摘  要： 針對集裝箱裝卸設(shè)備作業(yè)相互耦合的特點，設(shè)計了基于多智能體的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型。首先應(yīng)用帶有阻塞限制的混合流水車間模型構(gòu)建了調(diào)度模型，隨后應(yīng)用蟻群算法得到初始方案，最后應(yīng)用多智能體的合同網(wǎng)機制對方案進(jìn)行調(diào)整。仿真結(jié)果顯示，該調(diào)度方法具有較好的可行性。
關(guān)鍵詞： 集裝箱碼頭；裝卸設(shè)備；集成調(diào)度；智能體

　集裝箱碼頭在有限的作業(yè)空間上布置了多種裝卸設(shè)備，如岸橋、場橋、集卡和自動導(dǎo)引運輸車（AGV）等，通過這些設(shè)備間的協(xié)調(diào)作業(yè)完成碼頭的物流任務(wù)。在日常運作中管理者需要對裝卸設(shè)備進(jìn)行調(diào)度以提高作業(yè)效率，而這些決策又常常相互影響、相互制約，因此針對集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的調(diào)度和協(xié)調(diào)是一個比較復(fù)雜、困難的問題。
1 研究現(xiàn)狀
　近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者針對集裝箱碼頭裝卸設(shè)備調(diào)度及優(yōu)化問題展開了研究。Lee[1]研究了集裝箱港口中岸橋的作業(yè)順序分配問題，建立了考慮橋吊互不干涉約束的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并提出了模型的啟發(fā)式遺傳算法。計明軍和靳志宏[2]研究了基于時間最短的集卡線路優(yōu)化模型，并應(yīng)用進(jìn)化算法求解模型，但未討論集卡配置問題。這些研究取得了豐碩的成果，但也存在有待改進(jìn)和提高的方面?，F(xiàn)有研究中構(gòu)建的模型大多針對碼頭單個設(shè)備（或單類設(shè)備）的模型，而忽略了作業(yè)設(shè)備的關(guān)聯(lián)性，因此調(diào)度結(jié)果的可行性相對較差。
近年來，基于多Agent的復(fù)雜系統(tǒng)建模的最新發(fā)展，使得開展基于多Agent的碼頭裝卸設(shè)備集成優(yōu)化成為可能，如李斌和李文鋒[3]應(yīng)用多Agent方法對集裝箱碼頭的協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度問題進(jìn)行了探討，提出了集裝箱碼頭集成服務(wù)系統(tǒng)的思想。楊鵬等[4]將Agent方法應(yīng)用于場橋間的作業(yè)協(xié)調(diào)，但研究對象僅限于堆場的場橋作業(yè)環(huán)節(jié)。Agent系統(tǒng)屬于分布式自治系統(tǒng)，具有高度的靈活性，但在決策實時性方面則往往難以滿足系統(tǒng)要求。本文應(yīng)用集中式?jīng)Q策和多Agent融合的方法，對碼頭裝卸設(shè)備的協(xié)同調(diào)度問題開展研究。
2 裝卸設(shè)備調(diào)度集成建模
　本文將裝卸設(shè)備集成調(diào)度問題分解為存在關(guān)聯(lián)性的三個問題：（1）裝卸設(shè)備的集成調(diào)度建模問題；（2）集成調(diào)度模型的求解問題；（3）基于多智能體的調(diào)度方案柔性調(diào)整問題。其中問題（1）的建模過程中可以忽略裝卸設(shè)備初始位置及其作業(yè)過程中的相互影響等因素；而問題（2）得到的調(diào)度結(jié)果只是初始方案（或稱為粗方案）；在問題（3）中需要設(shè)計設(shè)備Agent的避讓規(guī)則以及作業(yè)任務(wù)調(diào)整規(guī)則，經(jīng)過仿真、調(diào)整得到最終的細(xì)化調(diào)度方案。
2.1 問題描述
　集裝箱碼頭存在岸橋作業(yè)、水平運輸和場橋作業(yè)三類操作，對應(yīng)設(shè)備分別為岸橋、集卡、場橋。集裝箱作業(yè)需要在三類設(shè)備中依次選擇完成任務(wù)，但不存在環(huán)節(jié)間的緩沖區(qū)?；诖a頭作業(yè)流程的特點，應(yīng)用帶有阻塞限制的混合流水車間模型（NWHFS）對其描述。
　本文基于以下假設(shè)構(gòu)建了集成調(diào)度模型：（1）由于自動導(dǎo)引車（AGV）在國內(nèi)使用較少，因此假設(shè)裝卸設(shè)備僅包括岸橋、場橋和內(nèi)部集卡（如無特殊注明，以下集卡均表示內(nèi)部集卡）；（2）模型中僅考慮船舶的卸載作業(yè)（裝船作業(yè)與此類似，僅順序相反）；（3）忽略裝卸設(shè)備作業(yè)細(xì)節(jié)，同類設(shè)備能力相同，完成相同任務(wù)的耗時與設(shè)備所處位置無關(guān)。

2.2 基于MAS的柔性調(diào)度方案
　考慮將裝卸設(shè)備映射為Agent，根據(jù)設(shè)備的特點和作業(yè)規(guī)則為Agent設(shè)置沖突避讓規(guī)則，應(yīng)用合同網(wǎng)機制為設(shè)備設(shè)計作業(yè)任務(wù)調(diào)整規(guī)則。模型中共設(shè)置岸橋、場橋和集卡三類Agent，下面將對各類Agent的沖突消解機制和任務(wù)調(diào)整機制進(jìn)行介紹。
2.2.1 沖突消解機制
　場橋Agent的沖突消解機制：在仿真模型中，為場橋Agent設(shè)置圓形沖突探測區(qū)，一旦出現(xiàn)探測區(qū)的重疊，則重疊的場橋Agent各自提出修改路徑的代價函數(shù)——修改路徑的移動成本。最終成本最小的Agent調(diào)整路徑，若成本相同，則隨機選擇Agent調(diào)整路徑。
　岸橋Agent的沖突消解機制：岸橋僅能夠在岸邊做一維移動，岸橋Agent也具備沖突探測區(qū)，當(dāng)岸橋Agent發(fā)生移動沖突，則選擇外側(cè)岸橋Agent向外側(cè)移動等待。
　在天津地區(qū)集裝箱碼頭的調(diào)研過程中了解到，由于驗放閘口的入場集卡數(shù)量控制功能，國內(nèi)碼頭集卡作業(yè)中極少出現(xiàn)沖突或死鎖，因此模型中假設(shè)集卡Agent不存在沖突問題。
2.2.2 裝卸任務(wù)調(diào)整機制
　在模型中為裝卸設(shè)備Agent設(shè)置：忙碌、空閑和沖突等待狀態(tài)。當(dāng)Agent正在固定位置執(zhí)行裝卸任務(wù)或向目標(biāo)工位移動，其狀態(tài)為忙碌；當(dāng)Agent完成其全部裝卸任務(wù)序列，其狀態(tài)為空閑；當(dāng)Agent被其他Agent阻擋，其狀態(tài)為沖突等待。
　當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)處于空閑或沖突等待狀態(tài)的Agent，則忙碌狀態(tài)的設(shè)備Agent將對尚未完成的任務(wù)進(jìn)行招標(biāo)。由空閑和沖突等待狀態(tài)Agent及其自身競標(biāo)，競標(biāo)的報價函數(shù)為完成該裝卸任務(wù)的移動時間。最終任務(wù)分配給報價最低的Agent，該Agent將其狀態(tài)置為忙碌，原有Agent從其任務(wù)序列中刪除該任務(wù)。
3 仿真結(jié)果
　為了檢驗本文的調(diào)度方法，本文參考天津某碼頭布局方式、管制習(xí)慣和參考文獻(xiàn)[5]提供的裝卸設(shè)備參數(shù)進(jìn)行仿真實驗，仿真采用的軟件為NetLogo。應(yīng)用Agent方法進(jìn)行調(diào)度方案修正的記為A試驗；未采用MAS方法修正調(diào)度方案的記為B試驗。為了確保B試驗?zāi)軌蛲瓿扇垦b卸任務(wù)，為其設(shè)置了簡單的沖突處理機制。仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

　圖1中由于裝卸設(shè)備之間缺乏有效的協(xié)調(diào)機制，B的總?cè)蝿?wù)完成時間隨任務(wù)量的增長而顯著增加；由于A中采用了協(xié)商機制，具備沖突消解措施，任務(wù)完成時間并未顯著增長。圖2中卸載的集裝箱數(shù)量為60。在A實驗中，采用了基于Agent的沖突條件和任務(wù)再分配機制，因此，裝卸設(shè)備間存在協(xié)作和協(xié)調(diào)關(guān)系，能夠有效發(fā)揮裝卸設(shè)備的潛力；而由于設(shè)備移動路徑?jīng)_突的存在，并且缺乏任務(wù)分配平衡機制，因此B實驗中，總完工時間并未隨裝卸設(shè)備數(shù)量的增加而顯著降低。
　在本文的研究中，MAS模型僅用于最初調(diào)度方案的調(diào)整和優(yōu)化，如果初始方案不可行度較高，則最終調(diào)整方案的結(jié)果也較差。今后將考慮根據(jù)Agent仿真結(jié)果構(gòu)建禁忌表，在Agent仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上應(yīng)用算法再優(yōu)化，并且還要考慮裝卸設(shè)備作業(yè)時間不確定性等方面的因素，使得模型更加真實地反映集裝箱碼頭的操作進(jìn)程。
參考文獻(xiàn)
[1] LEE D H， Wang Huiqiu， Miao Lixin. Quay crane scheduling with non-interference constraints in port container terminals[J]. Transportation Research part E， 2008， 44：124- 135
[2] 計明軍，靳志宏．集裝箱碼頭集卡與岸橋協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化[J].復(fù)旦學(xué)報，2007（8）：476-480.
[3] 李斌，李文鋒.基于MAS的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度體系[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2011，11（17）：2502-2513.
[4] 楊鵬，柴小燕，孫俊清.集裝箱碼頭場橋協(xié)同調(diào)度研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2011，47（1）：231-234
[5] 張煌，王少梅.基于遺傳算法的泊位連續(xù)化動態(tài)調(diào)度研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（10）：2161-2164.