一种集装箱码头分路计划决策模型的构建方法及其求解算法与流程

本发明属于集装箱码头管理，具体涉及一种集装箱码头分路计划决策模型的构建方法及其求解算法。

背景技术：

1、随着全球各国间贸易量不断增长，海运作为国际贸易的主要方式，港口作为海运的重要一环，其资源利用率对于货物流转起到至关重要的作用。为应对逐年增加的运输量需求，集装箱船舶呈现大型化发展趋势，各个港口逐渐向智能化、自动化发展。

2、集装箱码头在实际生产作业中，往往是“轻计划、重调度”的，而且调度的好坏往往取决于调度员经验是否丰富，很容易受到个人主观因素的限制，随着箱量的增加，调度难度越来越大。因此，好的计划可以极大降低调度的难度，而且计划也分时间长短，短计划从一定程度上等同于调度。同样，岸桥的维护保养同样重要，将维护保养计划加入调度中无疑会加大调度难度。

3、因此，需要设计并且提出一种集装箱码头分路计划决策模型的建方法及其求解算法，以生产效率为主线，在平衡岸桥维护保养的基础上，以实际生产组织与管理为导向，借鉴当前集装箱码头人工经验，探索维保约束下的分路计划问题。通过综合考虑岸桥作业要求，提炼关键问题关键因素，致力于实现科学的岸桥生产调度，提高岸桥乃至整体码头生产效率，降低作业风险，提高港口核心竞争力。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种集装箱码头分路计划决策模型的构建方法及其求解算法，设计合理，通过建立维保情况下码头分路计划问题数学模型，结合蒙特卡洛树搜索算法，能有效解决码头分路计划问题，并且能够在岸桥维保情况下提供好的决策方案，为码头智能化改造提供思路，提高岸桥乃至整体码头生产效率，降低作业风险，提高港口核心竞争力，应用前景广泛。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，包括如下内容：以岸桥装卸集装箱任务决策问题为主体，设计集装箱任务组划分规则，在考虑一般影响因素情况下，综合考虑岸桥维保对于岸桥计划调度的影响，构建以最小化最大完成时间为目标函数的集装箱码头分路计划决策模型。

4、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，设计集装箱任务组划分规则，将任务组分为以下情况：

5、(1)同一大贝舱面卸单钩40ft或双钩20ft；

6、(2)单贝舱面卸单钩20ft；

7、(3)同一大贝舱内卸单钩40ft或双钩20ft；

8、(4)单贝舱内卸单钩20ft；

9、(5)单贝舱内装单钩20ft；

10、(6)同一大贝舱内装单钩40ft或双钩20ft；

11、(7)单贝舱面装单钩20ft；

12、(8)同一大贝舱面装单钩40ft或双钩20ft；

13、(9)维保任务。

14、根据实际操作经验和研究经验，将任务组分为上述几种情况，序号(1)到(8)按顺序满足基本装卸要求，将同一大贝单钩40ft或双钩20ft所有的任务当作一个任务组，这样对于岸桥而言是不用移动的，对于装卸时间而言是基本一致的，因此放在一个任务组内。而单贝舱面卸单钩20ft，例如，当其位于07贝12列的箱子，如果要装卸该位置上的箱子，岸桥是要移动到07贝进行作业，此时岸桥是发生移机作业的，对应的紧挨着岸桥也要满足安全距离关系。通过物理特性和岸桥是否移机等条件进行划分，得出(1)到(8)等8种情况。

15、同样维保问题也是需要考虑的一个重点，维保情况下，对于岸桥而言，是不移动或者少移动的，我们可以根据船舶装卸量或者实际情况进行维保任务划分，将一个长时间段的维保划分成几个或者当作一个整体，当然维保任务是不能中断的，几个维保任务必须满足前后关系。

16、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，为了满足实际集装箱码头生产作业要求，必须要遵循约束才能正常地进行生产作业，对于岸桥维护保养情况下，同样需要满足约束，因此，需要考虑一般影响因素情况，以及综合考虑岸桥维保对于岸桥计划调度的影响，具体包括如下内容：

17、(1)维保约束；

18、(2)任务和岸桥一对一约束；

19、(3)作业安全距离约束；

20、(4)任务先后顺序约束。

21、所述一般影响因素情况包括但不限于岸桥作业安全距离、船舶集装箱装卸顺序和岸桥作业左右顺序。

22、1、岸桥作业安全距离(安全距离原则)：岸桥属于大型机械设备，其工作时需要一定空间，所以两台挨着的岸桥同时作业时必须满足一定的安全距离，即相邻岸桥需要间隔一个大贝。

23、2、船舶集装箱装卸顺序(装卸顺序原则)：集装箱在船舶上的位置有舱面和舱内之分，之间有着舱盖板之类的间隔开，想要对舱内的集装箱操作，必须先将舱面的集装箱卸下，这是物理位置所决定的。无论是舱内还是舱面，都存在着20尺箱和40尺箱堆叠的情况。由于箱子受力结构等因素，只能将40尺箱放在20尺箱上方，反之则20尺的重量会将40尺箱的之间部分挤压变形导致损坏。对于集装箱而言，一般分为20尺箱和40尺箱，同样还有特殊箱型如冷藏箱、超限箱，但是基本吊装工艺分为双钩和单钩。针对以上情况，需要将船上集装箱装卸排序。对于维保情况，如果拆分成几个任务，同样这些任务需要连续，满足自身的顺序关系。

24、3、岸桥作业左右顺序(不交叉作业原则)：岸桥的作业位置无法交叉，因为岸桥之间的顺序是固定的，每个岸桥有着自己的活动范围，彼此不能交叉。维保情况同样满足不能交叉原则。

25、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，所述集装箱码头分路计划决策模型，基于以下情况假设：

26、(1)分路计划过程中船舶泊位不会发生改变，即不会发生移泊作业任务；

27、(2)码头岸桥之间不可相互穿越，岸桥之间安全距离已知；

28、(3)将船上任务按相应规则进行划分，所有任务均满足先后顺序关系，并且不考虑特殊箱等；

29、(4)岸桥对应的水平运输能力充足，不考虑岸桥等待集卡作业；

30、(5)岸桥之间具有相同的物理属性，装卸能力相同，均可达到装卸集装箱平均水平；

31、(6)分路计划中不考虑各种突发情况；

32、(7)不考虑装卸工艺中切换吊具、岸桥移机过程中各项时间。

33、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，所述集装箱码头分路计划决策模型的目标函数的表达式为：f＝min(f1+f2)，将最终任务完成时间f1加上岸桥移机时间f2，取两者和的最小值，这样就构成最小化最大完工时间目标函数。

34、所述目标函数一方面符合码头效率最高的要求，另一方面也符合最小能耗的要求。

35、本发明所述集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，考虑到一般分路计划问题和维保约束对分路计划的影响因素，以最小化最大完工时间为目标进行抽象建模，从集装箱码头最关注的效率和能耗方面进行决策判断，同时考虑船舶上集装箱物理特性和装卸特性，对任务先后顺序进行约束，考虑岸桥物理特性和实际作业安全要求，对岸桥作业安全距离进行约束，也同时考虑任务和岸桥指派问题，提出任务和岸桥一对一约束，因此采用上述构建方法所建的集装箱码头分路计划决策模型和实际作业较为符合，也为后续的求解算法提供了良好的基础。

36、本发明还涉及所述集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，包括如下步骤：

37、s1：首先，通过集装箱码头分路计划决策模型的已知参数获取求解算法的初始值，所述已知参数包括但不限于总共的任务组、岸桥数、维保相关参数；

38、s2：然后，生成蒙特卡洛搜索树，包括选择、扩展、剪枝、模拟和回溯；

39、s3：然后，判断是否达到结束指标，这里指达到设定的最大迭代数，如果满足条件则返回任务组的分配策略，反之生成新的蒙特卡洛搜索树搜索继续迭代；

40、s4：最后，更新任务组分配的初始状态，判断所有的任务组是否被分配完，若没有完成则以更新完的初始状态作为根节点继续迭代，反之则结束。

41、本发明所述集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，通过建立维保情况下集装箱码头分路计划决策模型，结合蒙特卡洛搜索树算法，能有效解决码头分路计划问题，并且能够在岸桥维保情况下提供好的决策方案，进一步完善相关领域理论研究和实践，为码头智能化改造提供思路，为其他同类问题提供一种新的解决思路。

42、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，所述步骤s2，具体包括如下内容：

43、s21选择：根据任务组分配初始状态，生成蒙特卡洛搜索树，对蒙特卡洛搜索树的树节点进行选择；

44、s22扩展：对蒙特卡洛搜索树的叶子节点进行扩展；

45、s23剪枝：判断扩展的叶子节点是否需要剪枝；

46、s24模拟：如果剪除了不必要的叶子节点，则返回进行扩展，不需要剪枝的叶子节点进行模拟；

47、s25回溯：根据最后的模拟结果进行回溯。

48、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，所述步骤s21中选择策略选自uct算法、amaf算法、rave算法中的一种或者多种的组合。

49、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，所述步骤s23中剪枝策略包括岸桥空闲限制剪枝策略、岸桥移机限制剪枝策略2种策略。

50、进一步的，上述的集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，所述s24中模拟策略，是以集装箱码头分路计划决策模型的目标函数作为导向，增加额外的领域知识组合作为评价指标，根据采样的分布模拟岸桥任务组分配决策过程，完成模拟。

51、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

52、(1)本发明公开的集装箱码头分路计划决策模型的构建方法，考虑到一般分路计划问题和维保约束对分路计划的影响因素，以最小化最大完工时间为目标进行抽象建模，从集装箱码头最关注的效率和能耗方面进行决策判断，同时考虑船舶上集装箱物理特性和装卸特性，对任务先后顺序进行约束，考虑岸桥物理特性和实际作业安全要求，对岸桥作业安全距离进行约束，也同时考虑任务和岸桥指派问题，提出任务和岸桥一对一约束，因此采用上述构建方法所建的集装箱码头分路计划决策模型和实际作业较为符合，也为后续的求解算法提供了良好的基础；

53、(2)本发明公开的集装箱码头分路计划决策模型的求解算法，通过建立维保情况下集装箱码头分路计划决策模型，结合蒙特卡洛搜索树算法，能有效解决码头分路计划问题，并且能够在岸桥维保情况下提供好的决策方案，进一步完善相关领域理论研究和实践，为码头智能化改造提供思路，为其他同类问题提供一种新的解决思路。