CN105913208A - 集装箱码头全场自动化联合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，包括：在进口船舶靠近泊位时，联合调度平台获取进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、船舶上的集装箱信息、堆场信息和场桥设备信息，根据各类信息泊位‑岸桥‑集卡实时调度模型、出口箱堆存模型、进口箱堆存模型和集卡路径优化模型获得各类指令信息，并使对应设备执行指令。本发明提供的一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，通过获取港口各类信息并根据信息采样优化模型处理，获取优化结果，并根据优化结果对对应的执行设备进行控制，以达到合理安排堆场计划，降低翻箱量，提高码头运转效率，还能最大限度地提高空间使用率以及货主服务满意度。

Description

集装箱码头全场自动化联合调度方法

技术领域

本发明涉及集装箱调度管理领域，尤其涉及一种集装箱码头全场自动化联合调度方法。

背景技术

集装箱码头是海陆联运的枢纽站，在全球化经济中起着非常重要的作用。提高码头上装卸设备的作业计划水平，合理配置码头的装卸资源可以提高集装箱码头的整体效率，降低码头、船公司及货主的作业成本。

集装箱码头作业过程中，需要泊位、岸桥、集卡及堆场等装卸资源协同配合，才能使码头的效率达到最优。吞吐量增长的同时也带来了码头管理的难度和复杂程度的增加，考虑到有限的堆场空间资源，不合理的堆存策略将会增加堆场的翻倒箱作业，降低码头的作业效率。合理安排堆场计划，不仅能降低翻箱量，提高码头运转效率，而且还能最大限度地提高空间使用率以及货主服务满意度，对码头方以及货主都有很大的意义。因此，需要一个能够提高码头运转效率的调度方法。

发明内容

本发明提供一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，用于解决现有技术中集装箱码头管理难度大和复杂程度高的问题。

本发明提供一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，包括：

在进口船舶靠近泊位时，联合调度平台获取进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息；

根据进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息采用泊位-岸桥-集卡实时调度模型计算获得停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息，并将停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息分别发送给到港船舶、岸桥设备、集卡设备，以使到港船舶停泊、岸桥设备和集卡设备处于待命状态；

在集卡设备运输集装箱时，联合调度平台获取参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息；

根据参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息采用集卡路径优化模型计算获得运输路径信息，并将运输路径信息发送给参与运输的集卡设备，以使集卡设备开始运输；

在集卡设备运输集装箱到达堆场时，联合调度平台获取待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息；

根据待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息采用进口箱堆存模型计算获得第一堆放指令信息，并将第一堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对集卡设备上的集装箱进行堆放。

优选地，还包括：在出口集装箱进行堆放时，联合调度平台获取堆场信息、场桥信息、集装箱信息和出口船舶信息，并根据堆场信息、场桥信息、集装箱信息和进口船舶信息采用出口箱堆存模型计算获得第二堆放指令信息，将第二堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对出口集装箱进行堆放。

优选地，所述进口船舶信息包括船舶编号、船舶的长度和宽度、吃水线、预计到港和离港时间、实际到港和离港时间、开始作业和结束作业时间、船舶积载图、待装箱量、待卸箱量、装卸时间、安全距离、船舶偏好停靠位置、船舶实际停靠位置和限定最大最小岸桥数量。

优选地，所述泊位信息包括泊位布局形式、岸线总长度、泊位编号、泊位装卸效率、船只时间调度表、泊位前沿设计水深、泊位靠泊能力和泊位长度。

优选地，所述集卡设备信息包括集卡停靠位置、集卡编号、集卡开始作业时间、集卡结束作业时间、集卡装箱和卸箱时间和集卡平均速度。

优选地，所述岸桥设备信息包括岸桥数量、岸桥作业类型、岸桥编号、装卸效率、移动速度、岸桥间安全距离、岸桥最早可利用时间、岸桥抓箱和放箱时间、岸桥开始作业时间和岸桥结束作业时间。

优选地，所述集装箱信息包括集装箱数量、集装箱尺寸、集装箱重量、集装箱类型、集装箱目的地、集装箱优先级、集装箱存放位置信息、岸桥抓箱和放箱时间、集卡装箱和卸箱时间、场桥抓箱和卸箱时间和集装箱出闸时间。

优选地，所述堆场信息包括堆场类型、堆场位置、贝位、栈、层、堆位数量、堆位容量和箱区间距离。

优选地，所述场桥信息包括场桥编号、场桥作业类型、场桥作业效率、场桥开始作业时间、场桥结束作业时间和场桥装箱和卸箱时间。

优选地，所述出口船舶信息包括船舶停靠泊位、船舶积截图、待装箱量、待卸箱量和安全距离。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，通过获取港口各类信息并根据信息采样优化模型处理，获取优化结果，并根据优化结果对对应的执行设备进行控制，以达到合理安排堆场计划，降低翻箱量，提高码头运转效率，还能最大限度地提高空间使用率以及货主服务满意度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种集装箱码头全场自动化联合调度方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明实施例提供一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，包括：

S11、在进口船舶靠近泊位时，联合调度平台获取进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息。

在本步骤中，需要说明的是，本发明实施例中针对出口集装箱进行调度。当进口船舶靠近泊位，可以理解为进口船舶在未来天数内到达该港口也可理解为进口船舶当天到达该港口。

在进口船舶未到达泊位时，联合调度平台需要获取到进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、船舶上的集装箱信息、堆场信息和场桥信息。联合调度平台获取信息的方法可通过人工输入信息存储在数据库中，也可通过对应设备的无线传输信息。

其中，所述进口船舶信息包括船舶编号、船舶的长度和宽度、吃水线、预计到港和离港时间、实际到港和离港时间、开始作业和结束作业时间、船舶积载图、待装箱量、待卸箱量、装卸时间、安全距离、船舶偏好停靠位置、船舶实际停靠位置和限定最大最小岸桥数量。

所述泊位信息包括泊位布局形式、岸线总长度、泊位编号、泊位装卸效率、船只时间调度表、泊位前沿设计水深、泊位靠泊能力和泊位长度。

所述集卡设备信息包括集卡停靠位置、集卡编号、集卡开始作业时间、集卡结束作业时间、集卡装箱和卸箱时间和集卡平均速度。

所述岸桥设备信息包括岸桥数量、岸桥作业类型、岸桥编号、装卸效率、移动速度、岸桥间安全距离、岸桥最早可利用时间、岸桥抓箱和放箱时间、岸桥开始作业时间和岸桥结束作业时间。

所述集装箱信息包括集装箱数量、集装箱尺寸、集装箱重量、集装箱类型、集装箱目的地、集装箱优先级、集装箱存放位置信息、岸桥抓箱和放箱时间、集卡装箱和卸箱时间、场桥抓箱和卸箱时间和集装箱出闸时间。

所述堆场信息包括堆场类型、堆场位置、贝位、栈、层、堆位数量、堆位容量和箱区间距离。

所述场桥信息包括场桥编号、场桥作业类型、场桥作业效率、场桥开始作业时间、场桥结束作业时间和场桥装箱和卸箱时间。

所述出口船舶信息包括船舶停靠泊位、船舶积截图、待装箱量、待卸箱量和安全距离。

S12、根据进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息采用泊位-岸桥-集卡实时调度模型计算获得停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息，并将停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息分别发送给到港船舶、岸桥设备、集卡设备，以使到港船舶停泊、岸桥设备和集卡设备处于待命状态。在本步骤中，需要说明的是，联合调度平台获得步骤S11中的各类信息后，会将各类信息输入到泊位-岸桥-集卡实时调度模型进行计算，获得最优的计算结果，并根据计算结果下发指令。如当进口船舶靠近泊位后，要通过各类信息获得进口船舶要停泊的泊位，在运输中需要待命的岸桥设备、集卡设备，以及需要将进口集装箱运输到的堆场位置和堆放集装箱所使用的场桥设备。

在本步骤中，采用的泊位-岸桥-集卡实时调度模型的目标函数为：

1)最小化岸桥在泊位作业时间、等待岸桥时间和泊位空闲时间。

$\begin{array}{c}{T}_1=\min \underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}{x}_{isk}(1+\mathrm{\α}\·{\mathrm{\Δp}}_s)(j-s+1)T_{ij}+\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}(T_{{\mathrm{STar}}_i}-T_{{\mathrm{Arr}}_s})\\ +\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}(s-k+1)O_{isk}\end{array}$

2)最小化集卡的运输时间及集卡的空驶时间。

$T_2=min(T_m^{-}+T_n^{+})+T_0^0$

约束条件为：

(1)船舶在港时间的约束条件：保证每条到港船舶只停靠一次，即保证每条船只作业一次，不出现移动泊位的情况。

$\underset{i\∈I}{\Σ}\underset{k\∈K}{\Σ}{x}_{isk}=1,\∀s\∈S$

(2)保证任意时刻在码头岸线的i处最多只有一条船舶挂靠，任何两条船舶不能重叠靠泊。

$\underset{s\∈S}{\Σ}{x}_{isk}\≤1,\∀i,\∀k$

(3)船舶实际靠泊位置泊位长度应大于船的长度。

$\underset{i\∈I}{\Σ}\underset{k\∈K}{\Σ}{L}_i{x}_{isk}\≥l_s,\∀s.$

(4)表示船舶实际停靠泊位的水深应满足船舶的吃水要求。

$\underset{i\∈I}{\Σ}\underset{k\∈K}{\Σ}{H}_i{x}_{isk}\≥H_s,\∀s.$

(5)表示泊位空闲时间为当前船舶开始作业时间与上艘船舶完成作业时间之差。

$O_{isk}=T_{{\mathrm{isA}}_k}-T_{i(s-1)F_{(k-1)}},\∀i\∈I,s\∈S,k\∈K$

(6)表示船舶到港之后才能开始装卸作业服务。

$\underset{s\∈S}{\Σ}\underset{m\∈M}{\Σ}(T_{is}{x}_{ijm}+O_{ijm})+O_{ijk}\≥(T_{{\mathrm{Arr}}_s}-T_{{\mathrm{STar}}_i})x_{ijk},\∀i\∈I,k\∈K$

(7)表示船舶必须停泊之后才开始岸桥服务。

$T_{{\mathrm{STar}}_s}-T_{{\mathrm{Arr}}_s}\≥0,\∀s$

(8)保证任意时刻分配给所有船舶的岸桥数量不能超过码头总的岸桥资源。

$\underset{s\∈S}{\Σ}{N}_{C_s}\≤n_c.\∀k$

(9)分配给每一艘船舶的岸桥数在船舶最大，最小岸桥数内。

$n_s^{\min }\≤\underset{k}{\Σ}{N}_{C_s}\≤n_s^{\max },\∀s$

(10)保证岸桥的不能跨越作业原则，即为某一船舶进行作业的岸桥一定是相邻的。

$y_{{\mathrm{sh}}_s{r}_c(p-1)}-y_{{\mathrm{sh}}_s{r}_{c}p}+y_{{\mathrm{sh}}_s{r}_c(p+1)}=\{-1,0,1\},\∀s\∈S,h_s\∈K,r_c\∈R,p\∈C$

(11)船舶需要进行装卸作业的集装箱数量。

$N_{T_s}=\underset{c\∈C}{\Σ}\underset{h_s\∈K}{\Σ}{E}_c{T}_{c_s{h}_s{r}_c}.\∀s\∈S,r_c\∈R$

(12)一个岸桥完成装卸作业所需要的时间。

$T_{c_s{h}_s{r}_c}=y_{{\mathrm{cc}}_s{h}_s{r}_c}(F_{c_s{h}_s{r}_c}-S_{c_s{h}_s{r}_c}),\∀s\∈S,h_s\∈K,r_c\∈R,c\∈C$

(13)表示船舶的在港作业时间等于为船舶服务时间最长的岸桥的作业时间。

$T_{is}={\mathrm{MaxT}}_{c_s{h}_s{r}_c},\∀i\∈I,\∀s\∈S,h_s\∈K,r_c\∈R,c\∈C$

(14)-(17)保证每个集装箱被分配给一台岸桥与一辆集卡进行作业。

(14)

$\underset{c^{-}\∈C^{-}}{\Σ}{x}_m^{c^{-}}=1,\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-}$

(15)

$\underset{c^{+}\∈C^{+}}{\Σ}{x}_n^{c^{+}}=1,\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+}$

(16)

$\underset{v\∈V}{\Σ}{y}_m^v=1,\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-}$

(17)

$\underset{v\∈V}{\Σ}{y}_n^v=1,\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+}$

(18)-(21)保证在岸桥与龙门吊作业序列中,每个集装箱最多有一个前序与后序作业任务。

(18)

$\underset{m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-}}{\Σ}{x}_{{\mathrm{mm}}^{\′}}^{c^{-}}\≤1,\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},c^{-}\∈C^{-}$

(19)

$\underset{n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+}}{\Σ}{y}_{{\mathrm{nn}}^{\′}}^{c^{+}}\≤1,\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},c^{+}\∈C^{+}$

(20)

$\underset{m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-}}{\Σ}{y}_{{\mathrm{mm}}^{\′}}^{v^{-}}\≤1,\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},v\∈V$

(21)

$\underset{n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+}}{\Σ}{y}_{{\mathrm{nn}}^{\′}}^{v^{-}}\≤1,\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},v\∈V$

(22)-(23)从岸桥的角度进行定义了每个集装箱作业完成时间之间的关系,如果表示集装箱m与m′的作业均由岸桥c完成，且m′的作业次序在m之前，此时，

(22)

$T_m^{-}+t_m^{m^{\′}}+q-T_{m^{\′}}^{-}\≤M(1-x_{{\mathrm{mm}}^{\′}}^{c^{-}}),\∀m,m^{\′}\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},c^{-}\∈C^{-}$

(23)

$T_n^{+}+t_n^{n^{\′}}+q-T_{n^{\′}}^{+}\≤M(1-x_{{\mathrm{nn}}^{\′}}^{c^{+}}),\∀n,n^{\′}\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},c^{+}\∈C^{+}$

(24)-(25)从集卡角度进行定义了集装箱作业完成时间之间的关系,如在24中，如果集装箱m与n的作业均由集卡v完成，且m的作业次序在n之前，

(24)

$T_n^{+}+p-t_{mn}^{v^{+}}-T_{n^{\′}}^{+}\≤M(1-y_{mn}^v),\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},v\∈V$

(25)

$T_m^{-}+p-t_{v^{+}}^{v^{-}}-T_{v^{-}}^{l_m^{-}}\≤M(1-y_{mn}^v),\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},v\∈V$

(26)表示将每一进口集装箱与出口集装箱配对后,集卡在装卸作业过程中的行驶距离。

$d_{mn}=\underset{c_m\∈S^{-}}{\Σ}\underset{m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-}}{\Σ}{t}_{c_m}^{l_m^{-}}{z}_{c_m}^{l_n^{-}}+\underset{m\∈L^{-}}{\Σ}\underset{n\∈L^{+}}{\Σ}{t}_m^n{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}+\underset{c_m\∈S^{+}}{\Σ}\underset{m\∈{\mathrm{ConTain}}^{+}}{\Σ}{t}_{l_n^{+}}^{c_n}{z}_{l_n^{+}}^{c_n}$

(27)表示集卡的空驶时间。

$t_v=\underset{m\∈L^{-}}{\Σ}\underset{n\∈L^{+}}{\Σ}{t}_m^n{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}$

(28)-(29)为变量取值约束，保证进口集装箱与出口集装箱两两配对，并且每个集装箱均被服务一次。形成了集装箱对后，一旦给定了卸船顺序，装船顺序随之确定,然后将集装箱对分配给集卡，目的是总作业时间最小。

(28)

$\underset{m\∈L^{-}}{\Σ}{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}=1,\∀n\∈L^{+}$

(29)

$\underset{j\∈L^{+}}{\Σ}{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}=1,\∀m\∈L^{-}$

(30)表示集装箱对约束，保证集装箱m和n由一辆集卡作业，由(25)-(29)确定，如果表示集装箱m和n是一个集装箱对，由一辆集卡完成作业。

${\mathrm{\Σy}}_{mn}^v\≤z_m^n,\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},v\∈V$

(31)定义了集卡作业序列。

$y_m^v-0.5\≤0.5(y_{mn}^v+y_{nm}^v),\∀m\∈{\mathrm{ConTain}}^{-},\∀n\∈{\mathrm{ConTain}}^{+},v\∈V$

在集装箱码头实际生产中，多数情况是装货船与卸货船的作业量不行等。即num^-≠num⁺，假设num⁺＞num^-，那么将有num⁺-num^-个出口集装箱无法与进口集装箱配对。

因此在对这num⁺-num^-个集装箱进行作业时，集卡把集装箱从堆场运到码头前沿后，直接空驶回堆场进行下一集装箱的运送。只要加入num⁺-num^-个虚拟节点，下面是扩展模型。

(32)

$\underset{m\∈L^{-}}{\Σ}{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}+\underset{c_i\∈virtual}{\Σ}{z}_{c_i}^{l_n^{+}}=1,\∀n\∈L^{+}$

(33)

$\underset{m\∈L^{+}}{\Σ}{z}_{c_i}^{l_n^{+}}=1,\∀c_i\∈virtual$

同理，如果num⁺＜num^-，可以加入num^--num⁺个虚拟节点表示虚拟出口集装箱。用下面两式替代(28)，(29)。

(34)

$\underset{n\∈L^{+}}{\Σ}{z}_{l_m^{-}}^{l_n^{+}}+\underset{c_i\∈virtual}{\Σ}{z}_{l_n^{+}}^{c_i}=1,\∀m\∈L^{-}$

(35)

$\underset{m\∈L^{-}}{\Σ}{z}_{l_n^{+}}^{c_i}=1,\∀c_i\∈virtual$

S：在港的船舶包括已经挂靠和尚未挂靠的船舶集合，S＝{1,2,…,s}；S₁,S₂,…,S_s.

K表示规划周期内到港船舶的服务顺序。

i：代表船舶挂靠泊位点的集合，即i∈I

l_s：船舶的长度；

C：码头岸桥集合；

为船舶s服务的岸桥数；

h_s∈K‘：表示为船舶s进行装卸服务岸桥的作业顺序；

r_c∈R为岸桥c的作业任务集；

M_k＝{m|m＜k＜K}：表示岸桥服务顺序集的一个子集；

泊位i开始作业的时间；

T_is:船舶s在泊位i上作业所用的时间；

H_s:船舶s的最大吃水深度；

L_s:船舶s的长度；

船舶s的到达时间；

船舶s的开始作业的时间；

H_i:泊位i能容许船舶停靠的物理水深；

L_i:泊位i的岸线长度；

E_c:岸桥c的作业效率，即在单位时间内完成的装卸箱的数量；

在调度期内的第r_c个任务，为岸桥c作为第h_s个船舶s服务的岸桥，其开始服务时间；为岸桥c作为第h_s个船舶s服务的岸桥，其结束服务时间；

为岸桥c作为第h_s个船舶s服务的岸桥，其为船舶s服务的总时间；

O_isk:泊位i在第k-1个船舶离开至第k个船舶到达前的空闲时间，船舶s为第k个被服务的船舶；

船舶s在泊位i上被第k个服务的完成作业时间；

船舶s第k个到达泊位i的时刻；

为岸桥调度的决策变量，当岸桥c为第h_s个为船舶s服务的，且该任务为岸桥c的第r_c个作业任务，取值为1，否则为0。

每条在港船舶允许同时作业的最小岸桥数量；

每条在港船舶允许同时作业的最大岸桥数量；

表示船舶s的最佳停靠位置，以船的左侧端点为基准；

p_s：船舶s在码头岸线上的实际停靠位置，以船的左侧端点为实际停靠位置点；

Δp_s：船舶的偏离位置，这个位置对集装箱从船舶卸下到后方堆场的集卡运输距离有较大的影响。

α：船舶的偏离惩罚系数，表示船舶s偏离最佳位置一个单位数对集装箱在港时间的放大程度；

船舶队列.S^-,S⁺分别为卸货、装货船舶集合；

ConTain^-，ConTain^＋表示进口、出口集装箱的集合。

num^-，num^＋分别为进、出口集装箱的数量。

L^＋表示出口集装箱在堆场的堆存位置集合，由于码头公司要求出口集装箱在船舶进港前运到码头堆场，因此堆存位置在装卸前是已知的；

L^-表示进口集装箱在堆场的堆存位置集合，在装卸调度中要确定进口集装箱的堆存位置；

分别表示进口集装箱、出口集装箱在堆场的堆存位置；

表示岸桥对进口集装箱m作业的总时间；

表示岸桥对出口集装箱n作业的总时间；

表示集卡从卸货船舶S^-行驶至所需时间；

表示集卡从堆场进口集装箱位置行驶到出口集装箱位置所需的时间；

表示集卡从堆场位置到装货船S⁺的行驶时间；

表示集卡在装货船舶S^＋与卸货船舶S^-之间的行驶时间；

表示岸桥从集装箱m所在船位置移动到集装箱m+1所在船位置需要的时间；

c^-∈C^-,c^＋∈C⁺分别表示从事卸船与装船作业的岸桥；

q表示岸桥的平均作业效率,即岸桥完成一个集装箱装卸的平均时间；

p表示龙门吊的平均作业效率,即龙门吊完成一个集装箱装卸的平均时间；

v∈V表示进行装卸作业的集卡；

l_m:表示集装箱在船上的位置,用贝位号表示；

表示集卡对进口集装箱m运输的总时间；

表示集卡对出口箱n运输的总时间；

表示集卡空驶的总时间。

当集装箱m的作业由岸桥c完成时，否则

当集装箱m与m′的作业均由同一岸桥c完成时，且m′是m的前序任务时，否则

当集装箱m由集卡v运送时，否则

当集装箱m与n的作业均由集卡v完成，且m是n的前序任务时，否则

当集卡经过路径(u,v)时，否则，

S13、在集卡设备运输集装箱时，联合调度平台获取参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息。在本步骤中，需要说明的是，当集卡设备被岸桥设备将集装箱装车后，联合调度平台针对集卡设备进行路径优化，需要获取参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息。

S14、根据参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息采用集卡路径优化模型计算获得运输路径信息，并将运输路径信息发送给参与运输的集卡设备，以使集卡设备开始运输。在本步骤中，需要说明的是，联合调度平台根据步骤S13获得的各类信息采用集卡路径优化模型计算获得运输路径信息。

在本步骤中，所述集卡路径优化模型的目标函数为：

$\begin{array}{c}\min f=C_0\·I+C_1\·\[\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{d}_{0k}{x}_{i1}^k+\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{b=1}{\overset{b_i}{\Σ}}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}{d}_{mn}{z}_{imn}^b\]+(C_2+C_3)\\ \·(U+L)+C_4\·(t_I^K+t_I^J)\end{array}$

约束条件为：

(1)表示每辆集卡每次只在唯一的岸桥下进行集装箱的装卸；

$\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{x}_{ib}^k=1$

(2)表示每辆集卡每次把集装箱运到唯一的堆场箱区；

$\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{y}_{ib}^j=1$

(3)表示堆场各箱区的集装箱容量不小于船舶需要装卸的集装箱数量；

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{b=1}{\overset{b_i}{\Σ}}{y}_{ib}^j=1$

(4)分别表示各箱区进、出口集装箱的总量与船舶装卸集装箱数量一致；

$\begin{array}{cc}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{q}_m=U& \underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{q}_m^{\′}=L\end{array}$

(5)表示装卸任务的完成；

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{b=1}{\overset{b_i}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{y}_{ib}^j=U+L$

(6)分别表示集卡等待岸桥、龙门吊的总时间；

$t_I^K=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{b=1}{\overset{b_i}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{x}_{ib}^k(t_{ib}^k-t_k-{\mathrm{tt}}_{ib}^k)t_I^J=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{b=1}{\overset{b_i}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{y}_{ib}^j(t_{ib}^j-t_j-{\mathrm{tt}}_{ib}^j)$

其中，i:集卡的编号，共I辆集卡(i＝1,2,…,I)；

k:岸桥的编号，共K台岸桥(k＝1,2,…,K)；

j:轮胎吊的编号，共J个轮胎吊(j＝1,2,…,J)；

M:堆场共有箱区M个，第m个箱区最多容纳集装箱的数量为P_m(m＝1,2,…,M)；

d_0k:集卡停车场0与岸桥k之间的距离；

d_mn:堆场相邻各箱区之间的距离；

U:码头前沿运往堆场的进口集装箱总数；

L:堆场运往码头前沿的出口集装箱总数；

q_m:各箱区进口的集装箱需求量；

q′_m:各箱区出口的集装箱数量；

b:集卡i运输的次数，共b_i次(b＝1,2,…,b_i),将集卡完场岸桥-进口箱区-出口箱区-岸桥这一作业过程视为一次运输；

集卡i的第b次运输与岸桥k的服务关系，若集卡i的第b次运输由岸桥k服务，则反之，

集卡i的第b次运输与轮胎吊j的服务关系，若集卡i的第b次运输由轮胎吊j服务，则反之，

集卡i的第b次运输与箱区m、箱区n的服务关系，若集卡i的第b次运输从箱区m经过箱区n，则反之，

t_k:岸桥k的作业效率，即第k台岸桥服务于一个集装箱的时间；

t_j:轮胎吊j的作业效率，即第j个轮胎吊服务于一个集装箱的时间；

集卡i的第b次运输由岸桥k服务完成作业的时刻；

集卡i的第b次运输由轮胎吊j服务完成作业的时刻；

集卡i的第b次运输到达岸桥k的时刻；

集卡i的第b次运输到达轮胎吊j的时刻；

在集装箱装卸的整个作业过程中所有集卡I总运输次数下等待岸桥K的时间；

在集装箱装卸的整个作业过程中所有集卡I总运输次数下等待轮胎吊J的时间；

C₀:单量集卡的固定成本；

C₁:集卡行驶单位路径的成本，即运输成本；

C₂:岸桥每次服务一个集装箱的成本；

C₃:轮胎吊每次服务一个集装箱的成本；

C₄:集卡在岸桥、轮胎吊下等待单位时间的城成本。

S15、在集卡设备运输集装箱到达堆场时，联合调度平台获取待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息。在本步骤中，需要说明的是，当装有集装箱的集卡设备到达堆场后，需要场桥设备对集卡设备上的集装箱卸载堆放。故联合调度平台需针对场桥设备进行优化，需获取待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息。

S16、根据待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息采用进口箱堆存模型计算获得第一堆放指令信息，并将第一堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对集卡设备上的集装箱进行堆放。在本步骤中，需要说明的是，联合调度平台获取到步骤S15的各类信息后，采用进口箱堆放模型计算获得第一堆放指令信息，并控制场桥设备对集卡设备上的集装箱进行堆放。

在本步骤中，所述进口箱堆放模型的目标函数为：

$\min Z=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{nijk}$

约束条件为：

(1)表示提取某一集装箱时,堆场发生的翻箱量,且被提取集装箱在当前状态下其提箱优先级是最小的。

R_nijk＝H_ij-k,if c_n＝c_min

(2)表示待卸载集装箱被分配到某一箱区的进口箱总数与堆场为进口箱在此箱区分配的箱位数相等。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{X}_{nijk}=V$

(3)表示根据进口箱的规模,在堆场中分配的贝位数。

$I-1\≤\frac{N}{V_i}\≤I$

(4)贝位内集装箱容量限制。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{X}_{nijk}\≤V_i,\∀i$

(5)限定一个箱子只能分配到一个位置上。

$\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{X}_{nijk}=1,\∀n$

(6)说明一个箱位最多只能堆放一个集装箱。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{X}_{nijk}\≤1,\∀i,j,k$

(7)表示堆场的集装箱不能悬空放置,即对于同一栈的集装箱,必须先放置下面的集装箱,然后才能放置上面的集装箱。

$\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{X}_{mijk}-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{X}_{{\mathrm{nijk}}^{\′}}\≤0,\∀i,\∀j,k>k^{\′}$

(8)表示同一栈中下层的集装箱要比上层的集装箱早入场。

M·L_m·X_mijk＞L_n·X_nijk′,k＜k′

(9)说明在对集装箱进行作业时,只能对最上层的集装箱进行操作。

if X_mijk＝1,X_nijk′＝1,k＜k′,then S_m＜S_n。

在本发明实施例中，主要针对进口集装箱管理进行优化，因此，本方法还包括针对出口集装箱管理进行优化的方案。

在出口集装箱进行堆放时，联合调度平台获取堆场信息、场桥信息、集装箱信息和出口船舶信息，并根据堆场信息、场桥信息、集装箱信息和进口船舶信息采用出口箱堆存模型计算获得第二堆放指令信息，将第二堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对出口集装箱进行堆放。

所述出口箱堆存模型的目标函数为：

降低装船过程中出口箱水平搬运距离，并平衡各箱区之间的作业量。

$min\frac{T_1{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{h=1}^V{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{D}_{hmn}\·\left({\mathrm{\Σ}}_{g=1}^G{X}_{thgmn}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{h=1}^V{\mathrm{\Σ}}_{g=1}^G{A}_{thg}}+T_{2}dD$

实际操作中可根据港口历史数据，获得水平搬运距离和D值方差、均值及其分布，通过标准化转化为标准分布，从而获得d值。

T₁+T₂＝1。

约束条件：

(1)、定义了X_thgmn的范围不大于每个贝的最大容量；

0≤C_tmn+X_thgmn≤21

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]，g∈[1,G]

(2)、表示所有箱区所有贝位中，被分配的时段t船h卸货港为g的出口箱数量与该时段到达的船h卸货港为g的出口箱量相等；

$\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{X}_{thgmn}=A_{thg}$

t∈[1,T]，h∈[1,V]，g∈[1,G]

(3)、共同定义了变量Y_thgmn；(此变量定义为将t时段h船g港的集装箱与箱区m贝位n建立联系)

Y_thgmn≤X_thgmn,

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]，g∈[1,G]

G·Y_thgmn≥X_thgmn，

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]，g∈[1,G]

(4)、共同定义了变量Q_thmn(此变量定义将t时段h船与箱区m贝位n建立联系)

$Q_{thmn}\≤\underset{g=1}{\overset{G}{\Σ}}{Y}_{thgmn}$

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]

$G\·Q_{thmn}\≤\underset{g=1}{\overset{G}{\Σ}}{Y}_{thgmn}$

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]

(5)、表示时段t内，第m个箱区中第n个贝位只能分配给某艘船某一卸货港的出口箱；

$\underset{g=1}{\overset{G}{\Σ}}{Y}_{thgmn}\≤1$

t∈[1,T]，h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]

(6)、表示时段t内，第m个箱区中第n个贝位只能分配给一艘船的出口箱；

$\underset{h=1}{\overset{V}{\Σ}}{Q}_{thmn}\≤1,$

t∈[1,T]，m∈[1,M]，n∈[1,N]

(7)、表示第m个箱区中第n个贝位在船h离港前最多只能分配一次；

$\underset{t=1}{\overset{T_h}{\Σ}}{Q}_{thmn}\≤1$

h∈[1,V]，m∈[1,M]，n∈[1,N]

(8)、定义了Z_tm，即周期t内箱区m已使用的贝的数量；

$Z_{tm}=\underset{h=1}{\overset{V}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_{thmn}$

t∈[1,T]，m∈[1,M]

(9)、定义了Z_tm的最大值；

maxZ≥Z_tm

(10)、定义了Z_tm的最小值；

minZ≤Z_tm

(11)、定义了变量D，表示Z_tm最大值和最小值之差。

D≥maxZ-minZ

形成堆垛图：

建立二维直角坐标系，横轴表示集装箱到达堆场的顺序，纵轴表示分配给集装箱的二位整数(此二位整数为重量级与目的港)。每一组集装箱就确定为一组坐标系上的点。

1)取最左边的一个点，由此点开始向距最近的右上方(包括水平方向)点连线。再以这一线段上的第二点为起始点重复上述过程，直到不再存在满足条件的点，由此得到一条折线，定义为折线一。

2)从余下的各点中的最左方的点出发，重复第一步，得到折线二。

3)重复操作得到一组折线，使所有的点都唯一的包括在其中的一条折线中。

将每一条折线上点所代表的的集装箱按顺序堆成一列，并从左到右安排各列，无论堆垛或装船提箱时都不需要倒箱作业。理想情况是每一列都小于或等于四个箱子，如果是这样，只简单按照折线顺序堆垛每一条折线所代表的一组集装箱就可以保证装船时，能在低操作难度等级下作业并保证倒箱次数为零。实际操作中可能会出现一列或几列超过四个的情况，此时只需将超高列下方多余的箱子按顺序分别与短列堆成一列即可。

设集装箱K的目的港是d_i(d_i＝1,2,…,5)，重量等级为w_j(w_j＝1,2,…,9)。则表示为K＝(d_i,w_j,x_k,y_k)。最终形成的堆垛图必须同时满足公式(1)和(2)

最终形成的堆垛图必须同时满足下面两个公式。

时d_ik≥d_i(k＋n)

时10d_ik＋w_jk≤d_i(k＋n)＋w_j(k＋n).

其中，n取正整数，k+n≤21。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种集装箱码头全场自动化联合调度方法，其特征在于，包括：

在进口船舶靠近泊位时，联合调度平台获取进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息；

根据进口船舶信息、泊位信息、集卡设备信息、岸桥设备信息、堆场信息和船舶上的集装箱信息采用泊位-岸桥-集卡实时调度模型计算获得停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息，并将停泊信息、卸箱指令信息和运输指令信息分别发送给到港船舶、岸桥设备、集卡设备，以使到港船舶停泊、岸桥设备和集卡设备处于待命状态；

在集卡设备运输集装箱时，联合调度平台获取参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息；

根据参与卸箱的岸桥设备信息、参与运输的集卡设备信息、堆场信息和待运输的集装箱信息采用集卡路径优化模型计算获得运输路径信息，并将运输路径信息发送给参与运输的集卡设备，以使集卡设备开始运输；

在集卡设备运输集装箱到达堆场时，联合调度平台获取待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息；

根据待放置集装箱的堆场信息、场桥设备信息和集卡设备上的集装箱信息采用进口箱堆存模型计算获得第一堆放指令信息，并将第一堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对集卡设备上的集装箱进行堆放。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在出口集装箱进行堆放时，联合调度平台获取堆场信息、场桥信息、集装箱信息和出口船舶信息，并根据堆场信息、场桥信息、集装箱信息和进口船舶信息采用出口箱堆存模型计算获得第二堆放指令信息，将第二堆放指令信息发送给场桥设备，以使场桥设备对出口集装箱进行堆放。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进口船舶信息包括船舶编号、船舶的长度和宽度、吃水线、预计到港和离港时间、实际到港和离港时间、开始作业和结束作业时间、船舶积载图、待装箱量、待卸箱量、装卸时间、安全距离、船舶偏好停靠位置、船舶实际停靠位置和限定最大最小岸桥数量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泊位信息包括泊位布局形式、岸线总长度、泊位编号、泊位装卸效率、船只时间调度表、泊位前沿设计水深、泊位靠泊能力和泊位长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集卡设备信息包括集卡停靠位置、集卡编号、集卡开始作业时间、集卡结束作业时间、集卡装箱和卸箱时间和集卡平均速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岸桥设备信息包括岸桥数量、岸桥作业类型、岸桥编号、装卸效率、移动速度、岸桥间安全距离、岸桥最早可利用时间、岸桥抓箱和放箱时间、岸桥开始作业时间和岸桥结束作业时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集装箱信息包括集装箱数量、集装箱尺寸、集装箱重量、集装箱类型、集装箱目的地、集装箱优先级、集装箱存放位置信息、岸桥抓箱和放箱时间、集卡装箱和卸箱时间、场桥抓箱和卸箱时间和集装箱出闸时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堆场信息包括堆场类型、堆场位置、贝位、栈、层、堆位数量、堆位容量和箱区间距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述场桥信息包括场桥编号、场桥作业类型、场桥作业效率、场桥开始作业时间、场桥结束作业时间和场桥装箱和卸箱时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述出口船舶信息包括船舶停靠泊位、船舶积截图、待装箱量、待卸箱量和安全距离。