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基于多Agent的偏好泊位約束下泊位-岸橋分配

2016-09-13 08:49:55朱碩博金永賀上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院上海201306
現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2016年20期
關(guān)鍵詞:分配船舶成本

朱碩博,金永賀(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海 201306)

基于多Agent的偏好泊位約束下泊位-岸橋分配

朱碩博,金永賀
(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海201306)

泊位和岸橋是碼頭前沿最寶貴的資源,為其設(shè)計(jì)合理調(diào)度機(jī)制能夠獲得更高的效能。考慮連續(xù)泊位的岸線,加入偏好泊位約束條件,以最小化偏離偏好泊位成本為目標(biāo)函數(shù),結(jié)合多Agent的智能化特點(diǎn),提出基于多Agent的聯(lián)合調(diào)度模型,在模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)分步的遺傳算法,實(shí)現(xiàn)高效的泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度。并用實(shí)驗(yàn)證明模型和算法的有效性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證引入偏好泊位約束條件確實(shí)能提高碼頭作業(yè)效率,降低因偏離偏好泊位帶來的成本。

連續(xù)泊位;偏好泊位;多Agent;遺傳算法;智能化

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化以及世界貿(mào)易的高速發(fā)展,集裝箱水路運(yùn)輸逐漸呈現(xiàn)船舶的大型化、高速化態(tài)勢(shì),這也對(duì)碼頭裝卸設(shè)備的合理配置提出了更高的要求。泊位和岸橋的分配是碼頭前沿作業(yè)的首要環(huán)節(jié),因而設(shè)計(jì)合理的靠泊計(jì)劃和岸橋分配策略是提高集裝箱碼頭作業(yè)效率的關(guān)鍵。

Imai等[1]針對(duì)離散的泊位-岸橋調(diào)度建立了優(yōu)化模型,根據(jù)船舶總在港時(shí)間最小化為原則安排服務(wù)順序。Liang等[2]以船舶總在港時(shí)間最小化為目標(biāo)建立模型,采用遺傳算法與啟發(fā)式算法相結(jié)合求解。高超鋒[3]針對(duì)多個(gè)岸橋并行作業(yè)時(shí)相互干擾的問題,研究了岸橋并行作業(yè)效率約束下泊位分配與岸橋調(diào)度問題。杜衛(wèi)華等[4]在泊位岸橋集成調(diào)度中加入岸橋移動(dòng)約束條件,設(shè)計(jì)算法模型,解決了岸橋頻繁移動(dòng)導(dǎo)致的岸橋作業(yè)相互干擾及資源利用率低的問題。

在以上的文獻(xiàn)中都沒有提及偏好泊位的概念,實(shí)際船舶在靠泊作業(yè)時(shí)是存在偏好泊位約束的,因?yàn)榇霸诳坎醋鳂I(yè)過程所需要的岸橋、集卡、堆場(chǎng)及工作人員已經(jīng)做好準(zhǔn)備,這個(gè)泊位就是該船舶的偏好泊位。P. Legato等[5]考慮船舶偏好泊位和時(shí)間,以船舶作業(yè)時(shí)間和岸橋使用數(shù)量最少為目標(biāo)建立泊位分配和岸橋調(diào)度模型。樂美龍等[6]針對(duì)泊位和岸橋聯(lián)合分配問題,考慮偏好泊位等7個(gè)影響因素的泊位-岸橋集成分配問題。但也只是簡(jiǎn)單地介紹了偏好泊位作為約束條件之一的分配問題,沒有給出具體的偏好泊位對(duì)調(diào)度的模型優(yōu)化。鄭子龍等[7]針對(duì)離散泊位提出了偏好泊位約束下的泊位分配問題,對(duì)離散泊位分配建模優(yōu)化,但是現(xiàn)在泊位發(fā)展的趨勢(shì)是連續(xù)泊位,連續(xù)泊位越來越符合實(shí)際船舶靠泊與碼頭作業(yè)需要。

隨著多Agent的智能系統(tǒng)建模的發(fā)展,基于多Agent的泊位岸橋調(diào)度集成優(yōu)化成為可能。周鵬飛[8]針對(duì)碼頭堆場(chǎng)管理問題,設(shè)計(jì)了堆場(chǎng)收發(fā)箱多Agent管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)收發(fā)箱分布式動(dòng)態(tài)優(yōu)化管理。李尤豐[9]通過對(duì)集裝箱碼頭裝卸作業(yè)環(huán)節(jié)的設(shè)備設(shè)施的分配調(diào)度特點(diǎn)及各子系統(tǒng)間的關(guān)系,建立基于多Agent系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度模型。王祥雪等[10]提出的基于多Agent系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)模型,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的Agent層次模型和實(shí)線層類圖,優(yōu)化集裝箱裝卸最短路徑搜索方案。李斌[11]針對(duì)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的協(xié)同生產(chǎn)問題,建立基于Agent的計(jì)算的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)優(yōu)化,得出一種高魯棒的協(xié)同生產(chǎn)體系。鄒金松[12]通過分析集裝箱碼頭智能操作系統(tǒng)框架,對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭智能操作系統(tǒng)。

當(dāng)前已有一些文獻(xiàn)是針對(duì)動(dòng)態(tài)連續(xù)型泊位和岸橋聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化的研究,但是考慮偏好泊位這一約束,并結(jié)合多Agent智能特點(diǎn)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)很少。本文提出的基于多Agent的偏好泊位約束下連續(xù)泊位分配和岸橋聯(lián)合調(diào)度問題,建立了聯(lián)合調(diào)度的多Agent模型,并通過算法設(shè)計(jì)以及仿真模擬實(shí)驗(yàn),分析加入偏好泊位約束條件對(duì)船舶的靠泊影響,以及對(duì)泊位和岸橋的分配的影響,這對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化泊位-岸橋調(diào)度具有實(shí)際意義。

1 問題描述

1.1泊位-岸橋聯(lián)合調(diào)度問題

泊位-岸橋聯(lián)合調(diào)度是指在某段時(shí)間內(nèi),碼頭調(diào)度人員根據(jù)各類資源的狀態(tài)和調(diào)度策略,為每艘即將到港作業(yè)的船舶分配最佳靠泊位置和靠泊順序,并根據(jù)船舶作業(yè)要求調(diào)配相應(yīng)數(shù)量的岸橋,以期望得到最優(yōu)的服務(wù)和最高的作業(yè)效率。在實(shí)際的操作中,泊位分配和岸橋調(diào)度是兩個(gè)緊密相關(guān)的過程,岸橋不是固定在一個(gè)位置不動(dòng)的,而是根據(jù)任務(wù)需要沿著作業(yè)線移動(dòng),本文是將泊位和岸橋兩者的調(diào)度聯(lián)合起來考慮的。

在碼頭實(shí)際靠泊作業(yè)中,每艘船舶都有其偏好的泊位,船舶在靠泊后,參與作業(yè)的岸橋數(shù)以及堆場(chǎng)運(yùn)輸?shù)膮f(xié)調(diào)性等都是碼頭作業(yè)效率的影響因素,船舶停靠在其偏好泊位上能夠大幅提高作業(yè)效率。對(duì)于偏好泊位的描述,可以用圖1-1來表示,其中橫軸代表泊位岸線,縱軸代表時(shí)間;Δbi表示船舶i偏離偏好泊位的距離;Tpr表示船舶i延遲到港時(shí)間;Tqs表示船舶i延遲離港時(shí)間。

圖1 船舶靠泊時(shí)空?qǐng)D

1.2Agent的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)度框架結(jié)構(gòu)的需要,設(shè)計(jì)了混合型的Agent結(jié)構(gòu),其中,動(dòng)態(tài)管理Agent、岸橋調(diào)度Agent和泊位分配Agent作為管理者,側(cè)重的是思考型;船舶Agent、岸橋Agent和泊位Agent作為任務(wù)的執(zhí)行者,側(cè)重的是反應(yīng)型。Agent內(nèi)部是由感知器、緩沖區(qū)、推理機(jī)、知識(shí)庫、響應(yīng)器和注冊(cè)機(jī)組成,即Agent=<P,B,D,K,R,I>。圖2給出了岸橋調(diào)度Agent作為管理者的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其他Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其類似,區(qū)別在于推理機(jī)的不同。

P:感知器。實(shí)時(shí)監(jiān)聽發(fā)送給Agent的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的主動(dòng)感知。

B:緩沖區(qū)。存放發(fā)送給Agent的消息隊(duì)列。

D:推理機(jī)。是Agent的核心組成,包括推理、決策分析、優(yōu)化及評(píng)估等功能,不同類型的Agent的推理機(jī)功能不同。

K:知識(shí)庫。存放Agent相關(guān)知識(shí)、規(guī)則的數(shù)據(jù)庫。

R:響應(yīng)器。負(fù)責(zé)向其他Agent發(fā)送消息。

I:注冊(cè)機(jī)。Agent中變量的聲明、定義和初始化。

圖2 岸橋調(diào)度Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3泊位岸橋調(diào)度多Agent系統(tǒng)框架模型

碼頭泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的過程,本文在對(duì)泊位、岸橋業(yè)務(wù)流程深入分析的基礎(chǔ)上,提出了基于多Agent的泊位-岸橋聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)框架。系統(tǒng)由以下幾類Agent組成:船舶Agent、動(dòng)態(tài)管理Agent、泊位Agent、岸橋Agent、泊位分配Agent、岸橋調(diào)度A-gent。圖3給出了集裝箱碼頭多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架模型。

圖3 集裝箱碼頭多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架模型

該模型中,動(dòng)態(tài)管理Agent的功能是負(fù)責(zé)控制和監(jiān)督整個(gè)任務(wù)的具體執(zhí)行;岸線上每個(gè)泊位對(duì)應(yīng)一個(gè)泊位Agent,實(shí)時(shí)更新泊位的狀態(tài)信息,將結(jié)果及時(shí)反饋給泊位分配Agent,并接受泊位分配Agent的靠泊分配任務(wù);岸線上每個(gè)岸橋?qū)?yīng)一個(gè)岸橋Agent,實(shí)時(shí)將岸橋狀態(tài)信息反饋給岸橋調(diào)度Agent,接受岸橋調(diào)度A-gent的調(diào)度;泊位分配Agent負(fù)責(zé)給各個(gè)泊位Agent發(fā)送指令,查詢泊位Agent的實(shí)時(shí)信息,接收動(dòng)態(tài)管理A-gent的實(shí)時(shí)調(diào)度請(qǐng)求,根據(jù)泊位Agent的實(shí)時(shí)狀態(tài)做出回應(yīng);岸橋調(diào)度Agent接收動(dòng)態(tài)管理Agent的實(shí)時(shí)調(diào)度請(qǐng)求,根據(jù)岸橋Agent的狀態(tài)信息對(duì)岸橋進(jìn)行調(diào)度,并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

2 數(shù)學(xué)模型

船舶在靠泊過程中偏離偏好泊位,將會(huì)降低碼頭裝卸作業(yè)效率,導(dǎo)致延遲離港以及延遲到港的問題,從而增加碼頭作業(yè)成本。這些問題是不可避免的,如何將偏離帶來的損失控制在最小范圍,這是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)度問題。本文在連續(xù)泊位條件下,加入偏離偏好泊位因素與因偏離偏好泊位對(duì)岸橋調(diào)度造成的影響的混合整數(shù)規(guī)劃模型。

模型基于以下的假設(shè)條件:

(1)岸線有滿足船舶靠泊的一切條件;

(2)每艘船舶都有一個(gè)偏好的停泊位置;

(3)每艘船舶都有最小岸橋需求數(shù)和最大岸橋需求數(shù),本文忽略岸橋移動(dòng)時(shí)間;

船舶作業(yè)時(shí)間連續(xù),不會(huì)中斷,相鄰岸橋之間存在干擾。為了便于模型的建立,引入以下符號(hào):

2.1參數(shù)

A:到港船舶集合,A={1,2,…,K};

B:港口的可用岸橋總數(shù)量;

L:港口岸線的總長(zhǎng)度;

li:船舶i的長(zhǎng)度;

Ci:能夠同時(shí)分配給船舶i的岸橋數(shù)變化范圍,Ci=

pi:船舶i的預(yù)期到港時(shí)間;

qi:船舶i的預(yù)期離港時(shí)間;

wi:船舶i的最遲離港時(shí)間;

α:偏離偏好泊位系數(shù);

2.2決策變量

bi:船舶i實(shí)際靠泊位置;

Δbi:船舶i實(shí)際靠泊位置偏離偏好位置的距離,Δbi=|Δbi-bi|;

ri:船舶i實(shí)際到港作業(yè)時(shí)間;

si:船舶i完成作業(yè)實(shí)際離港時(shí)間;

2.3目標(biāo)函數(shù)與約束條件

該模型主要考慮的是船舶在靠泊過程中偏離偏好泊位靠泊,系統(tǒng)重新分配岸橋產(chǎn)生的成本,船舶Δbi'個(gè)泊位偏差距離共需要(1+·Δbi)·mi個(gè)岸橋服務(wù)時(shí)間;同時(shí),在目標(biāo)函數(shù)中還應(yīng)該體現(xiàn)出兩個(gè)時(shí)間差的成本,一是延遲離港時(shí)間成本,二是延遲到港的時(shí)間成本。該模型的目標(biāo)函數(shù)為:

此模型給出了船舶的靠泊位置、靠泊時(shí)間和在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)服務(wù)于該船舶的岸橋數(shù)量。目標(biāo)函數(shù)式(1)表示船舶在港停泊的最小總成本;式(2)-(4)分別給出目標(biāo)函數(shù)式中三個(gè)成本的表達(dá)式,(2)式表示因偏離偏好泊位所引起的岸橋變動(dòng)成本,(3)式表示遲于預(yù)期離港時(shí)間產(chǎn)生的成本,(4)式表示遲于到港時(shí)間產(chǎn)生的成本;(5)式限制了船舶的停泊位置;(6)式表示船舶離港時(shí)間與靠泊時(shí)間關(guān)系;(7)式限制了同一時(shí)刻作業(yè)的岸橋總數(shù)小于總可用岸橋數(shù);(8)式是各船舶的實(shí)際作業(yè)時(shí)間;(9)、(10)式限制了該模型必須保證船舶離港時(shí)間不遲于最遲離港時(shí)間,到港時(shí)間不早于預(yù)期到港時(shí)間;(11)、(12)式限制了兩艘船舶在空間和時(shí)間二維圖中不會(huì)重疊。

3 分步的遺傳算法

本文提出的基于多Agent的泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度的算法主要思想即:首先根據(jù)遺傳算法確定船舶的靠泊位置和靠泊順序;在泊位確定的基礎(chǔ)上,再確定每個(gè)泊位上的岸橋數(shù)量。

算法步驟如下:

①染色體編碼:編碼方式如表1所示。子染色體1是服務(wù)優(yōu)先級(jí)順序,與泊位偏好成正比;子染色體2是停靠泊位位置。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多樣性,初始種群隨機(jī)生成。

表1 染色體編碼示例

②適應(yīng)度值函數(shù):本文模型考慮的是最小化目標(biāo)函數(shù),故采用目標(biāo)函數(shù)值倒數(shù)來表示適應(yīng)度值函數(shù),即f=1/z。進(jìn)化過程中適應(yīng)度值函數(shù)越大的染色體,越有可能被保留繼續(xù)進(jìn)行遺傳操作以生成子代染色體;

③選擇策略:采用比例算子,根據(jù)上一步個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)采用輪盤賭法確定個(gè)體被選擇出來的概率;

④交叉映射:包括雙切點(diǎn)交叉和修復(fù)程序,用這種修復(fù)程序修復(fù)因簡(jiǎn)單雙切點(diǎn)交叉而引起的不合法性。包含四個(gè)步驟:(1)確定染色體矩陣切點(diǎn)列X,Y;(2)交換中間部分;(3)選取合理的映射關(guān)系(1-2,6-7,5-3;10-30,110-90,125-105);(4)按映射關(guān)系恢復(fù)未交換部分的合法性。過程如圖4所示。

⑤換位變異:隨機(jī)在染色體矩陣上選取兩列位置,將相應(yīng)基因的位置交換,過程如圖5所示。

⑥終止條件:達(dá)到迭代次數(shù)或達(dá)到最優(yōu)解情況。

4 算例求解

假設(shè)某集裝箱碼頭的連續(xù)岸線長(zhǎng)度為1200m,岸橋總數(shù)為10個(gè),隨機(jī)選取一段時(shí)間內(nèi)的船舶到港信息如表2。

表2 船舶到港信息

圖4 染色體交叉映射過程

圖5 染色體換位變異過程

已知設(shè)置不同的偏好泊位懲罰成本會(huì)對(duì)泊位分配結(jié)果產(chǎn)生影響,船舶在靠泊泊位時(shí),都希望能夠靠泊在偏好泊位,但是泊位分配過程中總存在各種意外。本文通過實(shí)驗(yàn),借助C++軟件求解,假設(shè)α=0,遺傳參數(shù):種群規(guī)模為10,遺傳迭代次數(shù)為200,交叉概率為0.5,變異概率為0.4。通過改變的值,得到不同額外成本下的泊位分配結(jié)果如表3所示。

通過表3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著偏離偏好泊位懲罰成本的不斷上升,對(duì)該模型結(jié)果的約束效果越明顯。當(dāng)=10時(shí),此時(shí)相當(dāng)于不考慮偏離成本的因素,總的偏離量達(dá)到了13,當(dāng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值不斷增大,總的偏離量也在隨之減少。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)引入懲罰成本概念,可以大大降低船舶偏離偏好泊位的現(xiàn)象,從而提高碼頭作業(yè)效率,降低作業(yè)成本。

表3 不同偏好泊位懲罰成本下的泊位分配

為了更直觀地觀察加入偏好泊位懲罰成本對(duì)泊位岸橋聯(lián)合分配的影響,在其他條件不變的情況下,對(duì)比不同偏離系數(shù)α下的分配狀態(tài),圖6、圖7分別給出了α=0和α=8泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度的結(jié)果圖。從圖中可以看到,當(dāng)α增大時(shí),船舶靠泊在偏好泊位上的概率更大,進(jìn)而岸橋的調(diào)度也得到了優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文在對(duì)連續(xù)岸線上泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度研究基礎(chǔ)上,引入偏好泊位約束條件,以偏離偏好泊位成本為約束條件,并結(jié)合多Agent智能化的特點(diǎn),建立基于多A-gent的泊位岸橋聯(lián)合分配模型。設(shè)計(jì)了分步的遺傳算法,結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行泊位分配,降低船舶偏離偏好泊位的概率,再根據(jù)泊位狀態(tài)安排相應(yīng)數(shù)量的岸橋。最后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了模型和算法是有效的,設(shè)置較高的偏離懲罰成本能夠使船舶優(yōu)先考慮偏好泊位。但在文中只是說明了根據(jù)泊位分配岸橋數(shù)量,而沒有具體的分配策略,缺少對(duì)Agent間通信的研究,這是接下來需要繼續(xù)深入研究的。

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圖6 α=0時(shí)泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度

圖7 α=8時(shí)泊位岸橋聯(lián)合調(diào)度

[6]樂美龍,劉秀玲.基于泊位偏好與服務(wù)優(yōu)先級(jí)的泊位和岸橋分配[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(5):709-712.

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Continuous Berth;Preference Berth;Multi-Agent;Genetic Algorithm;Intelligent

Berth-Crane Allocation Problem Based on Multi-Agent with the Preferences of Berthing Position

ZHU Shuo-bo,JIN Yong-he
(College of Information Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306)

Berth and crane are the most precious resources,making reasonable design for the scheduling mechanism can make full use of resources. Considers the continuous berth with preference berthing constraints,to minimize the deviation from the berth preference cost as objective function,combined with the Multi-Agent's intelligent characteristics,proposes a scheduling model based on Multi-Agent.Designs a new genetic algorithm bases on the model to achieve efficient berth crane scheduling.And makes example to prove the validity of the model and algorithm.The experimental results verify the introduction of preference constraints can efficiency improve the berth handling,and also can reduce the cost caused by the deviation from the berth preference.

1007-1423(2016)20-0039-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.20.008

朱碩博(1990-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦劭谖锪鲀?yōu)化

金永賀(1988-),男,山東菏澤人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦劭谖锪餍畔⒒?/p>

2016-04-19

2016-06-10

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