修船碼頭移泊調(diào)度系統(tǒng)研究

楊坤榮，唐偉煒，張翠翠

(1.中船澄西遠(yuǎn)航船舶 (廣州)有限公司，廣東廣州 511462;2.華南理工大學(xué)，廣東廣州 510641;3.廣東中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，廣東廣州 523146)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化海洋運(yùn)輸業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，同時(shí)也帶來(lái)船舶修造業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，中國(guó)造修船業(yè)在全球市場(chǎng)上所占的比重正在明顯上升，中國(guó)已經(jīng)成為全球重要的造修船中心之一。

隨著船舶修造業(yè)的發(fā)展，各船廠碼頭?？看皵?shù)量以及多樣性不斷增加，人員工作量日益增大。船舶調(diào)度是修船廠作業(yè)的重要組成部分，船舶調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題直接影響工作效率、質(zhì)量和成本，從而影響到船舶企業(yè)的盈利能力，因此需要優(yōu)化船舶調(diào)度。雖然目前智能調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，港口的智能調(diào)度系統(tǒng)也被廣泛提及，但是針對(duì)船廠的“船舶移泊智能調(diào)度系統(tǒng)”尚未有明確的定義。該問(wèn)題涉及到多種約束條件，包括碼頭泊位的約束 (泊位的長(zhǎng)度、水深、裝卸能力)。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)船廠的移泊作業(yè)還是依靠調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理，以致于企業(yè)資源無(wú)法充分利用，運(yùn)行成本過(guò)高。因此在實(shí)際工作中對(duì)船舶調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，建立能夠解決船舶調(diào)度的系統(tǒng)，以提高工作質(zhì)量和資源利用率是很有必要的。

計(jì)算機(jī)在船舶工業(yè)中運(yùn)用已十分普遍，相應(yīng)的管理系統(tǒng)也趨于成熟，但并不像其他行業(yè)的管理信息系統(tǒng)那樣穩(wěn)定、規(guī)范、為大眾所知曉，這在很大程度上是由于使用主體獨(dú)特的經(jīng)營(yíng)方式和個(gè)性的運(yùn)行模式所造成。各企業(yè)要么照搬國(guó)外大型軟件，要么臨時(shí)拼湊一些軟件模塊勉強(qiáng)使用，不足之處用手工作業(yè)來(lái)彌補(bǔ)，不能充分發(fā)揮出高新技術(shù)在節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益中的積極作用。實(shí)際上，該行業(yè)在適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)形勢(shì)中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)查和分析、總結(jié)規(guī)律，制定出一套適合自己的管理信息系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

2005年，劉文等人針對(duì)某港務(wù)企業(yè)船舶調(diào)度管理進(jìn)行了分析，結(jié)合該企業(yè)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了人工與智能調(diào)度的結(jié)合，為該企業(yè)船舶調(diào)度管理提供了計(jì)算機(jī)輔助決策功能［1］;2009年李軍等人引入WEBGIS技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)WEBGIS基礎(chǔ)平臺(tái)，并依此建立了一個(gè)高度信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的港口船舶協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)［2］。

國(guó)外對(duì)泊位分配問(wèn)題的研究相對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)比較多，日本的Akio Imai采用拉格朗日松弛算法求解了最小化船舶等待時(shí)間和作業(yè)時(shí)間的優(yōu)化問(wèn)題［3］;Brown等［4］以最小化船舶靠泊時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，給出了相應(yīng)的泊位調(diào)度優(yōu)化模型及求解方法。

從文獻(xiàn)上來(lái)看，由于近幾年世界航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主要精力在研究航運(yùn)業(yè)和港口的船舶貨物 (尤其是集裝箱)的調(diào)運(yùn)安排上，關(guān)于修船廠碼頭船舶移泊作業(yè)問(wèn)題還很少有學(xué)者涉足這個(gè)領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)概述

船舶智能調(diào)度系統(tǒng)是輔助調(diào)度人員作出決策，為進(jìn)廠的船舶指定適當(dāng)?shù)奈恢茫⒃O(shè)計(jì)合理的移泊方案，更直觀、有效地進(jìn)行船舶靠泊，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)度與智能調(diào)度的結(jié)合，為船舶調(diào)度管理提供計(jì)算機(jī)輔助決策功能。

由于船廠的泊位數(shù)量有限，每個(gè)泊位同時(shí)停泊數(shù)艘船時(shí)，靠近碼頭的起重作業(yè)范圍最佳，為了使各船能用到最有效的起重設(shè)備等資源，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整移泊位。調(diào)研中船澄西遠(yuǎn)航船舶 (廣州)有限公司現(xiàn)行機(jī)制，綜合因素較多:工程量難易，設(shè)備、場(chǎng)地、人員、實(shí)行計(jì)劃等受不確定因素影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷安排調(diào)整泊位，未能有數(shù)據(jù)直觀地分析出各泊位作業(yè)周期及產(chǎn)生成本。針對(duì)這一特征，在公司現(xiàn)有基礎(chǔ)模型上，從時(shí)間和空間的角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)一套泊位調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，提供各泊位時(shí)間、成本的數(shù)據(jù)，優(yōu)化泊位選擇，從而提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)部調(diào)度室有一批經(jīng)驗(yàn)豐富，熟悉移泊流程的工作人員，如何將他們的經(jīng)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)表達(dá)出來(lái)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)事先模擬使工作更直觀，從而減輕他們的工作負(fù)擔(dān)，提高生產(chǎn)效率是這套系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要原因。

系統(tǒng)在時(shí)間上以工程周期為準(zhǔn)則，按照周期長(zhǎng)短安排泊位，周期短、工程緊急的船舶優(yōu)先安排在靠近碼頭的泊位，并留有余地給臨時(shí)加急船舶，合理安排碼頭空間。

智能化船舶調(diào)度系統(tǒng)須擁有以下功能。

1)協(xié)助管理船舶的進(jìn)、出廠，以及碼頭?？康墓ぷ鳌?/p>

2)基于自動(dòng)調(diào)度功能，幫助用戶快速、方便、精確地完成船舶調(diào)度工作。

3)支持手動(dòng)調(diào)度功能，使用戶方便、快捷地完成更加精確、細(xì)致的船舶調(diào)度工作。

4)船舶工作周期的提示功能，自動(dòng)跟蹤船舶信息及信息的變化。

5)對(duì)碼頭?？看白詣?dòng)優(yōu)化，因工作周期的變化進(jìn)行調(diào)整。

6)船舶查詢功能能查到具體日期、具體船舶泊位信息，并做報(bào)表統(tǒng)計(jì)。

7)詳細(xì)的歷史停泊視圖和預(yù)測(cè)將來(lái)停泊視圖，為用戶提供更有價(jià)值的船舶信息。

8)起重機(jī)的自動(dòng)調(diào)度功能，方便為用戶提供精確的起重機(jī)調(diào)度方案。

9)起重機(jī)手動(dòng)調(diào)度功能，使用戶方便、快捷地完成更加精確、細(xì)致的起重機(jī)調(diào)度工作。

10)支持直接在界面上拖拽船舶功能，使其調(diào)度到合適的位置。為用戶提供更加靈活、有效的調(diào)度操作。

11)直觀的界面，使用戶對(duì)每天船舶調(diào)度情況一目了然。

12)多級(jí)權(quán)限控制。

13)其他為了提高工作效率所必需的功能。

2 系統(tǒng)處理流程

系統(tǒng)程序處理流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)程序處理流程圖

碼頭泊位調(diào)度問(wèn)題解決方案的關(guān)鍵因素有以下幾點(diǎn)［5］。

1)調(diào)度目標(biāo)數(shù)學(xué)模型。在泊位的調(diào)度問(wèn)題中，調(diào)度的目標(biāo)很多，如“最短泊位修理期”、“最短移泊距離”等。這些目標(biāo)之間往往有交叉，使各個(gè)目標(biāo)都最優(yōu)是不可能的。目前的優(yōu)化目標(biāo)常常是多目標(biāo)的綜合考慮，調(diào)度目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的建立是解決調(diào)度問(wèn)題的首要環(huán)節(jié)。不同的泊位，在不同的時(shí)期，不同的外界條件下各目標(biāo)之間的優(yōu)先級(jí)可能會(huì)有所不同，那么調(diào)度目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的建立就不能是固定不變的，應(yīng)該可以靈活更改實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)關(guān)系。

2)調(diào)度規(guī)則約束條件。在泊位的調(diào)度中，同時(shí)存在著各種約束，如靜態(tài)約束、動(dòng)態(tài)約束以及臨時(shí)約束。其中靜態(tài)約束包括碼頭泊位的約束;動(dòng)態(tài)約束包括船舶基本情況的約束 (船舶的長(zhǎng)度、寬度、吃水、水深等)、設(shè)備、工人的約束;臨時(shí)約束包括自然因素如天氣情況和潮汐的約束、其它因素的約束等。這些因素對(duì)碼頭作業(yè)效率都存在著復(fù)雜的影響。

3)算法的選用。計(jì)算方法的選用是系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一，也是本文所設(shè)計(jì)方案的重要組成部分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在碼頭調(diào)度方面多用啟發(fā)式算法，如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、模擬退火算法等。這些算法各有其的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的算法，使調(diào)度問(wèn)題的求解更為靈活、實(shí)用極為重要。

在上文所設(shè)計(jì)的調(diào)度問(wèn)題解決方案的基礎(chǔ)上，對(duì)求解過(guò)程提出一個(gè)較為簡(jiǎn)單的流程，它只作為說(shuō)明求解的一個(gè)基本思路，并未涵蓋所有的求解過(guò)程。流程設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是:按照各規(guī)則的優(yōu)先級(jí)分步來(lái)搜索合適的任務(wù);根據(jù)已分配的任務(wù)完成時(shí)刻的先后順序自動(dòng)將時(shí)間向后推移，并將完成任務(wù)的再次釋放以便執(zhí)行其余任務(wù);自動(dòng)調(diào)整模型中的狀態(tài)參數(shù)以及塊結(jié)構(gòu)，以便繼續(xù)求解。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究來(lái)源于中船澄西遠(yuǎn)航船舶 (廣州)有限公司的船舶調(diào)度實(shí)際問(wèn)題，旨在探索船舶調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題的思路和途徑。船舶移泊調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)際上是針對(duì)船舶的停靠、移泊、設(shè)備調(diào)度等工作的管理信息系統(tǒng)，目的是將工人從繁瑣的手工作業(yè)中解脫出來(lái)，減小過(guò)程成本、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］劉文，周俊.港務(wù)企業(yè)船舶的智能調(diào)度 ［J］.計(jì)算機(jī)工程，2005(6):205-207.

［2］李軍，李源惠，吳訓(xùn)坤，等.港口船舶協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.船海工程，2009，38(1):13-17.

［3］ImaiA，NishimuraE，PadimitriouS.The dynamite berth allocation problem for a container port［J］.Trans portation research partB，2001，35(4):401-417.

［4］ BrownGG，CormieanKJ，LawPhongpaniehS，etal.Optimizing submarine berthing with a persistence incentive［J］.Research Logisties，1997，44(4):301-318.

［5］王璇，劉世峰，劉達(dá).基于“實(shí)時(shí)智能”方法的港口物流調(diào)度問(wèn)題研究 ［J］.物流技術(shù).2009，28(12):10-12.