干散貨碼頭最優(yōu)流程組合智能推薦算法

吳俊美 王細遠

中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

1 引言

交通和能源是國家經(jīng)濟高速發(fā)展的基礎(chǔ)。我國作為全球最大的干散貨進出口國家，干散貨碼頭是我國水路運輸?shù)闹匾M成節(jié)點，抓好港口行業(yè)的節(jié)能降耗工作是我國交通行業(yè)節(jié)能工作的重點之一[1]。目前，我國集裝箱碼頭的智能化已經(jīng)有了一定的發(fā)展，干散貨碼頭的智能化發(fā)展由于起步較晚，相關(guān)技術(shù)水平還比較落后，與國際先進水平相比存在能耗高、效率低、環(huán)保性差等缺點，因此，有必要加強干散貨碼頭智能化的建設(shè)和研究[2]。根據(jù)我國港口運輸行業(yè)的整體發(fā)展方向，為了實現(xiàn)最高運輸效率、最低能源消耗的目標，研究面向高效運營的干散貨碼頭最優(yōu)流程組合智能推薦算法的問題具有重要意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)從多個方面對集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)、計劃調(diào)度和建模優(yōu)化進行了相關(guān)的探討[3-4]。開放式散貨碼頭采用露天堆場的形式，靈活度高，管理更為復(fù)雜[5-6]。網(wǎng)絡(luò)流理論目前在交通物流領(lǐng)域的最短路徑和最大流量問題中已經(jīng)有了大量成功的應(yīng)用案例[7-9]，但還沒有結(jié)合干散貨碼頭特點，將網(wǎng)絡(luò)流理論應(yīng)用于碼頭最優(yōu)流程組合推薦算法的研究。

本文基于湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地一期工程，結(jié)合實際大型干散貨碼頭的特點，通過收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，研究能夠適應(yīng)多種流程組合的港口自動化作業(yè)最優(yōu)流程組合智能推薦算法，以提高大型干散貨碼頭的作業(yè)效率和節(jié)能降耗程度，為干散貨碼頭的智能化發(fā)展提供參考。

2 問題概述

湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地一期工程的堆場流程分布情況見圖1，圖中的箭頭方向表示皮帶機的運行方向，皮帶機的編號在對應(yīng)皮帶機的上方或右邊。該堆場不僅連接了鐵路運輸、水路運輸和電廠皮帶系統(tǒng)，還通過沿江道路連接了城市交通網(wǎng)絡(luò)和高速公路網(wǎng)絡(luò)。該工程由50條皮帶(不包含電廠皮帶和裝船皮帶)組成了212條流程。

圖1 干散貨碼頭流程分布圖

目前大型干散貨碼頭控制系統(tǒng)的流程選擇，還停留在先統(tǒng)計羅列出可選皮帶機及流程，然后讓技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗進行流程選擇的階段，流程選擇會耗費較多的時間，而且選擇不合適的流程組合也會產(chǎn)生更多的電能消耗。隨著荊州煤炭項目的進行和運輸?shù)男枰摯a頭的規(guī)模還會進一步擴大，通過綜合考慮皮帶機參數(shù)信息、碼頭流程信息及作業(yè)任務(wù)，然后由人工采用枚舉法完成流程組合的選擇，這將是一個比較繁瑣且耗時的過程。

為了適應(yīng)港口智能化的發(fā)展，在保證完成作業(yè)任務(wù)的前提下，盡可能實現(xiàn)節(jié)能降耗，作業(yè)效率最高的目標。最優(yōu)流程組合需要滿足以下2個條件：①單位時間輸送量最大(效率最高)；②完成作業(yè)任務(wù)的能耗最小。

3 研究方法

在過去的幾十年中，計算機科學(xué)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，同時也大大促進了圖論的研究和應(yīng)用，圖論的理論和方法已經(jīng)滲透到化學(xué)、物理、建筑學(xué)、運籌學(xué)等多個學(xué)科中。圖論與網(wǎng)絡(luò)是運籌學(xué)中的一個重要分支，其研究的問題涉及計算機科學(xué)、工業(yè)工程、交通運輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等諸多領(lǐng)域[10]。其中網(wǎng)絡(luò)流理論在交通物流領(lǐng)域的最短路徑和最大流量問題中的成功應(yīng)用，為本文的研究內(nèi)容提供了良好的思路。

論文的研究思路為：首先，借鑒圖論的原理將碼頭輸送系統(tǒng)網(wǎng)格化，以描述碼頭轉(zhuǎn)運站和皮帶機之間的連通關(guān)系；其次，分析湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地輸送系統(tǒng)的特點，確定適應(yīng)本碼頭的附加約束條件；再次，考慮實際皮帶機輸送系統(tǒng)特點，建立最大流速模型從而得到瞬時輸送流速最大的流程組合目標集；最后，基于圖論中的網(wǎng)絡(luò)流理論，以最小能耗為優(yōu)化目標，結(jié)合皮帶機約束條件、流程約束條件及其他附加約束條件，建立最大流速條件下的最小能耗模型，從而求解得到不同作業(yè)任務(wù)下的最優(yōu)流程組合方案。

3.1 碼頭輸送系統(tǒng)圖模型的構(gòu)建

碼頭輸送系統(tǒng)圖模型指利用圖論的原理及概念，將碼頭輸送系統(tǒng)的連通狀況利用點和邊的連接關(guān)系表示出來。與傳統(tǒng)的圖模型不同，本模型除了要考慮碼頭輸送系統(tǒng)的自然結(jié)構(gòu)連通性，還需考慮皮帶機故障及流程占用情況，為此，對鄰接矩陣中元素的取值進行了改進。

碼頭輸送系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化。將皮帶機的交點和邊界點用點集V表示，皮帶機用邊集E表示，邊的方向表示皮帶機運行方向，得到碼頭輸送系統(tǒng)圖模型G=(V,E)，如圖2所示。點集V={vk},k=1,…,n1(n1為節(jié)點總數(shù))，其中v25,v26,v27為發(fā)點vs，v21,v22,v23,v24,v28,v29,v30為收點vt；邊集E={ek},k=1,…,n2(n2為邊總數(shù))，每個邊ek都可以用vij(i,j∈V)表示，代表皮帶機運行方向為從i到j(luò)；每條邊的單位時間輸送流量用F={fij}表示。圖模型可以用鄰接矩陣A={aij}表示，在本文中aij=1表示vi到vj的邊可選，aij=0表示vi到vj的邊不可選。加權(quán)鄰接矩陣G={gij}，其中g(shù)ij表示vi到vj的皮帶機功率，從理論上講gij的值是隨fij變化的量，但由于在計算最優(yōu)流程組合時皮帶機都接近滿負荷運行，故假設(shè)皮帶機均以額定功率運行，即gij取對應(yīng)皮帶機的額定功率。綜上，A反映了碼頭輸送系統(tǒng)皮帶機運行方向，G反映了碼頭輸送系統(tǒng)電能消耗情況。

圖2 碼頭輸送系統(tǒng)圖模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

分析附加約束條件。由于皮帶機BDQ1和BDQ2屬于雙向皮帶機，用2條邊來表征其雙向性，但任一個皮帶機都不可能同時雙向運行，則對于BDQ1和BDQ2所對應(yīng)的邊，有：

(1)

3.2 最優(yōu)流程組合智能推薦算法

3.2.1 最大流速問題模型

(2)

式中，Em為流程m的邊集。

(3)

(4)

根據(jù)實際碼頭堆場輸送系統(tǒng)的特點，可知限制輸送網(wǎng)絡(luò)流速的因素主要是連接發(fā)點或收點的皮帶機的承載能力，所以根據(jù)流速最大的目標會得到多個流程組合。通過比較不同流程組合的最大流速，可以得到滿足最大流速的多種流程組合，即最大流速模型的目標集。另外用Q表示作業(yè)任務(wù)的煤炭輸送總量，VT表示目標集中的邊集，則用公式(5)可以計算完成作業(yè)任務(wù)所需的時間tM。

(5)

3.2.2 基于網(wǎng)絡(luò)流理論的最小能耗問題模型

(6)

圖3 模型計算流程圖

4 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 實驗設(shè)計

依托湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地一期工程，實驗數(shù)據(jù)來源于該碼頭原始數(shù)據(jù)。根據(jù)實際作業(yè)需求，設(shè)計4種常見的儲配基地作業(yè)任務(wù)(見表1)，分別利用所建模型進行求解得到最優(yōu)流程組合。另外，還邀請了5位有經(jīng)驗的技術(shù)員分別對4種作業(yè)任務(wù)進行流程組合的選擇，以對比本文算法與人工選擇結(jié)果的差異。

表1 作業(yè)任務(wù)

4.2 實驗結(jié)果分析

基于湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地一期工程項目實際數(shù)據(jù)，選擇皮帶機最大輸送流速、額定功率流程信息及皮帶機占用信息作為輸入，按照圖3所示的計算流程在Matlab2018b上編寫程序，求解得到4種任務(wù)的推薦流程組合。

為了驗證本文算法的有效性，將本文算法的求解結(jié)果和人工選擇結(jié)果進行對比(見圖4、圖5)。

圖4 流程組合最大流速對比圖

圖5 流程組合能耗對比圖

從圖中可以看出，對于前3種作業(yè)任務(wù)，本文算法得到的流程組合與人工選擇流程組合的最大流速基本相同，本文算法的能耗計算結(jié)果略顯優(yōu)勢。但對于任務(wù)四，本文算法得到的流程組合最大流速是技術(shù)員1和技術(shù)員5所選流程組合最大流速的2倍，電能消耗也比這兩名技術(shù)員所選流程的電能消耗小很多。通過分析皮帶機數(shù)據(jù)和流程分布圖得知，前3種作業(yè)任務(wù)的并行皮帶機參數(shù)相差較小，流程組合方式簡單，人工可簡單根據(jù)流程分布圖得到不錯的流程組合方式。但作業(yè)任務(wù)四的可用并行皮帶機參數(shù)差異較大，且可選流程較多，選擇流程組合時若沒有認真對比計算不同流程組合的差異，很難選到最高效節(jié)能的流程組合。

5 結(jié)語

(1)分析了大型干散貨碼頭在流程選擇時存在的問題，結(jié)合湖北荊州煤炭鐵水聯(lián)運儲配基地一期工程的流程特點，建立了基于網(wǎng)絡(luò)流理論的干散貨碼頭最優(yōu)流程組合智能推薦算法。

(2)對于流程復(fù)雜度和平行皮帶機參數(shù)差異度較小的作業(yè)任務(wù)，本文算法的求解的流程組合與人工選擇結(jié)果基本相同，但對于流程復(fù)雜度和平行皮帶機差異度較大的作業(yè)任務(wù)，本文算法得到的流程組合較人工選擇結(jié)構(gòu)有明顯的提升。由此可見，除了能夠降低人工作業(yè)工作量，本文算法在提升碼頭作業(yè)效率和降低能源消耗方面都表現(xiàn)出良好的特性。

(3)由于碼頭輸送系統(tǒng)的特殊性，每個碼頭的皮帶機參數(shù)和結(jié)構(gòu)的連通性都不相同，很難建立一個適應(yīng)各種碼頭的數(shù)學(xué)模型。由于實際條件限制，論文未考慮連接發(fā)點和收點的皮帶機較多的情況，未來的研究可選擇更大型的干散貨碼頭為研究對象，求取能夠適應(yīng)更多流程類型的干散貨碼頭智能推薦算法。