驶，吊状态转为“去交接区”。agv到达交接区后，给出反馈，吊状态转为“在交接区”。收到反馈后，tos给出指令让门架小车将集装箱搬运到中转平台，吊状态转为“去中转平台”。门架小车完成指令后，给出反馈，吊状态转为“在中转平台”。收到反馈后，tos给出指令让主小车将集装箱搬运到船上，吊状态转为“去船上”。主小车完成指令后，给出反馈，吊状态转为“在船上”，流程结束。根据该表，在装船过程中的任意时间点，岸边任意一吊的状态，总是表中8种状态之一。根据上述设定的自动导引运输车(agv，automatedguidedvehicle)的规则和模型假设，本发明设定模型的目标函数如下：上式表示本发明模型的目标是对于各种岸边装船指令，都应尽量发出进入可发送状态顺序号最小的指令。该目标与fcfs规则相对应。模型的约束条件如下。上式表示，对于任意吊的任意一类岸边装船指令，其至多处于“可发送”和“已发送”这两种状态中的一种。上式与表2对应。上式表示，对于所有吊的任意一类岸边装船指令，在可发送或者已发送两种状态下，其进入可发送状态的顺序总是唯一确定的。上式是dmi的定义式。对于第i吊的第m类装船作业指令，若存在另一不处于已发送状态的同类装船作业指令，且另一指令所属的吊应在第i吊之前装船，则因变量dmi的值大于0。上式表示，只有在第i吊的第m类岸边装船指令处于可发送状态、且发送该指令不会违反装船吊偏序关系时，才能发送该指令。上式表示，当前发出的各类岸边装船指令，总数均不超过1个。以上3式分别是ami、dmi和自变量xmi的取值范围约束。上述模型中用到的符号如下所列：i表示装船吊的总数，编号为i和i'，1≤i,i'≤i。pii'表示装船吊的偏序关系矩阵。如果第i吊必须在第i'吊之前装船，则令pii'＝-1；如果第i吊必须在第i'吊之后装船，则令pii'＝1；否则，令pii'＝0。m表示模型对应的岸边装船指令分类。如果模型对应agv交接区运输指令，则有m＝1；若模型对应岸桥门架小车装船指令，则有m＝2；若模型对应岸桥主小车装船指令，则有m＝3。ami表示当前第i吊的第m类岸边装船指令是否处于可发送状态的0-1变量。考虑到装船流程中各状态间的先后关系，当且仅当第i吊处在“在暂存区”状态时，才能发送该吊的agv交接区运输指令(m＝1且ami＝1)。类似地，当且仅当第i吊处在“在交接区”状态时，才能发送该吊的岸桥门架小车装船指令(m＝2且ami＝1)；当且仅当第i吊处在“在中转平台”状态时，才能发送该吊的岸桥主小车装船指令(m＝3且ami＝1)。dmi表示当前第i吊的第m类岸边装船指令是否处于已发送状态的0-1变量。第i吊的第m类岸边装船指令发出前，dmi＝0，发出后即有dmi＝1，表2所示为各类岸边装船指令状态与吊状态的对应关系。smii’表示第i吊进入能够发送第m类岸边装船指令状态的顺序。如果第i吊进入能够发送第m类岸边装船指令状态的顺序为i'，则令smii’＝1，否则smii’＝0。表2各类岸边装船指令状态与吊状态的对应关系上述模型的因变量如下：dmi表示当前发出第i吊发出第m类岸边装船指令是否会违反装船吊偏序关系的整数变量。若认为当前发出第i吊的第m类岸边装船指令不会违反装船吊偏序关系，则有dmi＝0，否则dmi>0。上述模型的决策变量如下：xmi表示当前是否发出第i吊的第m类岸边装船指令的0-1变量。若当前决定发出第i吊的第m类岸边装船指令，则有xmi＝1，否则xmi＝0根据上述模型，本发明的方法在发出下一个某一类岸边装船指令之前，可以按照以下步骤决定当前是否需要发出、以及需要对哪一个吊发出指令。本发明的方法首先设定船箱位偏序规则，并执行对应的以下步骤：步骤1：获取装船吊的总数i和偏序关系矩阵pii'。确定需要发出的岸边装船指令的类型m。步骤2：获取各吊的第m类岸边装船指令的可发送状态ami和已发送状态dmi的值，以及各吊进入可发送状态的顺序smii'。步骤3：取出所有处于可发送状态(ami＝1，dmi＝0)的岸边装船指令形成集合。如果此时集合为空，则流程结束；否则，转到步骤4。步骤4：计算集合中各指令的dmi值，并删去集合中dmi>0的所有指令。如果此时集合为空，则流程结束；否则，转到步骤5。步骤5：从集合中选出最早进入可发送状态的岸边装船指令(smii'之和最小)，并将该指令发到对应的设备，流程结束。下面通过一个实施例对本发明提出的岸边装船指令顺序控制方法进行说明。本实施例包含6个装船吊，各吊之间的偏序关系矩阵如表3所示，表中的行与模型中的i对应，列则与模型中的i'对应。根据该表，第2吊必须在第3吊之前装船，第6吊则必须在第3吊之前装船。pii'1234561000000200-1000301000140000005000000600-1000表3实施例1中各吊的偏序关系表本实施例中，各装船吊的流程状态如表4所示。表4中的状态编号与表1中的流程状态编号对应。假设各吊进入“在暂存区”状态的顺序与吊编号一致。对于岸桥主小车装船指令，此时能发出指令的只有第1吊。由于并不存在必须在该吊之前装船的其他吊，因此当前发出第1吊的岸桥主小车装船指令。对于岸桥门架小车装船指令，由于此时并不存在已经到达agv交接区但并未发出岸桥门架小车装船指令的吊，因此当前不发出任何岸桥门架小车装船指令。吊编号流程状态状态编号1在中转平台62去交接区33在暂存区24在暂存区25在暂存区26去暂存区1表4实施例1中各吊的流程状态对于agv交接区运输指令，此时能被发出指令的有第3吊、第4吊和第5吊。由于第6吊必须在第3吊之前装船，且第6吊的agv交接区运输指令仍未发出，因此当前不能发出第3吊的agv交接区运输指令。参考各吊到达暂存区的顺序，因此当前发出第4吊的agv交接区运输指令。本
技术领域：
中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。当前第1页12