基于知识工程的煤炭码头堆场分配策略

王煜，郑惠强，李强

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804;2.上海海事大学集装箱供应链技术教育部工程研究中心，上海 201306;3.天津港(集团)有限公司科研设备部，天津 300461)

0 引言

煤炭是我国能源的命脉，预计到2020年我国煤炭需求量将达到22亿～24亿t，这意味着有大批量的煤炭需要运输.海运是最主要的运输方式之一，而煤炭码头在煤炭运输中起着连接作用，是运输过程中重要的中转站.近年来不断增长的运输态势，使得煤炭码头公司面临巨大压力.堆场是所有码头的有限资源，如何在现有堆场条件下，有效利用码头堆场、提高码头周转效率是堆场急需解决的问题.

很多研究者针对码头的堆场分配问题进行研究，分析如何有效利用码头堆场.例如:严伟等［1］和周桂清等［2］针对集装箱码头堆场分配问题，运用多目标规划方法建立滚动式计划的集装箱堆场分配模型;KIM 等［3－4］研究件杂货及散货在不同标准下的堆放策略;踪锋等［5］针对散货堆场的特点，提出增加散货堆场堆存量的方法;DUINKERKEN等［6］提出堆场堆码的最大剩余堆存空间策略;唐颖［7］建立筒仓堆场生产管理策略的动态分配原则及其数学模型;沈剑峰等［8］提出基于知识的箱位分配计划方法;白治江等［9］建立堆存空间分配的线性整数规划模型并用滚动规划方法得到堆场存储空间的分配方案.从这些研究中可以看出，对于堆场的研究虽然较多，但是大部分都集中在集装箱堆场，对散货堆场的研究相对较少.本文以煤炭码头堆场作为研究对象，基于知识工程研究并改进散货码头的堆场分配方法，提高散货堆场的利用率及码头的生产效率.

1 煤炭码头堆场分配问题描述及堆存策略

煤炭码头堆场分配是连接码头进场与出场的中间环节，由于煤炭码头针对的煤炭货主和种类都相对固定，所以煤炭码头堆场的分配有其特殊性.码头堆场的分配方法很多，使用不当不但导致堆场利用率不高，装船效率也会受到影响.煤炭码头的作业流程中，大部分采用装船机装船，机械相对固定，且需要在同一条皮带上运动，所以煤炭码头堆场分配计划显得尤为重要，堆场分配的不同会影响到整个作业效率的高低，而这一点就体现在码头堆存策略上.煤炭码头堆场分配策略大致可以分为3种:

(1)随机堆放.该策略是指在保证煤炭种类相同且同一货主的前提下，首先寻找堆场中是否存在已堆放该类型煤炭的场区，如果有并且剩余空间足够，则直接在该场区堆放，否则就新开辟一块场区堆放.

(2)固定堆放.该策略根据该码头的煤炭种类及其吞吐量，把整个堆场按照相应比例固定分配给不同的煤种，则在已经划分给该煤种的剩余场区中寻找堆放场区.

(3)固定与随机结合.该策略是前两者的结合，对于吞吐量较大的煤种，分配固定场区，按照固定堆放的原则堆放，其余的按照随机堆放的原则堆放.

由于码头的堆场资源有限，如果完全采用策略(2)可能会导致堆场的利用率低下;如果完全采用策略(1)，则可能会导致堆放相对分散，不利于装船;虽然采用策略(3)比前两者有一定改进，但是由于没有考虑到吞吐量的变化也会导致堆场资源分配的不均衡.所以，需要一种动态的堆存策略才能更好地满足码头上煤炭的堆存.

2 煤炭码头堆场分配模型

煤炭码头堆场分配，简言之就是从当前状态的各种堆场数据中找到堆场选择所需要的数据，并根据人们制定的规则选择合适的堆场.对于任意一批进场煤炭，其堆场分配的过程可被看作是按知识和规则运作的许多判断活动的集合，每经过一个(或一组)判断，就是筛选一部分数据出去，使得可选择区域的范围逐渐减少，并最终选出最优区域分配给需要堆放的煤炭.

堆场分配过程中，设计划分配的场区为P，堆场的状态空间为U ＜M，F，V，C ＞，其中:M为可选择堆场集合，该堆场所堆放的煤炭属性为Cm;F为作业设备集合，Fm代表第m个场区的设备状态，设0代表设备状态为不可作业，1代表设备状态可以作业;V为场区的可堆放容量，Vi为某一场区可堆放容量;C为待分配的煤种属性(在分配计划过程中，该值不变)，该次需要堆放的煤炭质量为Qc.

当进行堆场分配时，设置当前的初始状态空间为U0＜ M0，F0，V0，C ＞，其中:M0代表堆场中所有场区的全集;F0代表堆场中所有场区对应的设备状态集合;V0是堆场剩余的堆存容量.

煤炭堆存位置的选择可分为3个阶段:可分配区域选择，设备与堆场匹配，最优区域选择.从这3个阶段的分析中可以看出整个模型的运作过程就是在不断缩小范围，直到出现最终结果.如果设每一个阶段结束后的状态空间为Ui，则状态空间应满足U3⊆U2⊆U1⊆U0，堆场区域选择的框架见图1.

通过这3个阶段的执行，最后得到最终状态空间中的M3就是所求的区域P.每个阶段其实都是基于知识的规则匹配过程，见图2.该过程由待分配堆场的煤C根据相关规则R进行规则匹配，整个规则匹配的基本运算公式为M=f(C，R)，但每个过程中所利用的规则不同.

3 煤炭码头堆场分配规则

3.1 可分配区域选择

可分配区域选择是整个分配模型的第1个阶段，该阶段主要是指在仅考虑堆场堆存状况的情况下，选择可以堆放该煤种的场区，即从M0中挑选出满足煤炭属性 C的M1，而F1则是剩余M1场区的设备作业状态.

上述公式中，如果某一场区为空，说明该场区可以被选择，可以默认为Cm=C，则在满足式(1)的情况下，该场区能够被选到.煤炭码头堆场是按照煤种分类堆放煤炭的，所以其具体规则如下:

如果堆场中已经存在某一煤种的堆放垛位，且该垛位剩余容量足够，则选择该垛位作为计划位置;如果堆场中已经存在某一煤种的堆放垛位，且该垛位剩余容量不足，则选择空垛位作为计划位置;如果堆场中不存在某一煤种的堆放垛位，则选择一个空垛位作为计划位置;如果某个垛位是空的，则该垛位在任意选择中都可以作为计划位置.

3.2 设备与堆场匹配

设备与堆场匹配是整个分配模型的第2个阶段，该阶段主要考虑设备的作业状态对堆场选择的影响.如果设备作业状态为1则可以选择，否则不能选择，这里的设备作业状态是指该场区是否可以进行作业，而不是该场区有没有设备，即从M1中挑选出Fm为1的M2.

设备作业规则与设备的物理及空间作业特性有关，它影响到设备在物理及空间上的作业能力和对相邻堆场的作业顺序.通过作业能力可以判断某种堆场状态下设备能否将相应的货物放进需要的堆场或者从某个堆场取煤.堆场的作业设备主要有取料机、堆料机及堆取料机，这些设备之间相互工作，必须保持相应的场区宽度才能正常工作，并且这些作业机械覆盖的面积都比较广，所以在同时进场或者装船时应考虑把煤炭堆放在不同机械对应的场区.根据这些机械的特性及作业要求，码头需要对作业规则作合理定义.规则如下:

如果某一垛位正在进行装船作业，那么其相邻的垛位不能被作为计划位置;如果某一垛位正在进行堆垛作业，并且另一煤种也需要进行进场堆垛，那么不在同一排上的垛位可以被作为计划位置;如果两种类型的煤种需要在同一时间装船，那么选择不同排上的垛位作为计划位置，并且这些垛位的作业不会相互干扰.

3.3 最优区域选择

最优区域选择是整个分配模型的最后阶段，该阶段就是要在这些满足堆放及作业条件的堆场中选择一个或者几个最适合该种煤炭堆存的堆场区域，在该阶段就要考虑关于货物周转率、出口装船的状况、出口运输路径的长短等很多问题，所以这个阶段是最为复杂的，需要考虑的因素非常多，最后选择出需要的堆场区域.也就是从M2中挑选出足够堆放Qc且作业效率最优的堆场区域M3.

最优区域选择需要考虑到煤炭的周转率:周转率较高的煤种应堆放在容易取煤的堆场区域，即靠近中间的区域;周转率较低的则可以选择靠近堆场两边的位置堆放;同时，为了装船能连续取货，同种煤炭应堆放在相邻区域;当上述过程中剩余的堆场堆存量Σ Vm大于Qc时，就以装船优先，考虑装船路径最短的位置.规则如下:

如果某一种煤炭的周转率较高，那么选择堆场中间的垛位作为计划位置;如果某一种煤炭的周转率较低，那么选择堆场两端的垛位作为计划位置;如果堆场中存在某一煤种的堆放垛位，那么新选择的计划位置应与该垛位相邻;如果可供选择的垛位容量大于需要的容量，那么选择装船距离最近的垛位作为计划位置.

4 案例分析

以某煤炭码头为例进行分析.该码头岸线长达600 m，前沿最大水深19.6 m，堆场面积15万m2，分为60个垛位，堆存能力86万t，年吞吐量2 100万t左右，装船机装船实际最高值为3 000～4 000 t/h(平均2 000 t/h).该码头煤炭堆存工艺主要为:火车运煤进港，翻车机卸车，皮带运输，堆料机堆煤.装船工艺主要为:取料机取煤，皮带运输至前沿，装船机装船.

根据相关调研和数据分析，船舶装载量服从以3.5万t为均值，1万t为最小值，9万t为最大值的截断正态分布;同时，船舶到达间隔服从负指数分布，其均值为14.4 h.利用仿真方法对该码头1 a的数据进行分析，统计结果见表1.

表1 堆场平均堆存量统计

堆场的主要评价指标为堆场占用率及装船效率.根据各场区的平均堆存量及其堆场容量，可以计算出各场区的堆场占用率.计算公式如下:

式中:di和Di分别为第i个堆场的存煤量和堆场总容量，N表示共有N个场区.计算结果见表2.

表2 堆场利用分析

同时，根据仿真结果得到装船效率，见图3.

从表1和2中可看出:该煤炭码头使用本文的堆场分配方法后，其堆场平均占用率在65.6%左右，在这种状态下，如果码头吞吐量增大，也能够满足其堆存需求;在装船时间的对比中，采用新堆场分配方案的平均装船时间为13.48 h，原方案的平均装船时间为14.18 h.虽然图3中有少数船舶的装船时间比原方案长，但这是由于某些周转率高的煤种堆存位置比其他煤种的作业效率低而导致的.从整体上比较，整个周期内的平均装船时间比原方案有所提高，码头效率得到提升，说明新的堆场分配模型在合理分配堆场的情况下能更好地完成装船工作.

图3 装船时间对比

另外，还可以看到该码头某些垛位的占用率超过90%，但这些位置都是容易取煤的垛位，并且堆的都是周转率较高的煤种，这样既能提高堆场的有效利用率，对码头的装船作业效率也有所帮助.

5 结束语

对煤炭码头堆场分配问题进行研究，分析煤炭码头的各种堆存策略，并根据码头堆场管理原则和设备特征，获取堆场分配相关规则，构建基于知识的煤炭码头堆场分配模型，对堆场进行合理分配，能有效提高煤炭码头的装船效率，对煤炭码头的生产起到一定的帮助作用.

［1］严伟，谢尘，苌道方.基于并行遗传算法的集装箱码头堆场分配策略［J］.上海海事大学学报，2009，30(2):14－19.

［2］周桂清，严伟.基于双40英尺集装箱装卸系统的自动化码头堆场计划［J］.上海海事大学学报，2011，32(3):1－6.

［3］KIM B，KOO J，PARK B S.A raw material storage yard allocation problem for a large－scale steelworks［J］.Int J Adv Manufacturing Tech，2009，41(9):880－884.

［4］KIM B，KOO J，SAMBHAJIRAO H T.A simplified steel plate stacking problem［J］.Int J Production Res，2011，49(17):5133－5151.

［5］踪锋，陈波，马小建.增加散货堆场的堆存量的方法研究［J］.物流工程与管理，2009，33(2):102－104.

［6］DUINKERKEN M B，EVERS J J M，OTTJES J A.A simulation model for integrating quay transport and stacking policies on automated container terminals［C］//Proc 15th Eur Simulation Multiconference.San Diego，CA，USA，2001:909－916.

［7］唐颖.基于专业配煤功能的环保型煤炭码头关健生产策略研究［D］.武汉:武汉理工大学，2009.

［8］沈剑峰，金淳，高鹏.基于知识的集装箱堆场箱位分配计划研究［J］.计算机应用研究，2007，24(9):46－48.

［9］白治江，王晓峰.基于负载平衡的堆存空间分配优化方案［J］.上海海事大学学报，2008，29(3):60－64.