基于SP-AS/RS與ASC的自動(dòng)化碼頭協(xié)同調(diào)度研究

通訊作者： 周可可，1987年8月，男，漢族，上海松江人，現(xiàn)任科大智能機(jī)器人技術(shù)有限公司技術(shù)主管，中級(jí)機(jī)械工程師，碩士。研究方向：移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用。

摘要：在船舶大型化、集裝箱碼頭規(guī)模不斷擴(kuò)張的背景下，提高集裝箱的周轉(zhuǎn)效率，降低船舶的停泊時(shí)間等已成為自動(dòng)化碼頭關(guān)注的主要問(wèn)題，研究高效率的裝卸作業(yè)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度是提高碼頭整體運(yùn)作效率的重要途徑。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化碼頭;作業(yè)時(shí)間窗;遺傳算法;協(xié)同調(diào)度

一、引言

海上運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展對(duì)集裝箱碼頭作業(yè)提出了更高的要求，在提高裝卸效率的同時(shí)兼顧降本節(jié)能的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)碼頭綠色可持續(xù)發(fā)展。自動(dòng)導(dǎo)引車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）作為碼頭無(wú)人駕駛的水平搬運(yùn)設(shè)備，沿既定路徑水平運(yùn)輸集裝箱，在碼頭降本增效方面収揮重要作用。雙小車岸橋是集裝箱碼頭的主要設(shè)備，由門架小車、中轉(zhuǎn)平臺(tái)和主小車組成。雙小車岸橋和AGV相互配合可以減少作業(yè)等待時(shí)長(zhǎng)，提高效率[1]。

二、問(wèn)題描述與建模

（一）問(wèn)題描述

集裝箱碼頭作業(yè)過(guò)程中各設(shè)備相互配合，共同完成既定的裝卸任務(wù)：雙小車岸橋和場(chǎng)橋負(fù)責(zé)集裝箱垂直運(yùn)輸，AGV負(fù)責(zé)集裝箱水平搬運(yùn)[2]。隨著任務(wù)數(shù)量增多，各設(shè)備之間可能會(huì)出現(xiàn)因銜接不當(dāng)而導(dǎo)致等待的現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)。當(dāng)運(yùn)行AGV數(shù)量增大時(shí)，還可能發(fā)生運(yùn)行路徑?jīng)_突，甚至造成碼頭運(yùn)行系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響碼頭運(yùn)作效率。AGV水平作業(yè)區(qū)域碼頭各路徑節(jié)點(diǎn)（AGV改變行駛方向或改變作業(yè)狀態(tài)的點(diǎn)）位置布局，其中，表示具有多個(gè)方向的路徑節(jié)點(diǎn)、表示場(chǎng)橋節(jié)點(diǎn)、表示岸橋節(jié)點(diǎn)、表示單一方向路徑節(jié)點(diǎn)[3]。

集裝箱碼頭作業(yè)流程可分為卸船過(guò)程和裝船過(guò)程：卸船作業(yè)是雙小車岸橋主小車將集裝箱從船上任務(wù)貝位運(yùn)送到岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)，再由岸橋門架小車將集裝箱從中轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)送到AGV上并由其運(yùn)送到對(duì)應(yīng)緩沖支架上，最后由場(chǎng)橋運(yùn)送至堆場(chǎng)相應(yīng)位置堆放，裝船過(guò)程則與之相反。

（二）符號(hào)說(shuō)明

I為所有任務(wù)的集合，I={1，2，…，N};集合I+={1，2，…，N，N+1，N+2}，其中N+1和N+2分別為虛擬開(kāi)始任務(wù)和虛擬結(jié)束任務(wù);K為AGV集合，K={1，2，…，|K|}，k∈K;C為充電任務(wù)集合（未知），C={N+3，N+4，…};M是一個(gè)足夠大的數(shù);Lij為從任務(wù)i的交付點(diǎn)到任務(wù)j的裝載點(diǎn)之間的距離;Li為從任務(wù)i的裝載點(diǎn)到任務(wù)i的交付點(diǎn)之間的距離;Tij為AGV從任務(wù)i的交付點(diǎn)到任務(wù)j的裝載點(diǎn)的時(shí)間;Ti為AGV從任務(wù)i的裝載點(diǎn)到任務(wù)i的交付點(diǎn)的時(shí)間;tik為AGVk針對(duì)任務(wù)i的裝卸作業(yè)時(shí)間;b為充電時(shí)間參數(shù)，為充電時(shí)間與充電電量的比值;a為[0，1）之間的常數(shù)，表示AGV最低剩余電量占電池充滿電時(shí)電量的比值;G為AGV續(xù)航能力;xijk為01變量，若AGVk完成任務(wù)i后緊接著去執(zhí)行任務(wù)j則取1，否則取0;yik為01變量，若AGVk執(zhí)行任務(wù)i則取1，否則取0;qik為AGVk到達(dá)任務(wù)i的裝載點(diǎn)時(shí)的剩余電量;Qi為充電任務(wù)i的目標(biāo)電量;Q為電池充滿電時(shí)的電量;f為完成最后一個(gè)任務(wù)的時(shí)刻;Zi為任務(wù)i的開(kāi)始時(shí)刻;dik為AGVk完成任務(wù)i的累計(jì)行駛路程;Rk為AGVk的實(shí)際行駛路程;Sk為AGVk的理論可行駛路程;r為AGV的充電利用率。

（三）解碼

先將N個(gè)任務(wù)分配給|K|輛AGV，然后按照每輛AGV獲得的任務(wù)進(jìn)行解碼。各AGV在被分配任務(wù)后，對(duì)任務(wù)按任務(wù)編號(hào)由小到大排序，接著根據(jù)任務(wù)順序進(jìn)行作業(yè)，這樣既滿足了任務(wù)的分配，也考慮了任務(wù)本身的順序。染色體的解碼過(guò)程如圖3所示，其中：m表示任務(wù)N-4之前的任務(wù)編號(hào)。每輛AGV的任務(wù)及其順序確定后，結(jié)合模型得到其執(zhí)行完任務(wù)后的累計(jì)行駛路程以及執(zhí)行每個(gè)任務(wù)的開(kāi)始時(shí)刻，根據(jù)式（7）和（8），得到所有任務(wù)完成時(shí)間。

（四）模型假設(shè)

對(duì)于自動(dòng)化碼頭的集裝箱任務(wù)量通常是已知的，并且根據(jù)集裝箱的堆存位置可以得到SP-AS/RS設(shè)備中相應(yīng)VP與HP的運(yùn)行時(shí)間以及ASC的選擇與路程確定，綜上對(duì)進(jìn)行的研究進(jìn)行假設(shè)：1）每個(gè)任務(wù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)已知，并且每個(gè)SP-AS/RS機(jī)架的緩存區(qū)存放集裝箱最大容量為2。2）每個(gè)裝載任務(wù)中目標(biāo)存儲(chǔ)單元存在集裝箱;每個(gè)卸載任務(wù)中目標(biāo)存儲(chǔ)單元為空。3）對(duì)于QC，ASC，HP與VP，空載或負(fù)載時(shí)運(yùn)輸時(shí)間不變。4）不考慮ASC之間的擁堵問(wèn)題。5）所有設(shè)備在完成每個(gè)任務(wù)后都遵循停在原位的停留策略，即不再回到任務(wù)的起點(diǎn)位置，任務(wù)結(jié)束即在原位停止，等待下一任務(wù)。6）每?jī)膳_(tái)機(jī)架間的各個(gè)HP在進(jìn)行裝卸集裝箱時(shí)互不影響。

（五）關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

1.傳統(tǒng)工藝采用軌道槽式鋼板定位螺栓錨固系統(tǒng)，新型工藝采用壓板扣件系統(tǒng)支撐，壓板扣件系統(tǒng)外形及結(jié)構(gòu)合理可靠，不與設(shè)備導(dǎo)向輪發(fā)生干涉，針對(duì)設(shè)備重載高速運(yùn)行的特點(diǎn)，具備緩沖吸能能力，減小設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)與沖擊，使高速重載起重機(jī)軌道具有抵抗垂直、水平力的能力。

2.創(chuàng)新軌道安裝工藝，采用了60cm間距的軌下壓板扣件作為整條軌道的支撐灌注膠泥前一步的軌道調(diào)整以及固定成為安裝重點(diǎn)。自主研發(fā)的龍門架經(jīng)過(guò)三次革新，具備了重量輕、操作簡(jiǎn)便、功能齊全的功效，為自動(dòng)化碼頭新型軌道的安裝提供了便利的工具，有力地保證了新型軌道工藝的安裝精度。

3.新型環(huán)氧基膠泥的使用，跟傳統(tǒng)的水泥基膠泥相比具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐耐候性好、強(qiáng)度高和粘結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)。

4.新型鋁熱焊接工藝。鋼軌鋁熱焊是目前世界各國(guó)普遍采用的無(wú)縫線路聯(lián)合接頭焊接方法，鋁熱焊法是以設(shè)備簡(jiǎn)單、不需電源、操作簡(jiǎn)便著稱。實(shí)踐證明，對(duì)于鋼軌這種具有端面較為復(fù)雜、含碳量高的特點(diǎn)，使用鋁熱焊可使接頭平順性好。

三、基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)高覆蓋率資源優(yōu)化調(diào)度

在AVG通信環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息資源優(yōu)化調(diào)度，首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源使用虛擬化技術(shù)，即使網(wǎng)絡(luò)資源處于獨(dú)立的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上將資源計(jì)算任務(wù)分配給一種最優(yōu)調(diào)度機(jī)制的節(jié)點(diǎn)上[4-5]?？紤]到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、帶寬使用率和網(wǎng)絡(luò)帶寬等因素，在網(wǎng)絡(luò)信息優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建過(guò)程中，融入測(cè)評(píng)模型，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)情況來(lái)預(yù)測(cè)任務(wù)執(zhí)行的速度，其過(guò)程如下：在AVG通信環(huán)境中服務(wù)器運(yùn)行所有虛擬機(jī)的計(jì)算能力是通過(guò)多個(gè)角度來(lái)計(jì)算的，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)約束條件，分別為網(wǎng)絡(luò)CPU中網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)的內(nèi)存和硬盤測(cè)評(píng)價(jià)值權(quán)重，pb代表網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)評(píng)值權(quán)重。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文根據(jù)ASC自主裝卸集裝箱與SP-AS/RS減少翻箱率與增加存儲(chǔ)容量的特點(diǎn)，考慮ASC與SP-AS/RS在同裝同卸的時(shí)間窗為約束，建立以ASC與SP-AS/RS的最小工作時(shí)間、QC最小延時(shí)等待時(shí)間為目標(biāo)的MIP模型。改進(jìn)IGA對(duì)模型進(jìn)行求解，并采用搜索算法與SAA在集裝箱任務(wù)量為8～12的情況下與IGA求得的解的質(zhì)量與求解速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明IGA在合理時(shí)間的內(nèi)得到了較好的運(yùn)算結(jié)果，相對(duì)于SAA提升了41.9%;在不同的規(guī)模下比較了ASC+SP-AS/RS、AGV+SP-AS/RS的組合兩種裝卸流程下解的質(zhì)量，當(dāng)任務(wù)量在10至20之間時(shí)，AGV+SP-AS/RS的組合裝卸效率相對(duì)于ASC+SP-AS/RS的裝卸效率平均提升了1.29%。

五、結(jié)束語(yǔ)

為了提升資源調(diào)度效果，解決傳統(tǒng)方法存在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率資源不完善和資源調(diào)度效率慢的不足，本文提出了一種基于AGV通信的網(wǎng)絡(luò)高覆蓋率資源優(yōu)化調(diào)度方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：本文方法下網(wǎng)絡(luò)資源擁塞率最高僅為16%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法，低擁塞率有助于提高資源調(diào)度的效率，進(jìn)而說(shuō)明本文方法具有較高的調(diào)度效率;運(yùn)用本文方法調(diào)度后的網(wǎng)絡(luò)資源較為完整，分組投遞能力也較為優(yōu)秀，魯棒性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)資源吞吐率較高，充分驗(yàn)證了該方法的有效性。

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