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基于Q学习选择型超启发式的连续泊位与岸电协同调度优化方法

雅日贵,  张煜,  卢璇,  唐可心

雅日贵, 张煜, 卢璇, 唐可心. 基于Q学习选择型超启发式的连续泊位与岸电协同调度优化方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 102-115. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.010
引用本文: 雅日贵, 张煜, 卢璇, 唐可心. 基于Q学习选择型超启发式的连续泊位与岸电协同调度优化方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 102-115. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.010
Ya rigui, ZHANG Yu, LU Xuan, TANG Kexin. Collaborative Optimization of Continuous Berth Allocation and Shore Power Scheduling via a Q-Learning-Based Selection Hyper-Heuristic[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 102-115. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.010
Citation: Ya rigui, ZHANG Yu, LU Xuan, TANG Kexin. Collaborative Optimization of Continuous Berth Allocation and Shore Power Scheduling via a Q-Learning-Based Selection Hyper-Heuristic[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 102-115. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.010

基于Q学习选择型超启发式的连续泊位与岸电协同调度优化方法

doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.010
基金项目: 

国家自然科学基金重点项目 U2572211

详细信息
    作者简介:

    雅日贵(2000—),硕士研究生. 研究方向: 自动化集装箱码头物流与能源耦合. E-mail: yrgyuan@whut.edu.cn

    通讯作者:

    卢璇(1998—),博士研究生. 研究方向: 自动化港口集成调度等. E-mail: luxuan-whut@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U691+.31

Collaborative Optimization of Continuous Berth Allocation and Shore Power Scheduling via a Q-Learning-Based Selection Hyper-Heuristic

  • 摘要: 不考虑船岸接口兼容性和船舶接电功率上浮的连续泊位与岸电协同调度方法, 难以准确反映船舶实际岸电接入条件, 从而影响调度方案的可行性。为提高协同调度方案对实际接入条件的适应能力, 研究了船舶接电功率不确定性下的连续泊位与岸电协同调度优化问题。以连续泊位分配时空不重叠、岸电覆盖、船岸接口兼容和岸电供电容量上限等限制条件为约束, 综合考虑码头运营效率、能源使用成本、岸电接入条件和碳排放等因素, 构建以综合成本最小化为目标的混合整数规划模型。针对船舶接电功率上浮不确定性, 引入鲁棒预算对岸电供电容量上限约束进行线性鲁棒化处理, 形成鲁棒优化模型。为高效求解该问题, 提出基于Q学习的选择型超启发式算法(Q-learning-based selection hyper-heuristic algorithm, QLSHH), 采用混合编码表示船舶靠泊位置与岸电接入决策, 超启发式的高层通过Q学习动态选择底层启发式算子, 底层集成8种功能互补的搜索算子, 并设计结构化解码机制以满足复杂约束要求。算例实验表明, 小规模算例中QLSHH平均目标函数值相对Gurobi精确求解的偏差为0.1%~5.0%;中大规模算例中, 相较遗传算法与自适应大邻域搜索算法, QLSHH分别可降低综合成本4.12%~11.65%和3.75%~25.33%, 且平均岸电使用率保持在90%~95.41%。鲁棒性分析表明, 鲁棒预算增加可降低岸电使用率并推升综合成本, 岸电供电容量上限提升可提高岸电使用率并降低成本, 但超过4500 kW后边际效益明显递减。因此, 岸电供电容量配置应在既定鲁棒预算下, 结合实际用电需求合理确定。

     

  • 图  1  船舶靠泊与岸电利用示意图

    Figure  1.  Vessel berthing and shore power utilization diagram

    图  2  QLSHH算法总流程

    Figure  2.  Overall flowchart of the QLSHH algorithm

    图  3  染色体编码示意图

    Figure  3.  Chromosome encoding diagram

    图  4  解码流程

    Figure  4.  Decoding process

    图  5  50艘船舶算例下不同算法收敛曲线对比

    Figure  5.  Convergence curves for 50 vessels

    图  6  鲁棒预算$ \varGamma $对综合成本与岸电使用率的影响

    Figure  6.  Impact of robust budget $ \varGamma $ on comprehensive cost and shore power utilization rate

    图  7  岸电供电容量上限$ P_{\text {max}} $对综合成本与岸电使用率的影响

    Figure  7.  Impact of shore power capacity $ P_{\text {max}} $ on comprehensive cost and shore power utilization rate

    图  8  鲁棒预算$ \varGamma $与岸电容量$ P_{\text {max}} $对综合成本影响的三维响应面图

    Figure  8.  Three-dimensional impact of robust budget $ \varGamma $ and shore power capacity $ P_{\text {max}} $ on comprehensive cost

    表  1  参数符号定义

    Table  1.   Notation and parameter definitions

    符号类别 符号 含义 符号类别 符号 含义
    集合 Ⅰ 待服务船舶集合;$ I_{\mathrm{Y}} $为改造船, $ I_{\mathrm{E}} $为船岸接口不兼容的船舶;$ I_{\mathrm{N}} $为未改造船;$ I=I_{\mathrm{Y}} \cup I_{\mathrm{N}}, I_{\mathrm{E}} \subseteq I_{\mathrm{Y}} $ 参数 $ N_{k} $ k类船岸接口兼容装置的总数量
    $ T $ 调度时段内的离散时间步集合 $ C^{\mathrm{ft}} $ 改造船岸电未接入调度成本
    $ K $ 兼容装置类型的集合 $ \eta $ 单位时间岸电未接入调度成本系数
    B 泊位段集合;$ B_{\mathrm{Y}} $为岸电覆盖段;$ B_{\mathrm{N}} $为非岸电覆盖段;$ B=B_{\mathrm{Y}} \cup B_{\mathrm{N}} $ $ C^{\mathrm{cp}} $ 船舶辅助发电机的污染物排放总成本
    $ U $ $ \xi_{i t} $的预算不确定集 $ \omega $ 污染物排放系数
    参数 $ L $ 岸线总长度 $ \varphi $ 船舶辅助发电机的污染物单位排放成本
    $ l_{i} $ 船舶$ i $长度 $ P_{\max} $ 岸电供电容量上限
    $ C^{\mathrm{cw}} $ 船舶等待成本 M 1个足够大的正数
    $ C^{\text {int}} $ 能源使用成本 $ \tilde{P}_{i t} $ 船舶$ i $在时段t的实际功率需求
    $ a_{i} $ 船舶$ i $到港时间 $ \hat{P}_{i} $ 船舶$ i $功率需求的最大上偏差
    $ f_{i} $ 船舶$ i $预计离港时间 $ \xi_{i t} $ 标准化扰动系数
    $ b^{\prime}{}_{i} $ 船舶$ i $期望靠泊位置 $ \varGamma $ 鲁棒预算参数
    $ C_{i}^{\mathrm{p}} $ 船舶$ i $偏离偏好泊位成本 变量 $ e_{i} $ 船舶$ i $离港时间
    $ C_{i}^{\mathrm{M}} $ 船舶$ i $锚地等待成本 $ x_{i j}$ 0-1变量, xij = 1时船舶$ i $在船舶$ j $的左侧位置,否则xij = 0
    $ C_{i}^{Z} $ 船舶i滞期成本 yij 0-1变量, yij=1时船舶i工作结束时船舶j开始工作, 否则yij=0
    CE 单位时间电价 zt 与鲁棒预算Γ对应的辅助变量
    CD 柴油成本单价 Nit 鲁棒等价模型中的派生偏差上界量
    $ W_{i}^{\rm E} $ 船舶i单位时间用电量 δint 0-1变量, δint=1时船舶i在t时停靠岸电覆盖段n上使用岸电, 否则δint=0
    $ W_{i}^{\rm D} $ 船舶i单位时间柴油消耗量 Sik 0-1变量, Sik=1时船舶i与k类船岸接口兼容装置适配, 否则Sik=0
    ψ 船舶辅机负载系数 vit 船舶i在时段t的功率偏差辅助变量
    Pi 船舶i的辅助发电机功率 决策变量 si 船舶i开始靠泊时间
    $ t_{i}^{b} $ 船舶i的在泊作业时长 oi 0-1变量, oi=1时船舶i在泊位工作期间由岸电提供用电, 否则oi=0
    Ri 船舶i的辅机柴油消耗率 αin 0-1变量, αin=1时船舶i分配到岸电覆盖段n, 否则αin=0
    CO 船岸接口兼容装置操作的单位时间成本 bi 船舶i的靠泊位置
    $ t_{k}^{\rm A} $ k类船岸接口兼容装置的额外操作时间 uik 0-1变量, 当uik=1, 表示船舶i在泊期间使用了k类船岸接口兼容装置, 否则uik=0
    $ C_{k}^{\rm A} $ k类船岸接口兼容装置使用成本
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    表  2  底层算子库分类与功能描述

    Table  2.   Classification and functional description of the low-level operators

    类别 算子名称 功能描述
    探索类 随机交换扰动 双船编码交换, 实现结构扰动
    开发类 自适应位置扰动 部分位置基因随机扰动, 扰动步长随迭代递减
    全局反向学习 全部位置基因互补映射, 形成全局跳转搜索
    偏好导向位置精炼 沿期望靠泊位置方向进行定向位置修正
    岸电接入协同优化 以岸电决策调整为主, 位置小范围协同微调
    小邻域联合搜索 局部邻域内联合调整位置与岸电决策并择优更新
    修复类 编码一致性修复 位置基因截断与无效岸电决策修正
    多样性类 多基因随机重置 部分编码重新采样, 恢复种群差异性
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    表  3  算例生成规则

    Table  3.   Generation rules of test cases

    参数名称 取值范围 说明
    船舶长度/m [150, 350] 船舶在连续泊位上的占用长度
    到港时间 00:00-24:00 均匀分布
    装卸时间/min [160, 520] 船舶在泊作业时长
    功率/kW [1 200, 3 200] 船舶辅机发电机额定功率
    偏好位置/m 岸线坐标范围 随机生成
    偏离成本/元 [4, 14] 偏离期望泊位的单位成本
    滞期成本/元 [11, 41] 超出计划离港时间的惩罚成本
    岸电改造状态 是/否 约50%比例设定
    船岸兼容接口类型 Ⅰ类/Ⅱ类 船岸接口兼容性需求
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    表  4  小规模算例下QLSHH与Gurobi求解结果对比

    Table  4.   Comparison of solution results between QLSHH and Gurobi for small-scale test cases

    算例规模 Gurobi QLSHH
    最优目标值/元 岸电使用率/% 求解时间/s 最优目标值/元 平均目标值/元 平均岸电使用率/% 求解时间/s 平均相对偏差/%
    5 36697.55 66.67 11.30 36711.04 36745.92 66.67 15.48 0.1
    7 45993.59 50.00 23.26 46178.24 47565.46 57.50 18.70 3.4
    10 70137.20 83.33 28.60 70193.93 72030.94 73.33 26.37 2.7
    12 83242.78 85.71 60.42 84594.41 86418.45 87.14 33.91 3.8
    15 105535.13 75.00 75.58 109806.08 110612.74 80.00 39.43 4.8
    17 119914.76 77.78 68.66 124147.25 125064.48 83.33 47.03 4.3
    20 140988.95 81.82 111.01 145662.81 148093.54 85.45 49.85 5.0
    22 158257.32 83.33 142.29 159565.53 163545.00 86.67 129.55 3.3
    25 180704.91* 84.62 600.00 184857.27 186861.01 85.38 152.55
    注:平均相对偏差=[(QLSHH均值—Gurobi最优值)/Gurobi最优值]$ \times 100 \% $, 当Gurobi未找到最优解时不作计算。
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    表  5  中大规模算例下不同算法求解结果对比

    Table  5.   Comparison of solution results of different algorithms for medium and large-scale test cases

    算例规模 算法 最优目标值/元 平均目标值土标准差/元 平均岸电使用率/% 平均求解时间$/\mathrm{s} $ 相对改进率
    Δ1/%/% Δ2/%/%
    中规模 40 GA 301 160.95 311 759.09±6 849.59 90.00 310.10 4.12 3.75
    ALNS 298 829.27 310 559.70±9 972.03 88.00 303.24
    QLSHH 291 912.69 298 918.86±4 738.63 90.00 280.97
    43 GA 327 199.42 337 118.73±5 856.08 91.90 401.09 5.17 6.87
    ALNS 323 979.50 343 276.06±11 513.46 87.62 401.49
    QLSHH 315 888.74 319 692.66±2 302.85 92.38 350.04
    45 GA 355 495.06 362 157.92±8 343.69 91.36 522.49 4.47 5.38
    ALNS 351 634.53 365 646.99±12 370.49 89.55 450.35
    QLSHH 335 139.32 345 984.76±5 774.91 92.27 413.78
    47 GA 370 354.41 385 388.70±13 351.36 91.82 544.78 6.40 8.36
    ALNS 366 663.20 393 622.77±11 074.97 91.82 600.00
    QLSHH 354 503.66 360 722.28±6 851.20 94.09 455.90
    50 GA 416 926.50 426 199.79±7 581.47 91.74 579.32 7.91 6.81
    ALNS 405 109.23 421 147.37±12 905.84 92.00 600.00
    QLSHH 385 656.20 392 485.39±4 044.25 93.04 551.16
    大规模 70 GA 688 888.02 724 808.87±23 406.62 91.47 800.00 11.65 18.03
    ALNS 709 817.89 781 307.29±46 888.95 91.18 800.00
    QLSHH 611 671.02 640 402.97±18 278.24 92.35 800.00
    73 GA 744 699.28 781 633.38±26 025.29 91.94 800.00 9.28 22.21
    ALNS 818 049.35 911 568.47±56 258.97 92.22 800.00
    QLSHH 668 675.96 709 110.42±23 308.95 91.39 800.00
    75 GA 768 984.47 792 114.99±15 049.75 91.08 800.00 7.59 16.98
    ALNS 837 891.06 881 748.38±35 491.47 91.08 800.00
    QLSHH 704 250.91 732 028.98±17 886.99 92.70 800.00
    78 GA 789 677.53 867 309.40±40 395.66 90.81 800.00 9.16 22.65
    ALNS 922 890.56 1 018 523.95±70 122.99 90.27 800.00
    QLSHH 748 987.35 787 881.98±19 377.08 95.41 800.00
    80 GA 820 071.17 861 729.88±28 063.09 92.31 800.00 7.70 25.33
    ALNS 924 085.44 1 065 125.91±80 482.29 94.10 800.00
    QLSHH 756 110.50 795 356.84±27 410.87 95.13 800.00
    注:$ \Delta_{1}=[(\mathrm{GA} $均值-QLSHH均值 $ )/\mathrm{GA} $均值 $ ] \times 100 \%, \Delta_{2}=[(\mathrm{ALNS} $均值-QLSHH均值 $ )/\mathrm{ALNS} $均值 $ ] \times 100 \% $。
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  • 收稿日期:  2026-02-20
  • 网络出版日期:  2026-11-06

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