用于集装箱储存、回收和搬迁的堆场起重机调度外文翻译资料
2022-08-11 14:31:45
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摘要
本文结合集装箱码头堆场现存的两大问题，提出了一种新的优化方法。场桥调度问题通常与要执行一系列存储和取用任务的工作路径有关，与此同时，集装箱翻箱问题要解决在较简单的条件下取用集装箱时最小化翻箱的问题。本文首次考虑了一个集成这两个问题的模型，该模型通过存储、取用和翻箱请求和确定存储和翻箱位置来实现。我们将此问题表述为一个整数程序，该程序可以共同优化当前起重机的运行时间和未来的翻箱问题。基于所提公式的结构和子问题的线性规划松弛，我们提出了一种启发式的局部搜索方案。最后，我们展示了我们的解决方案在模拟实例以及端口终端的真实数据上的价值。
关键词：组合优化；航运业运筹学；整数规划；场桥调度问题；集装箱翻箱问题
目录
1.简介
集装箱码头是在洲际供应链中的关键环节，集装箱在码头完成海上和陆地两种不同运输方式之间的转运。随着集装箱航运业的快速增长和降低费率的竞争压力日益增大，导致对海陆业务效率提出了更高的需求。在典型的集装箱码头，海侧活动包括将船舶分配到泊位和使用岸桥卸货和装船。同时，陆侧活动主要涉及内集卡在堆场内存储和运输集装箱。对于这两种类型的操作，可以通过对新的码头设备进行投资来提高集装箱码头的效率。（参见Speer amp; Fischer (2017)）这些投资包括改进当前设备或购买新的最先进的起重机械。提高效率的另一个方向是开发新技术，以更有效地操作现有设备，从而解释了对优化集装箱码头操作的研究兴趣。（参见Gharehgozli, Roy, amp; de Koster (2016)）本文通过组合优化来提高集装箱在堆场区域的储存效率。
由于存储区域中的空间有限，因此集装箱彼此堆叠在一起，形成由堆栈组成的箱区，如图1所示。如果需要取用的集装箱不在其堆栈顶部，也就是说，它被其它集装箱覆盖，则必须将阻塞集装箱重新放置到另一个堆栈。这样就会造成在常规操作期间场桥需要执行一个或多个搬运动作。因为无法向客户收取此类翻箱费用，会导致运营延迟和大量收入损失。因此，虽然该箱区结构带来存储空间的增加，但却导致操作效率的损失。
图1.单场桥集装箱区
本文已经分别研究了两个问题，在第3节中给出了更详细的解释。第一个是集装箱翻箱问题，它涉及在给定的一系列任务中，在受限条件中最大程度地减少翻箱的次数（大多数情况下针对单个堆栈，图1中的Y=1）。另一个问题是场桥调度问题，它着眼于场桥的路线和取用任务调度，并给出存储和翻箱的垛位分配。本文将在一个统一的框架内弥合这两个问题之间的鸿沟。据我们所知，本文是第一篇联合考虑这些问题并展示其重要好处的论文。我们使用二进制整数公式对该新问题进行建模，并研究该问题的某些属性。 在实际操作上中，必须实时解决该问题。因此，我们提供了一种启发式程序，可以在有限的时间（1分钟）内生成有希望的解决方案，从而显示出我们方法的实际相关性和适用性。
本文其余章节安排如下：在第2节中描述了所关注的问题之后，3个文献综述和撰稿人根据对堆场起重机调度问题和集装箱搬迁的广泛文献综述，对这项工作做出了贡献。问题。随后，第4节将问题表示为二进制整数程序，并陈述了有关此数学公式的一些属性。第5节基于这些结果，介绍了一种实用的启发式程序。在第6节中通过计算实验对算法进行了测试。最后，在第7节中给出结论性意见和未来的方向
2.问题描述
本节描述了本文关注的问题。 附录A总结了本节中定义的所有假设和符号。
2.1几何问题
我们考虑以下情况，一个箱区由X行，Y贝位和Z层组成（请参见图1），我们假定该区块由单场桥（YC）提供服务，如图1所示。每个箱区只可以储存一种类型的集装箱（如二十英尺或四十英尺的等效单元）。箱区X受场桥的宽度限制，而Z受起重机的高度限制，同时Z对应于可以堆叠在一起的最大集装箱数。通常这些值的范围是X：6-13，Y：10-40，Z：3-6，请注意层数是从下到上计算的。在该区域中，堆栈的唯一特征是由二维向量表示，该向量由表示，对应其在x-y维度上的位置。我们用表示箱区中的堆栈集，并注意。
我们假设在箱区周围有M个输入/输出（I/O）点，由I/OM表示（）。这些I/O点对应于带有存储或取用请求的车辆停放的位置。I/O点是“人工”堆栈，除了集装箱取用功能，不具备存放功能。我们用表示与I/O点相对应的人工堆栈集。为了清楚表示，我们用表示所有堆栈的集合。
通过自动存储/检索系统（AS/RS）可以配置多个I/O点。对于港口堆场，Wiese, Suhl, Kliewer (2010)，Carlo, Vis, Roodbergen (2014)讨论了两种最常见的配置（见图2(a)和图2(b)，这是欧洲和亚洲最常见的配置。另外“双向”配置是另一种令人感兴趣的配置（请参见图2(c)），但是在相关工作中对此的研究较少。后一种配置主要用于内部和外部堆场完全分开的港口。（例如内部自动化堆场或铁路堆场）。以I/O点配置作为问题的输入。在欧洲和双向配置中，我们用M1表示在海边或内部船坞一侧的I/O点的数量，而用M2表示在相反一侧的I/O点的数量。因此。我们提出的解决方案方法是通用的，并且独立于此配置，因此可以通常应用于其他配置。
图2.三种不同I/O点类型箱区的俯视图
最初堆栈存储一定数量的集装箱，用表示。图4在亚洲布局的示例中显示了这些数字。注意，仅为了清楚起见，在图2中未给出这些数字。
港口堆场中最常用的搬运设备是轮胎式龙门起重机（RTG）或轨道式龙门起重机（RMG），RMG通常是自动化的，因此也称为自动堆垛起重机（ASC）。但是，RTG更为灵活，它们可以在港口堆场内旋转和移动（有关搬运设备详细信息请参见Carlo et al. (2014年)）。在本文中，我们假定将单一的YC（RTG或RMG）分配给指定的箱区并处理该箱区的任务请求。其在箱区中的初始位置由表示，并且对应于起重机吊具所在的堆栈或I/O点（请参见Gharehgozli, Yu, de Koster, Udding(2014)和Yuan , Tang(2017)）。Speer和Fischer（2017）对YC的工作时间进行了深入研究，该研究表明起重机在没有干扰的情况下，本文假设的所有数据都能很好地符合实际操作中的行进时间。图3显示了执行存储和取用任务时RMG的典型运动模式。每个任务都分为四个阶段。首先，从上一个任务位置到新请求的堆栈之间存在空载运行。根据Speer和Fischer（2017），重要的是要考虑空载情况的调整时间。但是在本文不予考虑，因为在箱区中存在不同类型的集装箱时才需要这样做，而本文只考虑同一类型。然后，起重机用吊具吊起集装箱，运动到目的地垛位并将集装箱放下。基于此模式，我们引入以下符号。用表示载重和空载时YC吊车速度，用表示YC龙门速度，以及表示垂直方向YC吊具速度。我们假设所有速度均以集装箱/s为单位给出，即场桥在每个维度上每秒可以通过多少个集装箱。此外，是考虑稳定和方向的吊起或放下集装箱的时间。
图3.给定周期的典型YC运动模式。蓝色条纹表示空载动作，红色表示负载动作，绿色表示搬运动作。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）
图4，亚洲标准箱区的俯视图，该箱区的每个堆栈中的整数对应于当前存储在堆栈中的容器数。对于中的堆栈，我们突出显示要取用（）和要翻箱操作（）的集装箱。
在此条件下，考虑两个堆栈，则可以计算出从堆栈s到堆栈r的场桥空载（或负载）的运动时间为：
在第z层（意味着堆栈中有z-1个容器）吊起/放下一个集装箱的时间相等，由下式给出：
其中是和的谐波均值。由于层数z是从下到上计算的，我们假设I/O点等效于具有0个集装箱的堆栈，因此在第一层上拾取/放置该容器将会产生成本。该模型比Gharehgozli（2014） et al.提出的模型更通用，我们注意到RMG和RTG的模式相似，两者之间的主要区别在于参数的值。
2.2 任务
对于给定的问题，目标是在最短的时间内操作场桥来完成存储和取用请求（也称为生产性请求或生产性移动）。由于此过程是动态的，因此通常采用分区排序方法以考虑更静态的过程（请参阅(Dell, Royset, Zyngiridis, 2009, Gharehgozli, Yu, de Koster, Udding, 2014, Speer, Fischer, 2017, Vis, Roodbergen, 2009, Yuan, Tang, 2017)）。在这种方法中，从可用任务中选择一组紧急任务，并交给YC排序并执行。完成这些操作后，再选择并执行新的任务，在这种解决方案下只需几分钟即可完成。在需要执行任务之前获取的信息并不多，必须反复得执行这个方案。
通常，我们考虑要执行一系列N个存储和取用请求。由于事先不太了解准确的信息，因此与相比，N通常较小且取值范围为1-20。根据任务到达顺序对任务进行索引。集装箱n和车辆n用于表示与任务相关的集装箱
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