基于SP-AS/RS與ASC的自動化碼頭協同調度研究

通訊作者： 周可可，1987年8月，男，漢族，上海松江人，現任科大智能機器人技術有限公司技術主管，中級機械工程師，碩士。研究方向：移動機器人驅動系統及調度系統應用。

摘要：在船舶大型化、集裝箱碼頭規模不斷擴張的背景下，提高集裝箱的周轉效率，降低船舶的停泊時間等已成為自動化碼頭關注的主要問題，研究高效率的裝卸作業系統協同調度是提高碼頭整體運作效率的重要途徑。

關鍵詞：自動化碼頭;作業時間窗;遺傳算法;協同調度

一、引言

海上運輸事業的快速發展對集裝箱碼頭作業提出了更高的要求，在提高裝卸效率的同時兼顧降本節能的目標，實現碼頭綠色可持續發展。自動導引車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）作為碼頭無人駕駛的水平搬運設備，沿既定路徑水平運輸集裝箱，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備，由門架小車、中轉平臺和主小車組成。雙小車岸橋和AGV相互配合可以減少作業等待時長，提高效率[1]。

二、問題描述與建模

（一）問題描述

集裝箱碼頭作業過程中各設備相互配合，共同完成既定的裝卸任務：雙小車岸橋和場橋負責集裝箱垂直運輸，AGV負責集裝箱水平搬運[2]。隨著任務數量增多，各設備之間可能會出現因銜接不當而導致等待的現象，造成資源浪費。當運行AGV數量增大時，還可能發生運行路徑沖突，甚至造成碼頭運行系統癱瘓，嚴重影響碼頭運作效率。AGV水平作業區域碼頭各路徑節點（AGV改變行駛方向或改變作業狀態的點）位置布局，其中，表示具有多個方向的路徑節點、表示場橋節點、表示岸橋節點、表示單一方向路徑節點[3]。

集裝箱碼頭作業流程可分為卸船過程和裝船過程：卸船作業是雙小車岸橋主小車將集裝箱從船上任務貝位運送到岸橋中轉平臺，再由岸橋門架小車將集裝箱從中轉平臺運送到AGV上并由其運送到對應緩沖支架上，最后由場橋運送至堆場相應位置堆放，裝船過程則與之相反。

（二）符號說明

I為所有任務的集合，I={1，2，…，N};集合I+={1，2，…，N，N+1，N+2}，其中N+1和N+2分別為虛擬開始任務和虛擬結束任務;K為AGV集合，K={1，2，…，|K|}，k∈K;C為充電任務集合（未知），C={N+3，N+4，…};M是一個足夠大的數;Lij為從任務i的交付點到任務j的裝載點之間的距離;Li為從任務i的裝載點到任務i的交付點之間的距離;Tij為AGV從任務i的交付點到任務j的裝載點的時間;Ti為AGV從任務i的裝載點到任務i的交付點的時間;tik為AGVk針對任務i的裝卸作業時間;b為充電時間參數，為充電時間與充電電量的比值;a為[0，1）之間的常數，表示AGV最低剩余電量占電池充滿電時電量的比值;G為AGV續航能力;xijk為01變量，若AGVk完成任務i后緊接著去執行任務j則取1，否則取0;yik為01變量，若AGVk執行任務i則取1，否則取0;qik為AGVk到達任務i的裝載點時的剩余電量;Qi為充電任務i的目標電量;Q為電池充滿電時的電量;f為完成最后一個任務的時刻;Zi為任務i的開始時刻;dik為AGVk完成任務i的累計行駛路程;Rk為AGVk的實際行駛路程;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個任務分配給|K|輛AGV，然后按照每輛AGV獲得的任務進行解碼。各AGV在被分配任務后，對任務按任務編號由小到大排序，接著根據任務順序進行作業，這樣既滿足了任務的分配，也考慮了任務本身的順序。染色體的解碼過程如圖3所示，其中：m表示任務N-4之前的任務編號。每輛AGV的任務及其順序確定后，結合模型得到其執行完任務后的累計行駛路程以及執行每個任務的開始時刻，根據式（7）和（8），得到所有任務完成時間。

（四）模型假設

對于自動化碼頭的集裝箱任務量通常是已知的，并且根據集裝箱的堆存位置可以得到SP-AS/RS設備中相應VP與HP的運行時間以及ASC的選擇與路程確定，綜上對進行的研究進行假設：1）每個任務的起點和終點已知，并且每個SP-AS/RS機架的緩存區存放集裝箱最大容量為2。2）每個裝載任務中目標存儲單元存在集裝箱;每個卸載任務中目標存儲單元為空。3）對于QC，ASC，HP與VP，空載或負載時運輸時間不變。4）不考慮ASC之間的擁堵問題。5）所有設備在完成每個任務后都遵循停在原位的停留策略，即不再回到任務的起點位置，任務結束即在原位停止，等待下一任務。6）每兩臺機架間的各個HP在進行裝卸集裝箱時互不影響。

（五）關鍵技術創新

1.傳統工藝采用軌道槽式鋼板定位螺栓錨固系統，新型工藝采用壓板扣件系統支撐，壓板扣件系統外形及結構合理可靠，不與設備導向輪發生干涉，針對設備重載高速運行的特點，具備緩沖吸能能力，減小設備運行震動與沖擊，使高速重載起重機軌道具有抵抗垂直、水平力的能力。

2.創新軌道安裝工藝，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整以及固定成為安裝重點。自主研發的龍門架經過三次革新，具備了重量輕、操作簡便、功能齊全的功效，為自動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.新型環氧基膠泥的使用，跟傳統的水泥基膠泥相比具有化學性能穩定、耐腐耐候性好、強度高和粘結力強的特點。

4.新型鋁熱焊接工藝。鋼軌鋁熱焊是目前世界各國普遍采用的無縫線路聯合接頭焊接方法，鋁熱焊法是以設備簡單、不需電源、操作簡便著稱。實踐證明，對于鋼軌這種具有端面較為復雜、含碳量高的特點，使用鋁熱焊可使接頭平順性好。

三、基于遺傳算法的網絡高覆蓋率資源優化調度

在AVG通信環境下進行網絡信息資源優化調度，首先對網絡資源使用虛擬化技術，即使網絡資源處于獨立的狀態，在此基礎上將資源計算任務分配給一種最優調度機制的節點上[4-5]。考慮到網絡運行、帶寬使用率和網絡帶寬等因素，在網絡信息優化調度模型的構建過程中，融入測評模型，依據網絡節點情況來預測任務執行的速度，其過程如下：在AVG通信環境中服務器運行所有虛擬機的計算能力是通過多個角度來計算的，根據當前的實際網絡約束條件，分別為網絡CPU中網絡虛擬機的內存和硬盤測評價值權重，pb代表網絡帶寬測評值權重。

四、實驗結果

本文根據ASC自主裝卸集裝箱與SP-AS/RS減少翻箱率與增加存儲容量的特點，考慮ASC與SP-AS/RS在同裝同卸的時間窗為約束，建立以ASC與SP-AS/RS的最小工作時間、QC最小延時等待時間為目標的MIP模型。改進IGA對模型進行求解，并采用搜索算法與SAA在集裝箱任務量為8～12的情況下與IGA求得的解的質量與求解速度進行對比，結果表明IGA在合理時間的內得到了較好的運算結果，相對于SAA提升了41.9%;在不同的規模下比較了ASC+SP-AS/RS、AGV+SP-AS/RS的組合兩種裝卸流程下解的質量，當任務量在10至20之間時，AGV+SP-AS/RS的組合裝卸效率相對于ASC+SP-AS/RS的裝卸效率平均提升了1.29%。

五、結束語

為了提升資源調度效果，解決傳統方法存在的網絡覆蓋率資源不完善和資源調度效率慢的不足，本文提出了一種基于AGV通信的網絡高覆蓋率資源優化調度方法。通過實驗結果可以得出：本文方法下網絡資源擁塞率最高僅為16%，遠低于傳統方法，低擁塞率有助于提高資源調度的效率，進而說明本文方法具有較高的調度效率;運用本文方法調度后的網絡資源較為完整，分組投遞能力也較為優秀，魯棒性強，網絡資源吞吐率較高，充分驗證了該方法的有效性。

參考文獻：

[1]趙斌，馬矜.自動化碼頭岸邊集裝箱起重機控制技術[J].港口裝卸，2019（05）：35-37.

[2]元征，毛浩，邳青嶺.集裝箱自動化碼頭閘口總體布置研究[J].港工技術，2019，56（05）：27-30.

[3]周宇濤，宋海濤，王吉升，李海洋.集裝箱自動化碼頭配載系統應用[J].水運工程，2019（10）：21-25.

[4]黎銳志.集裝箱自動化碼頭發展趨勢分析[J].經濟管理文摘，2019（19）：175-176.

[5]劉小燕，徐春暉，梁躍，王駿，張曉龍.“E-核載”系統在自動化碼頭的應用初探[J].航海，2019（05）：31-33.