异贝位混合装卸作业的集装箱码头设备调度优化

汤　齐，伍德俊(天津工业大学管理学院，天津300380)



异贝位混合装卸作业的集装箱码头设备调度优化

汤齐，伍德俊
(天津工业大学管理学院，天津300380)

摘要:集装箱码头装卸操作的重要机械工具为岸桥和集卡，而二者装卸工艺的配置也直接影响码头的整个装卸活动的生产效率。结合现代集装箱码头先进的装卸技术和管理信息水平，探讨集装箱码头应对大型船舶的新装卸工艺，提出集装箱码头单船舶的异贝位混合装卸作业的调度方法，以岸桥和集装箱卡车运作时间最短为目标建立数学模型，运用Lingo软件将算例数据进行编程求解运算得出优化方案，并考查异贝位同步装卸作业调度方法的有效性与实用性。

关键词:异贝位装卸;集装箱码头;岸桥;集卡

随着全球集装箱运输业务的急速增长，船舶大型化已成为集装箱船舶发展的主要趋势。集装箱船舶的大型化又对港口码头的装卸设备、效率以及管理水平提出了更高的要求，如何更有效地对岸桥、场桥和集卡等搬运设备进行工艺优化和合理调度，使集装箱码头低成本、高效率的运作，是目前世界各大港口面临的普遍问题。

李克强总理在2014年政府工作报告中指出，“推进长三角地区经济一体化，深化泛珠三角区域经济合作，加强环渤海及京津冀地区经济协作。”而天津港由于特殊的地理条件和港航资源将在京津冀协同发展战略中扮演重要的角色，2013年数据显示，天津港货物吞吐量突破5亿吨，集装箱业务的吞吐量也突破1 300万标准箱，从而使天津港成为中国北方地区第一个5亿吨港口。高效的装卸流程也是提高天津港货物周转速率的关键。

一、研究现状综述

Kozan等［1］针对集装箱码头集卡的运输问题，采用启发式算法对影响码头作业效率的因素做出了讨论;Gambardella等［2］通过比较集装箱码头岸桥以及场桥的优化配置，研究码头的作业效率;Yan Wei等［3］在考虑了集装箱码头总体的装卸作业效率以及设备能源消耗的问题，基于知识系统建立了场桥调度模型;Xi Guo等［4］设计出可容启发式算法与回溯算法组合的搜索方法，针对集装箱码头堆场场桥配置方案的选择与场桥作业序列优化问题建立模型;曾庆成、杨忠振［5］以岸桥作业等待集卡运输时间最短为目标，运用Q学习算法模型研究了集卡调度问题;韩晓龙和丁以中［6］对集装箱码头装卸作业利用仿真手段，采用VB 6.0编程对装卸设备在面向作业面和同步装卸工艺的装卸作业中的运行进行仿真模拟;计明军等［7］在综合考虑岸桥和集卡的作业效率影响下，以集卡运输路径最短为目标，使用进化计算的方法研究岸桥和集卡的调度优化;王起航［8］列举了集装箱码头的三种不同生产作业方法，通过对三种生产作业环节衔接关系和调度方式进行分析研究，以此建立了集成调度优化模型;吴志佩［9］运用单亲遗传算法解决同步装卸调度问题，针对混堆堆场情况下集卡在集装箱船舶不同贝位及箱区间的运行提出异贝位同步调度的方法等。

由于集装箱码头岸桥的闲置成本远大于集卡的闲置成本，所以在装卸工艺优化上要尽量避免集卡不能及时服务岸桥情况的产生。本文在之前的研究基础上，进一步考察集卡在不同贝位间动态移动以达到集装箱船舶的混合装卸作业以及集卡在进出口不同堆场箱区间的运输路线，从而提出新的装卸工艺来提高岸桥的工作效率和集卡的运输效率，并建立了集卡在多岸桥下异贝位间及多场桥不同箱区间装卸岸桥工作和集卡运输总时间最小的数学模型。

二、传统作业模式与异贝位作业模式的比较分析

本文研究单艘船舶到港同时进行混合装卸的过程，涉及多岸桥、多场桥的集装箱异贝位混合装卸调度问题。通过优化集卡运输路线并使集卡动态服务于不同岸桥、场桥间以完成混合装卸，使集卡完成“重进重出”活动，降低集卡的空载率，从而减少集卡作业时间，提高运输效率，在确保集卡动态供应及时的情况下，达到岸桥场桥作业效率的最大化。集装箱码头单船舶传统作业模式与异贝位混合装卸作业模式的对比情况见图1。

图1　传统作业模式与异贝位作业模式

对于单船舶异贝位间混合装卸调度，其具体操作过程比较复杂，需要多个岸桥在船舶不同贝位间进行动态的协同操作;船舶到达泊位进行装卸活动前，集装箱码头对船舶各贝位的装载量等实际情况进行前期的装卸流程的规划，安排适当数量的岸桥并配以相当数量的场桥、集卡进行工作;分配给每个岸桥需负责的贝位，如图1中的A、B两个岸桥构成一个作业组，A岸桥先对其负责的某一贝位进行单独卸箱活动，完成后，A岸桥在原贝位位置保持不动等待装船活动，在A岸桥负责贝位卸箱活动完成后，B岸桥才开始启动进行卸载活动，集卡从B岸桥重载至进口箱区Ni，再空载至出口箱区Rj装箱，装箱完成后重载至A岸桥对卸空贝位进行装船作业，然后集卡再空载至B岸桥等待装载，由此构成一个循环作业;直至A岸桥负责贝位装船完成，岸桥再移动至下一个计划的贝位进行卸箱活动，B岸桥在卸船作业完成后进入下一计划贝位进行装船作业;作业组之间始终进行循环作业，期间，集卡动态服务于各个岸桥、场桥之间;以此类推，直至A岸桥负责的所有贝位均完成装箱任务，则对B岸桥剩余的集装箱进行单独的装卸工作，直至完成船舶的装卸任务。岸桥在整个装卸过程中始终处于运作状态且运作效率更高，集卡则在码头前沿和堆场间进行“重进重出”的往返运输作业，提升装卸效率，节省装卸时间，节约码头运营成本。

三、数学模型的建立

本文以集装箱码头岸桥工作时间和集卡行驶时间最短为研究目标，提出新的数学模型进行算例分析。

1．环境假设

(1)码头对集装箱船舶所需要装配以及卸载情况已知。

(2)集卡能及时动态地服务于各装卸桥，运行不相互干扰。

(3)忽略集装箱船舶不同贝位间集卡的行驶时间和距离。

模型中参数和变量的内涵:q∈Q，Q为岸桥集合;b ∈B={b1，b2，…，b珋}为船舶上所有贝位的集合;为b贝位中需要装载的集装箱量;为b贝位中需要卸载的集装箱量;为作业组混合循环装卸作业中参与的集装箱量;N为进口箱区数量，Ni表示第i个进口箱区，i∈N;R为出口箱区数量，Rj表示第j个出口箱区，j∈R;A为提前选择先卸载的贝位中，为确保混合装卸作业的进行先卸载的集装箱量;t1为岸桥单位卸箱的时间;t2为岸桥作业组构成混合循环装卸作业的单位时间;t3为岸桥单位装箱的时间;doi为船舶到进口箱区i的距离;doj为船舶到出口箱区j的距离;dij为箱区i、j之间的距离;v为集卡重载时的速度;珋v为集卡空载时的速度;Qi为Ni进口箱区内还可容纳的集装箱量;MD为集装箱船舶计划卸载的箱量总数;ML为集装箱船舶计划装载的箱量总数。

2．目标函数的设立

式中:目标函数(1)为集装箱码头岸桥的工作时间和集卡在装卸桥及箱区间运行时间之和最小;目标函数(2)和目标函数(3)分别是对目标函数(1)所做出的详细说明，其中T1是岸桥工作的总时间，具体分为岸桥仅卸箱、仅装箱以及混合循环装卸过程的工作时间，T2求解的则是集卡运输工作的总时间，具体分为仅卸载至箱区的行驶时间、仅装载至船舶的行驶时间以及混合循环装卸过程的行驶时间;目标函数(4)为各岸桥所负责总卸载集装箱数等于其负责贝位中只进行单独卸箱过程的集卡运输次数与混合循环装卸作业过程集卡运输次数之和;目标函数(5)为各岸桥所负责总装载集装箱数等于其负责贝位中指进行单独装箱过程的集卡运输次数与混合循环装卸作业过程集卡运输次数之和;目标函数(6)为某一进口箱区Ni堆存量的限制，船舶卸载集装箱量在该箱区的堆存不能超过它的可存容量;目标函数(7)为保证同步装卸的实施，船舶需单独卸下的集装箱量;目标函数(8)为非负约束。

四、算例分析

算例研究单船舶到达港口的情况，配备4台岸桥准备卸载活动，对各岸桥负责贝位工作进行划分，假设集装箱船舶总卸载量为1 175 TEU，离港计划装载量为1 120 TEU。集装箱码头堆场分进、出口不同箱区，假设该集装箱码头有9个进口箱区和9个出口箱区，表1给出堆场进口箱区Ni还能继续堆存的集装箱量容量以及出口箱区Rj计划出口的集装箱量，船舶停靠泊位的码头前沿到各进出口箱区的距离如表2，各进出口箱区相互间的距离如表3，集装箱船舶各个贝位计划需待装、待卸的各集装箱量如表4。由船舶的装卸量确定各岸桥工作计划，岸桥、集卡以作业组的形式展开装卸活动，为保证船舶实现混合装卸，需要先按装卸计划选择一个贝位进行卸载活动，岸桥每次只能抓取1个标准TEU，集卡每次也只能运送1个标准TEU，经现场考察测试，设定岸桥单独装、卸箱的作业效率是1.5 min/个，协同循环作业的效率是2 min/次，集卡重载运输速度v=200 m/min，空载运输速度v=300 m/min，集卡在各贝位中的行驶不考虑时间问题。

表1　进出口堆场所需装卸集装箱量

表2　船舶停靠泊位码头前沿到各箱区的距离

表3　各进出口箱区之间的运输距离

根据算例所给出的数据，将各相关数据在Lingo中进行编程求解运算，最后得出码头岸桥工作时间和集卡运输时间之和的最小结果为9 981 min，其中岸桥工作总时间T1=2 548 min，集卡运输总时间T2=7 433 min。运输路径优化见表5。

表5　运输路径优化

将新装卸工艺作业与单船舶独立进行装卸作业进行比较，结果见表6。

从表6中可以明显看出，在搬运设备使用时间上，异贝位混合同步进行装卸调度作业的方法比单船独立装卸作业方法节约了大量时间。算例中，岸桥作业时间相对减少26%，集卡运行时间相对减少31%，岸桥和集卡运行的总时间减少了29%，码头作业时间缩短了28%。

表6　单船舶异贝位混合装卸与独立装卸作业的结果对比

五、结语

本文主要研究了集装箱码头单船舶异贝位间实现混合装卸作业的新工艺，寻找船舶大型化对集装箱码头运转效率要求的解决办法。在进出口集装箱数量确定的情况下，通过系统优化，在单船舶异贝位同步混合装卸作业模式下得出装卸计划，提高设备的使用率，降低集装箱码头作业成本。但文章中的研究前提比较多，且文章只是在混合装卸的环节上对整个生产运营系统而言的部分环节进行了研究，若要对生产系统整体优化还需要综合考虑其他环节进行深入研究。虽然集装箱船舶异贝位混合装卸调度作业模式下，船舶装卸计划的制定、集卡作业的动态随机性、岸桥及场桥作业的复杂性，增加了码头装卸现场调度的困难，但不断提升的现代集装箱码头管理信息系统水平，可以为混合装卸模式的实施提供保障，集装箱船舶异贝位同步混合装卸作业模式也将会从理论研究走向实际应用。

参考文献:

［1］Kozan E，Preston P．Genetic algorithm to schedule container transfers at multimodal terminals［J］．International Transactions in Operational Research，1999(6):311-329．

［2］Gambardella L M，Mastrolilli M，Rozzoli A E．An optimization methodology or intermodal terminal management［J］．Journal of Intelligent Manufacturing，2001(12):521-534．

［3］Yan Wei，Huang Youfang，Chang Daofang，et al．An investigation into knowledge:Based yard crane scheduling for container terminals［J］．Advanced Engineering Informatics，2011，25(3):462-471．

［4］Guo Xi，Huang S Y，Hsu W J，et al．Dynamic yard crane dispatching in container terminals with predicted vehicle arrival information［J］．Advanced Engineering Informatics，2011，25 (3):472-484．

［5］增庆成，杨忠振，陆靖．集装箱码头同贝同步装卸调度模型与算法［J］．交通运输工程学报，2010，10(1):88-93．

［6］韩晓龙，丁以中．集装箱港口装卸作业仿真系统［J］．系统仿真学报，2006，18(8):2366-2369．

［7］计明军，刘丰顺，李郭记，等．基于装卸协同作业的集装箱码头集卡调度及配置优化［J］．大连海事大学学报:自然科学版，2010，36(1):47-50．

［8］王启航．集装箱码头不同作业方法多环节集成调度优化［D］．大连:大连海事大学交通运输管理学院，2013．

［9］吴志佩．基于堆场混堆的集装箱异贝位同步调度方法［J］．科技与管理，2013，15(6):69-73．

［10］刘琴．集装箱码头同贝位同步装卸工艺系统研究［D］．武汉:武汉理工大学物流工程学院，2011．

［11］刘艳娜．港口对单船作业岸桥调度研究［D］．天津:南开大学信息技术科学学院，2010．

［12］陈超，冯春焕．基于混合交叉作业的码头集卡路径优化模型［J］．武汉理工大学学报，2011，35(6):1183-1186．

Equipment Scheduling Optimization of Synchronized Loading and Unloading in Container Terminal of Different Ship-Bays

Tang Qi，Wu Dejun
(School of Management，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300380，China)

Abstract:The allocation of quay cranes and container trucks is related to the efficiency of the container terminal which is important to the handling of container．Combining advanced loading and unloading technology of modern container terminal，the new container handling technology of container terminal which copes with the large ship was discussed，and the method of synchronized loading and unloading container operations in different ship-bays for a landing ship was provided．With the objective of minimizing the operation time of the quay cranes and the container trucks，an optimization model was established．Lingo software was put forward for solving the problem．The efficiency and practicality of the proposed method were verified．

Keywords:different ship-bays operations;container terminal;quay crane;container truck

通讯作者:伍德俊，wuliuwdj@163．com．

作者简介:汤齐(1965—)，男，博士，教授．

基金项目:天津市教委社会科学重大基金资助项目(2014ZD34);天津市哲学社会科学规划基金资助项目(TJZDWT130311)．

收稿日期:2014-10-18．

中图分类号:U691.31

文献标志码:A

文章编号:1008-4339(2015)03-274-05