於 磊 ，丁榮濤 ，嚴(yán) 元

（1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311402 2.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053 3.杭州第一技師學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 引言

港口集疏運(yùn)體系是指與港口相互銜接，為集中和疏散港口吞吐貨物的交通運(yùn)輸系統(tǒng)。任何港口要不斷發(fā)展壯大并成為港口所在地甚至全國重要的水陸交通樞紐，就必須擁有完善的集疏運(yùn)系統(tǒng)。由于各港口的實(shí)際情況互不相同，其集疏運(yùn)協(xié)作管理的復(fù)雜程度也不盡相同。孫?。?007）提出分級(jí)計(jì)劃的方法，建立集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的計(jì)劃模型及基于協(xié)同的組織管理模型，并運(yùn)用遺傳算法對(duì)計(jì)劃的分配模型進(jìn)行求解[1]。陳羽（2017）認(rèn)為目前我國集疏運(yùn)發(fā)展尚存在諸多不足,鐵路、水路比例偏低,多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展相對(duì)滯后,港口集疏運(yùn)體系結(jié)構(gòu)不平衡,集疏運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施投融資機(jī)制不明確,港口企業(yè)承擔(dān)較大的資金壓力[2]。姬曉嶺（2019）等構(gòu)建可選路徑初始網(wǎng)絡(luò)圖，利用Dijkstra算法求得備選路徑。引入非直線系數(shù)作為最優(yōu)路徑的最終判定方法。在港口集裝箱吞吐量預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，以運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸費(fèi)用、中轉(zhuǎn)時(shí)間和碳排放量為影響因素構(gòu)建路徑評(píng)價(jià)組合模型[3]。曾慶成（2020）構(gòu)建基于集卡共享的運(yùn)輸任務(wù)分配優(yōu)化模型，通過將進(jìn)口任務(wù)與出口任務(wù)進(jìn)行最優(yōu)組合，減少集卡空駛，有利于提高集卡的作業(yè)效率，進(jìn)而提高集疏運(yùn)效率[4]。

2 集裝箱港口集疏運(yùn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)描述

因?yàn)榧b箱港口集疏運(yùn)作業(yè)既覆蓋了船舶泊位、港口岸邊、堆場、閘口等重疊作業(yè)空間，同時(shí)也聯(lián)合了垂直裝卸和水平轉(zhuǎn)移協(xié)同連續(xù)作業(yè)過程，所以集疏運(yùn)作業(yè)調(diào)度是包括了空間和時(shí)間多目標(biāo)復(fù)雜調(diào)度。目前許多港口已利用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)綠色港口轉(zhuǎn)型升級(jí)，即通過實(shí)現(xiàn)智能理貨、智能閘口、平面運(yùn)輸及堆場作業(yè)等自動(dòng)化設(shè)備廣泛應(yīng)用和碼頭作業(yè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、港作機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制，用數(shù)字化支配資源、用數(shù)字化控制能耗和碳排放、用數(shù)字化提高生產(chǎn)效率。圖1可見集裝箱港口集疏運(yùn)作業(yè)系統(tǒng)由泊位裝卸、水平搬運(yùn)、堆場和閘口四個(gè)子系統(tǒng)組成，其作業(yè)對(duì)象是集裝箱，功能是裝卸、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)，各子業(yè)務(wù)分域管理，子系統(tǒng)信息相互作用、相互制約，必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展才能充分發(fā)揮港口作業(yè)系統(tǒng)中各部分的功能。

圖1 港口集疏運(yùn)作業(yè)系統(tǒng)

其中，堆場子系統(tǒng)是集疏運(yùn)系統(tǒng)的核心，一般而言，港口堆場由多個(gè)箱區(qū)組成，堆場內(nèi)不同類型的集裝箱采取隔離堆存策略（separated Strategy），每個(gè)港口的堆場堆放規(guī)則是港口事先定義的，如同尺寸集裝箱同貝堆放、同船集裝箱同排或同貝堆放、同港口集裝箱同排或同貝堆放等，堆場資源客觀約束條件下，堆場堆放方式和裝箱倒箱率決定著其他子系統(tǒng)的作業(yè)能力，因此堆場子系統(tǒng)成為了綠色港口集疏運(yùn)系統(tǒng)的重中之重。其他子系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度目標(biāo)一般包括：泊位裝卸子系統(tǒng)將船舶在港靠泊時(shí)間最小為目標(biāo)，決定著港口的通過能力，是港口吞吐量考核的重要影響因素；水平搬運(yùn)子系統(tǒng)是多集卡共同作業(yè)調(diào)度的結(jié)果，受港口通道約束，既以集卡完成所有任務(wù)的時(shí)間最短為目標(biāo)，又要考慮所有的分段路徑距離和最短；閘口作業(yè)子系統(tǒng)為隨機(jī)服務(wù)排隊(duì)系統(tǒng)，閘口核定通過能力在港口設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定，所以閘口子系統(tǒng)調(diào)度目標(biāo)設(shè)定為閘口在一定利用率下能通過的飽和集卡數(shù)在閘口前排隊(duì)最大隊(duì)長。

3 基于多Agent的規(guī)則庫解決方案

為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)目標(biāo)，以上每個(gè)集疏運(yùn)子系統(tǒng)中都會(huì)有相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則，在每個(gè)港口集疏運(yùn)系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度中都發(fā)揮著重要作用，尤其在實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)中，規(guī)則知識(shí)通常出自生產(chǎn)者工作經(jīng)驗(yàn)，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。為避免在系統(tǒng)代碼中直接嵌入調(diào)度規(guī)則，加大系統(tǒng)升級(jí)修改的維護(hù)成本，通常將規(guī)則放置在特定的規(guī)則庫中。在集疏運(yùn)物流系統(tǒng)中，有些規(guī)則是港口事先定義的，有些規(guī)則是隨著新的調(diào)度問題和調(diào)度目標(biāo)的出現(xiàn)不斷增加的，這些分布在各子系統(tǒng)中的規(guī)則可能會(huì)出現(xiàn)相同或相似領(lǐng)域知識(shí)，可以利用現(xiàn)有規(guī)則知識(shí)庫進(jìn)行合并升級(jí)，形成更廣泛應(yīng)用的通用規(guī)則知識(shí)庫。

基于Agent的規(guī)則庫開發(fā)方法可以在系統(tǒng)開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯與應(yīng)用邏輯的分離，即業(yè)務(wù)規(guī)則可以在應(yīng)用過程中根據(jù)需求重新添加、修改及刪除而無須重新編譯應(yīng)用系統(tǒng)，這將大大提高港口集疏運(yùn)的管理應(yīng)變能力。Agent是一種自治的、包含信念、意圖、承諾等多種狀態(tài)的能夠在異質(zhì)的環(huán)境中針對(duì)特定目標(biāo)協(xié)同完成任務(wù)的軟件實(shí)體，目前很多分布式系統(tǒng)引入多Agent流引擎技術(shù)解決分布式應(yīng)用問題。在系統(tǒng)搭建時(shí)就將港口集疏運(yùn)多調(diào)度復(fù)雜系統(tǒng)分成小的、彼此相互通訊及協(xié)調(diào)的、易于管理的子系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)化規(guī)則庫的規(guī)則定義在Agent中，Agent為調(diào)度信息跨系統(tǒng)訪問提供安全接口，在滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求下協(xié)同完成同一個(gè)完整的集疏運(yùn)任務(wù)[5-7]。

由于Agent的多樣性，很難給出一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型。下而是通過參考一般的Agent結(jié)構(gòu)，并結(jié)合系統(tǒng)的自身需求，給出的集疏運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型（如圖2）。基于多Agent的港口集疏運(yùn)規(guī)則庫解決方案將根據(jù)實(shí)際需要分為四層（如圖2）。支持層Agent主要負(fù)責(zé)存放規(guī)則庫中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和推導(dǎo)規(guī)則；接口層的Agent則負(fù)責(zé)將規(guī)則信息傳遞給個(gè)應(yīng)用層和決策層中，同時(shí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各Agent的活動(dòng)；應(yīng)用層A-gent分布在各個(gè)子系統(tǒng)單位節(jié)點(diǎn)上，負(fù)責(zé)接收子系統(tǒng)業(yè)務(wù)相關(guān)定性和定量信息；最后在決策層結(jié)合應(yīng)用數(shù)據(jù)和知識(shí)庫規(guī)則計(jì)算決策最有調(diào)度安排，輸出調(diào)度結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

4 規(guī)則數(shù)據(jù)庫定義

4.1 調(diào)度規(guī)則分類

調(diào)度規(guī)則一般是指利用特定集疏運(yùn)任務(wù)的相關(guān)信息（如工作時(shí)間、工作成本、工作路徑等），賦予任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)系數(shù)，從而指導(dǎo)作業(yè)的一類決策方法。調(diào)度規(guī)則存放在行為規(guī)則庫中，行為規(guī)則庫是一種特殊的數(shù)據(jù)庫。

雖然調(diào)度任務(wù)不同，本文選擇常見調(diào)度規(guī)則進(jìn)行分類概括，具體描述如下：

（1）EDD（最早交付期）規(guī)則：優(yōu)先選擇交付期最早的任務(wù)執(zhí)行；

（2）EIEO（先到先服務(wù)）規(guī)則：當(dāng)排隊(duì)任務(wù)頻率大于服務(wù)效率時(shí)，一般按先到先服務(wù)的順序進(jìn)行；

（3）WIWO（重進(jìn)重出）規(guī)則：保證每臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行過程中沒有閑置狀態(tài)；

（4）SL（最短路徑）規(guī)則：優(yōu)先選擇移動(dòng)路徑最短的任務(wù)或集裝箱；

（5）ST（最短時(shí)間）規(guī)則：優(yōu)先選擇集疏運(yùn)加工時(shí)間最短的任務(wù)；

（6）SC（最小成本）規(guī)則：優(yōu)先選擇集疏運(yùn)成本最小的機(jī)械設(shè)備；

（7）SAFE（安全）規(guī)則：在某任務(wù)間活動(dòng)空間被干擾時(shí)，選擇放棄或停留操作，保證工作過程的安全性。

（8）RANDOM（隨機(jī)）規(guī)則：隨機(jī)挑選一個(gè)集疏運(yùn)任務(wù)或者一臺(tái)機(jī)械設(shè)備。

（9）CONTINUE（連續(xù)）規(guī)則：機(jī)械設(shè)備可以在一個(gè)區(qū)域里連續(xù)作業(yè)，而無需在不同區(qū)域之間移動(dòng)，以便節(jié)省操作成本。

（10）BANDING（綁定）規(guī)則：集疏運(yùn)任務(wù)相關(guān)設(shè)備之間形成作業(yè)路，例如一定數(shù)量的集卡與某臺(tái)岸邊裝卸橋綁定。

規(guī)則庫中除了存放優(yōu)化集疏運(yùn)生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度規(guī)則外，另一個(gè)重要組成部分是用于評(píng)價(jià)規(guī)則調(diào)度應(yīng)用結(jié)果優(yōu)劣的性能指標(biāo)。港口集疏運(yùn)常用的性能指標(biāo)如下：

（1）最長完成時(shí)間：最后裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)完成所有集裝箱的完工時(shí)間，要求越小越好；

（2）平均流程時(shí)間：單個(gè)集裝箱的平均集疏運(yùn)時(shí)間，要求越小越好；

（3）平均延期時(shí)間：集裝箱不能按期集疏運(yùn)的平均時(shí)間，要求越小越好；

（4）平均設(shè)備率：集裝箱集疏運(yùn)過程中調(diào)用設(shè)備數(shù)量與集裝箱總量比率，要求越小越好；

（5）設(shè)備閑置時(shí)間：設(shè)備閑置時(shí)間，要求越小越好；

（6）能耗總成本：集裝箱集疏運(yùn)完成的整個(gè)能耗成本，要求越小越好；

（7）碳排放總量：集裝箱集疏運(yùn)完成過程中設(shè)備的碳排放量，要求越小越好；

4.2 數(shù)據(jù)庫字典定義

綜合前述，以上規(guī)則既具有一定的全局性和關(guān)聯(lián)關(guān)系，調(diào)度規(guī)則在信息輸入時(shí)被調(diào)用，性能規(guī)則在信息輸出時(shí)被調(diào)用，此處可以預(yù)定義在SYSTEMRULES表中，其他具體集疏運(yùn)規(guī)則為讀取效率，被分類詳細(xì)定義。此處有必要對(duì)數(shù)據(jù)字典和各表進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

表1 規(guī)則庫中相關(guān)表

由于子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性，以上規(guī)則表之間也有聯(lián)動(dòng)作用的。比如一個(gè)集疏運(yùn)任務(wù)分配時(shí)，首先要從SYSTEMRULES調(diào)取調(diào)度目標(biāo)，然后根據(jù)業(yè)務(wù)流程依次交由處理規(guī)則SHIPRULES、CRANERULES、LORRYSRULES、YARDRULES進(jìn)行響應(yīng)處理，如果匹配成功，計(jì)算結(jié)果從SYSTEMRULES輸出性能規(guī)則進(jìn)行校驗(yàn)。這里以SYSTEMRULES和SHIPRULES表為例解釋規(guī)則表間的邏輯關(guān)系，如圖3所示。

圖3 規(guī)則表間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系

當(dāng)集疏運(yùn)具體數(shù)據(jù)調(diào)度任務(wù)目標(biāo)符合某條SYSTEMRULES規(guī)則時(shí)，該規(guī)則匹配RID號(hào)中的RULES具體記錄，從而進(jìn)行處理，同時(shí)將該規(guī)則中的ACTION信息下放下一級(jí)模塊，進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)及處理。

5 規(guī)則庫Agent設(shè)計(jì)

5.1 Agent表述

由于強(qiáng)大規(guī)則庫的存在，集疏運(yùn)業(yè)務(wù)流的產(chǎn)生基本不需要人為干預(yù)，只需要向Agent輸入?yún)?shù)，Agent引擎會(huì)在規(guī)則推導(dǎo)下自動(dòng)分配設(shè)備資源，產(chǎn)生集疏運(yùn)工作流。為了便于執(zhí)行規(guī)則，需要定義規(guī)則表達(dá)式結(jié)構(gòu)指導(dǎo)作出決策，下面對(duì)Agent存放的和輸出的進(jìn)行定義是事先定義的規(guī)則描述，是根據(jù)規(guī)則產(chǎn)生的具體集疏運(yùn)流程結(jié)果。

5.2 Agent工作流程

將規(guī)則驅(qū)動(dòng)的港口集疏運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)中的規(guī)則和規(guī)則執(zhí)行引擎嵌入到多Agent系統(tǒng)中，由結(jié)構(gòu)化的集疏運(yùn)流程驅(qū)動(dòng)Agent代理，從規(guī)則數(shù)據(jù)庫中匹配并調(diào)取出相應(yīng)的規(guī)則，進(jìn)行解析與執(zhí)行，由基于規(guī)則的界面生成Agent引擎為每一個(gè)Agent生成特定的業(yè)務(wù)輸出仿真界面。集疏運(yùn)信息采集完成后，由規(guī)則執(zhí)行引擎結(jié)合規(guī)則和輸入?yún)?shù)，指導(dǎo)Agent快速、高效地做出決策，從而驅(qū)動(dòng)下一個(gè)Agent的執(zhí)行。Agent工作流程圖4所示，從下往上依次是：行為規(guī)則輸出，規(guī)則執(zhí)行引擎計(jì)算，子系統(tǒng)決策計(jì)算，規(guī)則庫信息讀取、調(diào)度結(jié)果輸出和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)輸入。

圖4 Agent工作流程

系統(tǒng)決策過程中，如果輸入信息不充分，則會(huì)導(dǎo)致規(guī)則推導(dǎo)進(jìn)程阻塞或變形，進(jìn)而影響決策準(zhǔn)確性，系統(tǒng)中必須包含Agent相匹配的規(guī)則執(zhí)行引擎和業(yè)務(wù)輸出仿真界面，其詳細(xì)設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）首先提取出規(guī)則庫中執(zhí)行集疏運(yùn)任務(wù)的所有的規(guī)則名稱、必要條件、屬性名稱，存入集合中。

（2）當(dāng)船舶到港或者集卡到閘時(shí)，需要通過導(dǎo)入采集的任務(wù)信息的輸入屬性名稱作為中的中的屬性名稱。

（4）以輸入屬性名稱和目標(biāo)性能屬性為參數(shù)，調(diào)用規(guī)則定義服務(wù)，動(dòng)態(tài)顯示規(guī)則引擎在對(duì)該集疏運(yùn)任務(wù)做出決策時(shí)，需要采集的充分且必要的信息。獲取與屬性名稱對(duì)應(yīng)的集疏運(yùn)業(yè)務(wù)流列表和相應(yīng)的性能列表，包括屬性說明、默認(rèn)值、數(shù)據(jù)類型、取值范圍和屬性描述。

6 結(jié)語

結(jié)合港口集疏運(yùn)數(shù)據(jù)管理的需要，本文出了具體的集疏運(yùn)管理規(guī)則庫的定義思路和基于Agent的調(diào)度引擎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了行為規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫原型，所設(shè)計(jì)的Agent系統(tǒng)也具有高度的靈活性和易用性，有利于港口集疏運(yùn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性?；贏gent的港口集疏運(yùn)規(guī)則庫設(shè)計(jì)方法引入Agent工作流引擎技術(shù)，將規(guī)則庫設(shè)計(jì)嵌入Agent，賦予Agent除計(jì)算外更多的推導(dǎo)功能，能將集疏運(yùn)任務(wù)執(zhí)行處于Agent的監(jiān)控之下，并實(shí)時(shí)參與集疏運(yùn)業(yè)務(wù)流的推導(dǎo)。該方法除了具有實(shí)時(shí)快速的特點(diǎn)外，在一定程度上還能滿足集疏運(yùn)各子系統(tǒng)協(xié)作調(diào)度要求。另外基于規(guī)則的調(diào)度引擎與業(yè)務(wù)系統(tǒng)分離，避免了規(guī)則變動(dòng)對(duì)整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行修改。