基于“作業(yè)面”的鐵路集裝箱中心站集卡路徑優(yōu)化研究

丁海濤 朱曉寧

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 北京 100044）

0 引 言

在鐵路集裝箱中心站的現(xiàn)場作業(yè)中，水平搬運(yùn)設(shè)備集卡的作業(yè)是集裝箱中心站物流作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分.為空閑集卡選取最優(yōu)走行路徑，提高集卡的作業(yè)效率，對集裝箱中心站物流系統(tǒng)作業(yè)效率的提高有著至關(guān)重要的意義.

關(guān)于集卡調(diào)度問題的研究主要分為3 個方面：（1）在集卡的調(diào)度任務(wù)確定的前提下，通過尋求集卡在站內(nèi)的最短走行路徑來提高集卡的作業(yè)效率，楊靜蕾以集卡行走里程最短為目標(biāo)，建立了集卡路徑優(yōu)化模型，求解集卡最優(yōu)走行路徑［1］；（2）在集裝箱數(shù)量以及作業(yè)機(jī)械分配一定的前提下，通過尋求集卡總的作業(yè)時間（集卡等待時間以及水平運(yùn)輸時間）最短來優(yōu)化集卡調(diào)度方法，提高其工作效率，張海青運(yùn)用了規(guī)劃的方法求解出了基于最小等待時間的集卡調(diào)度方法［2］；（3）考慮集卡運(yùn)輸?shù)膭討B(tài)過程，分析其運(yùn)行過程中路徑?jīng)_突等的復(fù)雜性，借助于仿真軟件對集卡調(diào)度進(jìn)行模擬仿真，最終提出集卡的調(diào)度優(yōu)化方法，李東、汪定偉以集裝箱堆場道路資源為研究對象，研究怎樣改善集卡對堆場道路的利用，兼顧行駛路線較短并減少道路阻塞2方面因素，達(dá)到提高堆場工作效率的目標(biāo)［3－4］.

在已有的集卡路徑選擇優(yōu)化方法中，大部分僅以單一因素作為目標(biāo)函數(shù)，忽略了集卡作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和影響因素的多樣性.本研究與實(shí)際作業(yè)環(huán)境相結(jié)合，全面充分地考慮了現(xiàn)場作業(yè)中影響集卡最優(yōu)走行路徑選擇的5 個影響因素，此優(yōu)化方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性.

1 集卡調(diào)度方法

基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡調(diào)度方法是指動態(tài)地將裝貨、卸貨、轉(zhuǎn)堆一系列需要集卡的運(yùn)輸過程進(jìn)行綜合調(diào)度，集卡在任意時刻根據(jù)實(shí)際需要在多項(xiàng)任務(wù)中共同使用，為裝卸線軌道吊、正面吊以及堆場內(nèi)的輪胎式龍門吊或者叉車共享，隨時投入到其他作業(yè)路線中.其具體調(diào)度方法見圖1.

圖1 基于“作業(yè)面”的集卡調(diào)度方法

2 模型的建立

2.1 問題描述

某集裝箱中心站有m 條裝卸線，有n 臺軌道吊在裝卸線上作業(yè)，有k 臺龍門吊在堆場內(nèi)服務(wù)（每個堆垛有1臺龍門吊服務(wù)），有N 輛集卡為整個集裝箱中心站作業(yè)系統(tǒng)服務(wù).具體見圖2，圖中L1，L2，…，Lm表示裝卸線；P1，P2，…，Pn表示裝卸線上作業(yè)的軌道吊；T1，T2，…，Tk表示堆場內(nèi)的龍門吊.

圖2 某集裝箱中心站示意圖

基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡調(diào)度系統(tǒng)中集卡為多項(xiàng)任務(wù)所共享使用，其核心問題為空閑集卡選擇最優(yōu)走行路徑確定所執(zhí)行任務(wù).例如在圖2中，N 輛集卡中的某集卡T 在P2處完成卸箱任務(wù)后處于空閑狀態(tài)，此時所有待完成的任務(wù)均可選擇集卡T 進(jìn)行作業(yè).此時裝卸線前沿有4臺軌道吊P1，P2，P3，P4正在進(jìn)行裝車作業(yè)，需要集卡從堆場內(nèi)的T1，T2，T3，T4處4個堆垛運(yùn)輸集裝箱到裝卸線進(jìn)行裝車，由于堆場內(nèi)的貨物需要根據(jù)裝車計劃運(yùn)送到一定的裝卸線軌道吊下（例如T2的集裝箱僅能在P2裝車），此時就有了4條走行路線可供集卡T 選擇.集卡T 從P2到T1，T2，T3，T4處再到P1，P2，P3，P44條不同的走行路徑，就要在考慮現(xiàn)場各種復(fù)雜的影響因素的前提下為集卡T 選擇最優(yōu)走行路徑，即為集卡T 確定合適的任務(wù).

2.2 影響集卡走行路徑選擇的因素分析

作業(yè)道路的通行情況是決定集卡最優(yōu)走行路徑的重要因素.集卡在在作業(yè)時選擇暢通、無阻塞的路徑，可以縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率.

裝卸線下集卡等待軌道吊排隊情況，以及堆場內(nèi)集卡等待龍門吊排隊情況，是影響集卡作業(yè)效率的另外2個重要因素.集卡在選擇任務(wù)時偏向于集卡排隊較短，所需等待時間較短的任務(wù)，從而縮短集卡作業(yè)時間，提高集卡作業(yè)效率.

堆場內(nèi)龍門吊作業(yè)效率也是影響集卡水平作業(yè)的重要因素.堆場內(nèi)部集裝箱的轉(zhuǎn)堆、裝卸是堆場作業(yè)的重要環(huán)節(jié).集卡在堆場內(nèi)的作業(yè)和堆場內(nèi)龍門吊的作業(yè)一一對應(yīng)，因此可以將堆場內(nèi)龍門吊的作業(yè)效率作為堆場內(nèi)的作業(yè)效率，作為影響集卡作業(yè)效率的重要因子.

空閑集卡距目的地的距離也是影響空閑集卡選擇待接任務(wù)的重要因素，即是影響空閑集卡最優(yōu)路徑選擇的重要因素.

影響集裝箱中心站內(nèi)空閑集卡最優(yōu)路徑選擇的主要因素可以歸納為5個：作業(yè)道路通行情況、裝卸線下集卡等待軌道吊排隊情況、堆場內(nèi)集卡等到龍門吊排隊情況、堆場內(nèi)龍門吊作業(yè)效率以及空閑集卡距目的地的距離.在考慮以上5個因素的基礎(chǔ)上，為集卡在m 條走行路徑中確定一條最優(yōu)走行路徑，這是典型的多目標(biāo)決策問題.

2.3 問題建模

集卡作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，影響因素繁多.基于“作業(yè)面”的調(diào)度系統(tǒng)中集卡需要在諸多因素的影響下在多條備選路徑中選擇最優(yōu)的走行路徑，符合模糊決策的思想，因此可以用模糊決策為空閑集卡選擇最優(yōu)走行路徑.

為空閑集卡T 在m 條走行路徑中選取1條最優(yōu)走行路徑，即此多目標(biāo)決策問題的策略集為

影響集卡最優(yōu)走行路徑選擇的主要因素有5個，即此多目標(biāo)決策問題的目標(biāo)集合有5個元素，分別為：作業(yè)道路通行情況O1，裝卸線下集卡等待軌道吊排隊情況O2，堆場內(nèi)集卡等待龍門吊排隊情況O3，場內(nèi)龍門吊作業(yè)效率O4，空閑集卡距目的地的距離O5.

空閑集卡最優(yōu)路徑選擇的目標(biāo)集可以表示為

目標(biāo)集的權(quán)向量可以設(shè)為B，即

式中：bi為影響因子Oi對某條確定路徑aj的影響程度.

空閑集卡T 在諸多因素影響下的最優(yōu)走行路徑的選取即為在以上模型中求取最優(yōu)解，在目標(biāo)集O 的影響下在策略集合A 中選取最優(yōu)的策略即可.

3 最優(yōu)走行路徑問題求解

3.1 空閑集卡備選路徑目標(biāo)隸屬度確定規(guī)則

1）O1：作業(yè)道路通行情況 作業(yè)道路的暢通與否可根據(jù)集裝箱中心站內(nèi)的測速設(shè)備實(shí)時測量集卡的運(yùn)行速度，可根據(jù)測得速度的平均值作為道路通行情況的一個評判標(biāo)準(zhǔn).可假設(shè)集裝箱中心站內(nèi)作業(yè)路徑暢通時的平均走行速度為vmax（km／h），第i條待選擇走行路徑的實(shí)時集卡走行平均速度為vi（km／h）：其隸屬度函數(shù)為

2）O2：裝卸線下集卡等待軌道吊排隊情況對于某裝卸線下集卡等待軌道吊Pj排隊情況，可將裝卸線下軌道吊Pj服務(wù)集卡數(shù)量映射至［0，1］，來確定第j條作業(yè)路對目標(biāo)O2的隸屬度.可假設(shè)第j條走行路徑對應(yīng)裝卸線下軌道吊Pj下集卡排隊數(shù)量為tj輛，則其隸屬度函數(shù)為

3）O3：堆場內(nèi)集卡等待龍門吊排隊情況 對于第j條走行路徑對應(yīng)堆場內(nèi)集卡等待龍門吊排隊情況，可將龍門吊下可服務(wù)集卡數(shù)量映射至［0，1］，來確定第j條作業(yè)路對目標(biāo)O3的隸屬度.可假設(shè)第j條走行路徑對應(yīng)堆場內(nèi)集卡排隊數(shù)量為tj輛，則其隸屬度函數(shù)為

4）O4：堆場內(nèi)龍門吊作業(yè)效率 假設(shè)第j條走行路徑對應(yīng)堆場內(nèi)龍門吊小時作業(yè)自然箱數(shù)最大為k 自然箱／小時臺，而某時刻待為其（集卡）服務(wù)龍門吊的作業(yè)效率為xj自然箱／（h·臺），則其隸屬度函數(shù)為

5）O5：空閑集卡距目的地的距離 對于目標(biāo)O5空閑集卡距目的地的距離，可根據(jù)每條作業(yè)路的實(shí)際長度來進(jìn)行評判.可假設(shè)第i條工作路徑的長度為Li，所有工作路徑中最短的工作路徑為

則各條徑路的隸屬度函數(shù)為

3.2 基于模糊決策理論的集卡最優(yōu)走行路徑問題求解

根據(jù)2.3建立的模型：設(shè)Oi表示第i 個影響因素，uOi（aj）表示第j條路徑aj在第i 個影響因素Oj中的隸屬度.則決策函數(shù)D 應(yīng)是5個影響因子的交集

決策函數(shù)D 對第j 條路徑的隸屬程度為

最優(yōu)的走行路徑a＊是滿足下式的路徑

定義決定影響因子權(quán)重的集合B，本文中采用層次分析法（AHP）來確定影響因子權(quán)重的集合B.

當(dāng)考慮影響因素對路徑選擇重要性的加權(quán)值時，決策函數(shù)D 具有r 元組交的一般形式為

式中：M（Oi，bi）（1≤i≤5）為含有影響因子Oi和其權(quán)重bi的決策測度.可以證明對于特定路徑a的決策測度可用經(jīng)典蘊(yùn)涵算子替代，即

最優(yōu)走行路徑a＊應(yīng)是使D 最大的方案，若定義

于是

則以隸屬函數(shù)形式給出最優(yōu)走行路徑為

4 基于鐵路集裝箱中心站的實(shí)例

以鐵路集裝箱中心站［5］某一時刻的實(shí)際運(yùn)行情況為例，集裝箱中心站內(nèi)的設(shè)備配置見表1.

表1 中心站內(nèi)現(xiàn)有配置下的參數(shù)

正常作業(yè)中的某一時刻40輛集卡中的集卡3（40輛集卡按順序標(biāo)號）完成了當(dāng)前任務(wù)，處于空閑狀態(tài).有4項(xiàng)其他任務(wù)可以用集卡3來進(jìn)行作業(yè).即有4條作業(yè)路徑可供集卡3來選擇，集卡3結(jié)合實(shí)際情況選擇最優(yōu)作業(yè)路徑.此時中心站內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況見表2.

表2 某一時刻中心站實(shí)際運(yùn)行情況

4.1 確定策略集以及隸屬度函數(shù)

根據(jù)隸屬度確定規(guī)則，可以確定各目標(biāo)函數(shù)的隸屬度函數(shù)，見表3.

表3 目標(biāo)函數(shù)的隸屬度函數(shù)

以上5個影響因素對目標(biāo)集的隸屬函數(shù)見圖3.

圖3 目標(biāo)集隸屬函數(shù)圖

4.2 確定權(quán)重集合B

結(jié)合碼頭生產(chǎn)實(shí)際需要和調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)，對5個目標(biāo)兩兩進(jìn)行比較構(gòu)造判斷矩陣見表4.

表4 目標(biāo)集的判定矩陣

依照層次分析法可得權(quán)向量集合B

4.3 確定最優(yōu)形式路徑

最優(yōu)行駛路徑應(yīng)是使決策函數(shù)D最大的方案，根據(jù)模型求解中相關(guān)公式可知

同理可知

則最優(yōu)走行路徑為第一條作業(yè)路徑，即問題的最優(yōu)解為

根據(jù)上述計算，依照模糊決策的方法可以得出如下結(jié)論：在基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡調(diào)度中，某一時刻某情形下某一空閑集卡有4個備選任務(wù)，即有4條走行路徑可供選取.通過基于模糊決策理論的優(yōu)化計算后，可以知道該集卡將選擇第一條作業(yè)路徑進(jìn)行工作.

5 結(jié)束語

提出了基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡走行路徑的優(yōu)化方法并給出實(shí)例進(jìn)行了演示.文中首先介紹了基于“作業(yè)面”的集卡調(diào)度方法以及其在鐵路集裝箱中心站中的應(yīng)用，然后運(yùn)用模糊決策理論解決了此調(diào)度方法的核心問題，空閑集卡最優(yōu)走行路徑的確定，從而為空閑集卡選擇合適的待接任務(wù).該方法較全面、科學(xué)地解決了基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡最優(yōu)走行路徑的選擇問題，使基于“作業(yè)面”的集裝箱中心站集卡調(diào)度系統(tǒng)具有更強(qiáng)的客觀性，準(zhǔn)確性和實(shí)用性.

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