(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211218388.3 (22)申请日 2022.10.05 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 彭云　王文渊　郭子坚　李相达　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G06Q 10/04(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/06(2012.01) (54)发明名称 一种自动化集装箱港口充电设施布局与配 置仿真优化方法 (57)摘要 本发明属于港口充电设施领域， 提出了一种 自动化集装箱港口充电设施布局与配置仿真优 化方法。 步骤一： 收集港口、 充电设施及储能设施 相关数据； 步骤二： 自动化集装箱港口生产作业 系统仿真模型； 步骤三： 构建基于排队论的p ‑中 心模型； 步骤四： 以总成本最小 为目标函数， 以任 务分配约束、 剩余电量约束、 时间约束、 装卸效率 阈值约束为约束条件， 构建自动化集装箱港口充 电设施布局及配置优化模型， 确定港口充电设施 布局与配置决策。 本发明从港口已有数据出发量 化港口水平 运输设备作业能耗， 同时考虑充电设 施的配置阶段及运营阶段， 确定自动化集装箱港 口充电设施 最优布局与配置方案， 为解决港口水 平运输设备充电难题及绿色港口建设提供决策 支持。 权利要求书8页 说明书17页 附图2页 CN 115545304 A 2022.12.30 CN 115545304 A 1.一种自动化集装箱港口充电设施布局与配置仿真优化方法， 其特征在于， 包括步骤 如下： 步骤一： 收集港口相关数据、 充电设施相关数据及储能设施相关数据； 港口相关数据包 括港口泊位数据、 港口堆场数据、 港口泊位装卸设备数据、 港口水平运输设备数据、 港口堆 场装卸设备 数据及港口用电相关数据； 步骤二： 根据步骤一得到的港口相关数据、 充电设施相关数据及储能设施相关数据， 建 立自动化集装箱港口生产作业系统仿真模型， 以计算港口生产作业效率及运营成本， 并输 出港口水平运输设备的充电需求； 自动化集装箱港口生产作业系统仿 真模型分四个子系统 建立， 四个子系统包括港口泊位装卸作业子系统、 水平运输作业子系统、 堆场作业子系统、 充电作业子系统； 港口泊位装卸作业子系统模拟港口泊位装卸设备装卸船舶及其与水平运 输设备进行集装箱交互作业的过程， 并记录任意港口泊位装卸设备q作业最后一个集装箱 任务Hq的任务完成时间 水平运输作业子系统模拟港口水平运输设备在港口泊位与港 口堆场之间的集装箱运输过程， 并记录港口水平运输设备的剩余电量χi及充电决策 堆 场作业子系统模拟港口堆场装卸设备装卸、 堆存集装箱及其与水平运输设备进行集装箱交 互作业的过程； 充电作业子系统以充电设施相关数据及储能设施相关数据为输入数据， 模 拟港口水平运输设备在充电设施处的充电过程， 并记录充电需求位置π、 充电量 及充电 功率最大需量ds,k； 步骤三： 构建基于排队论的p ‑中心模型： 确定p ‑中心模型的港口水平运输设备充电排 队过程目标函数， 以充电设施配置数量阈值和储能设施配置数量阈值为约束， 优化计算港 口水平运输设备充电排队过程， 更新港口充电设施 布局与配置决策； 步骤四： 构建自动化集装箱港口充电设施布局及配置优化模型： 确定港口充电设施的 总成本目标函数， 以储能设施放电约束及剩余电量约束、 港口水平运输作业系统任务分配 约束、 任务连续性约束、 等待 过程时间约束、 空载行驶过程时间约束、 任务开始时间约束、 任 务完成时间约束、 车载电池剩余电量约束、 装卸作业效率阈值约束、 充电设施的充电任务逻 辑约束为约束条件， 优化港口水平运输作业系统的总成本， 确定港口充电设施布局与配置 决策。 2.根据权利要求1所述的自动化集装箱港口充电设施布局与配置仿真优化方法， 其特 征在于， 所述港口泊位数据包括泊位吨级、 泊位个数、 泊位长度； 港口堆场数据包括箱区尺 度、 数量和布置型式； 港口泊位装卸设备数据包括泊位装卸设备数量、 装卸作业时间、 港口 泊位装卸设备任务列表； 港口水平运输 设备数据包括水平运输 设备数量、 重载行驶速度、 空 载行驶速度、 重载行驶能源消耗系数、 空载行驶能源消 耗系数、 等待过程能源消耗系数、 车 载电池容量； 港口堆场装卸设备数据包括装卸设备数量、 装卸作业时间、 港口堆场装卸设备 任务列表； 港口用电相关数据包括分时电价、 基本电价； 充电设施相关数据包括固定投资成 本、 设备使用寿命、 充电功 率； 储能设施相关数据包括固定投资成本、 设备使用寿命、 充电功 率、 放电功率、 最大容 量。 3.根据权利要求1所述的自动化集装箱港口充电设施布局与配置仿真优化方法， 其特 征在于， 所述港口泊位装卸作业子系统具体为： 将待处理的集装箱以港口泊位装卸设备任 务列表的方式随机分配给港口泊位装卸设备； 港口泊位装卸设备接到装卸任务指令后， 依权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 115545304 A 2据进出口方向将集装箱从提箱点运输到卸箱 点， 其运输时间为港口泊位装卸设备的装卸作 业时间； 当岸桥下无空闲的水平运输设备时， 岸桥等待水平运输设备行驶至集装箱交接点 进行集装箱交互作业， 即将进口集装箱卸至水平 运输设备或将出口集装箱 提离水平运输设 备； 记录港口泊位装卸设备已完成的集装箱任务数量并更新其任务列表， 记录任意港口泊 位装卸设备q作业 最后一个集装箱任务Hq的任务完成时间 水平运输作业子系统具体为： 水平运输设备依据任务分配变量gi,j确定当前作业任务； σi表示0‑1参数， 当集装箱任务i为进口箱时， σi＝1； 当集装箱任务i为出口箱时， σi＝0； 当σi ＝1时， 水平运输设备依据最短距离原则空载行驶至港口泊位装卸设备q处， 记录其到达时 刻并计算 空载行驶时间 及空载行驶能耗 当水平运输设备完成与港口泊位装卸 设备的集装箱交互作业时， 记录其离开时刻并计算等待过程时间 及等待过程能耗 水平运输设备重载 行驶至堆场装卸设备b处， 记录其到 达时刻并计算重载 行驶时间 及重载行驶能耗 当水平运输设备完成与堆场装卸设备的集装箱交互作业时， 计 算等待过程时间 及等待过程能耗 进而计算水平运输设备车载电池剩余电量 χi； 当χi≥δopzbat， 水平运输设备继续执行下一个集装箱任务； 当χi＜δlowzbat时， 水平运输设 备执行充电任务， 并依据最小排队长度原则选择港口堆场处进行充电； 如果δlowzbat≤χi＜ δopzbat， 水平运输设备判断是否存在空闲 的充电设备， 存在空闲 的充电设备时， 水平运输设 备执行充电任务， 不存在空闲的充电设备时， 则水平运输 设备继续执行下一个集装箱任务； zbat表示车载电池容量； δop和 δlow分别表示港口水平运输设备机会充电区间的上限阈值、 下 限阈值； 当σi＝0时， 水平运输设备的作业过程与σi＝1时的作业过程相反； 堆场作业子系统具体为： 当水平运输设备到达指定港口堆场装卸设备处时， 港口堆场 装卸设备更新其任务列 表并依据当前任务列 表按顺序执行集装箱任务； 依据进出口方向将 集装箱从提箱点运输到卸箱点， 其运输时间为堆场装卸设备装卸作业时间， 并完成与水平 运输设备的集装箱交 互作业； 充电作业子系统具体为： 当水平运输设备完成集装箱任务i后执行充电任务 时， 记录其 充电需求位置π及剩余电量χi； 水平运输设备以最短路径原则空载行驶至堆场(s， k)处进行 充电， 记录其到达时刻并计算空载行驶时间 及空载行驶能耗 更新剩余电量 s∈S， S表示港口堆场端部集合； k∈K， K表示每一个堆场端部可配置充电 设施的位置集合； 当堆场(s， k)处排队长度为零时， 水平运输设备开始充电， 依据充电设施 充电功率记录充电功率最大需量ds,k并依据 δupzbat‑χi计算充电量eθ,s,k， δup表示港口水平运 输设备作业过程中车载电池电量上限阈值， zbat表示车载电池容量； 当堆场(s， k)处排队长 度不为零时， 水平运输设备等待至充电设施空闲， 记录其等待时间并计算等待过程能耗 更新剩余电量 依据充电设施充电功率记录充电功 率最大需量ds,k并依据 δupzbat‑χi计算充电量eθ,s,k。 4.根据权利要求1所述的自动化集装箱港口充电设施布局与配置仿真优化方法， 其特 征在于， 所述p ‑中心模型的港口水平运输设备充电排队过程目标函数， 表示 为：权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 115545304 A 3