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基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真.doc

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基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真.doc

基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真摘要在全球贸易经济越来越多的聚焦在中国的同时,为了迅速与国际贸易接轨,中国经济贸易进入快速增长时期。港口也承担起了国内外贸易的重要枢纽。但是随着国内经济贸易迅速发展,对港口的吞吐量及运营能力的要求也越来越高。目前港口的吞吐能力和港口与日俱增的业务量成为目前港口业的主要矛盾。这不仅影响到港口的运营成本以及客户的满意程度,也是影响港口竞争能力的重要因素之一。在港口运营系统中,泊位作为限制港口工作效率、吞吐量的重要环节之一,泊位的调度近年来成为港口管理者以及学者研究的重要内容。因此,如何提高泊位这个环节的运作能力,在现有的有限资源的条件下,尽可能的减少船舶在港时间,增加港口的吞吐能力是本文的主要研究对象。本文采取优化算法与仿真模型相结合的研究方法,根据泊位系统的特点,分析影响船舶停泊时间的因素,引入蚁群算法优化,将泊位调度问题转化为旅行商问题,以所有在港船舶时间最短为目标函数。同时综合考虑了岸桥资源对船舶在港时间的影响,建立数学模型,得到最佳调度方案,缩短船舶在港等待时间总和。同时利用仿真软件ProModel对泊位系统的工作流程建立仿真模型,模拟船舶到港,泊位分配及岸桥卸货整个过程。建立两个仿真模型分别模拟船舶先来先服务的泊位调度方案,以及通过蚁群算法优化得到的最佳泊位调度方案,比较这两种方案船舶在港的时间。再次验证泊位调度优化结果的有效性,同时观察在不同的调度方案下,系统中的资源及各个环节的利用率等数据,以更好的指导港口实际的泊位调度。关键词港口泊位调度蚁群算法ProModel仿真模拟ABSTRACTWiththeattentionofglobaltradeandeconomicsfocusingonChina,internationaltradeandeconomicsofChinahasturningintoaquickdevelopingperiodinordertomeetthepaceandneedofglobaleconomics.Portisoneofthemostsignificantnexusconnectingtheglobalanddomesticeconomics.However,alongwiththehighspeedofthedevelopmentofinternationaltradeandeconomics,therequirementofthethroughputandcapacityofoperationisbecominghighertheneverbefore.Theprincipalcontradictionofportindustryisincompatibleofthroughputcapacityandtheincreasingserviceneedtotheportwhichwillnotonlyaffectthecostofportmanagementandthesatisfactoryofthecustomer,butalsothecompetitivenessoftheport.Intheoperationoftheportsystem,berthisoneofthemostimportantfactorsofthatrelatedtotheefficientofportoperationandthroughput.Berthschedulinghasbecomeanimportantresearchtheseyears.Themainstudyobjectofthispaperisfocusedonimprovingthecapacityofberthoperationwithlimitedresourcewehavenow,inordertoreducetheoveralltimevesselsspentintheport.Thispaperutilizesthecombinationofoptimizedalgorithmandsimulationmodel.Accordingtothespecialtyofportsystem,analyzesthefactorsthataffectinporttimeandimportstheAntColonyOptimizationACOtotransformtheberthschedulingissueintoTravelingSalesmanProblemTSPissue.Theobjectivefunctionistheleastinporttimecostingofallvessels.Atthesametime,craneresourceisalsooneinfluentialfactoroftheinporttimewhichisalsoconsideredintheoptimization.Themodelwasestablisheduponallthesefactorsandthemostsuitableschedulingsolutionwassuggestedbytheresults.ThesimulationmodeltoolProModelisusedtoestablishthesimulationsystemofberthsystemandsimulatethewholeprocessofarrivingofvessels,dispatchingberthandunloadingbycranes.TwodispatchingmodelswhicharefirstcomefirstservicestrategyandstrategybasedonACOareestablishedtocomparetheinporttimedifferences.Verifythesolutionofberthschedulingoptimizationiseffectiveandobservetheutilizationofresourceandothersectionsinthesystemunderthesetwomodelsinordertobemoreusefultodirectthepracticalportoperation.KeywordsPortBerthSchedulingAntColonyOptimizationProModelSimulationModel1目录第一章绪论.............................................................................................................11.1研究背景和意义..........................................11.2国内外研究现状..........................................21.2.1港口泊位调度建模研究现状..........................................................21.2.2系统仿真技术的研究现状..............................................................41.3课题的研究内容和方法............................................................................51.4文章内容安排............................................................................................7第二章基本技术方法介绍.....................................................................................82.1蚁群优化算法............................................82.1.1蚁群优化算法的基本原理及特点..................................................82.1.2蚁群算法描述..................................................................................92.2仿真方法介绍............................................122.1.1港口泊位仿真介绍.......................................................................132.1.2ProModel仿真软件介绍..............................................................14第三章泊位调度算法设计...................................................................................163.1基本数学符号............................................163.2数学模型...............................................163.2.1问题描述........................................................................................163.2.2目标函数........................................................................................173.2.3假设约束条件...............................................................................173.2.4算法的设计与实现........................................................................183.3实例仿真...............................................22第四章泊位调度仿真...........................................................................................254.1仿真模型的目标.........................................254.2泊位系统仿真模型.......................................254.2.1模型假设........................................................................................254.2.2建立基本模型元素........................................................................254.3仿真模型的设计和实现....................................264.3.1基于先来先服务原则分配泊位....................................................274.3.2基于蚁群算法调度方案分配泊位................................................284.4结论分析................................................30第五章结论...........................................................................................................305.1结论...................................................3025.2本文存在的不足与展望...................................315.2.1本文存在的不足...........................................................................315.2.2.展望.............................................................................................32参考文献.................................................................................................................33附录蚁群算法主要程序代码...............................................................................37致谢.........................................................................................................................45基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真1第一章绪论1.1研究背景和意义随着经济的发展,全球化的趋势和区域性经济合作、互相促进的趋势愈加明显。各个国家、地区都积极利用一切可能的渠道开展国内外贸易、文化交流等活动。十九世纪以来,各国经济中心城市相机在沿海地区形成,并以港口为中心进行新的经济发展布局。因为港口是一个社会关联度极高的产业,港口的发展繁荣了城市,而中心城市经济的发展又促进了港口的发展。回顾港口的发展历程极其经济、社会、历史地位、作用的变化,我们可以了解到港口与城市的密切关系,港口对城市、区域、腹地经济的发展和社会进步有着重要的作用,而城市、区域、腹地经济的繁荣,是港口得以发展的重要依托。港口作为一个重要的交通枢纽,是连接国内外贸易的重要环节之一。从制造业的角度来说,一个国家或地区港口经济的发展和竞争力,越来越影响着其制造业的发展和竞争力。区域工业与临港工业的联动性在增强,工业化进程快的国家或地区,港口经济扩张迅速,同时,港口经济发展快,也对工业化起了有力的促进作用。中国正在成为全球最具竞争力的世界工厂,也正在成为最具吸引力的世界市场。这就意味着从世界各地进口大量的原材料、零部件和消费品。所以每年中国港口数以千万计的集装箱吞吐量是一个必然的趋势,中国已经成为全球航运业争夺的主战场。我国大陆海岸线长达18000多千米,自北向南濒临渤海、黄海、东海和南海,13个沿海省份,约48个沿海城市,因此中国港口的发展,对全国的经济发展及文化交流有着重要的意义。到2010年初,中国大陆的亿吨大港已经达到十七个,稳居世界前列。同时,随着物流业近年来的迅速发展,港口间的竞争也愈加激烈。因此,加速港口建设,提高港口工作效率,以提高船舶的利用率和客户的满意度,成为热门研究的问题。港口的服务系统是一个十分复杂的系统,需要各个环节高度协调发展,各种有效资源都应该被合理高效的利用。由于港口的装卸设备都较大型且价格昂贵,增加大量装卸设备来提高港口的物流运作效率并不是管理者的最佳选择。因此如何有效的利用现有的资源,提高设备使用率,合理规划调度,成为了港口服务系统最重要的管理环节。船舶停泊是船舶入港的第一关,是提高港口效率首先要面临的问题,也是衡量一个港口的整体吞吐能力的重要指标,系统中的其他设施都绪论2根据港口泊位能力进行相应的配置。船舶到港后,能够在最短时间内靠港卸货,对泊位占用时间越短,货物的周转量也越大,港口的物流效率也会大大增加。为了不使港口的泊位分配成为整个港口系统的瓶颈环节,优化港口泊位调度,缩短船舶接受服务的等待时间,同时对泊位系统的工作流程进行仿真,深入了解在某种泊位调度方法下,泊位中各个环节的表现情况,并验证泊位调度的有效性,成为本文研究的重点。1.2国内外研究现状1.2.1港口泊位调度建模研究现状目前国内外学者针对港口的优化调度问题从不同的角度和层面展开了深入的研究,当前的研究主要包括以下几方面1泊位分配、岸边吊装设备的规划、港内的车辆调度、堆场空间的分配、堆场起吊设备的调度、闸门资源的分配和码头的整体优化调度。对泊位调度的研究从对象上来看,分为单纯的研究泊位以及把泊位与岸桥或者把整个港口作为一个整体相结合同时研究。从方法上来看,分为通过仿真模拟技术来评价和优化资源调度策略以及通过数学模型的方式来优化最优解。对港口泊位调度系统建立数学模型,求解得出最优解。这种方法的使用有较长的历史,在实际的研究中应用也比较广泛。在通过数学模型来分析优化的研究中,对于泊位单独的研究主要有AkiImai采用改进的启发式算法对泊位进行调度分配2。Lai和Shih3提出了一种针对泊位分配问题的启发式算法,这种算法是基于先来先服务FCFS的分配策略。Edomal等4也提出了利用排队论对码头泊位分配以及货物处理规划问题建立了模型并且进行了讨论。Imai5等以最小化船舶等待时间为目标,用非线性整数规划模型来分别模拟静态记忆动态码头的泊位调度问题。同时他们也通过研究,证明了在多用户的集装箱码头系统中,在不考虑先来先服务FCFS原则的情况下,可以获得较短船舶停泊时间的分配方案,但在这种情况下,会出现某些船舶等待时间过长的情况。Nishimura6等进一步扩展了上面提到的集中模型,综合考虑了水深泊位对泊位调度产生影响的情形,并应用了遗传算法对模型求解。Wang7等设计了应用随机集束搜索算法对泊位分配问题进行求解的方法。李平8等提出利用混合优化策略来提高遗传算法的种群多样性,并加速算法的进化过程,用来基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真3求解泊位分配问题。Borwn等9以船舶在港总效益最优为目标,建立了分配泊位的模型。Akio和Etsuko等把泊位分配问题分为静态泊位分配和动态泊位分配两个方面,同时还给出了两种分配问题的模型及其求解方法,重点研究利用拉格朗日松弛法解决动态泊位的分配问题。JeanFranscoisCordeau等总结了泊位分配中的连续系统模型,并且运用禁忌搜索算法对这个连续模型进行了求解。Chen和Hsieh10通过时空网络模型来帮助决策者有效地进行泊位分配,模型中综合考虑了船舶在港、到港和离港的时间,将这个问题转化成一个边约束的普通网络模型,用分支定界法求得了模型的最优解。Park等11利用基于拉格朗日的次梯度算法对泊位分配问题进行了求解。戈闻怡12用遗传算法求解泊位资源配置调度,得到了所有船舶在港时间最短的最优解。Zhou等13利用模糊理论对泊位调度中的不确定性因素进行了初步探索性研究,得到了良好的效果。而对于将泊位与岸桥相结合的研究主要有Li14等将泊位岸桥调度问题看作一个可以同时处理多个任务的处理机调度问题,并假设所有船舶在系统开始时就已经在港等候停泊,建立了以船舶在港时间最小为目标的模型,提出了启发式算法求解。类似的,Guan15等将泊位岸桥分配问题作为处理机调度问题,优化目标是将带权重的任务完成最小化时间。韩晓龙16等利用回溯算法求解了泊位岸桥配置优化模型。蔡芸17等采用遗传算法求解泊位分配及岸桥的调度问题,目标是所有船舶在港时间最短。周鹏飞18等重点考虑了船舶抵港时间和装卸时间的随机性,建立了面向随机环境的集装箱码头泊位岸桥调度模型。Daganzo1920等将船舶在港的卸货过程划分成几个不同的区域,使用了整数规划模型对静态岸桥的规划问题进行研究,达到了船舶的等待时间最小的目标。随后,又将岸桥调度过程看作成一个开放的生产计划问题,建立了整数规划模型,利用分支定界法求解模型。Bóse等21建立了岸桥等待时间最短的模型,并且建立仿真模型来模拟岸边有缓冲区的集装箱码头的工作流程,在给定集装箱装卸序列的要求前提下为桥吊配备了跨越车并确定了相应的作业序列。韩骏等22将泊位调度与岸桥分配这两个相联系的问题进行了系统分析与集成,以船舶在港时间最小为目标,利用免疫遗传算法对泊位与岸桥协调调度问题建立了优化模型,缩短船舶在港停留时间。柴志刚23为了解决缩短船舶在港作业时间而产生的负面效应,提出了一种均衡理念的优化思想。基于集装箱码头的班轮制特点及泊位调度中的不确定性因素影响,建立了综合考虑船舶靠泊位置、靠泊时刻及装卸速度的均衡优化模型。在求解中绪论4采取人机交互与自适应遗传算法相结合的方式,设计了相应的优化算法,并通过算例对模型及算法的有效性进行了验证。YoungManPark24针对同时调度规划泊位和岸桥问题,建立了一个混合整数的计算模型。首先确定船的停泊位、泊船的时间以及将与之班配的岸桥数目,用动态规划技术分配每个泊位的岸桥数量。1.2.2系统仿真技术的研究现状目前对现实系统进行仿真的可以分为三种方案25基于专用的仿真语言或通用过程语言进行开发选用仿真器通用过程仿真平台。这三种方案中,第一种方案的优点是建模灵活,但编程较复杂并容易出错选用仿真器这种方法则相反,虽然简单易用,但却缺少建模的灵活性,适用于功能比较单一的仿真而通用过程仿真平台这种方法是在前两者的基础上进行二次开发,目前用途比较广泛的方案并且比较成功的方案都有既简单易用又很灵活的特点。例如,Brooks公司研制的AutoMod,Rockwell公司的Arena,CACI公司开发的Simprocess,ProModel公司的ProModel和Lanner公司的产品Witness的等都是性能很好的仿真软件,目前在各个领域用途均较为广泛26。其中,ProModelProductionModeling仿真软件是由美国ProModel公司开发出来用于构造多种生产、服务和系统模型的计算机仿真工具,也是在美国和欧洲使用最广的系统仿真软件之一25。作为当前较流行的一种仿真工具,它能够精确地建立一个经营过程及其资源配置模型,保证模型的随机性、不确定性和相互依赖性,并同时具有为设计者提供连续或离散事件、动态以及随机的分析功能。国外已有采用二维动态仿真技术来研究港口生产系统的运作方式27,以及在港口设计中确定港口资源的合理配置的问题,并已研制出成熟软件,例如澳大利亚的RealtimeBusinessSolutionpty.Ltd推出的港口码头运作仿真软件Xwindow,以集装箱码头为主要仿真对象,利用二维图形对资源配置、堆场规划等问题进行仿真,为港口决策者提供规划依据,并且提高了港口的生产效率。仿真技术在泊位调度方面的研究成果主要有,蔡芸28利用eMPlant仿真软件建立了以总体船舶在港时间最短为目标的仿真优化模型,生成满足停泊条件和岸桥调度策略的可行分配方案,凭借仿真模型来解决数学模型中的约束条件和岸桥调度问题,当方案不满足约束时,仿真模型终止仿真,调用且返回给遗传算法一个足够大的个体适应度数值,将该方案淘汰,以保证优化结果的可行性。最终得到了包括船舶的停泊时间、停泊位置和为其服务的岸桥数目等要素的优化解。基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真5PasqualeLegato和RinaM.Mazza29运用排队网络模型,采用面向过程的VisualSLAM语言,对港口泊位计划和装卸资源分配进行了研究。唐臣30等也在排队论的基础上,使用Witness仿真软件对集装箱码头的最优泊位数进行研究。鲁子爱31把港口生产视为随机服务系统,建立了模拟港口营运状况的计算机仿真系统。仿真模型中,船舶占用泊位时间根据船舶装卸量、码头泊位装卸效率、气候影响等条件计算确定。在这些研究中,涉及到的一些船舶停泊方面的问题都是在先到先服务的基础上,再考虑一些其他的约束条件来提供泊位分配方案,然后依据船舶在港的逗留时间越短越好、泊位利用率越高越好、费用支出越少越好等因素来对各个方案进行评价,选取合理的方案。NamKC等32为韩国釜山Gamman集装箱港口评估今后发展方案,设计了四类仿真场景,采用不同作业策略,优化港口泊位和岸桥数量大小。汪锋33应用Witness仿真软件建立某集装箱码头仿真模型,具体研究在一定吞吐量情况下配备合理泊位数,以及在一定的泊位数的情况下岸桥的合理调度问题,指出了应根据不同的船泊到港密度安排合理的调度方式。1.3课题的研究内容和方法港口泊位61,一般指供一艘船舶停靠系泊的位置,称为一个泊位。具体来说,是指港区内码头岸线供船舶安全靠离、进行作业或停泊所需要的水域和空间。有码头泊位、浮筒泊位、锚地泊位等。船舶在泊位停靠必须满足一定的岸线长度要求以及泊位水深要求,其长度一般为设计船长的120,接待的船舶越大,泊位就越长,前沿水域就越深。岸桥25,简称桥吊或装卸桥,是集装箱港口使用的最大型的、价格最昂贵的装卸机械。它是港口装卸设备的龙头,主要负责装卸集装箱船舶。泊位调度是指根据码头泊位的数量、使用情况和物理条件为到港船舶或即将到港船舶安排停泊顺序以及泊位停泊。由于泊位是码头的主要稀缺资源,因此在整个港口服务系统中,具有极为重要的影响,直接决定了港口的吞吐量、工作效率。泊位调度理想的结果是船舶不需要等待就可以直接停泊、泊位的利用率达到100,而这在现实中是不可能达到的。假如由于不可预测的原因,同一时间段内进港船舶较多时,由于泊位数量的限制,船舶就不可避免的要在锚排队等待,而假如泊位的分配不合理,不仅将会造成巨大的经济损失而且会降低港口的竞争

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