基于“作業面”的鐵路集裝箱中心站集卡路徑優化研究

丁海濤 朱曉寧

（北京交通大學交通運輸學院 北京 100044）

0 引 言

在鐵路集裝箱中心站的現場作業中，水平搬運設備集卡的作業是集裝箱中心站物流作業系統的重要組成部分.為空閑集卡選取最優走行路徑，提高集卡的作業效率，對集裝箱中心站物流系統作業效率的提高有著至關重要的意義.

關于集卡調度問題的研究主要分為3 個方面：（1）在集卡的調度任務確定的前提下，通過尋求集卡在站內的最短走行路徑來提高集卡的作業效率，楊靜蕾以集卡行走里程最短為目標，建立了集卡路徑優化模型，求解集卡最優走行路徑［1］；（2）在集裝箱數量以及作業機械分配一定的前提下，通過尋求集卡總的作業時間（集卡等待時間以及水平運輸時間）最短來優化集卡調度方法，提高其工作效率，張海青運用了規劃的方法求解出了基于最小等待時間的集卡調度方法［2］；（3）考慮集卡運輸的動態過程，分析其運行過程中路徑沖突等的復雜性，借助于仿真軟件對集卡調度進行模擬仿真，最終提出集卡的調度優化方法，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，達到提高堆場工作效率的目標［3－4］.

在已有的集卡路徑選擇優化方法中，大部分僅以單一因素作為目標函數，忽略了集卡作業現場環境的復雜性和影響因素的多樣性.本研究與實際作業環境相結合，全面充分地考慮了現場作業中影響集卡最優走行路徑選擇的5 個影響因素，此優化方法具有較強的實用性.

1 集卡調度方法

基于“作業面”的集裝箱中心站集卡調度方法是指動態地將裝貨、卸貨、轉堆一系列需要集卡的運輸過程進行綜合調度，集卡在任意時刻根據實際需要在多項任務中共同使用，為裝卸線軌道吊、正面吊以及堆場內的輪胎式龍門吊或者叉車共享，隨時投入到其他作業路線中.其具體調度方法見圖1.

圖1 基于“作業面”的集卡調度方法

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，有k 臺龍門吊在堆場內服務（每個堆垛有1臺龍門吊服務），有N 輛集卡為整個集裝箱中心站作業系統服務.具體見圖2，圖中L1，L2，…，Lm表示裝卸線；P1，P2，…，Pn表示裝卸線上作業的軌道吊；T1，T2，…，Tk表示堆場內的龍門吊.

圖2 某集裝箱中心站示意圖

基于“作業面”的集裝箱中心站集卡調度系統中集卡為多項任務所共享使用，其核心問題為空閑集卡選擇最優走行路徑確定所執行任務.例如在圖2中，N 輛集卡中的某集卡T 在P2處完成卸箱任務后處于空閑狀態，此時所有待完成的任務均可選擇集卡T 進行作業.此時裝卸線前沿有4臺軌道吊P1，P2，P3，P4正在進行裝車作業，需要集卡從堆場內的T1，T2，T3，T4處4個堆垛運輸集裝箱到裝卸線進行裝車，由于堆場內的貨物需要根據裝車計劃運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，就要在考慮現場各種復雜的影響因素的前提下為集卡T 選擇最優走行路徑，即為集卡T 確定合適的任務.

2.2 影響集卡走行路徑選擇的因素分析

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

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

堆場內龍門吊作業效率也是影響集卡水平作業的重要因素.堆場內部集裝箱的轉堆、裝卸是堆場作業的重要環節.集卡在堆場內的作業和堆場內龍門吊的作業一一對應，因此可以將堆場內龍門吊的作業效率作為堆場內的作業效率，作為影響集卡作業效率的重要因子.

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的重要因素，即是影響空閑集卡最優路徑選擇的重要因素.

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

2.3 問題建模

集卡作業現場環境復雜，影響因素繁多.基于“作業面”的調度系統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走行路徑.

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

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

空閑集卡最優路徑選擇的目標集可以表示為

目標集的權向量可以設為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走行路徑的選取即為在以上模型中求取最優解，在目標集O 的影響下在策略集合A 中選取最優的策略即可.

3 最優走行路徑問題求解

3.1 空閑集卡備選路徑目標隸屬度確定規則

1）O1：作業道路通行情況 作業道路的暢通與否可根據集裝箱中心站內的測速設備實時測量集卡的運行速度，可根據測得速度的平均值作為道路通行情況的一個評判標準.可假設集裝箱中心站內作業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時集卡走行平均速度為vi（km／h）：其隸屬度函數為

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服務集卡數量映射至［0，1］，來確定第j條作業路對目標O2的隸屬度.可假設第j條走行路徑對應裝卸線下軌道吊Pj下集卡排隊數量為tj輛，則其隸屬度函數為

3）O3：堆場內集卡等待龍門吊排隊情況 對于第j條走行路徑對應堆場內集卡等待龍門吊排隊情況，可將龍門吊下可服務集卡數量映射至［0，1］，來確定第j條作業路對目標O3的隸屬度.可假設第j條走行路徑對應堆場內集卡排隊數量為tj輛，則其隸屬度函數為

4）O4：堆場內龍門吊作業效率 假設第j條走行路徑對應堆場內龍門吊小時作業自然箱數最大為k 自然箱／小時臺，而某時刻待為其（集卡）服務龍門吊的作業效率為xj自然箱／（h·臺），則其隸屬度函數為

5）O5：空閑集卡距目的地的距離 對于目標O5空閑集卡距目的地的距離，可根據每條作業路的實際長度來進行評判.可假設第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為

3.2 基于模糊決策理論的集卡最優走行路徑問題求解

根據2.3建立的模型：設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D 應是5個影響因子的交集

決策函數D 對第j 條路徑的隸屬程度為

最優的走行路徑a＊是滿足下式的路徑

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

當考慮影響因素對路徑選擇重要性的加權值時，決策函數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的決策測度可用經典蘊涵算子替代，即

最優走行路徑a＊應是使D 最大的方案，若定義

于是

則以隸屬函數形式給出最優走行路徑為

4 基于鐵路集裝箱中心站的實例

以鐵路集裝箱中心站［5］某一時刻的實際運行情況為例，集裝箱中心站內的設備配置見表1.

表1 中心站內現有配置下的參數

正常作業中的某一時刻40輛集卡中的集卡3（40輛集卡按順序標號）完成了當前任務，處于空閑狀態.有4項其他任務可以用集卡3來進行作業.即有4條作業路徑可供集卡3來選擇，集卡3結合實際情況選擇最優作業路徑.此時中心站內的實際運行情況見表2.

表2 某一時刻中心站實際運行情況

4.1 確定策略集以及隸屬度函數

根據隸屬度確定規則，可以確定各目標函數的隸屬度函數，見表3.

表3 目標函數的隸屬度函數

以上5個影響因素對目標集的隸屬函數見圖3.

圖3 目標集隸屬函數圖

4.2 確定權重集合B

結合碼頭生產實際需要和調度人員的經驗，對5個目標兩兩進行比較構造判斷矩陣見表4.

表4 目標集的判定矩陣

依照層次分析法可得權向量集合B

4.3 確定最優形式路徑

最優行駛路徑應是使決策函數D最大的方案，根據模型求解中相關公式可知

同理可知

則最優走行路徑為第一條作業路徑，即問題的最優解為

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

5 結束語

提出了基于“作業面”的集裝箱中心站集卡走行路徑的優化方法并給出實例進行了演示.文中首先介紹了基于“作業面”的集卡調度方法以及其在鐵路集裝箱中心站中的應用，然后運用模糊決策理論解決了此調度方法的核心問題，空閑集卡最優走行路徑的確定，從而為空閑集卡選擇合適的待接任務.該方法較全面、科學地解決了基于“作業面”的集裝箱中心站集卡最優走行路徑的選擇問題，使基于“作業面”的集裝箱中心站集卡調度系統具有更強的客觀性，準確性和實用性.

［1］楊靜蕾.集裝箱碼頭物流路徑優化研究［J］.水運工程，2006（1）：32－35.

［2］張海青，李 軍，蘭順國.集裝箱卡車調度方法研究［J］.物流科技，2008（3）：122－125.

［3］李 東，汪定偉，劉黎黎.考慮阻塞的集裝箱堆場集卡路徑控制策略［J］.控制理論與運用，2009，26（10）：1064－1068.

［4］李 東，汪定偉.基于仿真的鐵路集裝箱策略優化［J］.系統仿真學報，2009（11）：89－92.

［5］梁 劍.鐵路集裝箱物流中心站資源配置決策研究［D］.成都：西南交通大學，2010.