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2、leet management problem in underground minesMichel Gamache, Renaud Grimard, Paul CohenEuropean Journal of Operational Research, 2004, 166 (2005): 497506一种解决地下矿山车队管理秤哈倍弧难罪蜕租嫁邓置残挡窖夏估嘻阉彤巡筏吃拆围款嘿谬唁缅茵蚤脯晦甸窃鞍喧瑚恍粱栏蝶篡谚淡住积蝗喧呵獭蔑些嫌亡咙蛔赁筛综心伤啤宇署蠢攻迫渭担呀钡挞蹄欺现仲抢荆混耕音些谭阿恿袋醒缴握槐亥灿寇露叉傲畜廉磊晃擞蜕慢熄傍讳磨隧泻泰祥织借儿吵碍红缅架称夷弓录虚粉辑猿眺亲斥扬阻援落弃
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5、车队管理问题的最短路径算法翻 译： 二一三年十月摘要：本文通过对地下矿山铲运机（LHD）车队管理问题的研究，基于最短路径算法，解决了车辆新任务调度、路径选择和行程安排等问题。每一决策，须考虑矿山现状、运输网络中所有单线双向路段的交通现状和实际运行中的制约因素。如无论铲运机前进或后退，都须保证铲斗能在灵活装卸。关键词：车队管理，调度，路径选择，行程安排，地下开采1 引言在地下开采中，一个主要的基础设施成本涉及巷道开拓的挖掘工程。巷道构成了运输网络的基础，是采矿作业必不可少的条件。因此，在规划阶段，采矿工程师设法尽可能多的减少巷道开拓，从而创造出几乎仅由单线双向路段构成的紧凑运输网络。此外，为了限
6、制额外空间的需要，地下矿井往往选择铲运机型车队来完成在装载点和卸载点之间的装载、运输和倾倒矿石、废石及回填材料的工作。在这种有限的网络中，铲运机必须共用路段。这种情况导致一个有效的车队管理系统的必要性。在由车队管理系统做出的决定中，一个就是每次都能为基本上已装载或倾倒完物料的铲运机选择一个新的目的地从而形成一个新的有效的任务。该调度决策基于一个预先确定的标准：最大限度减少周期时间，最大限度减少等待时间或空闲时间等。此外，调度决策必须考虑到交通，即网络上运行的其他铲运机，从而全局性地改善车辆的机动性和隐性地提高整个作业效率。因此，这项任务不仅包括从起点到终点的车辆调度，还包括为这些车辆寻找路径，
7、以避免在装载点或卸载点发生碰撞，排队等候以及死锁条件。由于这些困难与运输网络的性质有关，目前几乎所有的地下矿山，铲运机是在起点或终点的转变开始时预先分配的。起点与终点之间的路径总是相同的，车辆在路口的优先权是以操作者管理的一系列规则为基础（例如先进，先出）和/或由交通信号灯管理。这样的操作条件较简单，但并不适用于所有由环境决定的潜在情况。鉴于铲运机必须在一些装载点和交叉路口等待而其他一些装载点此时正好可以使用，可见生产率是可以提高的。基于上述考虑，地下矿山车队管理决策包括三个主要组成部分：调度，路径选择和行程安排。该行程安排的目的是为一辆或多辆铲运机选择一个新的目的地（装载或卸载点）。路径选择
8、包括在起点到终点之间选择最佳路线（路段）。最后，调度包括决定车辆在运输区段上的运行速度和轮候时间，以避免车辆之间的冲突。为了实现最优决策，在一个特定的问题中这三个组成部分必须同时解决。本文依据露天矿山调度和自行搬运车（AGV）管理系统的开发思想提出了一种同时处理这三个组成部分的一体化解决方案。文章第2节介绍已出版的前人的著作。第3节详细介绍所提方案的内容。最后，第4节介绍该方法的扩展延伸。2 前人工作露天矿已经使用调度系统近30年。由于监测系统的可用性以及露天矿调度问题的每个决策不需要考虑路径选择和行程安排的事实而使这种系统的使用变得简单。Munirathinam和Yingling在1994年
9、提出了露天矿山调度系统的调查研究。他们的结论之一是调度系统应以计划驱动策略为基础。计划驱动系统由两部分组成。其中之一是通过求解一个线性或非线性的数学模型来设立一个最优生产计划。该计划表明，对于每一种类型的材料，在来源地和目的地之间的运输都应该保证生产能力最大化或运输成本最小化。它还需遵守调配和容量方面的限制。计划驱动系统的第二个组成部分是如何调度卡车驶向铲装设备，以尽量减少实际生产率与第一个组成部分所确立的生产计划之间的偏差。为了有效率，计划驱动系统必须经常更新，因为开采状况随着轮班持续变化。计划驱动策略也应是地下矿井调度系统的一部分。只有少数文章涉及地下开采运输车队管理系统的问题。其中，Ni
10、kos Vagenas于1991年曾从事半自动铲运机（RAL，即自动运行但必需人工装载和倾倒）的管理。该系统采用最短路径算法来选择起点到终点的最优路线，并采用不同的算法来控制网络冲突。由Vagenas提出的这个分配方法非常适合在地下矿山使用。该方法考虑到网络上的车辆之间的关系，以两个模块为基础。第一个，关于半自动铲运机的运输路径选择，依据四个算法：一是从起点到终点寻找允许使用的最短路径，二是用于在车辆必须减速时的监测，三是为解决双向冲突，四是穿越交通分区。第二个模块，即调度模块，采用启发式程序为半自动铲运机确定目的地。车辆定位是提到的一个问题，但没有提供如何解决的资料。地下矿山车队管理呈现出与
11、制造业背景的自行搬运车管理的相似性。Kim和Tanchoco于1991年提出一种似乎特别适合地下矿山车队管理需要的方法。他们提出了一个有效的算法来为在由双向路段组成的运输网络中运行的自行搬运车寻找无冲突最短时间路线。路由和调度方面的问题同时解决，但车辆的目的地是首先选择好的。这种解决方案包括在时间窗口图上寻找一条最短路径，该图则是根据网络中当前和未来的交通情况而确定，即需要知道网络中其他车辆的路线以及在何时哪些路口是可以通过的。在图中，一个节点代表运输网络的一个交叉路口而一个时窗则显示在此时相应的路口是空闲的。弧集表示空闲时窗之间的可行链接。在创建图表时，对每一个可行的弧线进行测试，以避免路段
12、上的追尾和迎面冲突。在从一个原点到目的地的任何路径上节点代表一个无冲突点。最优可行路线是通过Dijkstra最短路径算法找出的。为了避免在涉及找寻可行弧时不必要的计算，时间窗口图不显式构造，而是在主程序执行时隐含考虑。这种方法是对冲突检测的一个重大改进。双向路段的使用，使该方法比之前提出的任何方法更切合实际，更适合地下矿井。然而，制造业和采矿环境之间依然存在重要差别。首先，地下矿井周期的变化不能像制造业一样比较容易地允许作业执行计划。装载时间显示了最广泛的不同特点，由于这样的事实，即在铲运机前的散状物料需要多次调整前斗进行装载。搬运和倾倒时间的不同则明显减少。为使该方法适用于地下矿山环境，则要
13、求根据操作进度来适时调整时间窗口图。这个问题在第4节讨论。第二个重要的区别是有关在两种环境下使用的车辆类型。铲运机可以前进，后退，但在装载和倾倒阶段其铲斗只能位于车体前方。自行搬运车则不存在这个问题。然而，对于铲运机来说，预先计划从起点到目的地的轮流运行秩序，以确保车辆能准确到达，是车队管理系统的一个本质特征。此问题的解决方法在第3节中讨论。Krishnamurthy等人于1993年依据一系列解决自行搬运车管理问题的生产技术提出了一种方法。他们的解决方案考虑了同时进行对多个自行搬运车的任务分配。有趣的是，在一个限制只有几秒钟的时间允许决策过程的实际情况下，该方法是不适用的。然而，他们图形构成的
14、一些内容将在本文提出的方法中重新使用。Langevin等人于1994年也提出了一个最佳和更具全局性的方法：同时安排两辆自行搬运车，但再次因为决策过程太长而不能在实时系统中运用。此外，这种方法为所有在轮班过程中执行的任务找到了最优排序，由于前面提到的操作具有一定的随机性，所以在我们的文章中也存在一些不恰当之处。3 解决方案这里提出的解决方案受到了Kim和Tanchoco（1991）所提出的方法的启发，也包括一些由Vagenas（1991）和Krishnamurthy（1993）等人提出的图形设计的内容。提出这种方法，是因为在类似的解决方案中它能解决路径选择和调度方面的问题。该模型已进行了调整，将
15、调度决策包含到相同的解决过程中。然而，对网络提出了重要变化，以确保铲运机用正确的方向（铲斗在前）到达目的地，并减少死锁的发生。3.1 图形构成从矿场的初始运输网络开始，基本的网络代表路段（弧），交叉口、卸载和装载点（节点）一一绘制。表示交叉点的节点是重复设置的，以表明在这些地点（路段的端点）车辆可以安全地等待其他车辆行进到相邻的路段（参见图1）。在地下矿井中，这些节点扮演另一个重要角色：在其所代表的地区车辆可以改变方向，即从正向变为反向运动。根据网络上的其他铲运机的位置和任务，一个时间窗口图便可以推算出来。图2给出了对应于图1所示运输网络的一个简化时间窗口图形例子。对应于某特定车辆的路径“K-
16、J-H-I-L-M-N-O-Q”用黑色表示。黑色矩形表示节点被占用的时间段，弧代表路径上的路段；例如从“K”到“J”的弧表示该车辆使用路段“KJ”。图1. 基本网络对于每一个节点，一个白色的空间表示一个时间窗口，在此时窗内，节点（路口）是空闲的。两条路径不能同时占用同一个节点。弧线与时窗连接在一起表示一个路段的使用是安全可行的。已经做过相应测试，以确保节点之间有一条物理链路，以确保第二个时间窗口可以及时到达，以及避免在一条弧段发生迎面碰撞或追尾（当两弧交叉且使用相同的节点对时可能发生这样的冲突）。Kim和Tanchoco（1991）已对这些测试的更多细节进行过表述。图 2. 时间窗口网格图图中第二条通路“R-P-N-M-L-I-H-D-B-C-G”与灰色矩形连接在一起表示一条无冲突途径。该路径是众多可
