自动化集装箱码头装卸作业的时空同步策略与优化方法

In automated container terminal, the quay cranes, transport vehicles, yard cranes and other container handling devices are coordinated to handle containers. The non-synchronization in time and space among operating devices causes queuing and delay problems, and even safety problem of collision, degrades the operating efficiency and resource utilization rates. From a new view of spatio-temporal synchronization, the classification and function principles, the degree and its effect of synchronization are studied for the operations of automated container terminal. Based on the spatio-temporal synchronization strategies of queuing, buffering and dynamic scheduling, multi-level programming models are devised. The decomposition and coordination strategies are designed in the views of dividing times, spaces and levels, and co-evolutionary algorithms are developed by using distributed and parallel computation technologies. Based on the computational experiment method, the spatio-temporal synchronization strategies and their effects on the process technologies and resource configuration are studied. Finally, the proposed methods are applied to the fourth terminal of Shanghai Yangsha Port. The spatio-temporal synchronization strategies and their modeling and optimization methods extend the scheduling theory; the researches on the process technologies and resource configuration of automated container terminal are deepened by considering spatio-temporal synchronization; moreover, by integrating multi-level programming modeling method, decomposition and coordination strategies, cooperative computation and computational experiment methods, new research threads and methods are provided for the design and management of logistics operations system.

自动化集装箱码头中岸桥、水平搬运和堆场装卸设备等多类设备，通过协同完成集装箱装卸搬移作业，作业设备之间在时间和空间上的不同步导致设备排队和延迟，甚至碰撞等安全问题，降低了自动化码头的作业效率和资源利用率。本项目从时空同步这一新视角出发，重点研究自动化集装箱码头装卸作业时空同步的分类与作用机理，时空同步程度及其影响；基于排队、缓冲区和动态调度的时空同步策略，建立多层规划模型；基于分时、分区和分级作业，设计模型的分解协调策略，结合分布式和并行计算技术，设计协同进化算法；基于计算实验方法，研究时空同步策略及其对作业工艺和资源配置的影响；并研究在上海洋山港四期自动化码头建设中的应用。本项目通过引入时空同步策略及其建模与优化扩展调度理论；通过考虑时空同步深化对自动化集装箱码头作业工艺和资源配置的研究；通过集成多层规划建模、分解协调策略、协同计算和计算实验，为物流作业系统设计与管理提供新思路和方法。

以自动化集装箱码头为背景，考虑一类多级多类设备耦合的复杂物流系统中的作业过程与资源的计划、调度与管理，并引入“时空同步”作为其复杂性的一般性描述，充实该概念，并研究相应的建模、算法与计算实验设计方法。从一般时空观出发提出物流多级作业时空同步，并使用这个概念抽象与分析物流作业复杂性，提出多个视角的分类体系。提出“时空同步”拓展物流多级作业模型的基本范式，提出基于排队、缓冲区、重调度、不确定和动态调度的时空同步策略，从模型结构、系统集成、计算方法等角度提出求解“时空同步”模型的集成式、多层规划、分解协调、仿真优化、并行与分布式计算算法。以自动化集装箱码头为背景，从空间布局、工艺系统、网络规划三个层次研究“时空同步”系统设计；进一步从局部交通网络和作业设施设备两个角度研究资源配置问题。然后，从三个层次研究“时空同步”多级作业系统的计算实验方法，即：时空同步特征复杂性、决策模型与算法计算实验、时空同步行为计算实验。最后，以自动化集装箱码头为研究对象，研究同级、邻级与整体时空同步问题及其建模与算法方法。虽然，本文以自动化集装箱码头为背景针对物流多级作业系统进行研究，所提出的问题、模型、算法与系统，能够拓展到一般作业系统，甚至一般动态系统。“时空同步”反映动态系统的一般与共性特征。在自然基金委的资助下，经过四年多的研究，共发表学术期刊论文五十余篇，其中SCI/SSCI近20篇，直接洋山四期自动化码头提供数学建模与算法学术报告与培训近十次，主办和参与的各类相关研讨会和学术会议近四十次，其中大会报告近十次，与国际上多位著名学者开展合作研究并开始发表合作研究成果。所获得研究成果在集装箱码头运作优化、物流与港航物流系统、海运研究等领域受到学术界与行业的认可。主要学术贡献包括：提出“时空同步”这一一般物流多级作业系统的理论共性；从建模、算法设计、系统设计与分析、复杂性研究等层次提出了新的分析视角与方法。