[发明专利]一种港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法

权利要求书

1.一种港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法，其特征在于：该协同调度方法的步骤如下：

A、明确港口综合能源系统组成、港口集装箱物流系统组成与物流作业流程以及能流和物流的耦合关系，构建港口综合能源系统与港口集装箱物流系统协同调度架构；

B、基于船舶平均在港时间最短和物流调度成本最低建立港口集装箱物流系统联合优化调度模型及作业用能模型；

C、基于系统运行成本最低建立港口综合能源系统多能流耦合优化调度模型与能量出力模型；

D、构建基于柔性流水线车间调度原理的港口集装箱物流调度流程模型；

E、构建计及双重不确定性的港口综合能源系统与港口集装箱物流系统能量供需耦合模型；

F、采用交替方向乘子法ADMM结合改进的非支配排序遗传算法MNSGA-II求解步骤B、C、D、E中的模型，得到港口能流与物流调度计划。

2.根据权利要求1所述的港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法，其特征在于：所述步骤A中的港口综合能源系统涵盖电能、热能、冷能的产能和用能。

3.根据权利要求1所述的港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法，其特征在于：所述步骤A中的港口集装箱物流系统根据各集装箱船舶的入、离港时间与待装卸箱量，调度物流作业区内的岸电、岸桥、集卡、场桥、冷箱，联合完成包括船舶靠泊、集装箱装卸、运输、堆码及制冷在内的物流作业流程。

4.根据权利要求1所述的港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法，其特征在于：所述步骤A中的能流和物流的耦合关系表现为港口集装箱物流系统调度岸电、岸桥、集卡、场桥、冷箱作业消耗的能量由港口综合能源系统调度出力来满足。

5.根据权利要求1所述的港口综合能源系统与集装箱物流系统协同调度方法，其特征在于：所述步骤B中的港口集装箱物流系统联合优化调度模型及作业用能模型包括港口集装箱物流系统全过程调度目标函数、港口集装箱物流系统调度的约束条件、以及集装箱物流全过程电力需求模型；其中港口集装箱物流系统全过程调度目标函数包括带岸电泊位调度目标函数以及岸桥、场桥、集卡、冷箱联合调度目标函数；港口集装箱物流系统调度的约束条件包括船舶靠/离泊时间与靠泊位置约束、物流设备调度约束、物流设备作业约束；集装箱物流全过程电力需求模型涵盖岸电、岸桥、集卡、场桥、冷箱；

其中，带岸电泊位调度目标函数：带岸电泊位的调度目标是所有船舶平均在港停泊时间最小化，即：

式(1)中：B_ship表示一个调度周期内所有船舶平均在港时长；r_ship为一个周期内的到港船舶数量；t_arr,i、t_ber,i和t_SPS,i分别表示船舶i的计划到港时间、靠泊时间和占用岸电时长；

岸桥、场桥、集卡、冷箱联合调度目标函数：物流系统以岸桥、场桥、集卡、冷箱调度总成本最低为目标函数进行各类设备的调度，表示为：

minC_PCLS＝C_QC+C_GC+C_AGV+C_RC (2)

式(2)中：C_PCLS表示一个调度周期的物流系统调度总成本；C_QC、C_GC、C_AGV和C_RC分别为岸桥、场桥、集卡和冷箱的调度成本，分别如下：

岸桥调度成本包括服务各船舶的岸桥启动成本和装卸作业成本，表示为：

式(3)中：c_QC,on和c_QC,w分别为单台岸桥的启动成本和平均每小时装卸作业成本；r_QC为岸桥总数量；r_C,i表示第i艘船舶的待装卸集装箱数量；T_L为物流系统调度周期；表示t时段第k台岸桥服务第i艘船舶装卸箱工作的0-1状态变量，工作为1、否则为0；

场桥调度成本包含服务各船舶的场桥启动成本和堆箱作业，表示为：

式(4)中：c_GC,on和c_GC,w分别表示单台岸桥的启动成本和平均每小时堆箱成本；r_GC为场桥总数量；表示t时段第n台场桥服务第i艘船舶堆箱工作的0-1状态变量，工作为1、否则为0；

集卡调度成本包括服务各船舶的集卡启动成本与运输成本，表示为：

式(5)中：c_AGV,on和c_AGV,w分别为单辆集卡的启动成本和平均每小时运箱成本。r_AGV表示集卡总数量；表示t时段第m台集卡服务第i艘船舶运箱工作的0-1状态变量，停运充电为1、运箱为0；

冷箱调度成本为冷箱的启动制冷成本之和，可表示为：

式(6)中：c_RC,on表示单个冷箱的启动成本；r_RC为冷箱总数量；表示第f个冷箱的制冷状态0-1变量，制冷为1、否则为0；

船舶靠/离泊时间与靠泊位置约束：各船舶到达后才可靠泊，且船舶实际离港时间不能迟于计划最晚离港时间，任意两艘船舶靠泊时间不可存在冲突，如式(7)所示；所有船舶靠泊的位置不可超过港口海岸线范围，且任意两艘船舶的靠泊位置和靠泊时间均不可存在冲突，如式(8)所示；

t_arr,i≤t_ber,i,t_ber,i+t_SPS,i≤t_dep,i,t_ber,i+t_SPS,i≤t_ber,q+M(1-h_i,q) (7)

l_0,i+l_i≤L,l_0,i+l_i≤l_q+M(1-z_i,q),z_i,q+z_q,i+h_i,q+h_q,i≥1 (8)

式(7)、(8)中：t_dep,i表示船舶i的计划离港时间；l_0,i和l_i分别表示船舶i的泊位起始位置和含船舶间的靠泊安全距离的船舶长度；L为岸线长度；z_i,q表示任意两艘船舶的靠泊位置0-1状态变量，若船舶i靠泊于船舶q的左侧岸线为1，否则为0；h_i,q表示任意两艘船舶的靠泊时间0-1状态变量，如果船舶i在船舶q之前靠泊，取值为1、否则为0；M为一个无穷大常数；

物流设备调度约束：每台岸电、岸桥、场桥和集卡在各时段只可为一艘船提供服务，可由式(9)表示；各时段各类设备的运行数量不可超过其总数，如式(10)所示；服务各船舶的岸桥数量受船舶可分配岸桥总数的限制，可表示为式(11)；假设各船舶装卸任务可均匀分配给岸桥，则每艘船舶占用泊位岸电的时长为装卸准备时长与装卸所有集装箱用时之和，如式(12)所示；

式(9)-(12)中：表示t时段第j台岸电为第i艘船舶供电状态0-1变量，供电即为1，否则为0；r_SPS为岸电充电桩总数量；r_QC,i,max和r_QC,i,min分别表示可服务船舶i装卸作业的岸桥数量上、下限；

物流设备作业约束：各时段单台岸桥的装卸效率、场桥的堆箱效率、集卡的运箱效率均受上、下限约束，可由式(13)表示；靠泊期间船舶用电功率受岸电供电功率上下限约束，如式(14)所示；各集卡的充电功率和荷电状态受上、下限约束，且调度周期结束时各集卡的荷电状态需与调度开始时相同，如式(15)所示；各冷箱的制冷功率与箱内温度变化量也受上、下限约束，且调度周期结束时冷箱内部温度应与调度开始时的温度相同，如式(16)所示；

式(13)-(16)中：和分别表示t时段第k台岸桥的装卸箱效率、第n台场桥的堆箱效率，以及第m台集卡的运箱效率；n_QC,k,max、n_AGV,m,max与n_GC,n,max分别为单台岸桥、集卡和场桥的最大运行效率；为第j台岸电的供电功率；和分别为第j台岸电的供电功率上、下限；为t时段第m台集卡的充电功率；和分别表示第m台集卡的最大、最小充电功率；表示t时段集卡的荷电状态；SoC_AGV,m,max、SoC_AGV,m,min、和分别为第m台集卡的最大、最小荷电状态值，以及调度初始时刻和调度周期结束时刻的荷电状态值；表示第f个冷箱的制冷功率；与分别表示第f个冷箱的最大与最小制冷功率；表示第f个冷箱启动制冷一个时间间隔后箱内温度的变化量；ΔT_RC,f,max、ΔT_RC,f,min、和分别为第f个冷箱箱内温度的最大变化量、最小变化量以及调度初始、调度周期结束时的箱内温度；

集装箱物流全过程电力需求模型：港口集装箱物流系统在t时段的总电力需求为该时段各类物流设备功率之和，表示为：

式(17)中：表示t时段港口集装箱物流系统总电力需求；和分别表示t时段岸电、岸桥、场桥、集卡和冷箱的总功率，分别如下：

t时段岸电总功率是该时段为船舶提供岸电服务的岸电供电功率之和，也为靠泊船舶功率之和，表示为：

式(18)中：为第i艘船舶靠泊状态0-1变量，靠泊接入岸电即为1，否则为0；表示第i艘在港船舶t时段的电力需求；

t时段岸桥总功率为该时段服务各船舶装卸作业的岸桥运行功率之和，如式(19)所示。单台岸桥运行功率用框架结构、起升机构和小车运输机构的工作功率、以及装卸箱速率表示，如式(20)：

式(19)、(20)中：表示t时段第k台岸桥的运行功率；H_QC,k、R_QC,k和D_QC,k分别为第k台岸桥的吊机升降高度、外伸距和水平跨度；和分别为第k台岸桥升降电机的平均功率和运行速度；和为水平运行小车的平均功率和运行速率；

t时段场桥总功率是时段内为各船舶提供堆箱服务的所有场桥的运行功率，如式(21)；各场桥的功率取决其框架结构、起升机构和小车运输机构的工作功率及堆箱速率，如式(22)：

式(21)、(22)中：表示t时段第n台场桥的功率；H_GC,n和D_GC,n分别为第n台场桥的吊机升降高度和水平跨度；和分别为第n台场桥的升降电机、水平运行小车的平均功率和运行速率；

t时段集卡总功率为该时段所有处于停运充电状态的集卡的充电功率之和，可用式(23)表示；各集卡的充/放电过程可用荷电状态表示，如式(24)，其中第一项表示t-1时段集卡的荷电状态、第二项表示集卡停运充电或启动运输一段时间后荷电状态的改变量；

式(23)、(24)中：表示t-1时段集卡的荷电状态；和分别为第m台集卡的充电、放电效率；表示第m台集卡运载单个集装箱功率；表示第m台集卡的电池额定电量；Δt_L为物流系统物流调度的单位时间间隔。

t时段冷箱总功率为时段内所有启动冷箱的制冷功率之和，如式(25)所示；各冷箱内部温度的变化由制冷功率决定，可由式(26)表示，其中第一项为因环境温度导致的箱内温度变化、第二项表示供电制冷一段时间后箱内温度的变化量；

式(25)、(26)中：为t时段第f个冷箱的内部温度；为t时段的外部环境温度；A_RC,f和m_RC,f分别表示第f个冷箱的外表面积和装载货物的重量；z_RC和c_RC分别为冷箱的热传导系数和箱内比热容。