桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统实现路径

丁益华 程时稳 范佳彬 郑重

桥吊作业计划和发箱顺序决策是影响集装箱码头整体作业效率的两大重要因素：前者在考虑码头作业工艺和流程的基础上，根据船舶配积载图等提供的信息安排桥吊作业的具体位置和时间，反映船舶装卸作业的思路、重点及对作业资源配置的要求，是码头协调相关作业环节的重要依据;后者根据桥吊作业计划、码头业务规则和实际作业情况等确定发箱顺序。随着自动化集装箱码头的蓬勃兴起和发展，传统集装箱码头操作系统和业务模式已无法适应码头生产作业的新要求，亟待变革和升级：在桥吊作业计划方面，要求实现桥吊作业效率最大化和作业成本最小化;在发箱顺序决策方面，要求实时平衡箱区作业能力，尽可能避免因实际作业进度与计划作业进度之间的偏差而导致箱区出箱失衡问题。上海港洋山深水港区四期自动化集装箱码头（以下简称“洋山港四期自动化码头”）通过应用

桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统，实现桥吊作业计划与发箱顺序决策自动同步完成。该系统不仅能够指导和协调码头现场作业，而且能够在一定程度上缓解箱区集中作业问题，自上线运行以来取得较好的应用效果。本文介绍洋山港四期自动化码头桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统实现路径，以期为自动化集装箱码头相关系统研发和应用提供参考。

1 桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统应用背景

1.1 洋山港四期自動化码头堆场布局

为了适应自动化集装箱码头作业工艺和流程的要求以及提升堆场堆存能力，洋山港四期自动化码头摒弃传统集装箱码头堆场布局，对堆场布局实施全面优化（见图1）。

（1）堆场垂直于码头岸线布置，并依地形而建，实现纵深最大化。

（2）箱区之间设置维修通道，两端分别设置自动导引车交换区和集卡交换区，确保水平运输设备不进入箱区，并严格划分自动化作业区和非自动化作业区。

（3）每个箱区配置2台同轨运行的轨道吊，按轨道吊悬臂形式不同分为无悬臂轨道吊箱区、单侧悬臂轨道吊箱区和双侧悬臂轨道吊箱区，其中：无悬臂轨道吊箱区配置的轨道吊海陆侧作业分工明确，并能通过接力相互支援;单侧悬臂轨道吊箱区和双侧悬臂轨道吊箱区主要承担中转箱和出口箱作业任务，配置的轨道吊可以同时实施海侧作业，陆侧作业则由陆侧轨道吊完成。

（4）海侧自动导引车交换区设置支架，以增加调度冗余;陆侧集卡交换区直接实施集卡作业。

（5）堆场内设置冷藏箱区集中堆放冷藏箱。

1.2 传统集装箱码头人工决策的弊端

传统集装箱码头大多采用人工方式编制桥吊作业计划并完成发箱顺序决策，其存在以下弊端：首先，桥吊作业计划的编制需要考虑大量因素，即使经验丰富的计划员也难免在编制过程中出现疏漏和差错，导致桥吊作业计划不合理;其次，堆场无法预先了解船舶装卸作业思路，导致堆场进提箱作业常常与船舶装卸作业发生冲突;再次，计划员难以针对突发状况及时调整桥吊作业计划;最后，人工编制桥吊作业计划存在耗时较长、效率较低的问题。就洋山港四期自动化码头而言：其堆场布局决定了每个箱区只有1～2个出箱点，平均作业能力为

每小时18个自然箱;由于人工编制的桥吊作业计划和装卸箱指令对箱区收发箱作业考虑不全，轨道吊短时或瞬时作业量经常超过其作业能力，导致卸船箱无法及时进场或装船箱无法按时放至支架或自动导引车上，严重时甚至造成桥吊作业中断，使得桥吊作业效率基本维持在每小时22个自然箱的较低水平。

鉴于人工决策存在种种弊端，有必要研发和应用智能化系统，使其基于相应的模型和算法，在自动编制桥吊作业计划并完成发箱顺序决策的同时，协调和平衡相关作业环节的作业能力，从而减少桥吊作业中断情况，提高桥吊作业效率。

2 桥吊作业计划实现路径

2.1 问题描述及算法流程

桥吊作业计划问题本质上是在满足桥吊作业效率最大化和作业成本最小化的条件下，确定桥吊作业时长、作业贝位和作业类型的问题。此问题属于非确定性多项式困难的组合最优化问题，在数据较多的情况下，无法在全局范围内寻找最优解，只能通过设计基于人工经验的启发式算法来解决。就桥吊作业计划问题的3个关键子问题而言：桥吊作业时长和作业贝位问题可采用动态规划算法来解决;桥吊作业类型问题可依据进出口箱量和箱型分布情况，结合人工经验，采用顶层遍历算法来解决。动态规划算法的决策思路是：在给定每个贝位作业时长的基础上，统筹考虑多台桥吊的作业情况，选择能够达到桥吊作业效率目标的贝位，而候选贝位的作业时长则以相应贝位内默认集装箱作业顺序为计算依据。为此，需要结合人工经验，采用顶层遍历算法为集装箱确定作业工艺和作业顺序，并以此作为桥吊作业贝位的决策前提。通过对桥吊作业计划问题的整体分析，得到桥吊作业计划算法流程（见图2）。

2.2 分支决策模型

桥吊作业计划是自动化集装箱码头装卸作业的龙头，对码头整体作业效率有重要影响。需要注意的是，在码头实际作业中，桥吊作业计划目标并非一成不变：一方面，码头以桥吊作业效率最大化和作业成本最小化为首要目标;另一方面，在不影响船期的前提下，码头往往会根据设备出勤情况合理安排设备维保，而并不要求桥吊作业效率最大化。总之，桥吊作业计划目标涉及多个子目标，要求分支决策模型兼容多个子目标，并给出不同的桥吊作业计划方案。

2.2.1 逻辑思路

分支决策模型采用分支结构，其核心逻辑是：针对船舶装卸作业流程的复杂性和目标的多样性，对决策选择作分支处理;不同分支采用不同的决策原则和目标，决策点以贝位箱量特征和基于人工经验形成的作业原则为决策依据;通过评价函数来分析当前分支决策的结果，并删除无法满足船期要求和无法达到决策目标的分支。分支决策模型生成桥吊作业贝位的特征数据后，利用动态规划算法确定当前分支决策下最优的桥吊作业贝位。计算不同桥吊作业贝位组合的作业时长，将其中最短的作业时长作为本次决策的桥吊作业时长，并利用顶层遍历算法编制作业顺序。递归计算结束后，评价分支决策结果，从中选择最符合目标的分支决策作为结果输出。

2.2.2 约束条件

分支决策模型的约束条件包括默认约束条件和逻辑约束条件，两者共同生成动态规划模型的输入数据。

（1）默认约束条件 分支决策模型的默认约束条件包括：第一，尽量减少桥吊移动次数，以免因桥吊移动贝位而增加扫舱准备工作量;第二，结合实际作业习惯，垫脚箱作业优先于大贝位集裝箱作业;第三，开路作业时为后续加路作业预留条件。

（2）逻辑约束条件 逻辑约束条件包括平均桥吊作业箱量、重点作业路由同一台桥吊连续作业、避免桥吊跨船舶驾驶台或烟囱实施作业等，可通过参数设置和调整。

2.3 基于动态规划算法的桥吊作业选位模型

2.3.1 算法逻辑

动态规划算法是分支决策模型的核心。桥吊作业贝位规划需要考虑作业桥吊数量、桥吊作业安全距离、桥吊行车距离、作业贝位结构等因素，基于上述约束条件来确定最优的桥吊作业贝位组合。假设有7个连续贝位需要作业，各贝位的作业箱量分别为100 TEU、80 TEU、150 TEU、190 TEU、180 TEU、90 TEU和120 TEU，可用的桥吊数量为3台，各桥吊作业效率相同，相邻桥吊之间至少保持1个贝位的安全距离。首先，考虑安排3台桥吊全部投入作业，以确保总体作业效率最高;然后，判断相邻桥吊之间的距离是否符合安全距离要求;最后，按照贝位特征值（即作业箱量）选择桥吊作业贝位。此时有两

种选择方案：方案一为按作业箱量从多到少的标准选择桥吊作业贝位，满足约束条件的选择结果是作业箱量分别为100 TEU、190 TEU和120 TEU的贝位，作业总箱量为410 TEU;方案二为按作业总箱量最多的标准选择桥吊作业贝位，满足约束条件的选择结果是作业箱量分别为150 TEU、180 TEU和的贝位，作业总箱量为450 TEU。由此可见：虽然方案一计算过程相对简单，但其作业总箱量少于方案二，并且存在无法安排全部桥吊投入作业的可能性，总体效果不及方案二;因此，应当采用方案二选择桥吊作业贝位，并据此设计基于动态规划算法的桥吊作业选位模型。

2.3.2 模型构建

作为桥吊作业计划模型最重要的子模型，桥吊作业选位模型的运算效率直接影响桥吊作业计划模型的整体运算效率。为此，设计基于动态规划算法的桥吊作业选位模型，将计算复杂度从组合数级别降低为多项式级别，从而大大提高模型运算效率。

桥吊作业选位需要考虑以下因素：（1）船期计划，包括船舶靠泊泊位、船舶计划开工时间、船舶计划离港时间等;（2）当前船舶作业状况，包括已安排的桥吊情况、船舶作业进度、突发状况等;（3）桥吊状况，包括空闲桥吊的数量和位置、桥吊维保计划等;（4）待决策船舶情况，包括船图、船舶结构和装卸箱量等;（5）相邻桥吊之间的安全距离;（6）按线性顺序分配作业桥吊;（7）重点作业路，即作业结束时间接近船期的作业路;（8）算法配置参数，如效率参数、逻辑控制参数等。

在考虑上述因素的条件下，构建主变量状态转移方程和辅助回溯变量状态转移方程，通过定义辅助回溯变量求得最优解，并据此选定相应的桥吊作业贝位。

3 发箱顺序决策实现路径

3.1 考虑因素

发箱顺序决策需要考虑以下因素：（1）卸船作业沿陆侧往海侧方向执行，装船作业沿海侧往陆侧方向执行;（2）避免频繁切换作业工艺;（3）甲板箱按阶梯顺序发箱;（4）危险品箱和特种箱提前发箱，危险品箱上层的集装箱尽晚发箱，特种箱和危险品箱下层的集装箱尽早发箱;（5）抛锁船的甲板箱按层发箱;（6）大箱和小箱在甲板上的积载和分布情况;（7）避免集中使用内集卡和过高架等作业资源;（8）其他特殊业务规则。

3.2 调用策略

（1）定时调用 当桥吊作业开始时，首次调用发箱顺序决策程序，发出1 h作业指令，此后每隔补充相应的作业指令。对于已发出的作业指令，可根据实际作业情况撤回调整或补充。

（2）基于事件触发 桥吊发生故障或箱区作业因故中断会触发桥吊作业计划调整机制：尚未执行的作业指令一律撤回;已执行的作业指令根据集装箱状态判断是否撤回。

3.3 处理逻辑

（1）取出发箱作业时段内的作业指令、一定时段内桥吊无须移动即可作业的后续作业指令和相应贝位的船舶结构。

（2）检查作业时段内箱区作业指令分配的均衡度：如果各箱区作业指令分配均衡，则按桥吊作业计划发送作业指令，该过程结束;如果各箱区作业指令分配不均衡，则进入下一步。

（3）按作业负荷从高到低的顺序对箱区排序，通过与作业负荷最低的箱区互换作业指令，调整作业负荷最高箱区的作业指令。在指令互换的过程中，运用方差公式实现箱区出箱量均衡。指令互换遵循作业次序可交换和作业位置可交换原则：作业次序可交换原则指同一台桥吊调换作业次序不会引起集装箱在船上装载位置的改变;作业位置可交换原则指目的港、箱型一致且质量差在一定范围内的2个集装箱可以互换装载位置。作业次序交换和作业位置交换均通过参数配置实现：算法逻辑优先选择作业次序交换;在没有适合交换的在场箱且作业位置交换参数设置为可交换的情况下，选择作业位置交换。作业指令互换后的集装箱位置反馈至系统，以免产生集装箱信息校验问题。

3.4 注意事项

指令互换应注意以下事项：（1）不破坏作业工艺;（2）不增加翻箱作业量;（3）优先考虑当前作业时段内的指令互换。

4 结束语

洋山港四期自动化码头针对自动化集装箱码头作业特点和需求，应用基于动态规划算法、顶层遍历算法和分支决策模型的桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统，实现桥吊作业计划与发箱顺序决策自动同步完成。与人工决策相比，桥吊作业计划和发箱顺序决策智能化系统具有以下优点：（1）操作简单，计算速度较快;（2）具有较好的统筹性、前瞻性和灵活性，能够有效避免作业冲突;（3）能够降低人力成本，减轻相关人员的工作负荷。该系统自上线运行以来总体表现良好，决策效果大部分情况下优于人工决策效果;但由于该系统尚不成熟，加之码头作业现场情况错综复杂，需要不断完善和优化部分决策因素，以使其更好地适应自动化集装箱码头作业需求。

（编辑：张敏 收稿日期：2020-12-08）