基于线性规划的集装箱码头作业路优化

摘 要：目前内河集装箱码头一般采用单路作业方式安排作业路。调度员会根据某条作业路的生产量分配集卡，不同作业路之间的集卡互不干涉。这种作业方式虽然简便易行，但也存在局限。容易造成集卡利用率不高，集卡空载的现象时有发生。对于宝贵的生产资源是一种浪费，这种浪费会造成整个堆场作业效率下降。有没有一种新的作业路分配方式能够使码头的效率得到提高，是本文主要研究的课题。本文提出了两种非传统的作业路分配方式：“装卸分离”和“装卸循环”。使用线性规划作为研究模型，利用LINGO工具对这两种不同的分配方式进行了建模求证。模型的主要原理是：集卡在上一次作业完成后可就近投入到其他需要的作业路中，以此缩短集卡的行驶距离和时间，有效减少集卡空载率。本文以武汉港集装箱有限公司为例，对其实际生产数据进行了采样。将该数据带入到模型中去运算，对三种不同的计算结果进行了对比分析，取得了预期的研究成果。

关键词：集装箱码头；作业路；集卡；线性规划

一、研究背景

集装箱码头运营管理是一个复杂的系统问题，涉及面广、环节多，如果各个环节配合不当，就会影响整个系统的发挥。（1）因此，码头作业路的优化，以及集装箱运输的载体“集卡”的运输调度问题成为港口作业效率提升的一大关键因素。（2）当然，迫在眉睫的一个问题就是如何搞好集卡与岸桥之间的高度协作，合理的优化现有的调度模式，提高港口内、外运作效率和管理水平，使港口的发展走上重技术、重管理的集约化道路。正是在这样的背景下，本文提出了以岸桥与集卡配合为主线，采用科学的方法，合理的分配各集卡的作业量和运输路径，以达到提高集装箱码头现场管理水平的目的。

集装箱码头的作业方式实际上是以流水线作业，码头一般称这条流水线为“作业路”。集卡作为集装箱码头中的水平运输设备，其数量最多，灵活性最强，转运路线复杂。作为岸桥和堆场之间连接的纽带，集卡的调度与作业量的分配直接影响着整个堆场的效率（3）。

目前，内河码头一般采用单路作业的生产方式安排船舶装卸作业。单路作业是指，当船舶靠泊时，中控员根据泊位的状况和船舶计划表开始安排作业路。然后根据箱量为每个参与作业的岸桥安排若干数量的集卡。安排完成后，这辆集卡只能固定在此作业路上进行作业，不负责其他作业路的运输工作。这种分配方式简便易行，因此单独作业方式在内河集装箱码头广泛使用。它的弊端也很明显，因为码头在实际生产时每条作业路的繁忙程度都不一样，现场情况较为复杂多变。在这种调度方式下，提前完成任务的集卡会被闲置，而繁忙的作业路却不会有其他集卡主动参与到其中来加速完成任务。这种对宝贵生产资源的浪费给码头的作业效率带来了很大影响。

二、解决方案

针对码头的问题现状设计一套优化办法。优化目的为如下三个：

（1）能够最大化的减少集卡的行驶距离，达到有效降低油耗的目的。

（2）能够将总作业量平均分配给各集卡，这样做不仅可以提高集卡利用率，还能够使每个集卡司机的工作量平衡，相应的收入也能做到平均分配（集卡司机的工资是计件计算）。

（3）能够将集卡行驶的总路程平均分配给各集卡。这样做可以有效缩短作业时间的长度，使每辆集卡都可以物尽其用，达到优化堆场作业效率的目的。

第一个目的可以使用运输问题模型来解决。第二和第三个目的用整数规划模型求解。为了达到上述几个目的，本文将对三种不同的作业路分配方式进行建模分析：

（1）单独作业：

这是一种传统的作业路分配方式。它要求各作业路的集卡数一定，不同作业路之间的集卡互不干涉，因此集卡只能按照既定行程往返奔波于岸桥和堆场之间，不能灵活变动。采用这种方式作业，达不到很好的优化效果。

（2）装卸分离：

同为卸船或同为装船的多个作业路可以混合使用集卡，但两者间集卡不能混用。这种作业下集卡的分配方式更为灵活，能够达到优化效果。

（3）装卸循环：

无论是装船还是卸船，所有作业路共用集卡资源。原理是：利用集卡空载的机会，让上一次刚做完卸船的集卡立刻投入到装船过程中去。集卡在卸船和装船两种不同的过程中循环作业，因此称其为装卸循环。装卸循环在集卡分配上比之前两种分配方式更加灵活，能够使优化效果进一步提高。

三、研究步骤

由于码头每日装卸船及进出口动态错综复杂，为了能够简化研究难度，理清研究思路，将对各分配方式和单个作业路的具体作业情况进行逐步分析。

（1）对单独作业方式进行建模分析：

分别对四条作业路进行建模。目标函数为：每条作业路下集卡的作业量和作业行程能够平均分配到各个集卡上，这样可以有效减少作业耗时。约束条件为各作业路的总作业量一定，各卸区和装区分作业量一定。集卡分配数量已知，各作业点之间的距离已知。需要计算的结果为各集卡的行程、作业量、耗时，各分作业路的总行车距离和耗时，所有作业路的总行车距离及总耗时（以最后一辆集卡的完工时间为准）。

（2）对装卸分离作业方式进行建模分析：

分别对卸船作业路，装船作业路两种不同的作业过程进行建模。目标函数为：首先对集卡行驶路径进行优化，力求做到集卡总行程最小。然后再对作业量和行程进行平均分配。约束条件为各作业路总作业量一定，各卸区和装区分作业量一定。需要计算的结果为各集卡的行程、作业量、耗时，装船作业路和卸船作业路在分离情况下作业的总行车距离和耗时，所有作业路的总行车距离及总耗时（以最后一辆集卡的完工时间为准）。

（3）对装卸循环作业方式进行建模分析：

对四条作业路的循环作业进行建模。所有集卡不再分装船或卸船过程，一并分配到所有作业路下参与装卸作业。目标函数与上述的装卸分离模型相同。约束条件为各作业路总作业量一定，各卸区和装区分作业量一定。需要计算的结果为各集卡的行程、作业量、耗时，计算所有作业路的总行车距离及总耗时（以最后一辆集卡的完工时间为准）。

（4）将上述三种不同的作业方式，利用线性规划模型优化后计算出结果，对结果进行对比分析，判断每种作业方式的优缺点，得出本文最终结论。

四、 研究结论

对三种不同的作业路分配方式计算结果进行对比分析，对比分析表如下：

从图1来看，装卸分离比单独作业的总行程缩短了11.24%，而装卸循环缩短的行程比例更是高达17.05%。因此可以得出结论：装卸循环对于集卡行程的优化是有明显效果的，其分配方式要明显优于前两种作业路分配方式。

从图2来看，装卸分离作业比单独作业的总耗时缩短了18.46%，而装卸循環作业与装卸分离作业耗时相差无几。因此可以得出结论：无论是装卸分离作业还是装卸循环作业，对于堆场作业效率的优化都能起到明显效果。

综上所述可以得出结论：比起传统的单独作业方式，装卸循环能够有效的减少码头资源的损耗，并且大幅度提高码头的作业效率。在线性规划算法的支持下，装卸循环的作业方式满足了之前所提出的三个优化目的，本文的研究也取得了应有的成果。

参考文献

[1]毛钧，李娜，靳志宏.基于混堆模式的集装箱码头堆场空间资源配置优化.2014年1月.

[2]丁一盛扬，梁承姬.基于遗传算法的集装箱港口堆场空间动态分配策略.2015.

[3]曹庆奎，赵斐.基于遗传蚁群算法的港口集卡路径优化.系统工程理论与实践.7，2013年.

作者简介：

荣耀，男，1984.8，湖北武汉，硕士，物流管理，初级工程师，武汉港务集团有限公司。