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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
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    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
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    表  3  不同装载率

    Table  3.   Differentloading ratio

    编号 装载率/%
    C45 45
    C65 65
    C85 85
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    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
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    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
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    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
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  • 收稿日期:  2023-09-10
  • 网络出版日期:  2024-04-03

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