用于高效的物流运输规划的智能代理系统的协同框架外文翻译资料

 2022-07-27 14:49:08

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用于高效的物流运输规划的智能代理系统的协同框架

摘要

在现代物流链中，已支持日常运营的规划系统正在变得更加信息密集和技术依赖。由于操作的复杂性日益增加，规划系统不仅需要专注于确保每日计划的可行性，而且还要通过有效的谈判来解决利益冲突问题。本文解决了由信息共享有限，缺乏合作和利益冲突引起的内陆运输规划的挑战。我们通过多代理技术和混合启发式设计了能够实施自主控制的合作和决策机制。它的目的是提供优质的计划，以实现内陆物流的高水平表现和稳健性。从系统的角度来看，提出一种面向服务的架构可以将代理范例与基于Web的规划系统相结合。从操作的角度来看，在博弈论方法的支持下，特别关注可以在不同利益相关者之间建立多维度合作关系。具体来说，我们定义如何执行规划活动，合并哪些级别的合并以及如何在全球范围内实现效益。由于解决问题的非确定性质，实施了综合的NGSA-II和模拟退火算法来协助决策。基于Taguchi方法调整与算法相关的参数。将介绍案例进行比较研究，以验证该方法的适用性和性能。

关键词：协同规划 代理系统 内陆驳船运输 NSGA-II 模拟退火法

1.介绍

在当前的物流链中，运输计划系统的效率和效能在直接关系到物流服务满意度。 整个系统变得越来越复杂、动态和分布式，这使得自动化运输计划（ATP）的过程成为挑战性任务。ATP的传统方法是通过集中控制进行优化，其目的是通过运营研究领域的方法进行优化给定目标，包括VRP，TSP，流程工作时间表等。获得的解决方案主要侧重于个人目标。 然而，在实际的物流运输网络中，不同的实体（如物理资源，人力资源，商业参与者）在经济上相互关联并在物理上分布。由于缺乏对不同的当事人之间具有不同的利益或利益相关者的过程，它已经证明难以将所有信息以全面的方式整合到统一的系统中。因此，确定具有不同利益的参与者如何共同合作以及协的作价值是至关重要的一步。面对挑战，提出了协同决策概念（CDM）。

CDM的概念概念融合了以一些相互界定的方式共同合作的目标，参与者积极分享信息并共同作出决定以实现全球最佳解决方案。最近，使用CDM来支持复杂的决策已经在物流和运输领域变得越来越流行。Sprenger和Mouml;nch（2014年）描述了德国食品行业合作交通规划的决策支持系统。整体系统由MAS实现，为CDM提供分布式分层算法。 Hernaacute;ndez，Lyons，Mula，Poler和Ismail（2014）提出了一个多层次的、以谈判为基础的MAS，通过CDM来提升供应链成员的服务和利润水平。 Panzarasa，Jennings和Norman（2002）在多代理环境中提出了CDM的正式模型。他们确定了自己感兴趣的代理人应该充分满足的条件，以增加对联合决策的合作。舒尔特（2012）开发了MAS技术实施物流自主控制的协调机制。总而言之，研究流程选择MAS技术作为在物流领域内CDM过程中促进沟通和信息共享的途径。 MAS技术提供了一个基于集体决策的软件解决方案（Pang，Zhong，＆Huang，2013）的设计和实现框图，这个组织决定了自主的、松散耦合的计算实体（Pechoucek，Kok，Warmer，Kamphuis， Maric，2006）。

代理技术已经被证明是CDM的一个很好的工具，但是仍然存在着协作可能陷入局部最优解决方案的风险。每个实体/代理人只关注其核心竞争力，每个实体/代理人的总和不等于具有全局最优性的总和（Davidsson，Persson，＆Holmgren，2007）。组织之间的合作是一个常见的问题，例如物流领域的运输规划，每个参与者对规划过程有着不同的兴趣。为了实现每个成员的双赢局面，CDM成功的另一个根本问题是指定COI解决机制。博弈理论已被证明是分析战略决策者之间互动性的良好工具。最近的研究成果反映了博弈理论方法协助CDM过程的潜在用途。 Ohazulike和Brands（2013）应用了博弈理论方法来最佳地分配网络中的流量，目的是消除一些流量外部性。 Zhu et al（2015年）建立了一个博弈理论模型，协调管理消费者电器的调度。 Ribeiro，Weigang，Milea，Yamashita和Uden（2015）设计了一个使用博弈理论规划飞机起飞顺序的协同决策系统。

基于CDM的概念和成就，在本文研究中，我们整合了多代理系统和博弈理论概念的优势，实现了内陆运输领域的CDM系统。它用于促进鹿特丹港内陆驳船转运（HBT）运营的规划。对此问题的简要介绍如下，具体解释将在第3节中给出。

有限的信息共享：涉及HBT的不同参与者（驳船运营商和终端运营商）都不愿意彼此分享信息，从而使协调变得困难。

老式通信：电话或基于电子邮件的信息交换方式使得驳船和终端运营商无法以有效的方式调整策略。自治：每个政党都倾向于保持自主权，任何一方都不允许其策略或行动受到其他方的控制。

本文的目的是设计一个沟通决策系统，以解决HBT的规划困难，特别是侧重于各方之间的COI，从而实现协同规划过程。考虑到概念和技术方面。通过使用具有基于调解员的架构的MAS来解决参与者之间的自动协商过程，其目的是保持通信效率和隐私。 COI通过博弈论方法解决。它被实现为结合NSGA-II（Deb，Pratap，Agarwal，Meyarivan，2002）和模拟退火算法的多层次分层框架，目的是为每个参与者搜索非优势解决方案，从而实现双赢的协作解决方案。本文的主要贡献有两个方面。通过考虑MAS框架和博弈理论方法的结合，使设计的CDM系统能够为组织间的参与者提供有效沟通和协商的双赢解决方案。其次，广义框架可以有利于支持其他产业领域复杂的CDM流程，其中包括谈判和利益冲突。

其余论文组织如下：第二部分回顾了有关内陆驳船运输计划等相关工作。 第3节提出了有关这个问题的具体解释，并就协作规划的障碍进行了讨论。 第4节提供了一个领导跟随者结构和混合算法解决方案。 第5节介绍了基于调解员的MAS的框架和主要内容。 还讨论了代理规范和协商。 第6节介绍了面向服务的架构与代理系统的集成。 然后对所实施的系统与所提出的混合算法进行评估。 第7节将总结和将来的工作。

2相关工作

2.1 HBT规划的举措

在参考文献中，已经建立了若干研究和行业项目以提高HBT规划系统的效率和性能。成果可以分为两个方面。

2.1.1操作视角

从操作的角度来看，提高驳船处理效率的方法是在靠近港口的港口附近建造一个所谓的卫星中转站（Pielage，Konings，Rijsenbrij，＆Schuylenburg，1986; Vis＆de Koster ，2003）。 基本概念是通过将所有必需的容器移动到隔离位置来减少驳船的平均终端呼叫。 得出结论，新驳船枢纽的概念是内陆驳船运输的可行解决方案。 但是，新建枢纽的建设会被认定为长期战略，不能立即生效，因此它不属于本文研究的范围。

2.1.2 IT层面

信息整合在实现物流运输活动的自主控制方面扮演着核心的角色。它允许组织将数据转换为需要与其合作伙伴沟通的大量复杂信息。它还提供实时信息，使操作员能够轻松地管理和控制活动。在HBT中使用IT集成也不例外。 2003年建立了鹿特丹港HBT规划问题的第一项重要举措，称为APPROACH（Moonen，2005）。它建立了一个分散的系统结构，以便离线创建一个旋转计划。创建了一个MA通信环境，其中终端代理和驳船运营商可以相互协商和交换信息，以获得可行的计划。接下来是APPROACH，通过使用等待配置文件协议（Douma，Schutten＆Schuur，2009; Douma，van Hillegersberg，＆Schuur，2012）提出了实时驳船规划系统。作者研究了不同程度的信息交流对驳船轮转的迟缓情况的影响，并介绍了“松弛时间”的概念，提高了终端规划的灵活性。 2013年9月起推出了一项名为“Next Logic”（Logic，2013）的创新项目，包括鹿特丹港，驳船公司，码头公司，托运人和荷兰政府等在内的各方积极参与。该项目侧重于通过提供所有相关方加入的集中整合平台，降低内陆集装箱运输效率低下。总而言之，上述的艺术水平旨在为联合各方创造有效的沟通平台。主要目的是减少运营期间驳船的轮候时间。终端的兴趣很少得到解决，即终端与驳船之间的冲突性质，终端对终端的深度不进行调查。

2.2 其他相关领域

HBT规划问题也类似于一些经典的操作问题。第一个是泊位分配问题（BAP），每个船只需要在单一终端停泊运行。这个问题涉及在每个泊位时间窗口中为每个船舶分配泊位空间，从而优化效率（Golias，Portal，Konur，Kaisar，＆Kolomvos，2014; Xiao＆Hu，2014）。然而，本文中涉及的HBT问题考虑在多个终端上规划船舶运营，这又增加了传统BAP问题的另一个复杂度。单一终端的决策不仅在当地有效，而且在随后的终端决策过程中也发挥作用。 HBT规划问题也与时间窗限制的车辆路线问题（VRPTW Baldacci，Mingozzi，＆Roberti，2012; Ghoseiri＆Ghannadpour，2010）有关，其涉及将一组车辆组成中央车站的一组具有已知需求和预定义时间窗口的地理位置分布的客户。然而，时间窗口被认为是在VRPTW中应该满足的固定约束。在HBT中，终端提供的可用时间窗口不仅被认为是固定的约束，而且也是确定终端利用率水平的关键。因此，尽管确定每条驳船的路线，但是发出驳船也是至关重要的时间窗口。

2.3以前的研究

本文是我们以前作品的扩展和改进版本（Feng，Pang，＆Lodewijks，2015a; Feng，Pang，＆Lodewijks，2015b）。在Feng等人之后（2015b），我们使用一个Stackberg博弈模型的问题。直观地说，我们把整个终端视为一个整体。因此，Feng等人的终端占有率（2015b）对于所有的终端都是一样的。然而，在现实中，不同的终端可能有不同的条件（繁忙的时间段，驳船的呼叫次数）。因此，应分开考虑终端占用率，从而导致协作框架的设计。相应地，调整了采用综合利用NSGA-II和模拟退火方法的决策算法。在本文中，我们不是考虑最小化驳船的周转时间并保持终端的可接受的占用水平，而且我们努力寻找一个可以满足利益的帕累托阵线。更多的是，我们还提出了一个基于SOA的代理框架来提高实际的适用性。此外，广泛的实验将介绍性能和参数调整。

3问题陈述

3.1问题定义

解决的问题是鹿特丹港提出的一个实际问题。对于拥有高度发达的内陆水路网络的国家，如荷兰和比利时，驳船已被证明是腹地集装箱转运最有效和最可持续的设备。据估计，使用驳船将在未来的HBT中占有45％的份额，这一数字将不断增长（De Langen，Van Den Berg，Willeumier，2012）。由于信息共享有限，COI和隐私的原因，目前的做法远非最佳。一方面，驳船在港区内等待时间很长。另一方面，终端资源（码头起重机，泊位能力）没有得到有效利用。

假设驳船需要访问5个终端，并在每个终端装卸集装箱。首先，驳船运营商开始与分配的终端运营商一个接一个地指令。如果对终端2的指令被授予，而终端1的指令被拒绝。那么驳船运营商别无选择，只能通过重新排序终端访问顺序重新开始谈判。上述过程将重复执行，直到所有终端操作员以正面答复回复。实际上，驳船运营商必须确保驳船严格按照预先配置的帆船计划无条件地遵守。否则无法保证终端服务。

此外，因为该计划是遵循是或否战略，因此在周转时间或资源利用方面无法确保质量。

解决的问题可以归纳为：给定终端业务配置文件和驳船呼叫简档，规划系统应能够确定驳船旋转顺序和终端服务时间窗口，以便满足约束（驳船旋转约束，终端资源可用性）并应优化目标（驳船周转时间和终端资源利用）。在下一节中，将对HBT中每个参与者的规划模型进行构建和说明。

3.2本地域规划分析

3.2.1驳船规划模型

给定一个终端调用配置文件（包括要访问的终端和在每个终端装载和卸载的集装箱），驳船操作者的主要义务是保证生成的计划的可行性。此外，如果可能，转弯时间也应尽可能短。 规划模型如下图所示：

目标函数方程（1）是所有驳船i（i = 1 ... Nb）的转弯时间（TRi）之和，其中Di; N是i与最后一个终端的出发时间，其等式（6）中，ARi; 1是i在第一个终端的到达时间，其等式（2）。在端子j处的i的操作开始时间（OSi; j）在等式（3），其中ai;jthorn;1是由终端j 1提供服务驳船i的可用开始时间。在端子j处的驳船i的运行持续时间（ODi; j）在等式（4），其中OR为运行速率（假定为固定数），Li;jthorn;1和ULi;jthorn;1为要在端子j 1处加载和卸载的容器数量。 （7）规定驳船我不能同时在两个终端通话。约束方程（8）规定在j 1提供的给定时间窗内，终端j 1处的驳船i的运行应完成。 （9）规定驳船i从最后一站起飞的最后起飞时间不得迟于预定期限。方程式（10）定义了决策变量Xipq的域。

3.2.2终端规划模型

对于终端操作员来说，主要任务是考虑到驳船呼叫配置文件，其当前的占用状态和其他终端规定（终端关闭，维护任务等），将进入的驳船呼叫分配到其计划板中。出于经济原因，有效的泊位使用对于港口竞争力来说至关重要，因为泊位建设与其他基础设施相比要高出许多。适当的泊位使用水平表明，泊位一直未得到充分利用或过度利用（今井，张西西，2007年）。在文献中，已经出版了一系列研究课题，以提升泊位占有率来提高港口竞争力的问题，但泊位占用率的量化则是以季节性基础或年度基准（起亚， Shayan，＆Ghotb，2002; Radimilovic#39;＆Jovanovic#39;，2012）。没有确切的指标来量化泊位占有率，以反映日常计划和泊位利用率之间的关系。为此，在这项工作中，我们提出了一个新的泊位占用水平指标，用于量化泊位计划如何影响营运水平的泊位利用率。我们将首先解决发布驳船运行时间窗口的问题，然

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