港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法及系统

本发明涉及港口铁路装卸设备调度，具体涉及一种港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法及系统。

背景技术：

1、港口引入铁路装卸线后，形成铁路作业区，为两种运输方式的衔接提供了基础设施条件。轨道门吊为该区域核心装卸设备，负责离港列车的集装箱装车作业和到港重车的卸车作业。

2、铁路列车的装卸作业不仅要满足港口的作业要求，还要满足铁路运输组织的要求。由于港口列车到发频次不固定，且在时间分布上不均匀，因此不同时段内轨道门吊的分配策略和作业方案很大程度上会影响铁路作业区装卸作业效率，从而影响港口海铁联运服务水平。具体而言，若在全部时段调用相同数量的轨道门吊进行服务，当列车数量或集装箱数量较少时，轨道门吊会出现较长时间的闲置，从而造成轨道门吊作业能力的浪费。因此，应根据不同时段铁路作业区作业量动态决策调度轨道门吊的数量。

3、此外，受列车开行方案的限制，每列列车具有严格的发车时间，其装卸作业时间窗也较为严格。不同列车的作业时间窗长度可能不同。列车作业时间窗较长时，需要同时进行作业的轨道门吊需求就较少；相反，列车作业时间窗紧张时，所需的轨道门吊数量就较多。因此，轨道门吊的动态分配应与列车运行时刻表相配合，保证列车在规定时间内完成作业，不发生延误。

4、另一方面，由于列车停靠位置的不同或是列车编组长度的不同，集装箱在铁路作业区的分布不均匀，因此不同区域需要进行装卸作业的集装箱数量也不同。若给每台轨道门吊分配固定的等长作业区域，可能会导致轨道门吊作业量出现较大差异，从而导致部分轨道门吊任务过于繁重，部分轨道门吊出现闲置。因此，应对轨道门吊的作业区域进行动态决策，实现各轨道门吊作业量均衡分配。

5、根据以上因素，将一个规划周期划分为多个子时段，在每个子规划时段内，轨道门吊会被分配到若干个不重叠的工作区域。在此基础上，需进一步制定每个轨道门吊具体的调度作业计划，即确定每个轨道门吊的任务作业序列和作业开始、结束时间。不同方案下，任务之间的衔接顺序不同，从而产生不同的轨道门吊移动距离，较长的空驶距离或往复移动会造成不必要的时间消耗，从而导致较低的轨道门吊作业效率。因此，有必要对每台轨道门吊的调度方案进行优化，以减少空驶距离，最小化作业完工时间。

6、综上所述，一个良好的轨道门吊分配和调度方案，应该在规划期内满足轨道门吊在空间和时间上的合理分布。时间划分取决于多轨道因列车到港和离港产生的集装箱箱流变化，空间划分取决于列车停靠位置及编组长度，同时应避免轨道门吊间作业相互干扰。轨道门吊的分配方案决定了轨道门吊的任务集合，在此基础上才能进一步决策轨道门吊的任务作业序列，确定作业完成时间，而作业完成时间也会反过来影响轨道门吊的分配方案。因此，轨道门吊分配方案和调度方案具有较强的关联性和互馈性，需要协同决策实现系统最优。

7、然而，对于门吊分配问题及调度问题，很少有研究将两者进行协同研究。现有的技术往往将这两个问题独立处理，而未考虑它们之间的紧密关联。这种处理方式可能导致次优的分配和调度方案，因为它们没有充分考虑作业量的变化情况；现有技术缺乏对列车到达时间特性和作业时间窗要求的考虑，轨道门吊分配方案较为固定，无法有效应对随时间变化的作业需求，未能最大程度地优化轨道门吊的运用，造成了资源的浪费和不均衡的作业负荷；现有技术尝试用仿真的方法来解决门吊分配与调度协同作业计划，没有建立有效数学模型对问题进行科学描述，缺乏一定的理论支撑。这种基于仿真的方法虽然可以模拟实际情况，但缺乏对问题本质的深刻理解和全面优化的能力。在面对复杂的运输需求和大规模的作业时，难以提供系统性的、可重复的、稳定的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法及系统，考虑列车到发情况、作业时间窗约束，对轨道门吊在一定周期内的运用计划进行优化。首先从空间和时间维度对轨道门吊进行动态分配，划分灵活的作业区域，在保证列车按时完成作业的基础上，减少轨道门吊的调用数量并平衡轨道门吊间作业量。其次，进一步确定每台轨道门吊的具体作业序列，最小化轨道门吊走行距离，提高轨道门吊的作业效率。以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法，包括：

4、确定轨道门吊分配的子时段划分方案以及相应子时段内轨道门吊的空间划分方案，建立区域划分相关约束；

5、基于子时段划分方案以及空间划分方案，根据任务分配情况计算任务作业完成时间，明确列车作业完成时间，保证列车装卸作业延迟或时间冗余最小，建立调度作业相关约束；

6、采用基于逻辑的benders分解算法求解所述作业区域划分与调度协同优化模型，得到港口铁路作业区设备动态分区及调度方案。

7、进一步的，铁路作业区轨道门吊每单位距离的移动时间为p，单个集装箱的吊具作业时间为h；轨道门吊分配及作业区域划分决策旨在对每个子时段λm＝[tm,tm+1]进行空间划分，确定每台轨道门吊的作业边界从而明确每个作业位所属的轨道门吊进一步决策该时段内轨道门吊需执行的作业任务根据任务分配情况计算任务作业完成时间fi，进而明确列车作业完成时间fj，保证列车装卸作业延迟或时间冗余χj最小：

8、

9、进一步的，构建作业区域划分与调度协同优化模型，其约束包括：列车作业约束包括每列列车作业冗余时间或延迟时间、通过列车所载集装箱的作业完成时间来表示列车的作业完成时间、计算列车实际作业完成时间；描述集装箱装卸作业的约束包括保证列车上集装箱的装卸作业应在列车到达后开始、每个子时段内需执行的集装箱任务作业时间、保证每个集装箱只能作业一次、轨道门吊负责的集装箱所属作业位的分配以及评估每台轨道门吊在每个子时段内的作业能力的约束；描述空间划分的约束包括规定每个子时段内每个作业位只能分配给一台轨道门吊、限制轨道门吊作业区域的边界数量、保证作业区域分割的逻辑正确性、确保轨道门吊的作业边界应被分配给该轨道门吊、表示边界索引的递增性、确保分配的轨道门吊在整个规划期内应提供足够的作业能力以及描述变量取值范围的约束。

10、进一步的，在明确轨道门吊各子时段作业区域和任务集合后，对轨道门吊具体的任务作业顺序进行决策；令tii'表示轨道门吊从集装箱i移动到集装箱i'的时间，依据集装箱坐标位置通过欧氏距离进行计算；其中，模型约束包括：规定任意两个集装箱之间只能存在一种先后排序关系、连续作业的两个集装箱必须在同一子时段内分配给相同的轨道门吊、确保作业的连续性、定义每个子时段内轨道门吊的虚拟起始任务、每个子时段内轨道门吊的虚拟结束任务、通过虚拟任务确定每台轨道门吊的首项末项作业、计算每个集装箱的装卸作业时间以及描述变量的取值范围的约束。

11、进一步的，给定一个规划周期t，在此期间有多列集装箱列车j∈j到港或离港，列车长度为lj，分别有i∈ij个集装箱需要经由轨道门吊g∈g完成装车或卸车作业；根据列车到港时间aj和计划离港时间dj将整个时间段划分为不同长度的子时间段；或者将整个规划时间段划分为长度相等的子时间段；每个子时间段索引为λm＝[tm,tm+1]。

12、进一步的，对于空间划分，每个子时段将整个铁路作业区划分为若干个互不重叠的工作区域；根据列车编组车辆的长度将铁路作业区划分为|c|个作业位；wc,c∈c表示每列作业位c的任务量；在保证列车装卸作业不发生延误的情况下，应尽量安排较少的轨道门吊；当某个子时段内轨道门吊的任务没有全部完成，则剩余的任务将转移到下一个子时段。

13、进一步的，采用基于逻辑的benders分解算法求解所述调度模型，包括：在不考虑任务具体作业序列和每个任务的具体完成时间的情况下，对原问题进行松弛，得到benders主问题bmp，计算得到原问题的一个下界lb；基于主问题的结果进一步求解子问题bsp，考虑轨道门吊每个任务具体的作业时间、任务间的接续时间，确定轨道门吊具体的调度方案，从而得到原问题的上界ub，并根据求解结果生成有效切割公式，作为对主问题的反馈。

14、第二方面，本发明提供一种港口铁路作业区设备动态分区及调度优化系统，包括：

15、确定模块，用于确定轨道门吊分配的子时段划分方案以及相应子时段内轨道门吊的空间划分方案，建立区域划分相关约束；

16、构建模块，用于基于子时段划分方案以及空间划分方案，根据任务分配情况计算任务作业完成时间，明确列车作业完成时间，保证列车装卸作业延迟或时间冗余最小，建立调度作业相关约束；

17、求解模块，用于采用基于逻辑的benders分解算法求解所述作业区域划分与调度协同优化模型，得到港口铁路作业区设备动态分区及调度方案。

18、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法。

19、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法。

20、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的港口铁路作业区设备动态分区及调度优化方法的指令。

21、本发明有益效果：在列车装卸作业时间窗限制下，采用动态思想，对轨道门吊的作业区域进行时空分区，确定其各子时段的灵活运用方案，最小化轨道门吊的调用数量，同时实现轨道门吊作业量的均衡分配、保证列车按时完成作业。在此基础上进一步对轨道门吊的作业序列进行决策，最小化轨道门吊移动距离和作业完工时间，提高港口铁路作业区装卸作业效率。

22、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。