一种基于蚁群算法的集装箱装载方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蚁群算法的集装箱装载方法，该方法综合考虑集装箱的重量承受能力、货物摆放稳定性、以及装卸的方便性等约束条件，对于一组待装的货物引入蚁群算法搜索出一种空间利用率较高的配载方案。其具体的解决策略是：首先，通过蚁群算法搜索出一组待装货物的顺序序列，使得装完后的货物在满足各种限制条件的同时能够取到较好的空间利用率；其次，根据搜索出来得到最好的空间利用率对应的配载方案对货物进行装载，其中配载方案中有各个货物怎样摆放的信息。本发明专利技术的集装箱装载方法具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物流运输行业的货物配载，更具体地说，本专利技术涉及一种基于蚁群算法的集 装箱装载方法。
技术介绍
集装箱是长途运输业的一种现代化工具，它是一种规范、标准的运输容器，集装箱的使用 大大提高了运输效率。集装箱的空间利用率是衡量一种装载效果好坏的标准之一，由于集装箱运用于运输，也 需要考虑下面几个方面运输载体(如车辆)具有载重负荷的要求，故货物的装载要有重量 上的限制；货物装载到集装箱容易使集装箱的总体重心偏离集装箱的中心，如果在运输中集 装箱的重心严重偏向某一侧，则当运输载体沿曲线运动时，重心就会作用到运输载体上，因 而会降低稳定性；通过经验可知，货物的易碎性与重量和受到的压力有关，故一般把重的货 物放在轻的货物下面，这样也易于操作人员的装卸，所以这些都是装箱需要考虑的问题。现有的装箱技术能够取到很好的空间利用率，如论文"何大勇，鄂明成,查建中，王春喜， 姜义东.基于空间分解的集装箱布局启发式算法及布局空间利用率规律.计算机辅助设计 与图形学学报,2000， 12(5) :367-370."、"姜义东,查建中，何大勇.集装箱装载矩形货物的布 局研究.铁道学报，2000, 22(6):13-18."和"刘霞，吕汉兴.集装箱装载矩形货物的一种启发式 算法.起重运输机械，2003， (1) :16-18."等。但这些技术仅限于空间利用率方面上的改进，实 用性不高。考虑到集装箱装箱具有较多的限制条件，本专利技术提出的一种基于蚁群算法的集装箱装载 方法，目的是在满足各种限制条件下搜索出一组空间利用率比较高的配载方案，因此该方法 具有较高的实用价值。专利技术内容为了达到上述目的，本专利技术提出了，在满足各种限 制条件下，通过引入蚁群算法搜索出一组待装货物的顺序序列使得装完后能够得到空间利用 率较高的配载方案，该方法通过以下流程实现(1)、读取货物数据和货物规格，并输入集装箱的规格载重负荷，预定装完后货物在宽度方向上的重心偏移率范围、长度方向上的重心偏移率范围、重力势能符合率范围，最大搜 索次数M4X ;(2) 、对待装货物进行编码变换，把编码选择问题转换到蚁群算法所能处理的路径选择上；所谓蚁群算法，是模拟自然界中蚂蚁觅食的原理，蚁群算法不需要任何先验知识，最初 只是随机地选择搜索路径，随着对路径信息的了解，搜索变得有规律，并逐渐逼近直至最终找到一条比较好的路径，对所要装载的货物进行编码^,S，...,^，把编码中的每一个结点看成 是蚁群算法中路径上的一个结点，任意两个结点之间都存放着蚂蚁留下的信息量，信息量为ry(表示从/结点到/结点的信息量)，初始时刻信息量^为一常量C;(3) 根据路径上的信息量搜索出一条完整的路径，即得出一组待装货物的顺序序列； 路径选择方法设当前蚂蚁随机从某一结点出发，在路径搜索过程中在S结点随机产生一个选择概率/7，选择从f结点到下一结点的选择概率与^接近的结点^ (下一结点不能选 己选择过的结点)，其中下一结点选择概率的计算方法为/^ = 、 /( ;(4) 、对得出的待装货物的顺序序列，按下面方式进行填装并得出空间利用率/;把集装箱看成是一张二维的面，面内有装载货物的高度信息，视觉角度从箱子的高度方 向垂直往下看，三维货物也看成是一张二维的面，面内有高度的信息，对于集装箱未装货物 的地方高度信息为零，每放入一块货物后高度信息增加货物的高度并与不同高度的面分割开 来，集装箱的高度作为装载货物的限制高度；把集装箱二维矩形面的长度与宽度按竖直与水平的方向建立坐标，原点在矩形面的左上角，水平向右为x轴递增坐标轴，竖直向下为y轴递增轴；为了便于查找可以容得给定货物的面，本专利技术用二维链表表示集装箱内部装有不同高度 货物的各个面，二维链表使用方法x轴方向的指针后面的所有的矩形面y坐标相等，并按X 坐标递增成为一条单链表；y轴方向的按y坐标的大小递增；从待装货物的顺序序列拿出当前货物，从高度信息最小的面开始寻找一块可以容得下当 前货物的面，若找到则装入当前货物重新修改面的高度信息并计算当前装入货物的总体积， 若找不到，则从货物顺序序列中拿出下一块，直到没有货物或集装箱不能再装入货物为止；计算空间利用率/，空间利用率为装入货物总体积与集装箱体积的比率；(5)、对填装完的货物(即配载方案)进行指标考察； 重量考察指标对于一组配载方案，计算装入的货物总重量，判断是否小于集装箱所能承受的重量； 集装箱宽度方向上的稳定性指标对于一组配载方案，要求所装入的货物在宽度方向上重心不能严重偏向某一边， 一般取 宽度方向上的重心偏移率在5%以内；计算位于宽度中间线左边的货物的力矩重量,其中m表示货物重心在宽度中间 线左边的个数，W,表示货物的重量，/,表示货物重心到宽度中间线的矩离；计算位于宽度中间线右边的货物的力矩重量g^Wy ，其中《表示货物重心在宽度中间 线右边的个数，M^表示货物的重量，6表示货物重心到宽度中间线的矩离；因此，宽度方向上的重心偏移率=||>, <formula>formula see original document page 7</formula>集装箱长度方向上的稳定性指标对于一组配载方案，要求所装入的货物在长度方向上重心不能严重偏向某一边， 一般取长度方向上的重心偏移率在10%以内；计算位于长度中间线上边的货物的力矩重量，其中w表示货物重心在长度中间线上边的个数，^表示货物的重量，"表示货物重心到长度中间线的矩离；计算位于长度中间线下边的货物的力矩重量tw^ ，其中V表示货物重心在长度中间 线下边的个数，^表示货物的重量，^表示货物重心到长度中间线的矩离；因此，长度方向上的重心偏移率<formula>formula see original document page 7</formula>解决货物易碎性和装卸方便性考察指标为了尽量保证重的货物放到轻的货物下面，本专利技术主要看其装载的货物总体重力势能，总体重力势能越高说明重的货物就更多的摆放到轻的货物上面，性能就越差，对于一组配载 方案计算装入货物的总体积「 = |>,，其中m表示装入集装箱的货物总数，^表示单个货物 的体积；计算装入货物的总重量『=|;^，其中m表示装入集装箱的货物总数，w表示单个货物的重量；把重力势能『i^。/ =(7 + 5 + 2)><『看成是理想的状态(其中S为集装箱的底面积， (厂+ S + 2)为理想状态的重心高度)；计算装入货物的总体重力势能『丄^. =t(vv,x/0，其中m表示装入集装箱的货物总数，w,表示单个货物的重量，/z,表示第/个货物的重心到集装箱底部的高度，一般装载货物的重力势能会比理想重力势能大，故令重力势能考査指标为， 重力势能符合率=肌翻,+肌吻，一般取重力势能符合率大于85%;(6) 、判断配载方案得出的指标结果是否满足约束条件的要求；判断所装载的货物总重量是否小于集装箱所能承受的最大负荷，装完货物后集装箱宽度 方向的重心偏移率是否在预定的范围内，集装箱长度方向的重心偏移率是否在预定的范围内，重力势能符合率是否在预定的范围内，若有一项不满足，则令空间利用率/为零，否则全部 满足，则判断空间利用率是否在当前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蚁群算法的集装箱装载方法，其特征在于：通过引入蚁群算法作为待装货物顺序序列的搜索算法，使用该方法通过以下流程实现：　（１）、读取货物数据和货物规格，并输入集装箱的规格载重负荷，预定装完后货物在宽度方向上的重心偏移率范围、长度方向上的重心偏移率范围、重力势能符合率范围，最大搜索次数ＭＡＸ；　（２）、对待装货物进行编码变换，把编码选择问题转换到蚁群算法所能处理的路径选择上，并初始化路径信息；　对ｎ个货物进行编码Ｐ↓［１］，Ｐ↓［２］，…，Ｐ↓［ｎ］，并把编码中的每一个结点看成是蚁群算法中路径上的一个结点，任意两个结点之间的信息量初始化为常量Ｃ；　（３）、根据路径上的信息量搜索出一条完整的路径，即得出一组待装货物的顺序序列；　路径选择方法：设当前蚂蚁随机从某一结点出发，在路径搜索过程中在Ｐ↓［ｉ］结点随机产生一个选择概率ρ，选择从Ｐ↓［ｉ］结点到下一结点的选择概率与ρ接近的结点Ｐ↓［ｊ］（下一结点不能选已选择过的结点），其中选择下一结点Ｐ↓［ｊ］概率为Ｐ↓［ｉ］结点到Ｐ↓［ｊ］结点的信息量与Ｐ↓［ｉ］到其他所有结点信息量的总和的比率；　（４）、对得出的待装货物的顺序序列进行填装并得出空间利用率ｆ；　装完该组待装货物的顺序序列后计算空间利用率ｆ，空间利用率为装入货物总体积与集装箱体积的比率；　（５）、对填装完的货物（即配载方案）进行指标计算；　计算装入货物的总重量；计算宽度方向上的重心偏移率：计算宽度方向中间线左边货物重心到中间线的力矩重量，计算宽度方向中间线右边货物重心到中间线的力矩重量，宽度方向上重心偏移率为两者的差的绝对值和两者和的比率；计算长度方向上的重心偏移率：计算长度方向中间线上边货物重心到中间线的力矩重量，计算长度方向中间线下边货物重心到中间线的力矩重量，长度方向上重心偏移率为两者的差的绝对值和两者和的比率；计算重力势能符合率：设集装箱所装的所有货物是一个底面与集装箱底面一样的矩形货物，且该货物密度均匀，则把这个状态看为集装箱装载货物的理想状态，计算理想状态重心到集装箱底部的重力势能，计算所装货物各个货物到集装箱底部的重力势能总和，重力势能符合率为理想状态重心的重力势能与所装货物的重力势能总和的比率；　（６）、判断配载方案得出的指标结果是否满足约束条件的要求；　判断所装载的货物总重量是否小于集装箱所能承受的最大负荷，装完货物后集装箱宽度方向的重心偏移率是否在预定的范围内，集装箱长度方向的重心偏移率...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高尚，庄凤庭，宋淑娜，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]