基于“作业面”的铁路集装箱中心站集卡路径优化研究

丁海涛 朱晓宁

（北京交通大学交通运输学院 北京 100044）

0 引 言

在铁路集装箱中心站的现场作业中，水平搬运设备集卡的作业是集装箱中心站物流作业系统的重要组成部分.为空闲集卡选取最优走行路径，提高集卡的作业效率，对集装箱中心站物流系统作业效率的提高有着至关重要的意义.

关于集卡调度问题的研究主要分为3 个方面：（1）在集卡的调度任务确定的前提下，通过寻求集卡在站内的最短走行路径来提高集卡的作业效率，杨静蕾以集卡行走里程最短为目标，建立了集卡路径优化模型，求解集卡最优走行路径［1］；（2）在集装箱数量以及作业机械分配一定的前提下，通过寻求集卡总的作业时间（集卡等待时间以及水平运输时间）最短来优化集卡调度方法，提高其工作效率，张海青运用了规划的方法求解出了基于最小等待时间的集卡调度方法［2］；（3）考虑集卡运输的动态过程，分析其运行过程中路径冲突等的复杂性，借助于仿真软件对集卡调度进行模拟仿真，最终提出集卡的调度优化方法，李东、汪定伟以集装箱堆场道路资源为研究对象，研究怎样改善集卡对堆场道路的利用，兼顾行驶路线较短并减少道路阻塞2方面因素，达到提高堆场工作效率的目标［3－4］.

在已有的集卡路径选择优化方法中，大部分仅以单一因素作为目标函数，忽略了集卡作业现场环境的复杂性和影响因素的多样性.本研究与实际作业环境相结合，全面充分地考虑了现场作业中影响集卡最优走行路径选择的5 个影响因素，此优化方法具有较强的实用性.

1 集卡调度方法

基于“作业面”的集装箱中心站集卡调度方法是指动态地将装货、卸货、转堆一系列需要集卡的运输过程进行综合调度，集卡在任意时刻根据实际需要在多项任务中共同使用，为装卸线轨道吊、正面吊以及堆场内的轮胎式龙门吊或者叉车共享，随时投入到其他作业路线中.其具体调度方法见图1.

图1 基于“作业面”的集卡调度方法

2 模型的建立

2.1 问题描述

某集装箱中心站有m 条装卸线，有n 台轨道吊在装卸线上作业，有k 台龙门吊在堆场内服务（每个堆垛有1台龙门吊服务），有N 辆集卡为整个集装箱中心站作业系统服务.具体见图2，图中L1，L2，…，Lm表示装卸线；P1，P2，…，Pn表示装卸线上作业的轨道吊；T1，T2，…，Tk表示堆场内的龙门吊.

图2 某集装箱中心站示意图

基于“作业面”的集装箱中心站集卡调度系统中集卡为多项任务所共享使用，其核心问题为空闲集卡选择最优走行路径确定所执行任务.例如在图2中，N 辆集卡中的某集卡T 在P2处完成卸箱任务后处于空闲状态，此时所有待完成的任务均可选择集卡T 进行作业.此时装卸线前沿有4台轨道吊P1，P2，P3，P4正在进行装车作业，需要集卡从堆场内的T1，T2，T3，T4处4个堆垛运输集装箱到装卸线进行装车，由于堆场内的货物需要根据装车计划运送到一定的装卸线轨道吊下（例如T2的集装箱仅能在P2装车），此时就有了4条走行路线可供集卡T 选择.集卡T 从P2到T1，T2，T3，T4处再到P1，P2，P3，P44条不同的走行路径，就要在考虑现场各种复杂的影响因素的前提下为集卡T 选择最优走行路径，即为集卡T 确定合适的任务.

2.2 影响集卡走行路径选择的因素分析

作业道路的通行情况是决定集卡最优走行路径的重要因素.集卡在在作业时选择畅通、无阻塞的路径，可以缩短作业时间，提高作业效率.

装卸线下集卡等待轨道吊排队情况，以及堆场内集卡等待龙门吊排队情况，是影响集卡作业效率的另外2个重要因素.集卡在选择任务时偏向于集卡排队较短，所需等待时间较短的任务，从而缩短集卡作业时间，提高集卡作业效率.

堆场内龙门吊作业效率也是影响集卡水平作业的重要因素.堆场内部集装箱的转堆、装卸是堆场作业的重要环节.集卡在堆场内的作业和堆场内龙门吊的作业一一对应，因此可以将堆场内龙门吊的作业效率作为堆场内的作业效率，作为影响集卡作业效率的重要因子.

空闲集卡距目的地的距离也是影响空闲集卡选择待接任务的重要因素，即是影响空闲集卡最优路径选择的重要因素.

影响集装箱中心站内空闲集卡最优路径选择的主要因素可以归纳为5个：作业道路通行情况、装卸线下集卡等待轨道吊排队情况、堆场内集卡等到龙门吊排队情况、堆场内龙门吊作业效率以及空闲集卡距目的地的距离.在考虑以上5个因素的基础上，为集卡在m 条走行路径中确定一条最优走行路径，这是典型的多目标决策问题.

2.3 问题建模

集卡作业现场环境复杂，影响因素繁多.基于“作业面”的调度系统中集卡需要在诸多因素的影响下在多条备选路径中选择最优的走行路径，符合模糊决策的思想，因此可以用模糊决策为空闲集卡选择最优走行路径.

为空闲集卡T 在m 条走行路径中选取1条最优走行路径，即此多目标决策问题的策略集为

影响集卡最优走行路径选择的主要因素有5个，即此多目标决策问题的目标集合有5个元素，分别为：作业道路通行情况O1，装卸线下集卡等待轨道吊排队情况O2，堆场内集卡等待龙门吊排队情况O3，场内龙门吊作业效率O4，空闲集卡距目的地的距离O5.

空闲集卡最优路径选择的目标集可以表示为

目标集的权向量可以设为B，即

式中：bi为影响因子Oi对某条确定路径aj的影响程度.

空闲集卡T 在诸多因素影响下的最优走行路径的选取即为在以上模型中求取最优解，在目标集O 的影响下在策略集合A 中选取最优的策略即可.

3 最优走行路径问题求解

3.1 空闲集卡备选路径目标隶属度确定规则

1）O1：作业道路通行情况 作业道路的畅通与否可根据集装箱中心站内的测速设备实时测量集卡的运行速度，可根据测得速度的平均值作为道路通行情况的一个评判标准.可假设集装箱中心站内作业路径畅通时的平均走行速度为vmax（km／h），第i条待选择走行路径的实时集卡走行平均速度为vi（km／h）：其隶属度函数为

2）O2：装卸线下集卡等待轨道吊排队情况对于某装卸线下集卡等待轨道吊Pj排队情况，可将装卸线下轨道吊Pj服务集卡数量映射至［0，1］，来确定第j条作业路对目标O2的隶属度.可假设第j条走行路径对应装卸线下轨道吊Pj下集卡排队数量为tj辆，则其隶属度函数为

3）O3：堆场内集卡等待龙门吊排队情况 对于第j条走行路径对应堆场内集卡等待龙门吊排队情况，可将龙门吊下可服务集卡数量映射至［0，1］，来确定第j条作业路对目标O3的隶属度.可假设第j条走行路径对应堆场内集卡排队数量为tj辆，则其隶属度函数为

4）O4：堆场内龙门吊作业效率 假设第j条走行路径对应堆场内龙门吊小时作业自然箱数最大为k 自然箱／小时台，而某时刻待为其（集卡）服务龙门吊的作业效率为xj自然箱／（h·台），则其隶属度函数为

5）O5：空闲集卡距目的地的距离 对于目标O5空闲集卡距目的地的距离，可根据每条作业路的实际长度来进行评判.可假设第i条工作路径的长度为Li，所有工作路径中最短的工作路径为

则各条径路的隶属度函数为

3.2 基于模糊决策理论的集卡最优走行路径问题求解

根据2.3建立的模型：设Oi表示第i 个影响因素，uOi（aj）表示第j条路径aj在第i 个影响因素Oj中的隶属度.则决策函数D 应是5个影响因子的交集

决策函数D 对第j 条路径的隶属程度为

最优的走行路径a＊是满足下式的路径

定义决定影响因子权重的集合B，本文中采用层次分析法（AHP）来确定影响因子权重的集合B.

当考虑影响因素对路径选择重要性的加权值时，决策函数D 具有r 元组交的一般形式为

式中：M（Oi，bi）（1≤i≤5）为含有影响因子Oi和其权重bi的决策测度.可以证明对于特定路径a的决策测度可用经典蕴涵算子替代，即

最优走行路径a＊应是使D 最大的方案，若定义

于是

则以隶属函数形式给出最优走行路径为

4 基于铁路集装箱中心站的实例

以铁路集装箱中心站［5］某一时刻的实际运行情况为例，集装箱中心站内的设备配置见表1.

表1 中心站内现有配置下的参数

正常作业中的某一时刻40辆集卡中的集卡3（40辆集卡按顺序标号）完成了当前任务，处于空闲状态.有4项其他任务可以用集卡3来进行作业.即有4条作业路径可供集卡3来选择，集卡3结合实际情况选择最优作业路径.此时中心站内的实际运行情况见表2.

表2 某一时刻中心站实际运行情况

4.1 确定策略集以及隶属度函数

根据隶属度确定规则，可以确定各目标函数的隶属度函数，见表3.

表3 目标函数的隶属度函数

以上5个影响因素对目标集的隶属函数见图3.

图3 目标集隶属函数图

4.2 确定权重集合B

结合码头生产实际需要和调度人员的经验，对5个目标两两进行比较构造判断矩阵见表4.

表4 目标集的判定矩阵

依照层次分析法可得权向量集合B

4.3 确定最优形式路径

最优行驶路径应是使决策函数D最大的方案，根据模型求解中相关公式可知

同理可知

则最优走行路径为第一条作业路径，即问题的最优解为

根据上述计算，依照模糊决策的方法可以得出如下结论：在基于“作业面”的集装箱中心站集卡调度中，某一时刻某情形下某一空闲集卡有4个备选任务，即有4条走行路径可供选取.通过基于模糊决策理论的优化计算后，可以知道该集卡将选择第一条作业路径进行工作.

5 结束语

提出了基于“作业面”的集装箱中心站集卡走行路径的优化方法并给出实例进行了演示.文中首先介绍了基于“作业面”的集卡调度方法以及其在铁路集装箱中心站中的应用，然后运用模糊决策理论解决了此调度方法的核心问题，空闲集卡最优走行路径的确定，从而为空闲集卡选择合适的待接任务.该方法较全面、科学地解决了基于“作业面”的集装箱中心站集卡最优走行路径的选择问题，使基于“作业面”的集装箱中心站集卡调度系统具有更强的客观性，准确性和实用性.

［1］杨静蕾.集装箱码头物流路径优化研究［J］.水运工程，2006（1）：32－35.

［2］张海青，李 军，兰顺国.集装箱卡车调度方法研究［J］.物流科技，2008（3）：122－125.

［3］李 东，汪定伟，刘黎黎.考虑阻塞的集装箱堆场集卡路径控制策略［J］.控制理论与运用，2009，26（10）：1064－1068.

［4］李 东，汪定伟.基于仿真的铁路集装箱策略优化［J］.系统仿真学报，2009（11）：89－92.

［5］梁 剑.铁路集装箱物流中心站资源配置决策研究［D］.成都：西南交通大学，2010.