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基于Dijkstra算法的集装箱港口集卡调度场规划研究

gecimao 发表于 2019-05-15 06:05 | 查看: | 回复:

  随着国际间贸易日益活跃,集装箱作为一种安全、低成本和高效的运输载体,已经成为世界范围内主要的物流运输手段。根据交通运输部总体规划,我国将在“十三五”期间重点鼓励发展集装箱多式联运、厢式运输等先进运输组织方式,完善集装箱港口布局,提高港口作业效率,提升港口现代化水平。

  集装箱港口是集装箱运输过程中的重要枢纽节点,在全球集装箱港口吞吐量急速增长的背景下,通过提高港口的运作效率来提高港口的市场竞争力已经成为各大集装箱港口最为关心的问题。集装箱港口的运作效率很大程度上取决于装卸系统的作业效率。集卡主要用于港区内集装箱的水平运输,是港口主要的甚至是唯一的水平运载工具。通过对集装箱港口装卸设备调度进行优化,缩短对船作业时间,一方面可以减少集装箱船舶的滞港时间,提高码头的作业效率和竞争力,另一方面可以提高集装箱船舶的周转率,有助于降低运营成本。

  在集装箱港口中,集卡调度问题不仅影响岸桥装卸效率,而且更关系到集装箱港口的运行成本。一些世界先进集装箱港口的经验表明,根据作业的需求合理安排集卡调度,对减少交通拥挤、降低港口作业成本、提高港口作业效率至关重要。

  迪杰斯特拉(Dijkstra)算法于1959年由荷兰计算机科学家迪杰斯特拉首次提出,通常用于计算源点到其他所有节点的最短路径,是一种经典的最短路径寻优算法。迪杰斯特拉基本原理和步骤如下:

  (1)设置一个带权有向图M=(V,D),把这个有向图中所有顶点的集合V分为两个部分,第一部分用集合A表示,为该有向图中所有最短路径所有顶点集合。一开始时集合A中只有源点,以后按照两个节点中的最短路径,就将后续顶点加入到集合A中,直到所有顶点都加入到A中,即为从源点到终点的路径。第二部用集合B表示,为除集合A之外其余非最短路径的顶点集合,按最短路径的长度次序依次将第二组集合B中的顶点加入到第一组中。

  (2)在将集合B加入到集合A的过程中,始终保持着从源点V到A中各顶点的最短路径不大于从源点V到B中各顶点的最短路径长度。

  以往传统的集卡场地选址方法为经验数据法,即以调度场地至码头前沿和堆场的直线最短距离中点作为规划依据。而在实际运行过程中,集卡需要按照港内道路行驶,无法按照直线路径,到达码头前沿和后方堆场。所以按照传统方法进行集卡调度场的选址,不符合集卡沿港内道路行驶的实际情况。

  比如调度场至码头和堆场的直线距离一致,但调度场至码头有直接通道,而到后方堆场需要绕道,故集卡实际行驶距离到码头较近,而到后方堆场行驶距离较远,与经验数据的直线距离不一致。

  本文将迪杰斯特拉(Dijkstra)算法引入到集卡调度场选址中,将码头和堆场抽象为起始点和终点,将港区道路路网抽象为路径算法节点,通过最短路径算法寻优,选择出最有利于调度路径的调度场选址。

  芜湖港三山中外运长航码头位于芜湖港三山港区三山河作业区的规划预留发展岸线段,码头自上游向下游依次布置2个5000吨级集装箱泊位、1个5000吨级多用途泊位(含重件运输)、1个5000吨级件杂泊位和1个5000吨级散货泊位,泊位采用高桩连片式布置型式。陆域纵深约389~439m,陆域宽度为783.5m,总占地面积约495.2亩。对本工程采用迪杰斯特拉算法进行集卡调度场规划步骤如下:

  (1)根据总平面地块布置、道路布置,确定所有道路交叉点、拐弯点、作业点;

  (2)按照地块布置,确定待选集卡调度场场址。由于港区办公楼、宿舍需要避开嘈杂环境且接近疏港主干道,集装箱堆场需要根据地质勘查报告选择承载力条件较好的地块以便地基处理,所以在确定待选调度场场址时,应避开港区办公楼、宿舍和集装箱堆场等已确定用途的地块。

  (3)确定某一待选场址内集卡至全部作业点的最短行驶路径,进而根据作业点规模确定集卡作业运行成本。

  (4)遍历所有待选集卡调度场场址,最终确定集卡运行费用最少、行驶里程最短的最优调度场场址。

  如图2所示,对港区主要道路及作业点进行分析,港区南北向道路共5条,东西向道路6条,交叉点8个,拐弯点17个;作业点5个,分别为重箱地块1至重箱地块4、码头平台岸桥;待选集卡调度场场址共4处,分别为空箱地块1、空箱地块2、空闲地块1、空闲地块2。

  设置一个有向一个带权有向图M=(V,D),这个有向图包含所有港区道路节点数量集合以及道路距离。运用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法分析有向图中所有顶点的集合以及节点间的路径。

  (1)初始时,集合A中只有源点,即A= {源点},节点间的距离为0(表示源点到自己的距离为0)。B包含除源点外地所有其他顶点,B中还包括有向图所有节点与距离为边上的权值,即节点间的距离。

  (2)从B中选取一个距离源点最小的顶点集合加入到A中,不断重复,即可得出源点到各节点的最短距离。

  (3)以目的点的实际距离考虑源点与目的点之间的中间点,修改B中各顶点的距离。若从源点经过顶点的距离比原来距离短,则修改顶点之间的距离为最短距离。

  集装箱运输是今后很长一段时间物流行业的发展方向,将来会有越来越多的货物通过集装箱运输。集装箱港口是集装箱运输体系中的重要节点,港口的运行效率将直接影响整个集装箱物流体系的效率。通过优化集卡这一集装箱港口重要的水平运输工具的运行线路,提高装卸效率,降低空驶里程,可以起到减少港口运行成本,增强港口竞争力的作用。

  本文在总结国内外集装箱港口调度系统研究的基础上,结合内河集装箱港口港区狭长,规模较小的特点,从港口规划阶段入手,在港口建设初期就对集卡调度场地进行合理科学规划,使得集卡在单次装卸作业时的行驶里程最少,为今后港口的智能化调度升级打下基础。

  [1] 交通运输部.《交通运输标准化“十三五”发展规划》[R].北京:交规划发〔2016〕74 号.

  [2] 交通运输部.《交通运输部关于推进长江航运科学发展的若干意见》[R].北京:交政研发〔2015〕199号.

  [3] 刘文芳.港口集装箱运输车辆调度问题研究[D].天津:天津大学,2008.

  [4] 康志敏.集装箱自动化码头AGV路径优化和调度研究[D].武汉:武汉理工大学,2011.

  [5] 葛盼盼.集装箱码头物流优化调度关键技术研究[D].青岛:青岛大学,2009.孟小平.物流配送及其运输调度优化研究[D].大连:大连海事大学,2007.

  [6] 潘常虹.集装箱码头水平运输优化系统研究[D].大连:大连海事大学,2013.

  [7] 陶经辉,张晓萍,陆旻.集装箱港口智能化调度研究综述及展望[J].集装箱运输,2015,4:21-24.

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