異貝位混合裝卸作業(yè)的集裝箱碼頭設備調度優(yōu)化

湯　齊，伍德俊(天津工業(yè)大學管理學院，天津300380)

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異貝位混合裝卸作業(yè)的集裝箱碼頭設備調度優(yōu)化

湯齊，伍德俊
(天津工業(yè)大學管理學院，天津300380)

摘要:集裝箱碼頭裝卸操作的重要機械工具為岸橋和集卡，而二者裝卸工藝的配置也直接影響碼頭的整個裝卸活動的生產效率。結合現代集裝箱碼頭先進的裝卸技術和管理信息水平，探討集裝箱碼頭應對大型船舶的新裝卸工藝，提出集裝箱碼頭單船舶的異貝位混合裝卸作業(yè)的調度方法，以岸橋和集裝箱卡車運作時間最短為目標建立數學模型，運用Lingo軟件將算例數據進行編程求解運算得出優(yōu)化方案，并考查異貝位同步裝卸作業(yè)調度方法的有效性與實用性。

關鍵詞:異貝位裝卸;集裝箱碼頭;岸橋;集卡

隨著全球集裝箱運輸業(yè)務的急速增長，船舶大型化已成為集裝箱船舶發(fā)展的主要趨勢。集裝箱船舶的大型化又對港口碼頭的裝卸設備、效率以及管理水平提出了更高的要求，如何更有效地對岸橋、場橋和集卡等搬運設備進行工藝優(yōu)化和合理調度，使集裝箱碼頭低成本、高效率的運作，是目前世界各大港口面臨的普遍問題。

李克強總理在2014年政府工作報告中指出，“推進長三角地區(qū)經濟一體化，深化泛珠三角區(qū)域經濟合作，加強環(huán)渤海及京津冀地區(qū)經濟協作?！倍旖蚋塾捎谔厥獾牡乩項l件和港航資源將在京津冀協同發(fā)展戰(zhàn)略中扮演重要的角色，2013年數據顯示，天津港貨物吞吐量突破5億噸，集裝箱業(yè)務的吞吐量也突破1 300萬標準箱，從而使天津港成為中國北方地區(qū)第一個5億噸港口。高效的裝卸流程也是提高天津港貨物周轉速率的關鍵。

一、研究現狀綜述

Kozan等［1］針對集裝箱碼頭集卡的運輸問題，采用啟發(fā)式算法對影響碼頭作業(yè)效率的因素做出了討論;Gambardella等［2］通過比較集裝箱碼頭岸橋以及場橋的優(yōu)化配置，研究碼頭的作業(yè)效率;Yan Wei等［3］在考慮了集裝箱碼頭總體的裝卸作業(yè)效率以及設備能源消耗的問題，基于知識系統建立了場橋調度模型;Xi Guo等［4］設計出可容啟發(fā)式算法與回溯算法組合的搜索方法，針對集裝箱碼頭堆場場橋配置方案的選擇與場橋作業(yè)序列優(yōu)化問題建立模型;曾慶成、楊忠振［5］以岸橋作業(yè)等待集卡運輸時間最短為目標，運用Q學習算法模型研究了集卡調度問題;韓曉龍和丁以中［6］對集裝箱碼頭裝卸作業(yè)利用仿真手段，采用VB 6.0編程對裝卸設備在面向作業(yè)面和同步裝卸工藝的裝卸作業(yè)中的運行進行仿真模擬;計明軍等［7］在綜合考慮岸橋和集卡的作業(yè)效率影響下，以集卡運輸路徑最短為目標，使用進化計算的方法研究岸橋和集卡的調度優(yōu)化;王起航［8］列舉了集裝箱碼頭的三種不同生產作業(yè)方法，通過對三種生產作業(yè)環(huán)節(jié)銜接關系和調度方式進行分析研究，以此建立了集成調度優(yōu)化模型;吳志佩［9］運用單親遺傳算法解決同步裝卸調度問題，針對混堆堆場情況下集卡在集裝箱船舶不同貝位及箱區(qū)間的運行提出異貝位同步調度的方法等。

由于集裝箱碼頭岸橋的閑置成本遠大于集卡的閑置成本，所以在裝卸工藝優(yōu)化上要盡量避免集卡不能及時服務岸橋情況的產生。本文在之前的研究基礎上，進一步考察集卡在不同貝位間動態(tài)移動以達到集裝箱船舶的混合裝卸作業(yè)以及集卡在進出口不同堆場箱區(qū)間的運輸路線，從而提出新的裝卸工藝來提高岸橋的工作效率和集卡的運輸效率，并建立了集卡在多岸橋下異貝位間及多場橋不同箱區(qū)間裝卸岸橋工作和集卡運輸總時間最小的數學模型。

二、傳統作業(yè)模式與異貝位作業(yè)模式的比較分析

本文研究單艘船舶到港同時進行混合裝卸的過程，涉及多岸橋、多場橋的集裝箱異貝位混合裝卸調度問題。通過優(yōu)化集卡運輸路線并使集卡動態(tài)服務于不同岸橋、場橋間以完成混合裝卸，使集卡完成“重進重出”活動，降低集卡的空載率，從而減少集卡作業(yè)時間，提高運輸效率，在確保集卡動態(tài)供應及時的情況下，達到岸橋場橋作業(yè)效率的最大化。集裝箱碼頭單船舶傳統作業(yè)模式與異貝位混合裝卸作業(yè)模式的對比情況見圖1。

圖1　傳統作業(yè)模式與異貝位作業(yè)模式

對于單船舶異貝位間混合裝卸調度，其具體操作過程比較復雜，需要多個岸橋在船舶不同貝位間進行動態(tài)的協同操作;船舶到達泊位進行裝卸活動前，集裝箱碼頭對船舶各貝位的裝載量等實際情況進行前期的裝卸流程的規(guī)劃，安排適當數量的岸橋并配以相當數量的場橋、集卡進行工作;分配給每個岸橋需負責的貝位，如圖1中的A、B兩個岸橋構成一個作業(yè)組，A岸橋先對其負責的某一貝位進行單獨卸箱活動，完成后，A岸橋在原貝位位置保持不動等待裝船活動，在A岸橋負責貝位卸箱活動完成后，B岸橋才開始啟動進行卸載活動，集卡從B岸橋重載至進口箱區(qū)Ni，再空載至出口箱區(qū)Rj裝箱，裝箱完成后重載至A岸橋對卸空貝位進行裝船作業(yè)，然后集卡再空載至B岸橋等待裝載，由此構成一個循環(huán)作業(yè);直至A岸橋負責貝位裝船完成，岸橋再移動至下一個計劃的貝位進行卸箱活動，B岸橋在卸船作業(yè)完成后進入下一計劃貝位進行裝船作業(yè);作業(yè)組之間始終進行循環(huán)作業(yè)，期間，集卡動態(tài)服務于各個岸橋、場橋之間;以此類推，直至A岸橋負責的所有貝位均完成裝箱任務，則對B岸橋剩余的集裝箱進行單獨的裝卸工作，直至完成船舶的裝卸任務。岸橋在整個裝卸過程中始終處于運作狀態(tài)且運作效率更高，集卡則在碼頭前沿和堆場間進行“重進重出”的往返運輸作業(yè)，提升裝卸效率，節(jié)省裝卸時間，節(jié)約碼頭運營成本。

三、數學模型的建立

本文以集裝箱碼頭岸橋工作時間和集卡行駛時間最短為研究目標，提出新的數學模型進行算例分析。

1．環(huán)境假設

(1)碼頭對集裝箱船舶所需要裝配以及卸載情況已知。

(2)集卡能及時動態(tài)地服務于各裝卸橋，運行不相互干擾。

(3)忽略集裝箱船舶不同貝位間集卡的行駛時間和距離。

模型中參數和變量的內涵:q∈Q，Q為岸橋集合;b ∈B={b1，b2，…，b珋}為船舶上所有貝位的集合;為b貝位中需要裝載的集裝箱量;為b貝位中需要卸載的集裝箱量;為作業(yè)組混合循環(huán)裝卸作業(yè)中參與的集裝箱量;N為進口箱區(qū)數量，Ni表示第i個進口箱區(qū)，i∈N;R為出口箱區(qū)數量，Rj表示第j個出口箱區(qū)，j∈R;A為提前選擇先卸載的貝位中，為確保混合裝卸作業(yè)的進行先卸載的集裝箱量;t1為岸橋單位卸箱的時間;t2為岸橋作業(yè)組構成混合循環(huán)裝卸作業(yè)的單位時間;t3為岸橋單位裝箱的時間;doi為船舶到進口箱區(qū)i的距離;doj為船舶到出口箱區(qū)j的距離;dij為箱區(qū)i、j之間的距離;v為集卡重載時的速度;珋v為集卡空載時的速度;Qi為Ni進口箱區(qū)內還可容納的集裝箱量;MD為集裝箱船舶計劃卸載的箱量總數;ML為集裝箱船舶計劃裝載的箱量總數。

2．目標函數的設立

式中:目標函數(1)為集裝箱碼頭岸橋的工作時間和集卡在裝卸橋及箱區(qū)間運行時間之和最小;目標函數(2)和目標函數(3)分別是對目標函數(1)所做出的詳細說明，其中T1是岸橋工作的總時間，具體分為岸橋僅卸箱、僅裝箱以及混合循環(huán)裝卸過程的工作時間，T2求解的則是集卡運輸工作的總時間，具體分為僅卸載至箱區(qū)的行駛時間、僅裝載至船舶的行駛時間以及混合循環(huán)裝卸過程的行駛時間;目標函數(4)為各岸橋所負責總卸載集裝箱數等于其負責貝位中只進行單獨卸箱過程的集卡運輸次數與混合循環(huán)裝卸作業(yè)過程集卡運輸次數之和;目標函數(5)為各岸橋所負責總裝載集裝箱數等于其負責貝位中指進行單獨裝箱過程的集卡運輸次數與混合循環(huán)裝卸作業(yè)過程集卡運輸次數之和;目標函數(6)為某一進口箱區(qū)Ni堆存量的限制，船舶卸載集裝箱量在該箱區(qū)的堆存不能超過它的可存容量;目標函數(7)為保證同步裝卸的實施，船舶需單獨卸下的集裝箱量;目標函數(8)為非負約束。

四、算例分析

算例研究單船舶到達港口的情況，配備4臺岸橋準備卸載活動，對各岸橋負責貝位工作進行劃分，假設集裝箱船舶總卸載量為1 175 TEU，離港計劃裝載量為1 120 TEU。集裝箱碼頭堆場分進、出口不同箱區(qū)，假設該集裝箱碼頭有9個進口箱區(qū)和9個出口箱區(qū)，表1給出堆場進口箱區(qū)Ni還能繼續(xù)堆存的集裝箱量容量以及出口箱區(qū)Rj計劃出口的集裝箱量，船舶停靠泊位的碼頭前沿到各進出口箱區(qū)的距離如表2，各進出口箱區(qū)相互間的距離如表3，集裝箱船舶各個貝位計劃需待裝、待卸的各集裝箱量如表4。由船舶的裝卸量確定各岸橋工作計劃，岸橋、集卡以作業(yè)組的形式展開裝卸活動，為保證船舶實現混合裝卸，需要先按裝卸計劃選擇一個貝位進行卸載活動，岸橋每次只能抓取1個標準TEU，集卡每次也只能運送1個標準TEU，經現場考察測試，設定岸橋單獨裝、卸箱的作業(yè)效率是1.5 min/個，協同循環(huán)作業(yè)的效率是2 min/次，集卡重載運輸速度v=200 m/min，空載運輸速度v=300 m/min，集卡在各貝位中的行駛不考慮時間問題。

表1　進出口堆場所需裝卸集裝箱量

表2　船舶停靠泊位碼頭前沿到各箱區(qū)的距離

表3　各進出口箱區(qū)之間的運輸距離

根據算例所給出的數據，將各相關數據在Lingo中進行編程求解運算，最后得出碼頭岸橋工作時間和集卡運輸時間之和的最小結果為9 981 min，其中岸橋工作總時間T1=2 548 min，集卡運輸總時間T2=7 433 min。運輸路徑優(yōu)化見表5。

表5　運輸路徑優(yōu)化

將新裝卸工藝作業(yè)與單船舶獨立進行裝卸作業(yè)進行比較，結果見表6。

從表6中可以明顯看出，在搬運設備使用時間上，異貝位混合同步進行裝卸調度作業(yè)的方法比單船獨立裝卸作業(yè)方法節(jié)約了大量時間。算例中，岸橋作業(yè)時間相對減少26%，集卡運行時間相對減少31%，岸橋和集卡運行的總時間減少了29%，碼頭作業(yè)時間縮短了28%。

表6　單船舶異貝位混合裝卸與獨立裝卸作業(yè)的結果對比

五、結語

本文主要研究了集裝箱碼頭單船舶異貝位間實現混合裝卸作業(yè)的新工藝，尋找船舶大型化對集裝箱碼頭運轉效率要求的解決辦法。在進出口集裝箱數量確定的情況下，通過系統優(yōu)化，在單船舶異貝位同步混合裝卸作業(yè)模式下得出裝卸計劃，提高設備的使用率，降低集裝箱碼頭作業(yè)成本。但文章中的研究前提比較多，且文章只是在混合裝卸的環(huán)節(jié)上對整個生產運營系統而言的部分環(huán)節(jié)進行了研究，若要對生產系統整體優(yōu)化還需要綜合考慮其他環(huán)節(jié)進行深入研究。雖然集裝箱船舶異貝位混合裝卸調度作業(yè)模式下，船舶裝卸計劃的制定、集卡作業(yè)的動態(tài)隨機性、岸橋及場橋作業(yè)的復雜性，增加了碼頭裝卸現場調度的困難，但不斷提升的現代集裝箱碼頭管理信息系統水平，可以為混合裝卸模式的實施提供保障，集裝箱船舶異貝位同步混合裝卸作業(yè)模式也將會從理論研究走向實際應用。

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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

通訊作者:伍德俊，wuliuwdj@163．com．

作者簡介:湯齊(1965—)，男，博士，教授．

基金項目:天津市教委社會科學重大基金資助項目(2014ZD34);天津市哲學社會科學規(guī)劃基金資助項目(TJZDWT130311)．

收稿日期:2014-10-18．

中圖分類號:U691.31

文獻標志碼:A

文章編號:1008-4339(2015)03-274-05