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考虑冲突规避的自动化集装箱码头AGV优化调度方法

丁一 袁浩 方怀瑾 田宇

丁一, 袁浩, 方怀瑾, 田宇. 考虑冲突规避的自动化集装箱码头AGV优化调度方法[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 96-107. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.010
引用本文: 丁一, 袁浩, 方怀瑾, 田宇. 考虑冲突规避的自动化集装箱码头AGV优化调度方法[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 96-107. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.010
DING Yi, YUAN Hao, FANG Huaijin, TIAN Yu. An Optimal Scheduling Method of AGVs at Automated Container Terminal Considering Conflict Avoidance[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 96-107. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.010
Citation: DING Yi, YUAN Hao, FANG Huaijin, TIAN Yu. An Optimal Scheduling Method of AGVs at Automated Container Terminal Considering Conflict Avoidance[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 96-107. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.010

考虑冲突规避的自动化集装箱码头AGV优化调度方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.010
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2019YFB1704400

国家重点研发计划项目 2019YFB1704405

详细信息
    通讯作者:

    丁一(1980—),博士,副教授. 研究方向:港航运作优化. E-mail:yiding@shmtu.edu.cn

  • 中图分类号: U693

An Optimal Scheduling Method of AGVs at Automated Container Terminal Considering Conflict Avoidance

  • 摘要: 合理调度自动化导引车(AGV)对于降低自动化集装箱码头的作业成本具有重要意义。针对AGV调度中的任务分配和路径规划问题,考虑AGV电量和多载等因素,结合自动化码头布局特点,以AGV作业总时间最小和多AGV作业路径无冲突分别为第一阶段和第二阶段的优化目标建立两阶段模型。设计改进模拟退火算法求解第一阶段模型,为了加速算法收敛并保证解的质量,解的改进优先考虑任务的时间成本和AGV数量;设计基于时空网络的路径规划算法求解第二阶段模型,将作业区域离散成网格网络后添加时间信息构建可更新的时空网络,在时空网络上运用最短路径算法规划路径并规避冲突。对于任务分配不均衡导致的路径规划无可行解的拥堵情况,在冲突规避基础上重新计算AGV执行任务的成本并再次进行任务分配,不断迭代直到生成多AGV间路径无冲突的调度方案。以洋山四期自动化集装箱码头为例进行仿真实验与对比分析,结果表明:与使用传统路径规划和避障策略的AGV调度方法对比,所提方法下的总作业时间平均降低了7.31%,AGV冲突数量降低为0,任务总延期时间最大降低2 895 s,最大降低路网拥堵度10.79%,验证了提出方法解决冲突规避和拥堵问题的有效性。

     

  • 图  1  自动化码头布局

    Figure  1.  The layout of automatic port

    图  2  AGV作业流程图

    Figure  2.  AGV operation flowchart

    图  3  传统码头和自动化码头路网示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of traditional wharf and automated wharf road network

    图  4  普通A*或Dijkstra路径规划结果

    Figure  4.  Result of Dijkstra or A* path planning

    图  5  时空网络模型

    Figure  5.  Spatiotemporal network model

    图  6  AGV冲突类型

    Figure  6.  AGV conflict type

    图  7  基于时空网络的路径规划

    Figure  7.  Path planning based on spatiotemporal network

    图  8  算法流程图

    Figure  8.  Algorithm flowchart

    图  9  冲突示意图

    Figure  9.  Conflict diagram

    图  10  冲突规避示意图

    Figure  10.  Conflict Avoidance Diagram

    表  1  任务分配模型参数表

    Table  1.   Theparameters ofthe task allocation model

    N 所有任务集合,N={1,2, …,2n}
    P 提货任务集合, p={1, 2, …,n}
    D 交付任务集合,D ={n + 1, n + 2, …, 2n}
    K AGV集合
    r AGV的安全电量
    ai 任务i最早可以执行时间
    li 任务i的最晚执行时间
    tijk AGV k执行任务i后执行任务j的时间成本,i节点到j节点的距离除以AGV的恒定速度
    O AGV充电站(初始节点)
    si 任务i的执行时间
    q AGV的额定载重量
    Tik AGV k到达任务节点i的时间
    eik 表示AGV k访问完任务节点i的电量
    qik AGV k到达节点i的载重量
    a 行驶单位时间消耗电量
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    表  2  路径规划模型参数表

    Table  2.   The parameters of the path planning model

    O 充电站所在位置
    K JGV集合
    T 时间段集合,(1, 2, …,n)
    V 拓扑图节点集合
    Vm 节点m的相邻顶点集
    E 拓扑图弧集合,由(m, n) 表示,其中E中不包含m到自身的虚拟边(m, m)
    W 任务集合
    Wktm 用负责运输的AGV k,到达时间t,拓扑图中的目标节点位置m来表示
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    表  3  不同冲突类型解决方法

    Table  3.   Different conflict types resolution methods

    冲突类型 传统解决方法 新策略等待时长
    追赶冲突 AGV速度恒定,一般不做考虑 AGV速度恒定,一般不做考虑
    相向冲突 重新规划路径 高优先级AGV离开该车道时间-低优先级进人该车道时间
    占位冲突 重新规划路径 高优先级AGV离开节点时间-低优先级AGV进人该节点时间
    节点冲突 等待或者重新规划路径 高优先级AGV离开该节点时间-低优先级AGV进人该节点时间
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    表  4  小规模算例

    Table  4.   Small-scale study

    任务编号 任务坐标 需求 最早开始时间/s 最迟完成时间/s 服务时间/s Pi Di
    0 (0, 0) 0 0 0 0 0 0
    1 (1, 1) 20 1 21 1 0 2
    2 (2, 1) -20 2 34 2 1 0
    3 (1, 3) 40 5 22 2 0 4
    4 (0, 3) -40 10 20 2 3 0
    5 (0, 4) 40 4 19 2 0 6
    6 (2, 3) -40 8 21 2 5 0
    7 (2, 0) 40 3 23 2 0 8
    8 (1, 2) -40 7 16 2 7 0
    9 (0, 1) 20 4 17 2 0 10
    10 (1, 1) -20 6 21 1 9 0
    11 (1, 4) 40 11 23 2 0 12
    12 (0, 1) -40 13 26 1 11 0
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    表  5  第1次迭代结果

    Table  5.   Results of the first iteration

    AGV编号 任务分配 AGV的时空路径
    AGV1 0-5-6-11-1
    2-10
    (0, 0, 0)(0,1,1)((0, 2, 2)(0, 3, 3)(0, 4, 4)(0, 4, 5)(0, 4, 6)(1,4, 7)(2, 4, 8)(2, 3, 9)(2, 3, 10)(2, 3, 11)(2, 2, 12)(2, 1, 13)(1, 1, 14)(1, 2, 15)(1, 3, 16)(1, 4, 17)(1, 4, 18)(1,4,19)(0, 4, 20)(0, 3, 21)(0, 2, 22)(0,1,23)(0,1,24)(0,1,25)(0, 0, 26)
    AGV2 0-7-8-0 (0, 0, 0)(1,0,1)(2, 0, 2)(2, 0, 3)(2, 0, 4)(2,1,5)(2, 2, 6)(1,2, 7)(1,2, 8)(1,2, 9)(0, 2,10)(0,1,11)(0, 0,12)
    AGV3 0-1-2-3-4-9-10-0 (0, 0, 0)(0, 0,1)(1,0, 2)(1,1,3)(1,1,4)(2, 1, 5)(2, 1, 6)(2, 1, 7)
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    表  6  AGV调度结果

    Table  6.   AGV scheduling results

    AGV编号 任务分配 AGV时空路径
    AGV1 0-5-6-0 (0, 0, 0)(0,1,1)(0, 2, 2)(0, 3, 3)(0, 4, 4)(0, 4, 5)(0, 4, 6)(0, 3, 7)(1,3, 8)(2, 3, 9)(2, 3,10)(2, 3,11)(2, 2,12)(2,1,13)(2, 0, 14)(1, 0, 15)(0, 0, 16)
    AGV2 0-9-10-7-8-0 (0, 0, 0)(0, 0,1)(0,1,2)(0,1,3)(0,1,4)(1,1,5)(1,1,6)(1,1,7)(1,2, 8)(1,3, 9)(1, 4, 10)(1, 3, 11)(1, 4, 12)(1, 4, 13)(1, 4, 14)(1, 3, 15)(1, 2, 16)(1, 1, 17)(1, 0, 18)(2, 0,19)(2, 0, 20)(2, 0, 21)(2,1,22)(2, 2, 23)(1, 2, 24(1, 2, 25)(1, 2, 26)(1, 1, 27)(1, 0, 28)(0, 0, 29)
    AGV3 0-1-2-3-4-0 (0, 0, 0)(1,0,1)(1,1,2)(1,1,3)(2,1,4)(2,1,5)(2,1,6)(2, 2, 7)(2, 3, 8)(2, 3, 9)(1,3,10)(1,3,11)(1,3,12)(0, 3,13)(0, 3, 14)(0, 3, 15)(0, 2, 16)(0, 1, 17)(0, 0, 18)
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    表  7  路网参数

    Table  7.   Road network parameters

    区域 参数设置
    AGV 速度4m/s,电量可供AGV行驶时间为14min
    AGV作业区域 作业区域总长取288 m,宽147 m,海侧装卸区7条双向车道,陆侧8条车道,等待区域28条车道
    岸桥 12个岸桥,岸桥间距离为24 m
    堆场箱区 12个箱区,间隔取24 m
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    表  8  不同算法求解速度对比

    Table  8.   The speed comparison of different algorithms

    任务规模/个 求解速度/s
    GUROBI FSA_TSN GA_TSN
    10 23.34 17.45 17.43
    20 89.45 28.56 45.24
    30 356.24 35.34 57.62
    40 923.65 44.56 73.56
    100 3 786.45 87.82 156.57
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    表  9  TAP-TSN和TAP-SP冲突数量对比

    Table  9.   Comparison of the number of conflicts between TAP-TSN and TAP-SP

    算例 任务规模/个 冲突数量/次 作业总时间/s
    TAP-TSN TAP-SP TAP-SP TAP-TSN
    (规避前)
    TAP-SP
    (规避后)
    1 20 0 0 1 876 1 876 1 894
    2 50 0 22 4 573 4 234 4 745
    3 100 0 43 9 158 9 120 10 236
    4 200 0 150 19 123 18 126 21 361
    5 300 0 183 29 342 28 921 32 498
    6 400 0 278 40 076 39 742 42 576
    7 500 0 310 51 452 50 672 54 782
    8 600 0 421 64 074 62 453 68 294
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    表  10  三阶段调度模型与本文模型对比

    Table  10.   Comparison between three-stage scheduling model and this model

    算例 任务规模/个 任务延期
    时间/s
    规避冲突后
    冲突数量/次
    路网
    拥堵度/%
    TAP-TSN 传统调度 TAP-TSN 传统调度 TAP-TSN 传统调度
    1 100 186 924 0 12 2.62 6.23
    2 100 164 935 0 24 1.73 7.32
    3 100 155 1 042 0 21 1.64 8.57
    4 200 526 2 072 0 43 4.83 9.32
    5 200 482 1 925 0 26 3.87 8.42
    6 200 641 2 145 0 10 3.18 10.28
    7 300 956 2 346 0 15 4.34 11.96
    8 300 1 648 2 662 0 102 6.26 12.34
    9 300 1 351 2 743 0 87 5.84 11.73
    10 400 1 482 4 072 0 32 3.42 13.76
    11 400 1 194 3 938 0 46 2.37 13.32
    12 400 1 287 4 182 0 123 3.26 14.34
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  • 收稿日期:  2022-01-21
  • 网络出版日期:  2022-07-25

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