專利名稱：多約束條件下的啟發(fā)式配車方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多約束條件下的配車方法，該配車方法采用啟發(fā)式算法而應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)的貨物配載過程，以提高箱體空間的利用率。
背景技術(shù)：
隨著目前國內(nèi)、外物流配送行業(yè)的興起與發(fā)展，貨物配載相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展受到越來越多地重視，作為主要運(yùn)輸工具的集裝箱體裝載也就成為物流配送的關(guān)鍵技術(shù)，并成為今后物流配送貨物裝載的必然趨勢。
在多種約束條件或貨物裝載要求下的三維空間裝箱技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于鐵路貨廂、汽車車廂、輪船集裝箱等情況下。現(xiàn)有物流配載對于箱體空間利用的技術(shù)較為原始、信息化程度還不高，絕大多數(shù)物流企業(yè)還未采用先進(jìn)的智能化配車系統(tǒng)。在物流配載過程中，通常是裝載人員憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來決定貨物的裝載次序、擺放位置安排等。即使該配載人員經(jīng)過長期實(shí)踐而積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但終究是個(gè)人主觀判斷和預(yù)測，因此在貨物裝載過程中不可避免地存在著諸多誤差，從而導(dǎo)致車輛配載空間利用率低、工作效率偏低而易導(dǎo)致貨物滯留，從而拉長了配送時(shí)間，以至無法保障及時(shí)準(zhǔn)確高效配送。
現(xiàn)有的改進(jìn)方案是采用啟發(fā)式算法進(jìn)行裝載。目前，裝箱問題的算法研究中，一維裝箱算法已相對成熟，傳統(tǒng)的最好的一維裝箱算法是文獻(xiàn)Near-Optimal bin packing algorithms中的FFD(First-Fit Decreasing)算法，這算法是先將L中的ai按從大到小的順序排列，然后再使用首次適應(yīng)算法，其漸近性能比為11∶9。另外，基于二維空間的裝箱方法，主要是從實(shí)際工作角度出發(fā)，雖有理論結(jié)果但并深入。至于三維空間的裝箱方法，由于其復(fù)雜性和難度較大，因此較少有應(yīng)用方法公開，主要是基于空間分解或?qū)拥乃枷?。上述的配車方法在?shí)際多種復(fù)雜約束條件下，其應(yīng)用受到很大的限制，還不能真正應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)的貨物配載過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其目的在于解決上述問題和不足而將啟發(fā)式策略引入到具體的車輛裝載過程中，從而使系統(tǒng)在滿足各種約束條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效率的最大化利用箱體三維裝載空間。
所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其解決方案核心是將啟發(fā)式策略引入到三維裝載空間的配車過程中。
所謂的啟發(fā)式算法，也可以看作是我們常說的“竅門”。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，使用“竅門”求解問題，往往能達(dá)到事半功倍的目的。這種竅門來自經(jīng)驗(yàn)，與求解的問題密切相關(guān)，盡管不保證一定奏效，但好的竅門常常一用就靈，在大多數(shù)情況下能很快解決問題。從理論上理解，對許多實(shí)際工作任務(wù)來說，基于以前的多個(gè)解決實(shí)例，可從實(shí)例集中搜集到與解決工作任務(wù)有關(guān)的信息，從而降低配車方案的整理時(shí)間，而快速地得出解決方案。
啟發(fā)式算法的定義是考慮解決某類實(shí)際問題P，設(shè)其所有解決方案的實(shí)例集合為DP，對于每一個(gè)實(shí)例I∈DP，有一個(gè)相應(yīng)的待用解集合SP(I)，若對任意給定的實(shí)例I∈DP，算法A總能找到一個(gè)待用解集σ∈SP(I)，則稱算法A為問題P的一個(gè)啟發(fā)式算法。
應(yīng)用上述啟發(fā)式算法的多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其具體的解決策略是一、首先，確定貨物配載過程中的所有約束條件及其處理方式；對方法中的約束條件處理方式，就是引入不同的變量以分別表示諸如貨物的擺放方式、貨物的配套要求、配車箱體的底置擺放等級、以及貨物配載順序的優(yōu)先級等參數(shù)。
二、其次，應(yīng)用啟發(fā)式配車策略；1、同種類型的貨物需要一次性裝載，同種類型貨物的約束條件是相同的，如其外形、體積尺寸、配套要求、配車箱體的底置擺放等級、以及貨物配載順序的優(yōu)先級均是相同的，一次性全部同種類型的貨物，會(huì)盡可能利用空間，配車成功率較高，因此同種類型的貨物應(yīng)當(dāng)一次性裝載。
2、當(dāng)配車箱體空間不滿時(shí)，應(yīng)避免三維空間的中間部位的貨物擺放有向外側(cè)突出的情況，以免出現(xiàn)過于破碎的剩余空間。
如有中間部位突出的情況，則應(yīng)把突出的貨物換到三維空間的端線上擺放，這樣可以利用最外邊的一段空間。
如被換位的貨物長度大于端線剩余尺寸，則應(yīng)選擇其他配車方案。
3、在配車箱體空間的寬度方向(定義為空間的X軸方向)上求最優(yōu)，即寬度方向上的剩余尺寸最小，以保證整體三維空間的完整度。
三、再次，對配車箱體空間進(jìn)行劃分；因?yàn)閼?yīng)用啟發(fā)式配車策略，是針對同一種類型的貨物進(jìn)行集中裝載的解決步驟。如對于同一種類型的貨物，定義三維空間的橫向方向?yàn)閄軸，縱向方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸。
則在上述三維空間中裝入一種貨物后，最多會(huì)產(chǎn)生六種子空間，即在X軸橫向方向的剩余空間，定義為A空間；在X軸的橫向方向、沿Z軸向上的剩余空間，定義為B空間；沿Y軸的縱向方向、在箱體水平底層的剩余空間，定義為C空間；在Y軸縱向方向的剩余空間，定義為D空間；在Y軸的縱向方向、沿Z軸向上的剩余空間，定義為E空間；沿X軸和Y軸的剩余夾角空間，定義為F空間。
配車方法的裝載順序是按空間體積的遞減順序進(jìn)行，以增加空間利用率。
為計(jì)算上述剩余空間的大小，以及按遞減順序確定裝入一種貨物的配車方案，則按下述流程來求得最小剩余空間①、求得理論長度La，理論長度La是將總面積除以擺放寬度，即La＝Va/(Nyh×Bw+Nyv×Bl)，其中，Va＝Bw×Bl×N；即，La＝(Bw×Bl×N)/(Nyh×Bw+Nyv×Bl)；N，表示裝入貨物的箱體數(shù)量；
Nxh，表示所裝入貨物在X軸方向上的橫向擺放箱數(shù)；Nyh，表示所裝入貨物在Y軸方向上的橫向擺放箱數(shù)；Nyv，表示所裝入貨物在Y軸方向上的縱向擺放箱數(shù)；Nxv，表示所裝入貨物在X軸方向上的縱向擺放箱數(shù)；Bw，表示箱體的寬度；Bl，表示箱體的長度；②、求得縱向擺放的排數(shù)Nxv1和橫向擺放的排數(shù)Nxh1；其中，Nxv1＝La/Bw，Nxh1＝La/Bl；③、求得剩余貨物的箱體數(shù)量Nr＝N-Nxv1×Nyv-Nxh1×Nyh；也就是，Nr＝N-(La/Bw)×Nyv-(La/Bl)×Nyh；④、判斷、確定剩余貨物擺放在箱體的何處位置；貨物余數(shù)的擺放位置有以下幾種V0，表示貨物都采取豎向擺放；H0，表示貨物都采取橫向擺放；V1，表示貨物豎向擺放1列或幾列，其余的橫向擺放；H1，表示貨物橫向擺放1列或幾列，其余的豎向擺放。
對于上述擺放位置選擇方式的約束條件是上述所有擺放方式，所占有端線尺寸的最長行不能超過長度界限；優(yōu)先級應(yīng)考慮空間的完整性和較短的總長度；采用貨物豎向擺放(V0方式)，比橫放行的長度不應(yīng)大于2倍的箱體長度Bl；采用貨物橫向擺放(H0方式)，新增的列不能超過2列；采用V1方式，如果橫放的列不滿，擺完后豎行應(yīng)長于橫行；采用H1方式，如果豎放的列不滿，則擺完后橫行應(yīng)長于豎行。
四、然后，確定定序和定位規(guī)則；按照待裝貨物的體積遞減的順序進(jìn)行定序；定位策略是占角策略，即將待裝貨物擺放在箱體三維空間的某一角，本發(fā)明所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，每次都將布局塊定于當(dāng)前布局空間的后部左下腳位置。
五、最后，進(jìn)行空間分割；采用三維空間分割的方法，當(dāng)一個(gè)貨物在擺放入一個(gè)集裝箱后，該集裝箱被分割成三個(gè)空間(除自己占用的空間)，分別為左空間，右空間，上空間。
基于同樣道理，每個(gè)子空間在充填過程中，被擺放入貨物后，同樣被繼續(xù)分割為三個(gè)空間，而原空間消失。
為了保證裝載的穩(wěn)定性，裝載順序依次為左空間、右空間、上空間。
本發(fā)明所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其實(shí)現(xiàn)流程是確定所裝貨物的約束條件，如包括箱體本身的承重性(易碎性)、箱體搬運(yùn)的難易性、一些貨物必須進(jìn)行擺放隔離、不允許超過最大承重量、重心與幾何形心偏差不應(yīng)太大、以及貨物碼放的穩(wěn)定性等等；引入不同變量分別表示貨物的擺放方式、貨物的配套、底置等級和優(yōu)先級等屬性。
按照待裝貨物體積遞減的順序進(jìn)行裝載，即先裝大物品，再裝小物品。從箱體的后部左下腳開始擺放物品。
配車裝載時(shí)，按裝入貨物的順序，對每一貨物均應(yīng)用啟發(fā)式策略以確定針對所有貨物的配車裝載順序。
即按空間體積的遞減順序裝載，增加空間利用率；當(dāng)裝載不滿時(shí)應(yīng)避免中間突出的情況，以免使空間過于破碎；如有中間突出的情況，應(yīng)把突出的擺放換到邊上，這樣可以利用最外邊的一段空間；如有小于最小尺寸的邊，應(yīng)盡量把此類情況轉(zhuǎn)換為其它方式；在寬度方向求最優(yōu)，以此維護(hù)空間完整度。
判斷是否還有剩余空間繼續(xù)裝載物品；如有，則利用上述啟發(fā)式策略繼續(xù)裝載；如無，則流程結(jié)束。
確定基于三維裝載空間的詳細(xì)配車方案。
綜上內(nèi)容，所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法的優(yōu)點(diǎn)是
1、通過應(yīng)用多約束條件下的啟發(fā)式裝載，可以解決現(xiàn)有配車人員在配車過程中受其主觀因素所做出的方案，人為因素被降低最小。
2、應(yīng)用該方法避免了空間的支離破碎，極大地提高了箱體的空間利用率。并且計(jì)算較快，節(jié)約了裝載時(shí)間。
3、應(yīng)用該方法更為方便，避免出現(xiàn)貨物的多次重裝、貨物滯留、空間利用率很低、浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象，裝載效率更高。


圖1是應(yīng)用啟發(fā)式策略進(jìn)行配載的箱體空間分解圖；圖2是三維空間分割示意圖；圖3是所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法流程圖；圖4是應(yīng)用如圖3流程進(jìn)行貨物裝箱所得到的三維裝載圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，如圖1至圖4所示，所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，對于一組貨物進(jìn)行配車裝載的流程是確定所裝貨物的約束條件，并且選擇裝載貨物所需要的箱體規(guī)格及數(shù)量；按照體積遞減的順序?qū)ω浳镞M(jìn)行排序。
按照貨物體積遞減的順序?qū)ω浳镞M(jìn)行裝載，即先裝大物品。
在裝載的時(shí)候利用以下的啟發(fā)式策略，從箱體的后部左下腳開始擺放物品；同種類型的貨物一次性裝載，裝載后產(chǎn)生的剩余空間再按照空間體積遞減的順序裝載；裝載不滿時(shí)應(yīng)避免中間突出的情況；在寬度方向求最優(yōu)。
裝載完某一物品后，判斷箱體是否還有剩余空間用來裝載其他的物品，如果有，則按照上述啟發(fā)式規(guī)則繼續(xù)裝載，否則裝載結(jié)束，畫出物品的三維裝載圖。
任務(wù)結(jié)束。
如圖4所示，利用多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，對一組物品進(jìn)行裝箱，所得到的三維裝載圖。
其中，貨物裝載在規(guī)格為11.96m(長)×2.35m(寬)×2.35m(高)的集裝箱中，貨物明細(xì)如以下表1所示。
表1，是所裝貨物的具體明細(xì)；其中，x0表示貨物在X軸方向上的坐標(biāo)，y0表示貨物在Y軸方向上的坐標(biāo)，z0表示貨物在Z軸方向上的坐標(biāo)，通過x0，y0，z0可以知道物品在箱體空間中的具體位置。

表1如圖4所示，貨物的三維裝載圖中，用不同的深度代表不同的貨物。
通過裝載圖，裝載人員可以有序地對貨物進(jìn)行裝載。而且貨物的空間利用率也較高，達(dá)到了92.2％，計(jì)算時(shí)間不到一分鐘。
具體的配車裝載方案，如下述表2所示，即配車裝載后的方案結(jié)果。
其中，x0表示貨物在X軸方向上的坐標(biāo)，y0表示貨物在Y軸方向上的坐標(biāo)，z0表示貨物在Z軸方向上的坐標(biāo)，通過x0，y0，z0可以知道物品在箱體空間中的具體位置。

表權(quán)利要求
1.一種多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其特征在于在三維裝載空間的配車過程中，所采取的解決策略是，首先，確定貨物配載過程中的所有約束條件及其處理方式；其次，應(yīng)用啟發(fā)式配車策略，對于同種類型的貨物需要一次性裝載；當(dāng)配車箱體空間不滿時(shí)，應(yīng)避免三維空間的中間部位的貨物擺放有向外側(cè)突出的情況，以免出現(xiàn)過于破碎的剩余空間；如有中間部位突出的情況，則應(yīng)把突出的貨物換到三維空間的端線上擺放；當(dāng)被換位的貨物長度大于端線剩余尺寸時(shí)，則選擇其他配車方案；在配車箱體空間的寬度方向上求最優(yōu)，即寬度方向上的剩余尺寸最小，以保證整體三維空間的完整度；再次，對配車箱體空間進(jìn)行劃分，裝載順序是按空間體積的遞減順序進(jìn)行；然后，確定定序和定位規(guī)則，按照待裝貨物的體積遞減的順序進(jìn)行定序；定位策略是占角策略，即將待裝貨物擺放在箱體三維空間的某一角；最后，進(jìn)行空間分割，裝載順序依次為左空間、右空間、上空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其特征在于在所確定的配車方案中，按遞減順序確定裝入某一種貨物，裝入該貨物后剩余空間力求最?。慌滠嚪桨钢械氖Ｓ嘭浳锏南潴w數(shù)量Nr，其表達(dá)式是，Nr＝N-(La/Bw)×Nyv-(La/B1)×Nyh，其中，La＝(Bw×B1×N)/(Nyh×Bw+Nyv×B1)，N，表示裝入貨物的箱體數(shù)量；Nxh，表示所裝入貨物在X軸方向上的橫向擺放箱數(shù)；Nyh，表示所裝入貨物在Y軸方向上的橫向擺放箱數(shù)；Nyv，表示所裝入貨物在Y軸方向上的縱向擺放箱數(shù)；Nxv，表示所裝入貨物在X軸方向上的縱向擺放箱數(shù)；Bw，表示箱體的寬度；B1，表示箱體的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其特征在于對于配車裝載的同一種貨物，在確定剩余貨物擺放在箱體的何處位置時(shí)，確定以下原則，所有擺放方式，所占有端線尺寸的最長行不能超過長度界限；優(yōu)先級應(yīng)考慮空間的完整性和較短的總長度；采用貨物豎向擺放(V0方式)，比橫放行的長度不應(yīng)大于2倍的箱體長度B1；采用貨物橫向擺放(H0方式)，新增的列不能超過2列；采用V1方式，如果橫放的列不滿，擺完后豎行應(yīng)長于橫行；采用H1方式，如果豎放的列不滿，則擺完后橫行應(yīng)長于豎行；其中，V0，表示貨物都采取豎向擺放；H0，表示貨物都采取橫向擺放；V1，表示貨物豎向擺放1列或幾列，其余的橫向擺放；H1，表示貨物橫向擺放1列或幾列，其余的豎向擺放。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其特征在于其實(shí)現(xiàn)流程是，確定所裝貨物的約束條件；引入不同變量分別表示貨物的擺放方式、貨物的配套、底置等級和優(yōu)先級等屬性；按照待裝貨物體積遞減的順序進(jìn)行裝載，即先裝大物品，再裝小物品，從箱體的后部左下腳開始擺放物品。配車裝載時(shí)，按裝入貨物的順序，對每一貨物均應(yīng)用啟發(fā)式策略以確定針對所有貨物的配車裝載順序；即按空間體積的遞減順序裝載，增加空間利用率；當(dāng)裝載不滿時(shí)應(yīng)避免中間突出的情況，以免使空間過于破碎；如有中間突出的情況，應(yīng)把突出的擺放換到邊上，這樣可以利用最外邊的一段空間；如有小于最小尺寸的邊，應(yīng)盡量把此類情況轉(zhuǎn)換為其它方式；在寬度方向求最優(yōu)，以此維護(hù)空間完整度；判斷是否還有剩余空間繼續(xù)裝載物品；如有，則利用上述啟發(fā)式策略繼續(xù)裝載；如無，則流程結(jié)束。確定基于三維裝載空間的詳細(xì)配車方案。
全文摘要
本發(fā)明所述多約束條件下的啟發(fā)式配車方法，其目的在于解決上述問題和不足而將啟發(fā)式策略引入到具體的車輛裝載過程中，從而使系統(tǒng)在滿足各種約束條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效率的最大化利用箱體三維裝載空間。首先，確定貨物配載過程中的所有約束條件及其處理方式；其次，應(yīng)用啟發(fā)式配車策略；再次，對配車箱體空間進(jìn)行劃分，裝載順序是按空間體積的遞減順序進(jìn)行；然后，確定定序和定位規(guī)則，按照待裝貨物的體積遞減的順序進(jìn)行定序；定位策略是占角策略，即將待裝貨物擺放在箱體三維空間的某一角；最后，進(jìn)行空間分割，裝載順序依次為左空間、右空間、上空間。
文檔編號G06Q10/00GK1936937SQ200510044850
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者丁香乾, 魏旭, 王魯升, 馬琳濤, 胡瑞, 賀英, 侯瑞春, 馮源, 傅昕宇, 劉挺, 劉濤, 周志明 申請人:中國海洋大學(xué)