洋山深水港四期自動化碼頭自動配載理論與實踐

1 上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司 2 上海海勃物流軟件有限公司 3 華東師范大學

1 引言

配載是碼頭作業(yè)過程中的一個非常重要的組成部分，關系著碼頭和船方兩方的利益。對于船方而言，配載需要以積載要求為基礎，以滿足船舶適航條件要求為前提；對于碼頭來說，配載需要達到碼頭的作業(yè)要求，保證作業(yè)的連續(xù)性，在船期內完工。配載的好壞很大程度上決定了船舶的作業(yè)是否順利。

汪圓圓等[1]針對掛靠多港口集裝箱船的全航線預配問題，以倒箱量最少、船舶縱向強度最優(yōu)為目標，提出0-1整數(shù)規(guī)劃模型，并采用混合整數(shù)規(guī)劃算法、蟻群算法和遺傳算法等模擬計算得出8BAY集裝箱船全航線智能預配問題研究的最優(yōu)結果。牛王強等[2]從船方和碼頭兩方面總結了自動配載近十多年的研究進展，給出了數(shù)學規(guī)劃方法的一般思路。王斌等[3]對集裝箱優(yōu)化配載的具體流程進行了研究，設計了一個可以搭載不同優(yōu)化算法的配載軟件，并進行了軟件實現(xiàn)。黃桁[4]研究了確定性和不確定性的自動化碼頭配載問題，針對確定性問題，設計基于集裝箱與船箱位編號排序的禁忌搜索算法，在此基礎上設計具有輪盤賭選擇交換算子的改進禁忌搜索算法，基于貪婪算法設計禁忌搜索的初始解，通過一個BAY的數(shù)據(jù)算例證明了其魯棒優(yōu)化模型的正確性和算法搜索的高效性。但上述研究僅停留在理論階段，未能在碼頭中推廣使用，或是未能考慮到目前機械設備、碼頭布局的革新。目前在洋山深水港四期全自動化集裝箱碼頭內，所有船舶均可使用自動配載。本文就洋山深水港四期自動化碼頭的自動配載系統(tǒng)進行分析和介紹，以便更好地推廣和改善自動配載系統(tǒng)。

2 洋山深水港四期自動化碼頭的自動配載分析

如圖1所示，洋山深水港四期自動化碼頭為了提升自動化堆場的容量和優(yōu)化堆場布局[5]，相對于傳統(tǒng)碼頭，作出了5個方面的改變：

圖1 洋山深水港四期自動化碼頭堆場布局

(1)箱區(qū)采取了不同于傳統(tǒng)碼頭的水平布置，轉而變?yōu)榇怪贝a頭布置，箱區(qū)之間為維修通道，兩端設置AGV(Automatic Guided Vehicle，自動導引車)和集卡的交換區(qū)，水平運輸機械不進入箱區(qū)，減少場內道路，嚴格區(qū)分自動化和非自動化區(qū)域，在交通管控上有了很大的改善。

(2)堆場縱深依據(jù)地形實現(xiàn)了最大化。

(3)與傳統(tǒng)碼頭使用輪胎吊不同，每個箱區(qū)配置2臺軌道吊同軌運行。無懸臂箱區(qū)有明顯的海陸側分工，也能通過接力互相支援。當一臺軌道吊故障時，將其推至維修區(qū)，另外一臺軌道吊能夠頂替作業(yè)。懸臂箱區(qū)則主要負責中轉與出口業(yè)務，AGV可以駛入箱區(qū)內的21 m通道，2臺軌道吊可以同時進行海側作業(yè)，而陸側作業(yè)只能由陸側軌道吊完成。

(4)海側AGV交換區(qū)設置了支架，增加調度的冗余度；陸側則是直接對集卡作業(yè)。

(5)冷藏箱采用相對集中的布置，與普通箱一同堆放在自動化箱區(qū)中。

對于配載員來說，最重要的是在滿足船公司要求的重量、港口分布、特種箱特定位置的基礎上，保證船舶作業(yè)的連續(xù)性，即保證供給橋吊的箱區(qū)出箱順暢。

在傳統(tǒng)碼頭，通常1條靠泊船舶的出口箱與中轉箱堆場計劃會安排在靠泊泊位的2～3塊箱區(qū)，可由多臺輪胎吊同時進入箱區(qū)進行發(fā)箱作業(yè)，即1個箱區(qū)有多個出箱點。在洋山深水港四期自動化碼頭中，無懸臂箱區(qū)可認為1個出箱點，懸臂箱區(qū)最多為2個出箱點。為了保證同樣的出箱點數(shù)量來滿足海側供箱能力，堆場計劃不得不將1條靠泊船舶的出口箱安排在了靠泊泊位附近的幾個，甚至十幾個箱區(qū)中，給配載員的判斷造成了很大的困難。

傳統(tǒng)碼頭配載員在配船時，通常會注意每條橋吊作業(yè)路的箱區(qū)分布，盡可能在保證每條作業(yè)路的作業(yè)效率的前提下，確保在同一作業(yè)時間段堆場輪胎吊發(fā)箱不會沖突，作業(yè)路之間干擾較少。傳統(tǒng)碼頭箱區(qū)數(shù)量較少，箱子分布較為集中，同一箱區(qū)出箱點較多，配載判斷較為容易；洋山深水港四期自動化碼頭箱區(qū)數(shù)量多，箱子的分布又較為分散，配載員很難保證各條作業(yè)路均順暢運轉、互不影響，因此自動配載的開發(fā)使用很有必要。

自動配載將配載員的經(jīng)驗通過計算機語言和程序的方式，展現(xiàn)到配載結果上，相較于人工配載有以下3點優(yōu)勢：

(1)簡化配載員操作與思維。自動配載只需要制作預配船圖，相當于只需要搭建一個框架，具體的填充內容無需人工操作。

(2)提升整體配載效果。自動配載整體結果快捷可靠，在堆場使用正常的情況下，自動配載對于單船的首配重箱翻箱率低于10%，拼車率低于20%，清列率大于80%；空箱翻箱率為0，拼車率低于2%，清列率大于85%。通常在預配準確、放關率較好的情況下，設置好各類要求的參數(shù)后，只需要調整數(shù)箱至數(shù)十箱之內，出箱情況良好。

(3)充分利用EDI船圖。對于傳統(tǒng)碼頭，船公司提供的EDI船圖是無用的。但是在洋山深水港四期自動化碼頭，只要EDI船圖的信息與在場箱信息出入不大，即可直接使用完成配載。

3 洋山深水港四期自動化碼頭自動配載的實現(xiàn)方式

3.1 自動配載總體流程

洋山深水港四期自動化碼頭自動配載整體實現(xiàn)流程為：載入信息、數(shù)據(jù)校驗赫爾格式化處理、預配的屬性組檢查、預配的重量組檢查、重量組劃分、重量填充、應用自動配載算法進行配載、自動檢查交換、輸出配載結果。

3.2 載入信息及格式化處理

系統(tǒng)自動讀取航次信息、參數(shù)文件、箱分組信息、船舶重量要求信息、港口信息、CWP工作計劃、預配位信息、箱區(qū)信息、在場箱信息、箱作業(yè)時間信息、船舶結構信息、重量等級信息的數(shù)據(jù)文件。將讀取的原始數(shù)據(jù)進行歸類整理，按照不同的關鍵字進行分類，存放在不同的數(shù)據(jù)結構中。

3.3 合法性檢查與重量劃分、填充

配載時的重要選箱原則就是規(guī)則與重量，所以將其分為屬性組和重量組方便后續(xù)選箱。屬性組即碼頭中箱子對應的規(guī)則，包含尺寸、空重、冷凍標志、危險品標志、箱型、高平、港口等內容。重量組可由船舶結構的數(shù)據(jù)導入，也可重新進行人工輸入設定。如0～5 t為一個重量組，范圍越小，越容易滿足船方要求，但是翻箱率越高；范圍越大，則可能會偏離船方的要求，但是翻箱率會有所下降。

預配位是擁有預配規(guī)則的船箱位。合法性是數(shù)量與重量上處于可執(zhí)行的狀態(tài)為合法，如制作好規(guī)則和重量組，預配箱數(shù)量小于等于可配箱、預配箱的重量處于在場箱重量組范圍內等。

(1)檢查屬性組。根據(jù)統(tǒng)計得到的預配位的屬性組信息，對比每個屬性組中預配位和在場箱的箱子數(shù)目是否一致。如果在場箱中找不到符合這種屬性組信息的箱子，就會出現(xiàn)提示信息，要求人工干預，檢查輸入信息是否有誤；如果在場箱中這種屬性組的集裝箱不足以將該種屬性組的預配位全部配載，那么便會輸出提示信息，對多出的預配位信息進行人工調整。

(2)檢查重量組。如果每個預配位都有相應的重量，要檢查這個重量是不是和該預配的重量組相匹配(一般這種情況出現(xiàn)在EDI導入)。循環(huán)遍歷整個預配集合，檢查每個預配位重量是否在對應的重量組范圍之內。如果不合法，需進行重量組的重新劃分和重量填充，否則便直接進入配載過程。

(3)重量組劃分。重量組的劃分邏輯見圖2，其匹配劃分流程見圖3。為了實現(xiàn)整船重量的合理分布，在匹配劃分中進行如下的設計：將每個屬性組的預配位集合根據(jù)距離中心排、最小層(甲板上下的最小層不同)、中心排的位置偏差大小進行排序，得到以中心到偏離中心的順序排序后的甲板上下的預配位集合。循環(huán)這個排序后的結構，將重量組按照從重到輕進行填充，并按照中心位置排序后的預配位集合，一次循環(huán)會填充甲板上下各一個預配位對應的重量組(如果甲板上下都還有預配位)，一直到某個屬性組的某個重量組數(shù)目填完，再填下一個重量組，最終將全部預配位要求的重量組填完，結束填充。

圖2 重量組劃分邏輯

圖3 重量組匹配劃分流程

(4)重量填充。每個預配位都有對應的重量組和預配的船箱位，結合重量組的重量范圍和船箱位在船上的位置權重進行相應的重量填充。如果該預配位比較靠近中心位置，填充的重量應該接近重量組的上限；而越偏離中心位置的預配位，填充的重量應越接近重量組的下限。在該重量組的最小重量的基礎上，加上和位置有關的增加重量偏差，即得到該位置的填充重量。

3.4 應用算法進行配載

在配載具體某一個預配位時，對于所有的候選預配箱，需要指定一個合理的評價策略，整個決策的過程會根據(jù)這個評價策略的指標來進行。每一個預配位的決策過程都希望能選到最優(yōu)或者次優(yōu)的解，進而獲得整體的優(yōu)解，因此，評價函數(shù)對預配箱選擇的結果起到?jīng)Q定性作用，科學合理的評價函數(shù)才能獲得好的配載效果。針對洋山深水港四期自動化碼頭，算法目前考慮如下因素：

(1)軌道吊相關因素。包括大車移動速度、距離、作業(yè)不同層數(shù)在場箱的時間、位于懸臂或無懸臂箱區(qū)等。

(2)翻箱因素。

(3)AGV因素。

(4)重量因素。

(5)其他因素。主要包含洋山深水港四期自動化碼頭具體情況的因素：在16 min內出過4箱以上的箱區(qū)加罰分，避免箱區(qū)沖突；選擇盡量小于該預配位的填充重量的箱子，避免超過槽重限制； 橋吊雙箱吊作業(yè)的第2個箱子盡量與第1個箱子在同一箱區(qū)出箱，減少AGV拼箱的行駛時間；懸臂軌道吊盡量選擇前一個裝船箱的同一在場貝位的箱子，減少大車的移動時間；軌道吊盡量選擇前一個裝船箱的同一在場列的箱子，增加清列率，減少因為橋吊作業(yè)快慢或突發(fā)情況造成的翻箱，同時提高堆場的利用率；候選箱集中的箱區(qū)優(yōu)先選擇出箱，避免作業(yè)最后該箱區(qū)箱子剩余過多；允許艙內或甲板同一列中同港口組的高平大箱的上下互換，減少翻箱。

因此，其中部分因素是直接的時間因素，可以將其統(tǒng)一為時間單位。而像重量因素并不是直接的時間因素，為了便于比較和調節(jié)不同因素之間的重要程度，需要將非時間因素轉化為時間因素，便于評價值的比較，也便于在實踐操作中根據(jù)碼頭的不同工作狀態(tài)，甚至是不同碼頭的不同情況，調節(jié)各因素之間的權重，進而取得較好的配載效果。在確定了預配箱的評價函數(shù)之后，還要確定配載整體評價的流程。在出箱過程中，先后集裝箱之間是會互相影響的，比如同一個列中的上方集裝箱和下方集裝箱在倒箱時間上就會有直接影響，或者同一箱區(qū)出箱量與附近箱區(qū)出箱量之間也會互相影響。因此，配載除了對單獨的每一個預配位進行評價之外，還需要給整個過程設計一個整體的優(yōu)化策略。由于一次配載通常需要處理幾百到幾千個預配位，要獲得全局最優(yōu)解是難以實現(xiàn)的，所以采取了分枝搜索的算法，分出X條鏈路，考慮Y個預配位，選取綜合最優(yōu)。

3.5 自動檢查交換，輸出配載結果

在執(zhí)行完自動配載后會生成第一次的結果，針對配載員設置的參數(shù)進行檢驗，對于不滿足的位置進行箱子之間的交換，得到符合要求的結果。

(1)重壓輕檢驗交換。當出現(xiàn)有甲板或艙內上層箱比下層箱重的情況，結合配載設置的參數(shù)檢驗是否在允許范圍內，如果超出，則進行該列上下層箱的交換。

(2)槽重負荷檢驗交換。通過配載員輸入的平均大小箱負荷，在結合預配、已配、過境的層數(shù)計算得出總負荷，減去已配和過境的重量得到該倍預配的單槽負荷值，根據(jù)得出的負荷值執(zhí)行下一階段過程。其計算公式為：平均負荷×所有箱子的層數(shù)-(已配箱重量+過境箱重量)=預配箱負荷。

自動配載完成后檢驗槽重，記錄超重的槽和超重的噸位。進行整船檢索，優(yōu)先交換艙內不同槽的箱子，解決超重的問題，同時根據(jù)重量允許的范圍進行整船重壓輕的重量組交換。記錄交換后的整船重量分布，刪除原先配載，重新生成配載，其目的是得到更好的配載效果。例如，交換后一個預配位記錄了24.5 t的重量，那么再次配載時給出一個24～25 t的重量組范圍。多次重復上述步驟，將重量范圍越縮越小，直至不出現(xiàn)超負荷的情況。如出現(xiàn)沒有合適箱子可用交換時，完成自動配載，給出超重位置，讓配載員人工介入。

4 結語

自動配載系統(tǒng)從開港運行至今表現(xiàn)良好，已經(jīng)能夠支持目前16臺橋吊同時作業(yè)的規(guī)模，對于船方的積載要求也能基本滿足，同時也支持人工調整滿足船方的特殊要求。但作為一個全新的系統(tǒng)，其中的部分決策因素仍需要不斷進行優(yōu)化，以適應自動化碼頭作業(yè)的需求。