留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于DQN算法的支线集装箱船航线规划与配载协同优化方法

李俊 肖笛 温想 赵雅洁

李俊, 肖笛, 温想, 赵雅洁. 基于DQN算法的支线集装箱船航线规划与配载协同优化方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(6): 132-141. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.015
引用本文: 李俊, 肖笛, 温想, 赵雅洁. 基于DQN算法的支线集装箱船航线规划与配载协同优化方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(6): 132-141. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.015
LI Jun, XIAO Di, WEN Xiang, ZHAO Yajie. Coordinated Optimization Method for Feeder Container Ship Route Planning and Stowage Based on DQN Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(6): 132-141. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.015
Citation: LI Jun, XIAO Di, WEN Xiang, ZHAO Yajie. Coordinated Optimization Method for Feeder Container Ship Route Planning and Stowage Based on DQN Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(6): 132-141. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.015

基于DQN算法的支线集装箱船航线规划与配载协同优化方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.015
基金项目: 

湖北省自然科学基金项目 2023AFB071

详细信息
    通讯作者:

    李俊(1989—),博士,讲师.研究方向:港口作业调度与优化算法.E-mail:lj_whut1989@163.com

  • 中图分类号: U695.2+2

Coordinated Optimization Method for Feeder Container Ship Route Planning and Stowage Based on DQN Algorithm

  • 摘要: 针对支线集装箱船运输中喂给港数和靠泊条件不一,以及集装箱船队船型多样的特点,考虑航线规划与配载环节在实际运输过程中的紧密联系,研究支线集装箱船航线规划与配载协同优化方法。采用两阶段分层方法研究航线规划与集装箱配载问题,设置多个港口、不同船型及其贝位和堆栈组合、不同尺寸集装箱的集合,并确定其间基本关系,实现两阶段优化过程的完整性和连续性。第一阶段以航线总运营成本最小为目标建立船舶航线规划模型,第二阶段从主贝计划角度出发进行配载优化,确认集装箱与堆栈的对应关系,以船舶混装堆栈数最小为目标建立船舶配载模型,保证船舶稳性在航线任意时段均满足要求,并减少堆栈混装数量,提高到港作业效率。为实现模型高效求解,基于深度强化学习的Deep Q-learning Network(DQN)算法架构,设计了航线规划与配载决策对应的马尔可夫过程,结合问题自身特征分别完成强化学习智能体状态空间、动作空间以及奖励函数设计,构建了两阶段分层求解的DQN算法。实验结果表明:随着船舶数量和船舶装载率的增加,模型精确求解的时间大幅增加,部分算例无法在600 s内完成求解,而DQN算法可实现快速求解;与模型及粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法相比,DQN算法可高效求解不同规模下的算例,大规模算例求解最大耗时31.40 s,平均耗时30 s以内,求解效率较好;进一步计算表明,不同喂给港数量下PSO算法在求解时间上的平均标准差为11.20,而DQN算法平均标准差仅为1.74,鲁棒性更好。总体来看,DQN算法在求解时间上随问题规模变化而产生的波动较小,具有更加稳定的求解性能,可实现高效寻优。

     

  • 图  1  支线集装箱船运输

    Figure  1.  Branch line container ships transportation

    图  2  支线集装箱船航线规划与配载决策的两阶段方法

    Figure  2.  Two-step method for branch line container ships route planning and stowage

    图  3  深度Q网络

    Figure  3.  Deep Q-network

    图  4  DQN算法的神经网络训练流程

    Figure  4.  Training process of neural network in DQN

    图  5  损失计算

    Figure  5.  Calculation of loss

    图  6  航线规划决策过程

    Figure  6.  Route planning process

    图  7  配载阶段决策过程

    Figure  7.  Stowage planning process

    图  8  航线规划阶段各方法求解结果对比

    Figure  8.  Results comparison of each method for route planning

    图  9  配载阶段各方法求解结果对比

    Figure  9.  Results comparison of each method for stowage planning

    图  10  总求解时间对比

    Figure  10.  Time comparison for each method

    表  1  船舶主要参数

    Table  1.   Main parameters of the ship

    编号 贝位 堆栈 单列载重/t 总容量/TEU
    1 4 4 3 16 45 96
    2 6 4 4 24 60 192
    3 8 4 4 32 60 256
    4 8 6 5 48 75 480
    下载: 导出CSV

    表  2  不同港口数目

    Table  2.   Different number of ports

    编号 港口数目 喂给港数
    P7 7 6
    P11 11 10
    P15 15 14
    下载: 导出CSV

    表  3  不同装载率

    Table  3.   Differentloading ratio

    编号 装载率/%
    C45 45
    C65 65
    C85 85
    下载: 导出CSV

    表  4  港口数P7求解结果

    Table  4.   Results for case P7

    算例 Gurobi PSO DQN
    f1 f2 T f1 f2 T f1 f2 T
    $S_2 P_7 C_{45}$ 222.91 19 0.43 222.91 21 4.63 222.91 21 5.82
    $S_2 P_7 C_{65}$ 222.91 25 0.54 222.91 26 6.10 222.91 25 5.78
    $S_2 P_7 C_{85}$ 268.73 18 0.50 282.54 20 6.96 268.73 18 5.51
    $S_3 P_7 C_{45}$ 268.73 18 0.56 268.73 18 7.26 268.73 18 5.30
    $S_3 P_7 C_{65}$ 268.73 18 0.59 268.73 18 5.14 268.73 18 5.38
    $S_3 P_7 C_{85}$ 328.36 26 0.67 328.36 26 13.64 328.36 27 5.62
    $S_4 P_7 C_{45}$ 222.91 52 0.79 268.73 57 14.99 222.91 55 6.28
    $S_4 P_7 C_{65}$ 282.54 76 0.64 282.54 77 28.64 282.54 76 7.06
    $S_4 P_7 C_{85}$ 341.14 87 0.94 341.14 89 26.70 341.14 87 8.21
    下载: 导出CSV

    表  5  港口数P11求解结果

    Table  5.   Results for case P11

    算例 Gurobi PSO DQN
    f1 f2 T f1 f2 T f1 f2 T
    $S_2 P_{11} C_{45}$ 309.48 22 1.82 355.25 25 8.87 344.04 22 21.7
    $S_2 P_{11} C_{65}$ 309.48 34 2.58 355.25 34 10.41 344.04 41 22.98
    $S_2 P_{11} C_{85}$ 355.25 40 3.77 383.6 42 7.21 378.63 40 23.02
    $S_3 P_{11} C_{45}$ 309.48 37 6.29 355.25 38 11.08 346.54 28 24.06
    $S_3 P_{11} C_{65}$ 355.25 52 5.94 355.25 52 14.98 387.68 49 25.65
    $S_3 P_{11} C_{85}$ 411.68 67 18.34 440.09 69 18.13 444.49 66 25.35
    $S_4 P_{11} C_{45}$ 309.48 54 11.74 355.25 59 17.32 344.04 61 26.84
    $S_4 P_{11} C_{65}$ 369.07 80 11.9 378.63 80 33.64 369.07 80 26.77
    $S_4 P_{11} C_{85}$ 425.51 105 21.32 443.25 100 34.93 446.79 100 28.31
    下载: 导出CSV

    表  6  港口数P15求解结果

    Table  6.   Results for case P15

    算例 Gurobi PSO DQN
    f1 f2 T f1 f2 T f1 f2 T
    $S_2 P_{15} C_{45}$ 349.98 27 116.83 389.98 28 14.42 368.45 27 24.55
    $S_2 P_{15} C_{65}$ 349.98 31 118.02 405.07 38 16.66 374.83 36 25.44
    $S_2 P_{15} C_{85}$ 389.98 42 201.76 444.97 48 13.75 435.57 46 25.69
    $S_3 P_{15} C_{45}$ 349.98 38 241.73 444.05 44 19.51 426.83 39 26.54
    $S_3 P_{15} C_{65}$ - - 600 421.88 55 23.76 418.35 54 28.96
    $S_3 P_{15} C_{85}$ - - 600 447.5 72 28.90 440.71 69 27.99
    $S_2 P_{15} C_{45}$ - - 600 449.01 65 26.51 430.67 59 29.54
    $S_4 P_{15} C_{65}$ - - 600 390.63 83 54.58 372.13 80 30.33
    $S_4 P_{15} C_{85}$ - - 600 457.88 109 55.59 424.43 104 31.40
    下载: 导出CSV
  • [1] OVSTEBO B, HVATTUM L, FAGERHOLT K. Routing and scheduling of RoRo ships with stowage constraints[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2011, 19 (6): 1225-1242. doi: 10.1016/j.trc.2011.02.001
    [2] 陈忱. 最优航线调度和集装箱船舶配载计划的决策支持系统[D]. 天津: 天津理工大学, 2012.

    CHEN Y. Decision support system for optimal route scheduling and container ship stowage planning[D]. Tianjin: Tianjin University of Technology, 2012. (in Chinese)
    [3] MOURA A, OLIVEIRA J, PIMENTEL C. A mathematical model for the container stowage and ship routing problem[J]. Journal of Mathematical Modelling and Algorithms in Operations Research, 2013, 12(3): 217-231. doi: 10.1007/s10852-012-9207-3
    [4] MOURA A, OLIVEIRA J. Exact solutions to the short sea shipping distribution problem[C]. IO 2013-XVI Congress of APDIO, Braganca, Portugal: Operational Research, 2015.
    [5] JI M, KONG L, GUAN Y. Integrated optimization of feeder routing and stowage planning for containerships[J]. Soft Computing, 2021, 25(1): 4465-4487.
    [6] CHRISTIANSEN M, NYGREEN B. A method for solving ship routing problems with inventory constraints[J]. Annals of Operations Research, 1998, 81(6): 357-378.
    [7] AGARWAL R, ERGUN O. Ship scheduling and network design for cargo routing in linear shipping[J]. Transportation Science, 2008, 42(2): 175-196. doi: 10.1287/trsc.1070.0205
    [8] KIM J, SON H, YANG W, et al. Liner ship routing with speed and fleet size optimization[J]. Journal of Civil Engineering, 2019, 23(3): 1341-1350.
    [9] CHARALAMBOPOULOS N, NEARCHOU C. Ship routing using genetic algorithms[J]. Operations Research Forum, 2021, 2(45): 1-26.
    [10] 计明军, 陈哲, 王清斌. 集装箱船舶支线运输航线优化算法[J]. 交通运输工程学报, 2011, 11(4): 68-75. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201104010.htm

    JI M J, CHEN Z, WANG Q B. Optimization algorithm of branch transportation route for container ship[J]. Journal of Traffic and Transportation, 2011, 11(4): 68-75. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201104010.htm
    [11] 郑红星, 李珊珊, 司羽. 内支线配船与船舶调度优化[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2019, 38(2): 109-116. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CQJT201902016.htm

    ZHENG H X, LI S S, SI Y. Internal feeder ship allocation and ship dispatching optimization[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2019, 38(2): 109-116. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CQJT201902016.htm
    [12] AMBROSINO D, SCIOMACHEN A, TANFANI E. Stowing a containership: the master bay plan problem[J]. Transportation Research Part A: Policy & Practice, 2004, 38(2): 81-99.
    [13] AMBROSINO D, PAOLUCCI M, SCIOMACHEN, A. Experimental evaluation of mixed integer programming models for the multi-port master bay plan problem[J]. Flexible Services & Manufacturing Journal, 2015, 27(2-3): 263-284.
    [14] MARIA M, MARCELLO S, GREGORIO S. The terminal-oriented ship stowage planning problem[J]. European Journal of Operational Research, 2014, 239(1): 256-265. doi: 10.1016/j.ejor.2014.05.030
    [15] 张华胜. 基于深度强化学习的自动化码头跨运车集成调度研究[D]. 上海: 上海海事大学, 2022.

    ZHANG H S. Research on integrated scheduling of shuttle carriers in automated terminals based on deep reinforcement[D]. Shanghai: Shanghai Maritime University, 2022. (in Chinese)
    [16] 段振堂. 基于深度强化学习的集装箱堆叠优化算法研究[D]. 济南: 山东大学, 2023.

    DUAN Z T. Research on container stacking optimization algorithm based on deep reinforcement learning[D]. Jinan: Shandong University, 2023. (in Chinese)
    [17] 李俊. 内河集装箱班轮航线配载决策研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2019.

    LI J. Route stowage planning decision for inland container liner shipping[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2019. (in Chinese)
    [18] HAN B A, YANG J J. Research on adaptive job shop scheduling problems based on dueling double DQN[J]. IEEE Access, 2020(8): 186474-186495.
    [19] GU B, SUNG Y. Enhanced DQN framework for selecting actions and updating replay memory considering massive non-executable actions[J]. Applied Sciences, 2021, 11(23): 1-15.
    [20] 尹星, 张煜, 郑倩倩, 等. 基于深度强化学习的自动化集装箱码头集成调度方法[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(6): 81-91. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.009?viewType=HTML

    YIN X, ZHANG Y, ZHENG Q Q, etal. A study of integrated scheduling of automated container terminal based on DDQN[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(6): 81-91. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.009?viewType=HTML
    [21] YANG Y, LI J T, PENG L L. Multi-robot path planning based on a deep reinforcement learning DQN algorithm[J]. CAAI Transactions on Intelligence Technology, 2020, 5(3): 117-183.
  • 加载中
图(10) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  61
  • HTML全文浏览量:  35
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-10
  • 网络出版日期:  2024-04-03

目录

    /

    返回文章
    返回