复杂工况下运输机群三维装箱问题关键技术研究

The project is focused on the solution for container loading problem with complex constrains and multi-objective. The target is to implement key technology research about three-dimensional container loading problem of transport aircrafts in the case of loading a set of strongly heterogeneous containers with a selection from a strongly heterogeneous set of cargoes, including establishment of optimization model, development of optimal method and corresponding estimation index, and so on. Based on less assumption and full consideration about practical constrains, the constrain set and the mathematics model is built while space using ratio, loading using ratio, loading cost, center of gravity of plane and cargo stability are taken as the optimization objective. A high-performance and rapid method is developed to find the optimal solution of the problem with complex constrains and multi-objective, and the corresponding comparison with typical instances is implemented to validate the availability and practicability of the proposed method. Finally, a visual interactive software with the function of automatic loading, manual loading and loading scheme management is developed.

本课题针对传统方法较难解决复杂约束多目标情况下的货物装箱问题，以“强异构容器强异构货物”情况下的运输机群三维装箱问题为研究对象，对包括装箱问题建模、优化方法及其评价指标设计等在内的相关关键技术进行研究。在少量假设和充分考虑装载问题现实约束条件的基础上，构建货物相关约束集和运输机相关约束集，建立运输机群货物三维装载规划问题在“强异构容器强异构货物”情况下的数学模型，对空间利用率、载重利用率、装载成本、飞机重心以及码放稳定性五项指标进行优化，探索一种能快速、高效求解复杂约束多目标优化问题最优解的方法，通过与现有经典案例进行比较来验证其有效性和实用性，最终开发出一套集运输机群货物三维自动装载、手动装载以及装载方案管理功能于一体的可视化交互软件。

货物在机舱内的布局，不仅会影响到运输效率和经济性，还会关系到飞机飞行的机动性和安全性。运输机群三维装箱问题属于载运工具三维货物装箱问题的其中一种，课题组首先以求解方法为主线对三维装箱问题涉及的目标函数和约束条件定义、计算方法设计等关键技术的研究现状进行了综述，并从新增目标函数定义等四个方面对该类问题的研究方向及其核心内容进行了展望。其次，针对标准货盘与货柜的装机流程和约束条件，提出了一种以重心偏移量与整机惯性矩最小为优化目标，以载重量、舱段位置、舱门限宽、底板承载能力等为约束条件的货盘与货柜装机0-1优化模型，并采用混合整型线性规划的方法对问题进行了解算。针对非标准货物装载，整合货物选择方法、货舱选择方法、“墙”厚度选择规则、“块”高度和宽度选择规则、货物打包规则、“块”码放规则、货舱空间管理方法、横向与纵向重心调整方法，基于约束条件和目标函数的定义，提出了一种基于四规则深度优先搜索的启发式算法。再次，提出了一种以六自由度并联机构为执行机构的码放机器人，从结构和几何参数优化设计、机构与货物交互力计算两方面进行了研究，提出了一种六自由度并联码放机器人工作空间的描述与优化方法和一种基于反向动力学模型的计算散货与执行机构末端六维交互力的方法。最后，面向标准货物装载优化和非标准货物装载优化两类子问题，基于Visual Studio2010和Vega Prime设计开发了一套集运输机群货物三维自动装载、手动装载、装载方案管理与输出功能于一体的可视化交互软件。以上研究成果与结论，不仅降低了实际装载问题的复杂度，而且还减少了假设条件、增加了约束条件，提高了数学模型与实际问题的贴合度。在打破了有限时间内解决强异构货物装载这类NP问题多依靠启发式算法壁垒的同时，为航空公司尤其是以快递航空运输为主业的公司提供了一种节约人力、物力和财力的高效、可靠的飞机平衡与操作方案。