Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính: Tối thiểu chi phí bốc xếp trong hệ thống khai thác cảng Container

NHIỆM VU VA NOI DUNG: — Nghiên cứu bài toán tối thiểu chi phí bốc xếp container trong quy trình nhập container từ tàu vào lưu bãi và xuât container giao cho khách hàng.. TÓM TAT LUẬN VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHO HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

a

HA PHUOC LAN

TỎI THIEU CHI PHI BÓC XEP_

TRONG HE THONG KHAI THAC CANG

CONTAINER

CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH

MA SO: 60.48.01

TPHCM, THANG 12 NAM 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ÐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Minh Mẫn

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Đình Thúc (Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

Cán bộ cham nhận xét 2: TS Nguyễn An Khương - 5+:(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 06 tháng 01 năm 2015.

Thành phân Hội đông đánh giá luận văn thạc sĩ gôm:(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc si)1 TS Trần Văn Hoài (CT),

2 TS Huỳnh Tường Nguyên (TK),

3 PGS.TS Nguyễn Đình Thúc (PB1),

4.TS Nguyễn An Khương (PB2),5 TS Nguyễn Đức Thái (UV)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quan lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

TS Trần Văn Hoài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hà Phước Lan MSHV: 11070457Ngày, tháng, năm sinh: 27/06/1987 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 60.48.01I TEN DE TÀI: Tối thiểu hóa chi phí bốc xếp trong hệ thống khai thác cảng

container.

H NHIỆM VU VA NOI DUNG:

— Nghiên cứu bài toán tối thiểu chi phí bốc xếp container trong quy trình

nhập container từ tàu vào lưu bãi và xuât container giao cho khách hàng.

— Đề xuất mô hình toán học cho bai toán.— Đề xuất 2 thuật toán heuristic cho bài toán.

— Đánh giá 2 thuật toán heuristics trên các các tập dữ liệu thực.

Ill NGÀY GIAO NHIEM VU: 07/07/2014IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 07/12/2014V CAN BO HUONG DAN: TS Nguyễn Van Minh Man

Tp HCM, ngay thang năm 20

CAN BO HUONG DAN TRUONG KHOA

(Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Văn Minh Mẫn

LỜI CÁM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất tới TS Nguyễn VănMinh Mẫn, thay đã tan tình chi bao, hướng dan, truyén đạt kiến thức va kinh nghiệmquý báu cho em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này.

Em xin chân thành cảm ơn Thay Huỳnh Tường Nguyên, Thay Tran Văn Hoài,Thây Nguyễn An Khương và các anh/chi (đặc biệt là bạn Lê Bá Toàn) trong nhómseminar sáng thứ 5 hàng tuân tại phòng chuyên dé khoa Khoa học va KL'thuật máytính trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã lắng nghe và đóng góp ý kiến trong cácbuổi trình bày của em dé dé tài của em được tốt hơn.

Trong quá trình học tập, triển khai nghiên cứu đề cương/luận văn và những gìđạt được hôm nay, Em không thể quên được công lao giảng dạy và hướng dẫn của cácthây/cô khoa Khoa học và KL 'thuật máy tính trường Dai học Bách Khoa TPHCM.

Xin cảm ơn gia đình đã dành cho tôi tình thương yêu va sự hé trợ tốt nhất.Mặc d em đã cố gang rất nhiều trong quá trình thực hiện dé tài, song với giớihạn thời gian và sự hạn chế của khả năng bản thân nên không thể không có nhữngthiếu sót Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng góp quý báu của các

thây cô giáo và các bạn sinh viên.

TPHCM, Ngày 07 tháng 12 nam 2014

Người thực hiện đề tài

Hà Phước Lân

TÓM TAT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung nghiên cứu bài toán tôi thiêu chi phí bôc xép container trong

quy trình nhập container từ tàu vào lưu bãi và xuất container giao cho khách hàng.Một số đóng góp trong luận văn này:

— Đề xuất hai thuật toán heuristic cho bài toán.

— Đánh giá hai thuật toán heuristics trên các các tập dữ liệu thực.

— Thực hiện các kết quả thực nghiệm để so sánh độ hiệu quả của thuật toán

so với kêt quả thực tê đã có của cùng tập đữ liệu.

THESIS SUMMARYThis thesis focused on the problem of minimum cost of container handling in theloading container, storage and discharge container to customers.

Some contributions include:

— Propose two heuristic algorithm for the problem.— Review two heuristics algorithms on real data sets.— Implementation of the experimental results to compare the effectivenessof the algorithm compared to the actual results of the same data sets.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan răng, ngoại trừ các kêt quả tham khảo từ các công trình khác như đã ghiro trong luận văn, các công việc trình bay trong luận văn này là do chính tôi thực hiệnvà chưa có phân nội dung nào của luận văn này được nộp đê lây một băng câp ởtrường này hoặc trường khác.

Ngày 07 tháng 12 năm 2014

Hà Phước Lân

Mục lục

1 MO DAU1.1 Lydochondétai 2 ee

3 TONG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRINH LIÊN QUAN3.1 Lập lịch cẩu bãi cho cang container[2]

3.1.1 Baitoandatra Q Q Q Q HQ ee

3.1.2 Giải pháp đề xuẤt ee3.1.3 Tổngkết ee

3.2 Thuật toán heuristic trong lập lịch xe tải trên sân va phân bổ lưu trữ [3]

4.3 Quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) cho mô hình bài toán

4.3.2 Biểu diễn toán học cho các ràng buộc

43.33 Hàm mục tiU Ặ.QO QC Q ee ee4.4 Các trường hợp đặc bIỆt CO Q Q Q HQ HQ và

5 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN BOC XEP DUA TREN HEURISTIC

5.1 Thuatto€nl 2.20.00 000 0 2 ee

5.1.2 N6idungthuatto€anl 0.0.0 002 eee ee5.2 Thuatto€an2 2 v1 1v v v3 v

C3) GO WN — =

&

1012121212171818191919192121

62 Kétquathucnghiém Qua

6.2.1 So sánh thời gian thựcthi Ặ Ặ Q Ồ62.2 Sosánhbộnhớsửdụng 0 eee ee6.2.3 Sosanhvungtamsiidung 0 00 eee ees

6.2.4 So sánh tổng chi phí sửdụng

7 KẾT LUẬN

Tài liệu tham khảo

Phụ lục Giao diện demo hai thuật toán heuristic

il283131313437373839

414345

Danh sách hình ve

1.1 VỊ trí của bài toán trong quy trình khai thác contanernhập 2

1.2 Quy trình khai thác container xuất 2

2.1 Sơ đồ tóm tắt ngữ cảnh thực tẾ Ặ 62.2 Mô hình cầu cảng bao gồm tàu, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi và container 7

2.3 Hình ảnh cau cảng thật bao gồm tau, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi va container 7

2.4 Minh họa block-bay-row-tier (vùng/khối-hàng-dòng-tầng) 8

3.1 Các thiết bị xếp dỡ container và vị trí của chúng tạicảng [2] 10

3.2 Ký hiệu chung trong loading/unloading request [3] 13

3.3 Khả nang | trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập [3] 14

3.4 Khả năng 2 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập[3] 14

3.5 Khả năng 3 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập[3] 14

3.6 Khả năng 4 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập 15

3.7 Giải thuật chèn lai HIA ee ee 174.1 Minh họa trường hợp wỊ > 1 Q Q Q Q Q Q HQ vn Q v Vy va 224.2 Minh họa trường hợp wỊ =2 1 Q Q Q LH HQ Q Q n v và 234.3 Minh họa trường hợp wỊ <2 Q Q Q Q Q Q kg Q v và 235.1 ` Hình vẽ ý tưởng Thuậttoán Ặ Ặ Q eee 255.2 Ví dụ minh họa Thuật toán heurisicl - 27

5.3 Kết quả minh họa Thuật toán heuristic] 28

5.4 Ví dụ minh họa Thuật toán heurisic2 30

5.5 Kết quả minh họa Thuật toán heuristic2 30

6.1 Số lượng container trong bài toán qua năm 2013-2014 tại Cảng Hải An 32

6.2 Số lượng container trong bài toán qua năm 2013-2014 tại Cảng Nam Hải- Đình Vũ 336.3 Số lượng container trong bài toán qua năm 2013-2014 tại Cảng Dinh Va 33

6.4 Mẫu dữ liệu dùng làm đầu vào cho tính toán thực nghiệm 34

6.5 Số lượng container trên mỗi tàu của tháng 9/2014 tại Cảng Dinh Vũ 35

6.6 Mẫu dữ liệu được xây dựng dùng để kiểm tra các thuậttoán 36

6.7 Biểu đồ thời gian thực thi của hai thuật toán theo từng tàu 37

6.8 Biểu đồ bộ nhớ dùng trong hai thuật toán theo từngtàu 38

6.9 Biểu đồ việc sử dụng vùng tạm trong hai thuật toán theo từng tàu 39

6.10 Biểu đồ tổng chi phí khi dùng hai thuật toán và chi phí thực tế theo từngtàu 40

ill

Khai thác container bao gồm nhiều quy trình tương ứng với các chi phí khác nhau mà doihỏi nhà quản trị phải hoạch định và giảm thiểu thông qua nhiễu giải pháp Trong đó, chi phíbốc xếp từ tàu vào bãi lưu trữ và từ bãi lưu trữ xuất cho khách hàng là một quy trình con chiếmlượng lớn chi phí mà có thể tối thiểu hóa được thông qua các thuật toán sắp xếp, sẽ được trình

bày trong luận văn này.

Chúng tôi trình bày quy trình khai thác container (nhập và xuất) trong hai hình vẽ bên dưới

(Hình 1.1 và Hình 1.2).

e Quy trình nhập bao gồm các quy trình con chính (sau khi container được bốc từ tàu vào

bãi chính) là: chuyển tàu, chuyển lưu vỏ, rút ruột, xuất container giao khách hàng Quytrình container giao thang là một quy trình phụ

e Quy trình xuất bao gồm các quy trình con chính: nhập container tại cổng, chuyển xuất vỏ,

đóng hàng, chuyển xuất tàu Quy trình container xuất giao thang là một quy trình phụ

e Quy trình nhập container từ tàu, lưu bãi và xuất container giao cho khách hàng được chúng

tôi đóng khung màu xanh.

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 2

550 - Containers giao thẳng a

Dỡ Container

| | | Ha Containers dỡ Giao container tại cổng ra

Chuyển tàu chuyển lus vo Rut =

Nhập vỏ => Lưu vỏ Nhập hàng => Lưu vỏ

Hình 1.1: Vi trí cua bài toán trong quy trình khai thác container nhập

Em Containers xuất giao thẳng ~

Ha Containers

chờ xuất

KẾT

as GÓA all 2 Bs mst mục@® Nhận container tại cổng vào

Nâng Containerswok Xếp Container

xepta

@ @ e

[II II 5 000 „ EOoo lap ooo 000

Chuyển xuất vỏ Đóng hàng - :

: Tà Chuyển xuất tau

Lưu vỏ => Xuất vỏ Lưu vỏ => Xuất hàng

Hình 1.2: Quy trình khai thác container xuất

1.2 Mục dich nghiên cứu

Chúng tôi muốn giải quyết van dé giảm thiểu chỉ phí bốc xếp confainer frong quy trình

nhập container từ tàu, lưu bãi và xuất container giao cho khách hàng, Luận văn cần đạt

được những tiêu chí:

e Nắm vững phương pháp của các công trình liên quan đến bài toán bốc xếp container

e Đưa ra hướng tiếp cận khả thi cho bài toán và nghiên cứu thiết kế giải thuật dựa trên

heuristic để tăng hiệu quả trong việc giải quyết bài toán Để hoàn tất mục tiêu này, chúngtôi cần giải quyết các van dé sau:

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 3

Xác định và đặc tả bài toán.

Thiết lập mô hình toán học cho bài toán.Đề xuất thuật toán heuristic để giải bài toán phù hợp với thực tế.— Đánh giá các thuật toán heuristic đã dé xuất, dựa trên một số tiêu chí khác nhau như:

thời gian thực thi, bộ nhớ sử dụng, vùng tạm sử dụng và tổng chi phí thực thi

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi của luận văn, chúng tôi tập trung nghiên cứu những công trình liên quan đếnvan dé bốc xếp container trên tàu và bãi của hệ thống cảng container, và đồng thời tìm hiểu cácphương pháp nhằm sắp xếp các container sao cho phù hợp với tàu và kho bãi trong quá trình làmdịch vụ bốc xếp Sau đó, xác định cụ thể các yếu tố đầu vào và kết quả đầu ra mong muốn, nhằmgiải quyết bài toán tối thiểu chi phí bốc xếp container trong quy trình nhập container từ tàu, lưubãi và xuất container giao cho khách hàng, dựa trên những lý thuyết đã tìm hiểu ở trên và ngữcảnh thực tế

1.4 Phuong pháp nghiên cứuVề mặt lý thuyết, chúng tôi tìm hiểu những yêu cầu trong quy trình nghiệp vụ kết hợp vớicác kết quả đạt được của công trình nghiên cứu liên quan trong khai thác container Bên cạnhđó, chúng tôi dựa vào dif liệu thực tế từ các cảng tại Việt Nam để đề xuất mô hình bài toán sát

với thực tiễn

Chúng tôi cũng dùng phương pháp tính toán và mô phỏng để hiện thực mô hình đề xuất.Đồng thời, đánh giá kết quả thử nghiệm của mô hình dé xuất dựa trên các tiêu chí đặt ra để kếtluận về tính hiệu quả của mô hình

1.5 Cau trúc của luận van

Phần còn lại của luận văn này được tổ chức theo cấu trúc sau:

e Chương 2: Trình bày đặc tả bài toán "Tối thiểu hóa chi phí bốc xếp trong hệ thống khai

thác cảng container”.

e Chương 3: Trinh bày các công trình nghiên cứu liên quan đến bài toán tối thiểu hóa chi

phí bốc xếp

e Chương 4: Trình bày các mô hình toán học của bài toán.

e Chương 5: Đề xuất thuật toán bốc xếp, đặc tả hai thuật toán bốc xếp 1 và 2

e Chương 6: Đánh giá các thuật toán bốc xếp đã dé xuất

e Chương 7: Tổng kết lại những đóng góp của luận văn

cảng.2 | Nâng container | Là hành động nâng container lên khỏi vi trí tiếp xúc cô định ban

đầu của một phương tiện xếp dỡ Còn được gọi là đỡ, bốc,

Con-tainer.3 Ha container Là hành động ha container vào vi tri mà container tiêp xúc với

một bề mặt cô định của một phương tiện xếp dỡ

4 | Boc xép La tên gọi chung cho các hành động nang/ha container trên tàu,

bãi và xe tải.

5 | Đảo chuyển Xay ra khi can lay container năm bên dưới các container khác

Các container khác đó được di chuyển ra vị trí tạm và được trả về

vị trí cũ gọi là đảo chuyển.6 Xếp container Là đặt các container vào một ví trí cô định nào đó VỊ trí đó có thể

là tau, bãi tạm, bãi chính hoặc xe tải, 7 | Xuâtcontaner | Là đưa container ra khỏi bãi lưu trữ, hoặc giao cho khách hàng

hoặc đưa lên tàu Còn được gọi là xuất bãi

8 Nhập container | La đem container từ tau vào cảng, hoặc lưu trữ lai bãi hoặc giao

cho khách hàng Còn được gọi là nhập tàu.

CHƯƠNG 2 ĐẶC TẢ BÀI TOÁN

Bảng 2.2: Bảng giải thích các thuật ngữ dùng trong luận văn.STTTên thuật ngữ Giải thích thuật ngư

Container Theo tiêu chuẩn ISO 668: 1995(E), container hàng hóa là một công

cụ vận tải có những đặc điểm sau: có đặc tính bền vững và đủ độchắc tương ứng phù hợp cho việc sử dụng lại; được thiết kế đặcbiệt để có thể chở hang bang một hay nhiều phương thức vận tải,mà không cần phải dé ra và đóng lại dọc đường: được lắp đặt thiếtbị cho phép xếp dé thuận tiện, đặc biệt khi chuyển từ một phươngthức vận tải này sang phương thức vận tải khác; được thiết kế dễ

dàng cho việc đóng hàng vào và rút hàng ra khỏi container; có thể

tích bên trong bằng hoặc hơn 1 mét khối

Block Là một khôi được câu thành từ Bay, Row, Tier dùng để chứa

con-tainer Một tàu được xem là một khối Một bãi lưu trữ có thể cónhiều khối

Bay S6 Bay được cau thành bang 2 chữ số Nó thể hiện 1 tập hợp các

container trên mặt cắt ngang của tàu, thường được đánh từ phía

mũi tới phía lái Bay cũng được dùng với cùng ý nghĩa trên bãichính.

Row Số Row được câu thành bằng 2 chữ sô Nó thể hiện một tập hợp

các container trên mặt cắt dọc của tàu, thường số chan được gancho các vị trí từ giữa ra mạn trái , số lẻ được gan cho các vị trí từ

giữa tới mạn phải tàu Row cũng được dùng với cùng ý nghĩa trênbãi chính.

Tier Số Tier được câu thành băng hai số Chúng được dùng để chi vị

trí của container năm tại tầng container thứ mấy trên tàu tính từtầng container thấp nhất của tàu Tier cũng được dùng với cùng ý

nghĩa trên bãi chính.

Cau bờ Là phương tiện nâng/ hạ container từ tàu xuông xe tai(hoac bãi

tạm)/từ xe tải (hoặc bãi tạm) lên tàu.

Cau bãi Là phương tiện nâng/ hạ container từ bãi chính lên xe tả1/từ xe tải

xuống bãi chính hoặc từ bãi chính sang bãi chính

Xe tải trên bãi Là phương tiện của cảng dùng để đi chuyển các container giữa các

VỊ tri trong cảng.Phương án xêp

container

La một lịch xêp container từ vi trí ban dau đến vi tri đích, dambao cac yéu cau dat ra.

CHƯƠNG 2 ĐẶC TẢ BÀI TOÁN 6Trong phần này, chúng ta xem xét một bài toán bốc xếp container cụ thể với thông tin biếttrước về vi trí các container trên tàu can lưu trữ trên cảng và thời điểm mà các container này rờikhỏi bãi lưu trữ xuất cho khách hàng Ngữ cảnh thực tế như sau:

Vị trí các container cần lưu trữ trên cảng được tàu cung cấp trước khi tàu cập cảng Thờiđiểm mà các container này rời khỏi bãi được khách hàng cung cấp trước khi tiến hành bốcxếp, Hình 2.1

Bãi (nơi lưu trữ container của cảng) có sức chứa lớn hơn hoặc bằng số container trên con

tàu can cập cảng để có thể lưu trữ tất cả các container trên tau

Các container được dé trên tàu theo thứ tự từ trên xuống dưới (container nằm trên thì laytrước) Các container được đặt lên bãi lưu trữ tại vị trí thấp nhất đến cao nhất (xếp chồng

lên nhau, gọi là các tier).

Các container trên bãi được giao cho khách hàng cũng phải được bốc theo thứ tự từ trênxuống dưới (do xếp chồng lên nhau nên phải lay container ở trên trước), néu container cangiao cho khách hàng được năm ở vị trí bên dưới một hoặc nhiều container khác thì cáccontainer đó phải được bốc ra vùng tạm để lay container can thiết giao cho khách hang

(gọi là đảo chuyển), chi phí này do cảng chịu

Mục tiêu của bài toán là tim phương án xếp cont từ tàu lên bãi sao cho tổng chi phí bốc từtàu và chi phí xuất bãi là nhỏ nhất (hạn chế đảo chuyển)

-Hãng tàu gửi sơ đô chất xếp

container trên tàu lÌÌ

- Khách hàng gửi danh sách Nhập dir liệu

thời điêm các container được vào máy chủ

lây khoi bai.

HOAN

= > > = ————— ——*|[ tất

Lập kế hoạch xếp In va trién khai kế

dỡ hoạch dỡ tàu và hạ bãi

Hình 2.1: Sơ đồ tóm tắt ngữ cảnh thực tế

CHƯƠNG 2 ĐẶC TẢ BÀI TOÁN 7

e Mô hình cầu cảng bao gồm tàu, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi và container được minh họa trong

hình sau:

_⁄ Xe tải hoạt động trong bãi

* - Re fe—= Nâng Container

Ậ lạ F: xuất bãi

O00

ms muh}, -, Re Pe

Dỡ Container Ha Containers Giao container

tai Cau bo tại Cau bãi tại Công ra

Hình 2.2: Mô hình cầu cảng bao g6m tàu, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi va containere Hình ảnh cau cảng thật bao gồm tàu, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi và container được minh hoa

trong hình sau:

Hình 2.3: Hình ảnh cầu cảng thật bao gồm tàu, cẩu bờ, xe tải, cẩu bãi và container

CHƯƠNG 2 ĐẶC TẢ BÀI TOÁN 8

2.2 Các ràng buộc chính cua bài toán

Với mục đích tìm phương án xếp cont từ tàu lên bãi sao cho tổng chi phí bốc từ tàu và chi phíxuất bãi là nhỏ nhất, Chúng ta có các ràng buộc chính của bài toán như sau:

e Khi bốc cont trên tau để xếp lên bãi chính phải đảm bảo không dùng vùng tạm (hoặc dùng

là ít nhất).— Bãi chính phải có sức chứa lớn hơn hoặc bằng số lượng các cont cần bốc từ tàu và

được ký hiệu theo chuẩn block-bay-row-tier (vùng/khối-hàng-dòng-tầng)[6], Hình

2.4.

— Vùng tạm có một tier duy nhất.e Thứ tự sắp xếp trên bãi chính phải đảm bảo khi khách hàng vào lấy cont thì không phải

giảm chi phí nhiên liệu, nhân công va chi phí quan lí đã, đang va sẽ được phát triển ngày một

hoàn thiện.

Trong phần nay, chung tôi sẽ trình bày những hiểu biết của mình về hai công trình nghiên

cứu liên quan đến sắp xếp thời gian làm việc của các thiết bị của cảng container:

e Lập lịch cho cẩu bãi tại cảng container: đối tượng được quan tâm chính của tác giả là các

"job" (một yêu cầu nâng/hạ container từ vị trí này sang vị trí khác), có mối liên quan đếnđối tượng container trong luận văn này như sau: một thao tác bốc container từ tàu/ bãi tạm

để đặt vào bãi chính sẽ tạo ra một "Job" cho cẩu bãi.e Lập lịch cho xe tải trong sân tại cảng container: đối tượng được quan tâm chính của tác

giả là các "request" (di chuyển container từ vị trí gốc sang dich được gọi là một "request"),có mối liên quan đến đối tượng container trong luận văn này như sau: một thao tác bốc

container từ tàu (hoặc từ bãi tạm) để đặt vào bãi chính sẽ tạo ra một "request" cho xe tải

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 10bảo sự thông suốt thiết bị đầu cuối cao Các tác giả nghiên cứu các vấn đề lập kế hoạch một cẩubãi để thực hiện một tập hợp các nâng hoặc hạ container với thời gian sẵn sàng khác nhau Mụctiêu là để giảm thiểu số thời gian chờ đợi của các job.

Mô hình toán học

Vấn dé lập kế hoạch cho cẩu bãi để xử lý tất cả các công việc với thời gian sẵn sàng khác

nhau trong bãi container được xây dựng băng mô hình quy hoạch nguyên, sử dụng các ký hiệu

sau

e 7;, i= 1,2, 3, , n, là thời điểm sẵn sàng của job i (thời điểm xe tải đến).h; , i= 1, 2, 3, , n, là khoảng thời gian được yêu cầu cho cẩu bãi để thực hiện job i

e đ¡;, i= 1, 2, 3, , va j= 1, 2, 3 , n, là khoảng thời gian mà cẩu bãi di chuyển từ job i

sang job j, và đọ; là thời gian mà cẩu bãi di chuyển từ vị trí khởi tạo đến job j.Các n job được đánh chi số sao cho 7; < r;¿1

t; , i= 1,2, 3, , n, là thời điểm mà cẩu bãi hoàn thành job i

Biến quyết định của bài toán:

0, nếu job i được thực hiện trước job ÿ,X={ j Jc thực hig job j (3.1)

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 11

VỚI các rang buộc:

nhị phan cho X;;

Cận dưới LB

Cận dưới được biểu diễn từ định nghĩa: ti : hi; rial va đị;_ 1), [i] VỚI 1 = Ì,2, ,n, và

tị = hịn + max{ nis + đụ 1Ị tị; rịi}- (5)

VỚI tg = 0Ö nên cận dưới của t; được định nghĩa từ phương trình trên là:

i 2 mai In n+4J—nI 1], ra thy }- (6)

Cận trên UB

Nham mục đích làm cho giải thuật nhánh và cận hiệu quả hơn, nhóm tác giả đề xuất mộtheuristic bang cách chỉnh sửa thủ tục LB[2], tính toán thời gian của mỗi job tới tổng thời gianhoàn thành và tìm trình tự cục bộ với tổng thời gian riêng này nhỏ nhất Do vậy, Mục (5) được

mô tả lại như sau

} 0)

Với fi, ¡ + maxtdI;—1\(› Flj] —

ty—1s-Vì vậy, " thời gian hoàn thành được tính bằng:

Y(t) = d(( (n—-it+l)f

i=l i=1

Theo phương trình trên, (n —i+ 1) fj) có thé được dùng để tính thời gian của job tai vi trí i so

với tổng thời gian hoàn thành Chi tiết các bước của heuristic cận trên được trình bày bên dưới:

- Bước 1: Khởi tạo tập các job chưa được lập lịch = 1, 2, 3, , và i=1.

- Bước 2: Tim job i*, là job trong Bước | với (n —i+ I)/ là nhỏ nhất, lịch của job i* là thứ tự

cua job i (job thứ 7) và xóa job i ra khỏi tập trên Lap lại bước này với i = 2, 3, 4, ,n.

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 12

3.1.3 Tổng kết

Vấn đề lập lịch cho cẩu bãi để xử lý các job với thời gian khác nhau trong khu vực hoạt độngcủa cẩu đã được nghiên cứu Một mô hình quy hoạch nguyên hỗn hợp đã được đề xuất để giảiquyết van dé và các tính chất của van dé đã được nghiên cứu chi tiết Trên cơ sở đó, cận trên vàcận dưới của thuật toán nhánh va cận đã trình bày chi tiết và được áp dụng trong bài toán này.Hiệu quả của thuật toán được đánh giá bởi một tập kiểm tra được tạo ra dựa trên dữ liệu thực tế.Kết quả cho thấy rằng thuật toán có thể tim thấy các trình tự tối ưu cho van dé đặt ra với kíchthước dữ liệu thực tế

3.2 Thuật toán heuristic trong lập lịch xe tải trên sân và phan

bổ lưu trữ [3]3.2.1 Bài toán đặt ra

Lập lịch xe tải trên sân và phân bổ lưu trữ là hai van đề quyết định quan trọng ảnh hưởng đếnhiệu quả hoạt động cảng container Tác giả dé xuất một phương pháp mới tích hợp hai van dénày thành một vấn đề tổng thể Mục tiêu là để giảm thiểu tổng trọng số của tổng số chậm trễ của

các "request" và tổng thời gian đi lại của xe tải trên sân.3.2.2 Giải pháp đề xuất

Do không thể tìm được giải pháp tối ưu của van dé dé xuất, một thuật toán chèn lai được thiếtkế cho bài toán Thử nghiệm tính toán được tiến hành để kiểm tra các yếu tố quan trọng của vanđề và hiệu suất của thuật toán heuristic đề xuất

Mô hình toán học

Tác giả đặt các ký hiệu đầu vào như saue Việc di chuyển container từ vị trí gốc sang đích được gọi là một "request"

e Khi xuất container (loading) từ bãi lên tàu thì vi trí gốc là vị trí đã lưu trữ container trên

bãi, và vị trí đích là vị trí cẩu bờ - nơi container được đưa xuống tàu

e Khi nhập (discharge) container từ tau thì vị trí gốc là cẩu bờ - nơi container được bốc lên

từ tàu, và vị trí đích là vị trí trên bãi - nơi mà container được phân vị trí đặt xuống (có thể

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 13e a; là thời gian sớm nhất có thể được đáp ứng của một request, được xác định bởi lịch của

các cẩu tại gốc của Request i

e b; là thời gian kết thúc của Request i, có thể bị vị phạm với một "penalty"

e 7; là thời gian xử lý cua Request i.

Trong loading request, thời gian phục vụ được xác định trước và được cho như là một tham số,trong khi discharge request thì thời gian phục vụ được xác định bởi kế hoạch phân bổ lưu trữ, cónghĩa là nó như một biến Giả sử dịch vu đó tai Request i bắt dau tại w;, là biến quyết định Dich

vụ sẽ được hoàn thành tại

Đường di 3: lạ > 18 —> 113 13 5 20 — 15 — 8 —> 7— kz.

Theo đó, nhóm tác giả đưa thêm hai request giả ở 2 đầu của đường đi để đại diện cho trạngthái ban dau và kết thúc của mỗi xe tải, tương ứng là /„ và k, Tác giả cũng mở rộng các tập yêucầu như J =JU{I,},cr và Jˆ = /U{k;};c, tương ứng với ø; và d; ký hiệu cho gốc và đích củaRequest i L là tập các vi trí p và g là chỉ số của vị trí, p và g thuộc L Thời gian đi qua các giữamỗi cặp vị trí (p,q) là Tyg Đặt C,, k € K, là chỉ số vị trí của vi trí lưu trữ k, với K là tập của các

contairner -> Xe di chuyền không có container

Hình 3.2: Ký hiệu chung trong loading/unloading request [3]

e Khả năng 1: Xe tải di chuyển một loading request sau một loading request khác, như Hình

3.3:

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 14

Hình 3.3: Khả năng 1 trong xác định thời gian xử lý va thời gian thiết lập [3]

e Khả năng 2: Xe tải di chuyển một unloading request sau một loading request, như Hình

3.4:

Hình 3.4: Khả năng 2 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập [3]

e Khả năng 3: Xe tải di chuyển một unloading request sau một unloading request khác, như

Hình 3.5:

Hình 3.5: Khả năng 3 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập [3]

e Khả năng 4: Xe tải di chuyển một loading request sau một unloading request, như Hình

3.6:

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 15

Hình 3.6: Khả năng 4 trong xác định thời gian xử lý và thời gian thiết lập.Thời gian xử lý là thời gian di chuyển từ gốc tới đích của một request, và thời gian thiết lậplà thời gian di chuyển của xe tải từ đích của một request tới gốc của một request thành công Dođó, Kha năng 1 và 2 thì thời gian xử lý và thời gian thiếp lập là cố định từ đích của request đếnnguồn của request thành công là được xác định trước Khả năng 3 và 4 thì thời gian xử lý và thờigian thiết lập phụ thuộc vào đích của Request ¡, được xác định bởi phân bổ vị trí Thời gian xử lýcủa Request i có thể được tính bằng Công thức(3.6) và thời gian thiết lập được tính bằng Công

thức(3.7).

To,d,, nêu Request i là một loading request,

t= wg ¬ Ay a: ` An ĐỂ LẠ Sởrể (3.6)To;,C,> nêu Request i là một discharging request và được phan bổ vào vi trí k.

%.¿, nêu Request i là một loading request,

Sij = mys ¬ ay a: ` An ĐỂ LẠ Sở rể (3.7)

J Tc„ọ, neu Request 7 la một discharging request va được phan bổ vào vi tri k.

Các ký hiệu khác dùng để mô hình hóa:

e u: là giá tri mục tiêu của [PT]

e G¡: trọng số tất cả các độ trễ của các requeste G¿: trọng số tất cả các thời gian di chuyển của các xe taiext! nếu Container i được phan bổ vào vi trí k,

ik) '0 ngược lại.eval! nếu Request i được kết nối tới Request j trong cùng đường di,

7 490 ngược lại.

Mô hình quy hoạch nguyên hỗn hop (MIP) cho bài toán phân bổ lưu trữ và lập lich xe tai

trên bãi (YTS-SAP):

[P1] min u = 01 f, + O2fr (3.8)

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 16

va 15 rang buộc Xz, y, w;, [3] được phát biểu trong bài toán YTS-SAP

Mục tiêu của bai toán là tối thiểu tổng trọng số của tổng thời gian chờ (trong ham f}) và chi

phí tổng thời gian di chuyển (trong hàm ƒ›) của Công thức(3.8) Trước khi phát triển giải thuậtheuristic cho [P1], Tác giả giới thiệu một mô hình cho việc phân bổ lưu trữ Mô hình [P2] được

mô hình hóa như sau:

IP2] minz= Yo Yo XuXi (3.9)

trong đó z là hàm mục tiêu của [P2] và tham số A, là chi phí phân bổ container i € J C J~ tớivị trí k, với J là tap discharging request trong một đường di riêng phần hiện tại Một đường diriêng phân hiện tại chỉ bao gồm một phần các request trong xử lý heuristic Trong [P2], chỉ cócác container nhập được quan tâm vi chi phí tải container được xác định trước bởi các gốc và cácđích, có nghĩa là nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi van dé phân bổ vi trí lưu trữ Một khi các đườngđi riêng phan được xác định, chi phí Az có thể được tính toán và quan tâm như một tham số của[P2] bằng Công thức(3.13)

Nik = Vo; Cp + Vi (3.13)

Tác giả định nghĩa "Lưu trữ tối ưu tiềm năng" (Potentially Optimal Storage - POS) cho mộtdischarging request trong đường di riêng phan POS của đường đi riêng phan là vị trí lưu trữ chomỗi container nhập được xác định bởi [P2] Tác giả gọi là "tiềm năng" vì nó dùng để chọn việcchèn tốt nhất thay vì xác định vị trí cuối cùng của container nhập Giải thuật chèn lai được phát

biểu như bên dưới:

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 17

Hybrid Insertion Algorithm (HIA)1 N= set of unassigned requests2 R= set of routes

Ee while N = ( do

4 u* =o

5 for) <Ndo

6 forr=RdoVi foricrdo

8 solve [P2] for J to obtain POS

9 if u(j.r.i) < u" then10 r=

11 f =t

12 J =j13 u* = u(j.r.i)14 end if

15 end for16 end for17 end for

18 Insert{j’, r", i.)

19 N=N\f

20 end while

Hinh 3.7: Giai thuat chen lai HIA

Trong giải thuật này, một việc chèn được ky hiệu bằng (j,7,i) có nghĩa là "chèn Request j

vào đường đi r tại nơi thứ i", Đường đi r là đại diện cho tập các job có thứ tự Trong mỗi việc

chèn, Tác giả đánh giá chi phí theo cơ cấu chi phí Tại mỗi lần lặp, Tác giả chọn ra một việc chèntối ưu và cập nhật đường đi với việc chèn tối ưu đó Chi phí u(j,r,i) bao gồm chi phi penalty do

sự chậm trễ của request ƒ (7, r,?) như trong Công thức(3.14) và chi phí thời gian gian di chuyển

của xe tải trên bãi fo(j,7,i), được tính bằng Công thức(3.15)

Chương 4

MO HÌNH TOÁN HỌCQuy ước các ký hiệu dùng trong bài toán như sau:

e ï— {1,2, ,n} là tập các container, chỉ số biểu thi cho thứ tự bốc chúng ra khỏi bãi chính

va giao cho khách hàng,

e J={0,1,2, ,m} là tập các cột (column), với Jp là cột biểu thị cho bãi tạm, J đến J, làcác cột biểu thị trên bãi chính,

e 7 — {1,2, ,7} là tập các thời điểm mà các container được bốc từ tàu vào trong bãi chính

hoặc bai tạm, với III = ITI,e Pj là tập các container mà container thu i bi phụ thuộc vi trí trên tàu, tức là các container

trong tập D; phải được bốc ra khỏi tàu trước khi bốc đến container thứ i, D; có thé rỗng,

e 7⁄ là chiều cao của các cột trên bãi chính, chiêu cao này không áp dụng cho bãi tạm.

khác là không còn container nào nam trên nó.

b) Sự phụ thuộc về thứ tự: trên bãi chính, để giảm chi phí bốc xếp, một container phải đượcđặt trên các container khác nếu container này được giao cho khách hàng trước (so với các

container khác trong cùng cột), hay là thứ tự cua nó phải nhỏ hơn thứ tự của các containerkhác trong cùng cột.

c) Cau bờ chỉ thực hiện bốc một container tại một thời điểm.d) Tổng số container trong một cột của bãi chính phải nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao của cột.e) Tất cả các container trong danh sách đều được chuyển từ tàu lên bãi chính

18

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC 19f) Mỗi container được chuyển vào bãi chính hoặc bãi tạm chỉ một lần duy nhất.

ø) Các container trên bãi tạm thì không có bất kỳ ràng buộc nào về thứ tự và chiều cao bãi.h) Việc chuyển container từ tàu vào bãi tạm mất chi phí gấp đôi so với chuyển vào bãi chính,

bao gồm chi phí chuyển từ tàu lên bãi tạm và từ bãi tạm vào bãi chính.4.2 Mục tiêu

Mục tiêu của ta là phải đồng thời:

1 Tìm một giải pháp khả thi, sao cho

2 Tổng chi phí vận chuyển (bốc xếp) các container là nhỏ nhất

4.3 Quy hoạch tuyên tính nguyên (ILP) cho mô hình bài toán

4.3.1 Biên quyết định

Biến quyết định được ký hiệu như sau

1, nếu container thứ i được đặt vào cột thứ jXjj; = trên bãi tạm hoặc bãi chính tại thời điểm 1, (4.1)

0, ngược lại.Vi€IVjC€J,VIiCT.

4.3.2 Biểu diên toán học cho các ràng buộc

Ta biểu diễn toán học cho các ràng buộc trong Mục 4.1 đựa trên những quy ước phía trên

a) Sự phụ thuộc về vị trí: Một container được chuyển từ tàu vào bãi tạm hoặc bãi chính nếu vàchỉ nếu các container phụ thuộc của nó (nếu có) đã được di chuyển trước đó

Yo Vex > } À toxcie, Vie 1, Vk € Dj (4.2)

JeJteT jeJteT

b) Sự phụ thuộc về thứ tự: Trên bãi chính, để giảm chi phí bốc xếp, một container phải đượcđặt trên các container khác nếu container này được giao cho khách hàng trước (so với các

container khác trong cùng cột).

Ở đây, ta cần một biến trung gian để biểu diễn ràng buộc hai container tại cùng một cột trên

bãi chính Ta ký hiệu là yz; với

0, nếu container thứ i và container thứ k

Yikj = được đặt vào cùng cột 7 trên bãi chính (4.3)

1, ngược lại.