一种集装箱堆场预倒箱方法技术

本发明专利技术涉及一种集装箱堆场预倒箱方法，包括：获取集装箱信息和参数，构建以倒箱总步数最少作为目标的预倒箱混合整数规划模型；基于现有的压箱数规则进一步提出压箱系数，确定出选择阻碍箱的优先级规则；并设计好高栈优先填充策略；基于好高栈优先填充策略和优先级规则，设计六步预倒箱算法对预倒箱混合整数规划模型进行求解，得到预倒箱序列；根据预倒箱序列，相应控制龙门吊和集卡的工作状态，完成预倒箱作业。与现有技术相比，本发明专利技术在倒箱移动步数和求解时间上同多数现有算法相比具有优越性，求解速度更快，并能求解得到最短的预倒箱序列，能够有效减少预倒箱移动步数、有效提高集装箱码头堆场作业效率。高集装箱码头堆场作业效率。高集装箱码头堆场作业效率。

【技术实现步骤摘要】
一种集装箱堆场预倒箱方法


[0001]本专利技术涉及集装箱堆场控制
，尤其是涉及一种集装箱堆场预倒箱方法。

技术介绍

[0002]随着水路运输的快速发展，港口的集装箱吞吐量飞速上升，导致堆场堆放的集装箱越来越多，而集装箱堆场在有效衔接岸边操作、水平运输、进出闸口等操作方面具有中心枢纽的地位和作用，当堆场的翻箱率居高不下时，必然会对其他设备的运作以及港口效率产生影响。
[0003]受到堆场计划和码头不可控制随机因素影响等原因，堆场常会发生倒箱，预倒箱是将堆放错误的堆场进行复原，使得后续的内外集卡和船舶不再需要等待直接进行调取。集装箱堆场是一个很大的空间，进出港口中转和堆存大量的集装箱，集装箱堆场根据集装箱的不同属性分为若干个箱区，每个箱区包括多个贝位，每个贝位包含多个栈，每一个栈可以堆放多层集装箱。如图1显示在该箱区中有3个贝位，4个栈，3层高。在集装箱码头作业中，集装箱通常堆码一定的层数，如果当前所要取的集装箱被其他的集装箱压住，从而形成了阻碍箱、需要龙门吊进行操作，预倒箱作业是当码头的工作量较低时、在船舶到港之前，对箱区重新进行堆放，以减少压箱现象。这一预倒箱的过程将减少船舶到港后的等待时间，减少龙门吊和集卡的能源消耗。图2是一集装箱堆场箱区的俯视图，体现了集卡、龙门吊和集装箱之间的相互关系。一个集装箱场站由若干个贝(bay)组成，对于每个给定的集装箱贝位的初始布局来说，单贝位集装箱预倒箱作业可以描述成对单贝位内的集装箱进行重新排列，使其最终布局符合所有先取走的集装箱在后取走集装箱的上面的标准，初始布局和最终布局如图3所示，图3a为初始布局，图3b为最终布局，集装箱的数字代表集装箱提取的优先级批次。
[0004]现有技术中，对于集装箱预倒箱问题的求解，主要在精确算法和启发式算法两方面进行了广泛的研究。国外学者主要通过搜索集装箱位置以实现倒箱量优化。首先，Kim等提出一种集装箱堆场的估计预期倒箱量的方法，指出平均倒箱量的关键因素，利用分支定界法和启发式规则针对不同的堆栈给出不同估计预期倒箱量。Lee等提出以最小化倒箱量为目标的预倒箱问题的数学模型，并设计一种简单启发式方法求解。随后改进模型来预估编组集装箱的箱位，并设计了由三个子程序组成新启发式算法。Huang等针对预倒箱问题分为不需要按特征分类和需要按特征分类的两种类型,并针对两种问题分别开发了启发式算法进行求解。
[0005]国内学者则主要通过压箱数量减少为优化通过启发式算法求解，部分通过精确算法。李浩渊等提出了预倒箱作业过程的数学规划模型，并设计了一种二元编码方式的多阶段遗传算法对该模型进行求解。金鹏等通过制定可等价替换抽象约束的箱位选取规则以最大程度保证装船系统的流畅性为约束条件，建立装船时贝内翻箱问题的优化模型。乐美龙等建立基于网络模型的集装箱翻箱模型对预倒箱问题进行优化。郑斯斯等通过对多种翻箱规则下的优先级进行排序建立了倒箱路径优化模型，并采用启发式算法求解。边展等开发
了由邻域搜索算法与整数规划算法组成的两阶段混合算法对预倒箱问题进行优化。游鑫梦等考虑集装箱堆存作业与提取作业的关联性建立两阶段规划模型并运用遗传算法和启发式算法进行求解。
[0006]然而上述方案在实际应用中，由于求解时间较长、求解出预倒箱序列过长，导致存在堆场起重机移动频繁、内外集卡长时间等候和能源消耗等问题，使得预倒箱移动步数过多、集装箱堆场作业效率较低。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集装箱堆场预倒箱方法，能够快速完成求解过程，得到最短的预倒箱序列，从而有效减少预倒箱移动步数、提高集装箱码头堆场作业效率。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集装箱堆场预倒箱方法，包括以下步骤：
[0009]S1、获取集装箱信息和参数，构建以倒箱总步数最少作为目标的预倒箱混合整数规划模型；
[0010]S2、基于现有的压箱数规则进一步提出压箱系数，确定出选择阻碍箱的优先级规则；并设计好高栈优先填充策略；
[0011]S3、基于好高栈优先填充策略和优先级规则，设计六步预倒箱算法对预倒箱混合整数规划模型进行求解，得到预倒箱序列；
[0012]S4、根据预倒箱序列，相应控制龙门吊和集卡的工作状态，完成预倒箱作业。
[0013]进一步地，所述步骤S1中集装箱信息和参数包括但不限于装箱堆场基本指标，集装箱的贝、层、高的位置信息，每个集装箱的提取顺序信息；
[0014]所述步骤S1中构建预倒箱混合整数规划模型的具体过程为：
[0015]S11、确定模型基本假设：假设集装箱除优先级批次不同外都是相同的，即不考虑集装箱的箱号码和种类识别码等具体信息；另一方面，根据集装箱码头实际作业场景，设定集装箱预倒箱作业的理论前提；
[0016]S12、基于集装箱信息和参数，结合模型基本假设，以最少倒箱步数作为目标函数，建立预倒箱混合整数规划模型。
[0017]进一步地，所述步骤S11中集装箱预倒箱作业的理论前提包括：
[0018](1)倒箱作业开始之前，所有集装箱的优先级批次均已知；
[0019](2)不同优先级批次的集装箱分配到各贝位各栈的概率相同；
[0020](3)在箱区布局中只有一台龙门吊进行作业且一次只能提取一个集装箱；
[0021](4)单贝位内堆存的集装箱均为20英尺的标准箱；
[0022](5)考虑龙门吊作业的安全性和使用周期，预倒箱作业限制在同一贝内进行；
[0023](6)在进行单贝位预倒箱作业时不考虑进入新优先级批次的集装箱；
[0024](7)提取集装箱和堆放集装箱的操作只发生在顶层箱位上，即集装箱不能悬空操作；
[0025](8)考虑操作的安全性，当达到堆栈的限高不允许继续堆放集装箱。
[0026]进一步地，所述步骤S12中预倒箱混合整数规划模型包括目标函数和约束条件，所
述约束条件包括第一约束～第七约束；
[0027]所述目标函数具体为：
[0028]minL
[0029]所述第一约束具体为：
[0030][0031]所述第二约束具体为：
[0032][0033][0034]l＝1,2,
…
,L
[0035]所述第三约束具体为：
[0036][0037]x(l)∈{1,2,
…
,S},(l)∈{1,2,
…
,S}
[0038]所述第四约束具体为：
[0039][0040]所述第五约束具体为：
[0041][0042]所述第六约束具体为：
[0043]t
x(l)
(l)≥0,＝1,2,
…
,
[0044]所述第七约束具体为：
[0045]t
y(l)
(l)≤H,＝1,2,
…
,
[0046]其中，S为单贝位最大堆栈数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取集装箱信息和参数，构建以倒箱总步数最少作为目标的预倒箱混合整数规划模型；S2、基于现有的压箱数规则进一步提出压箱系数，确定出选择阻碍箱的优先级规则；并设计好高栈优先填充策略；S3、基于好高栈优先填充策略和优先级规则，设计六步预倒箱算法对预倒箱混合整数规划模型进行求解，得到预倒箱序列；S4、根据预倒箱序列，相应控制龙门吊和集卡的工作状态，完成预倒箱作业。2.根据权利要求1所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S1中集装箱信息和参数包括但不限于装箱堆场基本指标，集装箱的贝、层、高的位置信息，每个集装箱的提取顺序信息；所述步骤S1中构建预倒箱混合整数规划模型的具体过程为：S11、确定模型基本假设：假设集装箱除优先级批次不同外都是相同的，即不考虑集装箱的箱号码和种类识别码等具体信息；另一方面，根据集装箱码头实际作业场景，设定集装箱预倒箱作业的理论前提；S12、基于集装箱信息和参数，结合模型基本假设，以最少倒箱步数作为目标函数，建立预倒箱混合整数规划模型。3.根据权利要求2所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S11中集装箱预倒箱作业的理论前提包括：(1)倒箱作业开始之前，所有集装箱的优先级批次均已知；(2)不同优先级批次的集装箱分配到各贝位各栈的概率相同；(3)在箱区布局中只有一台龙门吊进行作业且一次只能提取一个集装箱；(4)单贝位内堆存的集装箱均为20英尺的标准箱；(5)考虑龙门吊作业的安全性和使用周期，预倒箱作业限制在同一贝内进行；(6)在进行单贝位预倒箱作业时不考虑进入新优先级批次的集装箱；(7)提取集装箱和堆放集装箱的操作只发生在顶层箱位上，即集装箱不能悬空操作；(8)考虑操作的安全性，当达到堆栈的限高不允许继续堆放集装箱。4.根据权利要求2所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S12中预倒箱混合整数规划模型包括目标函数和约束条件，所述约束条件包括第一约束～第七约束；所述目标函数具体为：minL所述第一约束具体为：所述第二约束具体为：
所述第三约束具体为：x(l)∈{1,2,
…
,S},(l)∈{1,2,
…
,S}所述第四约束具体为：所述第五约束具体为：所述第六约束具体为：t
x(l)
(l)≥0,＝1,2,
…
,所述第七约束具体为：t
y(l)
(l)≤H,＝1,2,
…
,其中，S为单贝位最大堆栈数，H为单贝位堆栈最高层数，G为集装箱的提箱批次优先级，t
s
(0初始堆存状态下第s栈的集装箱高度，t
s
(l)为第l次倒箱后第s栈的集装箱高度，为初始堆存状态下第s栈的自下往上第h层的集装箱的提箱批次优先级，为l次倒箱后第s栈自底向上第h层的集装箱位为空位，x(l)为决策变量，表示第l次倒箱的捐赠栈，y(l)为决策变量，表示第l次倒箱的接受栈，为0－1决策变量，表示若第l步倒箱优先级为的集装箱存在于捐赠栈x(l)，则其值为1，否则为0，为0－1决策变量，表示若第l步倒箱优先级为的集装箱存在于接受栈y(l)，则其值为1，否则为0；L为总倒箱步数，第一约束表示最终布局状态下，该贝位中任意集装箱优先级批次都不会比这个上面集装箱的优先级批次小；第二约束表示每次翻箱作业只移动一个箱子，且只从捐赠栈到接受栈；第三约束表示对于已经移动走的集装箱，该箱位为空，对应优先级批次为0；捐赠栈移动走的集装箱优先级批次等于接受栈接收的集装箱优先级批次；其他集装箱优先级批次保持不变；第四约束表示在堆存集装箱过程中不能出现悬空操作；第五约束表示倒箱的过程中捐赠栈高度减一，接受栈高度加一，其他栈高度保持不变；第六约束表示捐赠栈的高度不会小于0；第七约束表示接受栈的高度不会超过限高层H。5.根据权利要求4所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S2中压箱系数具体包括：
集装箱的压箱系数定义为k
sh
(l)：第l次倒箱后，压箱数和集装箱栈可堆放箱位数的乘积，其计算公式为：k
sh
(l)＝p
sh
(l)
×
n
sh
(l)p
sh
(l)＝|t
s
‑
H|+1其中，n
sh
(l)为压箱数，是指第l次倒箱后，一个堆栈s中，第h层的集装箱批次优先级大于下面的集装箱批次优先级的个数和；p
sh
(l)为集装箱栈可堆放箱位数，是指第l次倒箱后，一个堆栈s中，第h层的集装箱移走后堆栈s可堆放的空箱位；之后定义在第l次倒箱后，一个栈s压箱系数为该栈所有集装箱的压箱系数之和，记为k
s
(l)：再定义在第l次倒箱后，一个贝位的压箱系数为该贝位所有堆栈的压箱系数之和，记为k(l)：由此利用上述压箱系数描述出当前栈或贝的压箱程度和空箱位多少。6.根据权利要求1所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S2中好高栈优先填充策略具体是针对不同单贝位预倒箱的分类，采取先填充好高栈、再填充好低栈、之后填充空栈、最后清空低栈并循环至坏栈为0的策略。7.根据权利要求6所述的一种集装箱堆场预倒箱方法，其特征在于，所述步骤S3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云峰，张晨李，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：