基于线性回归与混合整数规划模型的ASC协同调度方法与流程

基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法
技术领域
1.本发明属于集装箱码头技术领域，具体地说，是涉及一种基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法。


背景技术：

2.当前自动化码头的堆场布局大多是配置双asc(轨道吊)堆场模式：一个堆场配备海侧asc和陆侧asc同步作业。
3.在布局上，堆场与泊位线垂直，两端分别对应港口的海侧(船舶靠泊侧)与陆侧(陆上作业侧)区域。堆场两端设置集装箱交互区tz(transfer zone)，堆放等待装卸的集装箱。asc安装在轨道上，操作区域仅限于单个场区，陆侧asc和海侧asc不可穿越对场区作业。
4.相对于配置单个asc的作业工艺，配置双asc双端作业的工艺有利于提高空间利用率和并行作业速度。但是，同一箱区上作业的两个asc之间的同步与干涉制约asc的整体装卸效率。因此，对asc的调度也就更加复杂。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法，通过不同类型作业的优先级、配合罚分及其他参数实时调度，实现轨道吊重进重出、根据水平运输设备实时调整交互位置、为了尽快释放设备资源而暂时就近放箱、以及根据目标位置的变化实时调整位置等功能，提高堆场作业效率。
6.本发明采用以下技术方案予以实现：
7.提出一种基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法，包括：
8.1)获取作业队列中备选的作业指令，使用多元线性回归方法预估asc的预估作业时间，包括：
9.根据历史数据计算asc作业时每个集装箱的历史耗时，记为m；
10.获取每个集装箱对应的历史位置数据，记为x；
11.在吊桥远程操作司机效率相对稳定的情况下，m和x具有线性关系，采用多元线性回归模型，在通过历史数据样本计算出参数后，根据当前集装箱的位置信息对预估作业耗时进行预测，其最佳拟合直线的表达式为：
[0012][0013]
其中，y表示asc的预估作业时间，m为asc作业时每个集装箱的历史耗时，x为对应集装箱的箱位置，h为该指令的起始位置与目标位置的差值；
[0014]
2)过滤出要调度的指令，包括：
[0015]
选择从当前时间开始+时间窗口内的指令，以及时间窗口早于当前时间的指令；
[0016]
3)基于混合整数规划模型将过滤出的要调度的指令分配给海侧asc和陆侧asc，包
括：
[0017]
建立混合整数规划模型
[0018]
min∑i∑jm
ijaij
，s.t.∑
iaij
≤1，∑
jaij
≤1，将指令罚分最小的指令分配给海侧asc和陆侧asc；
[0019]
其中，m
ij
表示第i个轨道吊(i值为1、2，分别代表陆侧asc和海侧asc)执行任务j的罚分；a
ij
＝{0,1}表示是否执行，值为1时执行，0表示不执行；优化目标是最小化总的罚分，求出作业指令顺序的最优解；约束条件是每个任务只能被执行一次，且每个轨道吊一次只能匹配一个任务；所述罚分是根据asc的作业范围和空载距离设定的；作业范围根据码头实际作业设定；空载距离根据指令的起始位置和目标位置计算；
[0020]
4)对于海侧asc，基于设定作业优先级对全部指令进行预排序，然后在指令的预估作业时间段内的空余时间内插入海侧重进重出指令；对于陆侧asc，根据指令的刷卡时间对全部指令进行预排序，然后进行陆侧重进重出指令的匹配，在匹配成功时将其插队处理；
[0021]
5)形成调度结果，生成asc可执行的作业指令队列。
[0022]
在本发明一些实施例中，步骤4还包括：
[0023]
在指令的预估作业时间段内的空余时间内插入预排序后具有相同优先级的指令；其中，对具有相同优先级的指令进行排序，包括：
[0024]
获取预排序后的相同优先级指令的功能参数，计算其功能罚分；
[0025]
将罚分最小的排在最前；
[0026]
其中，功能参数包括轨道吊的运行数据、指令的时间窗口、海侧重进重出、接力贝位范围、海侧/陆侧就近放箱、交互区换位贝位范围。
[0027]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明给出的基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法中，根据多元线性回归算法预估asc的作业时间，结合设定的时间窗口筛选出要调出的指令，接着采用混合整数规划模型，结合asc的作业范围和空载距离基于罚分最小将筛选的指令分配给海侧asc和陆侧asc，然后对海侧asc分配的指令根据设定的指令优先级进行预排序，并根据装船指令的预估作业时间，判断此时间段内是否具有空余时间用于做重进重出任务或按照指令优先级插入其他作业类型的指令，针对陆侧asc则根据指令的刷卡时间进行指令预排序，并进行陆侧重进重出的指令匹配，在匹配成功时进行插队处理，最终形成了最优化的指令作业顺序；实现了一种减少asc空载运行、减少交互延时、减少交互区占用、避免asc之间的干扰和冲突、提高空闲asc利用率的轨道吊生产调度系统。
[0028]
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
[0029]
图1为本发明提出的基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法的执行步骤示意。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0031]
在对本发明提出的轨道吊调度方法和系统做出说明之前，先做出如下前期作业任务相关参数定义和发明构思准备：
[0032]
1、将堆场的作业类型细致分为7种，分别为：
[0033]
load(装船)、dsch(卸船)、recv(收箱)、dlvr(提箱)、rehandle(翻倒)、shft(接力)、yard(堆场内移箱)。
[0034]
2、设定不同作业指令的优先级共10种，分别为：
[0035]
在轨道吊上(underway＝-1)、需要返回堆场(laden_redirect＝0)、陆侧超时任务(ls_over_due＝1)、装船任务(ws_load＝2)、卸船任务(ws_dsch＝3)、陆侧收发箱(ls_recv_dlvr＝4)、堆场间移箱(ws_move_out＝5)、堆场内移箱(ws_move_in＝6)、堆场翻倒(rehandle＝7)、堆场接力(shift＝8)。
[0036]
3、需要根据已定义好的作业指令的优先级，对每一条作业指令进行优先级排序。
[0037]
4、考虑轨道吊所需执行的作业任务的时间窗口(时间范围)。
[0038]
该时间窗口是前端可配置的，每一个作业任务对应的emt(预计作业时间)下，轨道吊的调度都有一个可定义的时间窗口，如果当前时间正好属于时间窗口，则该作业任务配置为中等优先级，如果当前时间已经晚于时间窗口，则配置该作业任务具有高优先级，如果当前时间早于时间窗口，则配置该作业任务为低优先级。
[0039]
5、需要考虑轨道吊的空载距离和能耗。
[0040]
如果只考虑作业任务的优先级进行任务的派发，会忽略轨道吊的空载距离最小的局部最优解，而如果只考虑空载距离最小，则不能准确反映出优先级对轨道吊调度的影响力，从而最终影响轨道吊的作业，影响作业效率的提升。
[0041]
6、定义轨道吊重进重出作业(也即在实施完收箱作业后接连实施提箱作业)、根据水平运输设备实时调整交互区位置作业(也即根据水平运输设备的路线优化及作业变更等情况实时调整交互区位置)、为了尽快释放设备资源而暂时就近放箱的revis ion作业(也即当堆场作业繁忙时asc就近放箱后尽快实施下一个作业)、以及根据目标位置的变化实时调整位置的refine作业(也即随着为集装箱规划的目标位置变化时实时调整作业位置)。
[0042]
以上作业设计按照作业需求和作业参数设计，非本发明限定的部分。
[0043]
本发明给出的调度方法需要兼顾上述考量因素，保证随着时间变化和场区指令数量的变化，减少轨道吊之间的冲调，使得作业指令的调度可以满足短期内最优的效果。
[0044]
结合上述，对本发明提出的基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法进行详细说明，如图1所示，包括：
[0045]
(1)前期数据处理。
[0046]
包括：1、加载作业指令；
[0047]
2、初始化堆场数据；
[0048]
3、校验指令的起始位置；
[0049]
4、根据指令状态、位置变化等特征，结合上述说明2,标注指令优先级；
[0050]
5、区分是海侧轨道吊作业还是陆侧轨道吊作业。
[0051]
(2)轨道吊作业调度
[0052]
1、获取作业队列中备选的作业指令，根据asc(堆场轨道吊)作业效率，预估asc的预估作业时间。
[0053]
asc的预估作业时间使用多元线性回归方法计算，包括：
[0054]
a)根据历史数据计算asc作业时每个集装箱的历史耗时，记为m；
[0055]
b)获取每个集装箱对应的历史位置数据，记为x；
[0056]
c)在吊桥远程操作司机效率相对稳定的情况下，m和x具有线性关系，采用多元线性回归模型，在通过历史数据样本计算出参数后，根据当前集装箱的位置信息对预估作业耗时进行预测，其最佳拟合直线的表达式为：
[0057][0058]
其中，y表示asc的预估作业时间，m为asc作业时每个集装箱的历史耗时，x为对应集装箱的箱位置，h为该指令的起始位置与目标位置的差值。
[0059]
2、过滤出要调度的指令：
[0060]
选择从当前时间开始+时间窗口内的指令，以及时间窗口早于当前时间的指令。
[0061]
3、将2中过滤出的要调度的指令分配给海侧asc和陆侧asc。
[0062]
建立混合整数规划模型，形式如下：
[0063][0064][0065][0066]
其中，m
ij
表示第i个轨道吊(i值为1、2，分别代表陆侧asc和海侧asc)执行任务j的罚分；a
ij
＝{0,1}表示是否执行，值为1时执行，0表示不执行。
[0067]
优化目标是最小化总的罚分情况，求出作业指令顺序的最优解；约束条件是每个任务只能被执行一次，且每个轨道吊一次只能匹配一个任务。
[0068]
这里的罚分是考虑asc的作业范围和空载距离设定的；作业范围在系统前端可配置，根据码头实际作业设定即可；空载距离是根据指令的起始位置和目标位置计算出来的。
[0069]
本步骤综合考虑asc的作业范围、指令的起始位置和目标位置、asc执行指令的空载距离，将指令罚分做小的任务分配给海侧asc或陆侧asc。
[0070]
4、海侧/陆侧asc将分配的全部指令进行预排序。
[0071]
海侧asc排序期间，首先考虑正在轨道吊上的指令，其次考虑是否需要返回堆场的指令，然后考虑装船指令。
[0072]
海侧asc还根据装船指令的预估作业时间，判断此时间段内是否具有空余时间用于做重进重出任务，或者按照指令优先级插入其他作业类型的作业指令(例如堆场间移箱、堆场内移箱、堆场翻倒等作业指令，该部分在步骤5、6中详述)。
[0073]
陆侧asc调度则根据指令的刷卡时间进行指令预排序，并进行陆侧重进重出的指令匹配，如果指令匹配成功，则将指令进行插队处理。
[0074]
5、获取预排序后的相同优先级指令的功能参数，计算其功能罚分。
[0075]
如下表一所示的功能参数及对应功能罚分的实施例，包括轨道吊的速度及加速
度、作业的时间窗口、海陆侧重进重出、接力贝位范围、海陆侧就近放箱、交互区换位贝位范围等，每一作业指令中，附属的功能参数不尽相同，计算出的罚分也就不同。
[0076]
表中所示功能参数对应的罚分可通过前台设置，表一仅为一个实施示例，实际应用中功能参数和罚分可调整、修改、增减等。
[0077]
表一
[0078][0079][0080]
6、根据5得到的罚分情况将相同指令优先级罚分最小的排在同类型指令的最前面。
[0081]
7、调整预排序结果形成最终的指令作业顺序，形成调度结果，生成asc可执行的作业指令队列。
[0082]
上述本发明给出的基于线性回归与混合整数规划模型的asc协同调度方法中，根
据多元线性回归算法预估asc的作业时间，结合设定的时间窗口筛选出要调度的指令，接着采用混合整数规划模型，结合asc的作业范围和空载距离基于罚分最小将筛选的指令分配给海侧asc和陆侧asc，然后对海侧asc分配的指令根据设定的指令优先级进行预排序，并根据装船指令的预估作业时间，判断此时间段内是否具有空余时间用于做重进重出任务或按照指令优先级插入其他作业类型的指令，针对陆侧asc则根据指令的刷卡时间进行指令预排序，并进行陆侧重进重出的指令匹配，在匹配成功时进行插队处理；最终形成了最优化的指令作业顺序，实现了一种减少asc空载运行、减少交互延时、减少交互区占用、避免asc之间的干扰和冲突、提高空闲asc利用率的轨道吊生产调度系统。
[0083]
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。