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考虑船舶封存与压港的电煤船舶调度优化模型

陈康 赵梓州 吴明昊 辛旭 陈子根

陈康, 赵梓州, 吴明昊, 辛旭, 陈子根. 考虑船舶封存与压港的电煤船舶调度优化模型[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(3): 178-191. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.017
引用本文: 陈康, 赵梓州, 吴明昊, 辛旭, 陈子根. 考虑船舶封存与压港的电煤船舶调度优化模型[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(3): 178-191. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.017
CHEN Kang, ZHAO Zi-zhou, WU Ming-hao, XIN Xu, CHEN Zi-gen. Optimization model of electric coal ship scheduling under considering ship storage and port congestion[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(3): 178-191. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.017
Citation: CHEN Kang, ZHAO Zi-zhou, WU Ming-hao, XIN Xu, CHEN Zi-gen. Optimization model of electric coal ship scheduling under considering ship storage and port congestion[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(3): 178-191. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.017

考虑船舶封存与压港的电煤船舶调度优化模型

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.017
基金项目: 

国家自然科学基金项目 71402013

国家自然科学基金项目 71603036

辽宁省社会科学规划基金项目 L19BGL005

辽宁省自然科学基金项目 2020-HYLH-39

中央高校基本科研业务费专项资金项目 3132020234

详细信息
    作者简介:

    陈康(1982-), 男, 辽宁大连人, 大连海事大学副教授, 工学博士, 从事海运物流系统优化研究

  • 中图分类号: U692.4

Optimization model of electric coal ship scheduling under considering ship storage and port congestion

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 71402013

National Natural Science Foundation of China 71603036

Social Science Planning Foundation of Liaoning L19BGL005

National Natural Science Foundation of Liaoning Province 2020-HYLH-39

Special Foundation for Basic Scientific Research of Central Colleges of China 3132020234

More Information
  • 摘要: 针对中国电煤水运系统的实际特点, 综合考虑了船舶封存与港口拥堵(压港)因素, 建立了混合整数规划优化模型, 对电煤船舶调度方案进行优化; 基于运输需求的硬时间窗、卸货港船舶排队等待时间与水路-铁路运输协同三因素之间的互动关系, 以运输系统总成本最小为目标, 协同优化水、铁电煤运输的货运分担率、水路运输任务指派和相应的船舶调度与封存/启用方案; 基于改进列生成算法, 提出了一种可精确求解实际规模电煤船舶调度问题的列生成算法, 利用Gurobi求解列生成的主模型, 使用动态规划标号法求解列生成的子模型; 利用中国南部某火力发电集团的实际数据, 对提出的算法进行了算例分析。计算结果表明: 在中等规模的算例中, 使用提出的改进算法获得最优解仅需73.61 s, 相比于使用基于运输任务运量排序的启发式求解方法(PHA), 求解效率提高了18.1%;在较大规模的算例中, 使用提出算法的计算时间仅为222.02 s, 同比PHA, 计算效率提高了19.1%;通过求解一个实际的调度问题可以发现, 利用提出的优化模型和算法能有效缩短船舶在卸货港的等待时长与船舶处于启用状态的时长, 使运输总成本下降17.13%, 实现了电煤稳定运输, 提升了企业运营效率, 降低了运营成本。

     

  • 图  1  电煤装卸港口的空间分布与水运路径

    Figure  1.  Space distribution of loading and unloading ports and transportation paths for electric coal

    图  2  水运航程时间变量的相互关系

    Figure  2.  Relationship among time variables in waterway transportation

    图  3  等待状态船舶数量对比

    Figure  3.  Comparison of ship numbers in waiting state

    图  4  启用状态船舶数量对比

    Figure  4.  Comparison of ship numbers in using state

    表  1  集合、参数与变量

    Table  1.   Sets, parameters and variables

    集合 I 水运航程集, 其元素记为i, 令0Ι,e~Ι(0e~为虚拟节点)
    L 卸货港口集, 其元素记为l
    V 可用船舶集, 其元素记为v
    T 总观测期(单位: d)集, 其元素记为t, 表示观测期内的具体时刻(单位: d)
    P 单船可行方案集, 其元素记为p
    Q 船队可行调度方案, QP
    $\tilde{P}$ 拟生成新的可行单船调度方案构成的集合
    $\tilde{I}$ 水运航程进行排序后形成的有序集, 其元素记为ik
    参数 tils 水运航程i的最早装货时刻
    tile 水运航程i的最晚装货时刻
    tids 水运航程i的最早卸货时刻
    tide 水运航程i的最晚卸货时刻
    tir1 水运航程i的送货子航程的航行时间(单位: d)
    tir2 水运航程i的返航子航程的航行时间(单位: d)
    tih1 水运航程i的净装货时间(不包括因港口拥堵引起的延误时间, 单位: d)
    tih2 水运航程i的净卸货时间(不包括因港口拥堵引起的延误时间, 单位: d)
    tv0 船舶v在当前观测期内最早可以进行运营的时刻
    wv 船舶v的舱容
    di 水运航程i的运输量
    nlb 港口l的泊位数量
    cps 可行单船调度方案p的运营成本
    cit 与水运航程i成互补关系的铁路陆程成本
    cvr 观测期内因启用船舶v每日所需支付的运营成本
    πi(30) 约束式(30)对应的影子价格
    πlt(31) 约束式(31)对应的影子价格
    πv(32) 约束式(32)对应的影子价格
    变量 tips 单船调度方案p中水运航程i的开始时刻
    (tips) 向量, 表示单船调度方案p规定的开始作业时刻
    tipw1 单船调度方案p中水运航程i于装货港的等待时长
    (tipw1) 向量, 表示单船调度方案p规定的装货港等待时长
    tipw2 单船调度方案p中水运航程i于卸货港的等待时长
    (tipw2) 向量, 表示单船调度方案p规定的卸货港等待时长
    uvp svpxp线性化时的中间变量
    mipt biptxp线性化时的中间变量
    qip aipxp线性化时的中间变量
    指示变量 aip 若单船调度方案p需执行水运航程i则取1, 否则取0
    (aip) 向量, 表示单船调度方案p下船舶执行了哪些水运航程
    $\widetilde{a}_{i p v}$ 方案p是否使用了船舶v执行水运航程i, 是则取1, 否则取0
    bipt t时刻(第t天)船舶是否在执行水运航程i且处于卸货状态, 是则取1, 否则取0
    svp 若单船调度方案p由船舶v执行则取1, 否则取0
    (svp) 向量, 表示单船调度方案p由那艘船舶执行
    $\widetilde{X}_{i j p}$ 单船调度方案p下船舶是否依次执行了水运航程ij, 是则取1, 否则取0
    xp 是否选择可行单船调度方案p, 是为1, 否则取0
    δil 港口l是否为水运航程i所靠泊的卸货港, 是则取1, 否则取0
    γi 与水运航程i成互补关系的铁路陆程是否被使用, 使用取1, 否则取0
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    表  2  各类船舶的详细参数

    Table  2.   Detailed parameters of various ships

    ID 船名 最早可用时刻(第x天) 最早可退租时间/d 载重量/t 日成本/元
    0 粤电1 9 40 6.9 2 771
    1 粤电3 14 40 6.7 2 713
    2 粤电4 0 40 7.0 2 799
    3 粤电6 19 30 7.5 2 943
    4 粤电7 10 40 7.5 2 943
    5 粤电51 6 40 5.7 2 426
    6 粤电54 17 40 5.7 2 426
    7 粤电56 25 40 5.8 2 454
    8 粤电57 15 30 5.8 2 454
    9 粤电59 25 40 5.8 2 454
    10 粤电103 34 50 8.7 3 288
    11 新广州 1 30 6.5 2 656
    12 新靖海 3 30 6.9 2 771
    13 新宁江 5 40 4.7 2 138
    14 毓骐海 3 30 6.4 2 627
    15 毓麟海 9 30 7.5 2 943
    16 广珠 7 40 8.8 3 317
    17 广粤 10 40 6.9 2 771
    18 广前 16 30 7.5 2 943
    19 太行6 11 40 6.7 2 713
    20 粤电52 38 0 5.7 2 426
    21 粤电53 35 0 5.7 2 426
    22 粤电58 21 0 5.6 2 397
    23 粤电101 3 0 8.6 3 259
    24 粤电102 17 0 8.6 3 259
    25 新达江 25 0 4.2 1 995
    26 广中 48 0 6.6 2 684
    27 恩曜 9 0 2.2 1 391
    28 拓展1 14 0 2.0 1 333
    29 拓展2 44 0 2.0 1 305
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    表  3  效能分析结果对比

    Table  3.   Comparison of performance analysis results

    测试方案 算法
    ECSSA ESPA PHA SEC-ES/% SEC-PH/%
    TSM/s TMM/s TCG/s TEN/s TEGU/s TEG/s TPG/s
    P2S3T5D30 0.05 0.008 0.06 0.09 0.60 0.70 0.11 0 -2.8
    P4S7T11D30 0.26 0.030 0.29 1.12 8.21 9.33 0.19 0 -6.2
    P6S9T16D30 4.61 2.930 7.54 42.41 O 0.29 -9.6
    P8S13T21D30 38.43 19.910 58.34 1 531.03 O 0.43 -13.2
    P11S16T30D30 135.60 31.510 167.11 1.21 -10.8
    P2S3T5D40 0.03 0.005 0.04 0.61 1.67 2.28 0.11 0 -14.2
    P4S7T11D40 1.94 1.080 3.02 11.14 O 0.18 -11.6
    P6S9T16D40 5.38 2.120 7.40 61.72 O 0.29 -16.7
    P9S13T21D40 52.23 21.380 73.61 2 134.08 O 0.41 -18.1
    P11S17T30D40 183.21 38.810 222.02 1.40 -19.1
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    表  4  优化方案与实际方案关键参数对比

    Table  4.   Comparison of key parameters between optimization scheme and actual scheme

    船舶类型 OPR RPR E/%
    N/艘 GRT/d GWT/d R1 A/t R2 N/艘 GRT/d GWT/d R1 A/t R2
    小型(载重小于2万吨) 3 61 16 0.24 1.82 0.91 3 63 18 0.29 1.83 0.92 -17.13
    中型(载重2万~6万吨) 10 302 38 0.13 5.29 0.89 10 321 45 0.14 5.30 0.88
    大型(载重6万~9万吨) 17 747 13 0.07 6.96 0.78 17 834 200 0.24 7.14 0.79
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  • 收稿日期:  2020-02-19
  • 刊出日期:  2020-06-25

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