自動(dòng)化碼頭提箱歸并策略

上海國(guó)際港務(wù)集團(tuán)(股份)有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

目前，洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的集卡提前1 h的主動(dòng)預(yù)約率超過(guò)90%，碼頭可以通過(guò)外集卡預(yù)約平臺(tái)提前獲得相關(guān)的集卡到港信息。通過(guò)預(yù)約平臺(tái)可以了解集卡在單位時(shí)間段內(nèi)的到港情況，但控制不了集卡的到港順序，翻箱過(guò)程中無(wú)法判斷所翻倒箱是否會(huì)對(duì)后續(xù)作業(yè)產(chǎn)生影響。結(jié)合自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)布局及設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)比傳統(tǒng)碼頭的操作模式，通過(guò)優(yōu)化前期進(jìn)口箱堆存策略、提前歸并策略以及軌道吊調(diào)度的邏輯，降低由于集卡到港順序產(chǎn)生的多次翻倒問(wèn)題，是本文的研究重點(diǎn)。

2 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的提箱作業(yè)模式

2.1 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的整體布局

洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭由61個(gè)箱區(qū)組成，其中1塊雙側(cè)懸臂箱區(qū)，19塊單側(cè)懸臂箱區(qū)以及41塊無(wú)懸臂箱區(qū)[1](見(jiàn)圖1)。01、02箱區(qū)有1臺(tái)軌道吊，其余每個(gè)箱區(qū)有2臺(tái)軌道吊負(fù)責(zé)收發(fā)箱作業(yè)，海側(cè)軌道吊主要負(fù)責(zé)裝卸船作業(yè)，陸側(cè)軌道吊負(fù)責(zé)進(jìn)提箱作業(yè)，實(shí)現(xiàn)箱區(qū)作業(yè)機(jī)械的全覆蓋[2]。

洋山深水港四期進(jìn)場(chǎng)分為三級(jí)閘口(見(jiàn)圖2)，第一閘口進(jìn)行集卡及箱信息的采集，并與預(yù)約平臺(tái)信息比對(duì)；第二閘口將進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)辦理相關(guān)業(yè)務(wù)的集卡與直接進(jìn)場(chǎng)作業(yè)的集卡進(jìn)行分流；第三閘口為放行道口，集卡司機(jī)通過(guò)第三閘口進(jìn)入自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域[1]。陸側(cè)交互區(qū)(見(jiàn)圖3)是外集卡在自動(dòng)化碼頭作業(yè)的區(qū)域，非懸臂箱區(qū)有5條作業(yè)車(chē)道，懸臂箱區(qū)有2條作業(yè)車(chē)道，每條車(chē)道設(shè)立1個(gè)陸側(cè)一體機(jī)，司機(jī)掃碼后由一體機(jī)發(fā)送報(bào)文至碼頭操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

圖1 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)布局

圖2 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭三級(jí)閘口示意圖

圖3 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭陸側(cè)交互區(qū)

2.2 自動(dòng)化碼頭與傳統(tǒng)碼頭堆存策略對(duì)比

傳統(tǒng)碼頭的堆放模式以垛為單位，自動(dòng)化碼頭以列為單位。箱區(qū)內(nèi)各箱型的分布上，傳統(tǒng)碼頭將整個(gè)箱區(qū)作為特定類(lèi)型箱區(qū)，作業(yè)過(guò)程中存在卸船與提箱作業(yè)交叉的情況，既存在安全隱患，又影響堆場(chǎng)的作業(yè)效率(見(jiàn)圖4)。自動(dòng)化碼頭箱區(qū)的出口箱堆放在海側(cè)，進(jìn)口箱堆放在陸側(cè)，中間段箱區(qū)為緩沖作業(yè)區(qū)域(集裝箱堆放的臨時(shí)區(qū)域)(見(jiàn)圖5)。

傳統(tǒng)碼頭為了提升箱區(qū)作業(yè)的能力，將箱區(qū)的堆放性質(zhì)分為進(jìn)口箱區(qū)、出口箱區(qū)及中轉(zhuǎn)箱區(qū)。自動(dòng)化碼頭箱區(qū)內(nèi)的堆存類(lèi)型相對(duì)較多，因此相較于傳統(tǒng)碼頭，其進(jìn)口箱提箱集中作業(yè)的概率大大降低。

圖4 傳統(tǒng)碼頭箱區(qū)堆箱分布

圖5 自動(dòng)化碼頭箱區(qū)堆箱分布

3 提箱歸并策略分析

3.1 自動(dòng)化碼頭與傳統(tǒng)碼頭提箱流程對(duì)比

傳統(tǒng)碼頭提箱作業(yè)未添加相關(guān)系統(tǒng)邏輯，輪胎吊司機(jī)在作業(yè)過(guò)程中會(huì)將相關(guān)的非任務(wù)箱翻倒至就近的位置，由于無(wú)法知曉后續(xù)的作業(yè)任務(wù)，可能會(huì)導(dǎo)致多次翻倒的情況發(fā)生[3]。傳統(tǒng)碼頭提箱作業(yè)存在3個(gè)方面的主要問(wèn)題：

(1)堆存策略問(wèn)題。目前在進(jìn)口箱卸箱的過(guò)程中無(wú)法獲得提箱順序，在制訂進(jìn)口箱堆存計(jì)劃時(shí)無(wú)法按照提箱順序進(jìn)行選位[3]。由于堆存策略考慮的因素不全，導(dǎo)致在提箱過(guò)程中存在大量的翻倒作業(yè)，使得碼頭的翻箱率居高不下。

(2)提箱策略問(wèn)題。受碼頭堆場(chǎng)堆存密度、提箱作業(yè)順序以及提箱翻箱位選擇3個(gè)因素影響，目前可以通過(guò)外集卡預(yù)約系統(tǒng)提前獲得單位時(shí)間段內(nèi)集卡的數(shù)量，以及任務(wù)所在的箱區(qū)位置，但是外集卡的到港順序無(wú)法確定。

(3)翻箱策略問(wèn)題。在作業(yè)過(guò)程中翻箱作業(yè)的選位邏輯并沒(méi)有適用的策略，作業(yè)過(guò)程中大都使用同貝位翻倒，翻倒過(guò)程中并不考慮已受理計(jì)劃箱的當(dāng)前狀態(tài)，因此這種翻箱選位的方式會(huì)導(dǎo)致更多的二次翻倒，從而增加了碼頭運(yùn)營(yíng)成本以及外集卡提箱在碼頭提箱的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

自動(dòng)化碼頭提箱翻箱策略由TOS(Tape Operating System，生產(chǎn)管理系統(tǒng))控制，TOS在預(yù)檢道口核準(zhǔn)相關(guān)集卡信息后，判斷作業(yè)箱區(qū)的作業(yè)密度，如果需要翻倒作業(yè)則提前調(diào)度執(zhí)行翻倒任務(wù)。

3.2 堆存策略邏輯分析

自動(dòng)化碼頭的運(yùn)作由系統(tǒng)控制，會(huì)產(chǎn)生大量的交互數(shù)據(jù)[4]，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同航線的箱型比例，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中計(jì)算各箱狀態(tài)在自動(dòng)化碼頭的周轉(zhuǎn)時(shí)間、大票貨的比例。

在進(jìn)口箱堆存策略中增加對(duì)在場(chǎng)箱堆存狀態(tài)的判斷，同一周轉(zhuǎn)天數(shù)同類(lèi)型的作業(yè)箱堆放在同一列，以減少壓老箱的情況發(fā)生。在提箱歸并選位時(shí)，翻倒箱也應(yīng)參照該邏輯進(jìn)行選位。目前上海國(guó)際港務(wù)集團(tuán)受理中心提重箱受理按24 h進(jìn)行，因此在進(jìn)口箱提箱翻倒選位過(guò)程中增加新的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先選擇當(dāng)前翻箱任務(wù)同類(lèi)型箱、晚于當(dāng)前箱進(jìn)場(chǎng)時(shí)間且未安排提箱計(jì)劃的箱區(qū)列的最上層箱，以減少二次以上翻倒作業(yè)。

大票貨物在受理提箱計(jì)劃時(shí)，會(huì)按照箱區(qū)內(nèi)堆放的位置從上而下進(jìn)行選擇。針對(duì)自動(dòng)化碼頭的提箱作業(yè)，在判斷大票貨物流向一致的情況下，受理中心受理計(jì)劃后會(huì)直接給出提箱預(yù)約號(hào)，客戶(hù)通過(guò)提箱預(yù)約號(hào)在外集卡預(yù)約平臺(tái)進(jìn)行預(yù)約。當(dāng)集卡經(jīng)過(guò)分流道口時(shí)，根據(jù)小票提示行至指定箱區(qū)，集卡在陸側(cè)掃碼后選擇提箱箱號(hào)，這樣就能避免針對(duì)大票貨物且流向相同的作業(yè)箱翻倒作業(yè)。該邏輯也完全適用于門(mén)到門(mén)提空箱作業(yè)。

3.3 歸并及翻箱策略分析

3.3.1 優(yōu)化翻箱選位邏輯，減少多次翻箱作業(yè)

堆場(chǎng)內(nèi)堆放的集裝箱按計(jì)劃受理類(lèi)型，可以分為已受理提箱計(jì)劃且已預(yù)約、已受理提箱計(jì)劃未預(yù)約、未受理提箱計(jì)劃3種類(lèi)型[3]。該策略?xún)H針對(duì)自動(dòng)化碼頭提重箱邏輯，首先通過(guò)圖形做如下假設(shè)：如圖6所示，標(biāo)注為1的任務(wù)箱為已受理且已預(yù)約的集裝箱，標(biāo)注為2的任務(wù)箱為已受理未預(yù)約的集裝箱，未標(biāo)注的為未預(yù)約的集裝箱。

圖6 自動(dòng)化碼頭提重箱邏輯假設(shè)

系統(tǒng)無(wú)法獲取集卡的到港順序，但可以通過(guò)預(yù)約信息將標(biāo)注為1的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。以第4列箱為例，5層高的作業(yè)箱未安排計(jì)劃，屬于必須翻倒的作業(yè)箱，系統(tǒng)需要首先判斷該箱的堆存天數(shù)，優(yōu)先在陸側(cè)區(qū)域選擇在最近時(shí)間段卸入場(chǎng)地的同屬性箱的最上層；后卸入的集裝箱滿(mǎn)足堆場(chǎng)周轉(zhuǎn)條件，進(jìn)口老箱壓新箱可減少后續(xù)二次翻倒的可能，同時(shí)放至最上層有利于提高堆場(chǎng)利用率，不會(huì)因?yàn)榉棺鳂I(yè)導(dǎo)致箱區(qū)內(nèi)無(wú)可用的空列堆放當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)卸入箱區(qū)的作業(yè)箱。

如果以提高作業(yè)效率為決策依據(jù)，則將4層高箱優(yōu)先翻至未安排提箱計(jì)劃列的最上方，后續(xù)將3層高箱以同樣邏輯翻倒，所翻倒箱不可互壓以減少二次翻倒(見(jiàn)圖7)。

圖7 自動(dòng)化碼頭提重箱翻箱邏輯假設(shè)

按圖7進(jìn)行翻倒后標(biāo)志為1的已預(yù)約箱，全部在所在列的最上層，在提箱作業(yè)過(guò)程中可避免再次翻倒，提高了陸側(cè)作業(yè)任務(wù)的效率。

3.3.2 提前歸并作業(yè)，提高軌道吊陸側(cè)作業(yè)能力

提前歸并策略主要是解決在外集卡作業(yè)過(guò)程中，由于調(diào)度不合理引起的大量翻倒作業(yè)問(wèn)題[5]。解決問(wèn)題的途徑是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)立提前歸并的相關(guān)邏輯，對(duì)外集卡在提箱過(guò)程中的提箱順序與堆存位置進(jìn)行匹配，再按歸并邏輯進(jìn)行作業(yè)箱的提前翻倒。

當(dāng)提前生成提箱歸并任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)需要判斷當(dāng)前箱區(qū)軌道吊的作業(yè)繁忙程度、受海側(cè)作業(yè)規(guī)則的限制、機(jī)械自身避讓規(guī)則的限制這3個(gè)主要因素，然后再考慮部分作業(yè)需要判斷優(yōu)先級(jí)因素，從而形成整體提前歸并策略(見(jiàn)圖8)。

圖8 自動(dòng)化碼頭翻箱邏輯導(dǎo)圖

(1)優(yōu)先將已預(yù)約并且過(guò)預(yù)檢道口的作業(yè)箱的上層壓箱翻倒至符合條件的貝位，若在單列最上層則不予翻箱。主要條件包括：所翻箱進(jìn)場(chǎng)時(shí)間大于翻倒位進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、從翻箱所在貝位至陸側(cè)貝位進(jìn)行選擇、優(yōu)先選擇該列最上層位置等。

(2)處理已預(yù)約但未過(guò)預(yù)檢道口的任務(wù)，按時(shí)間段排序設(shè)定優(yōu)先級(jí)，最接近當(dāng)前時(shí)間段且不在最上層的集裝箱生成歸并任務(wù)，逐條插入軌道吊任務(wù)列表進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

(3)翻箱選位按圖8的流程進(jìn)行，避免在后續(xù)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的多次翻倒作業(yè)。

3.3.3 減少無(wú)謂翻倒，降低單箱操作比和堆場(chǎng)能耗

(1)堆場(chǎng)內(nèi)作業(yè)箱最優(yōu)操作比為1∶2，以進(jìn)口箱為例，海側(cè)抓箱放至箱區(qū)為一次作業(yè)，陸側(cè)軌道吊發(fā)箱為一次操作，而實(shí)際作業(yè)過(guò)程中存在的翻倒作業(yè)導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)作業(yè)箱操作比上升。

(2)進(jìn)口箱卸船作業(yè)需要將作業(yè)箱直接放至陸側(cè)，按照操作比1∶2得出的最佳方法，在實(shí)施過(guò)程中同時(shí)需要考慮海陸側(cè)的作業(yè)飽和度以及滿(mǎn)足海側(cè)作業(yè)優(yōu)先的條件。這種情況下，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，就會(huì)存在2臺(tái)軌道吊等待的現(xiàn)象。

(3)自動(dòng)化碼頭的作業(yè)的時(shí)間窗口緊張有序。為了保證作業(yè)任務(wù)的時(shí)效性，基本對(duì)策是通過(guò)調(diào)度及選位控制，減少軌道吊在貝位之間無(wú)效的移動(dòng)，并合理利用箱區(qū)中間段的緩沖作業(yè)區(qū)域，從而提高海陸側(cè)軌道吊的重進(jìn)重出率。這種對(duì)策雖然增加了軌道吊一次起升下降以及開(kāi)閉鎖的動(dòng)作，但從計(jì)劃層面更容易實(shí)現(xiàn)二次選位，將目標(biāo)箱放至合理位置，從而放寬了卸船選位以及出口箱選位的條件，可以為后續(xù)裝船及提箱作業(yè)創(chuàng)造更好的條件。

(4)降低堆場(chǎng)能耗最直接的方法就是降低碼頭作業(yè)箱的操作比，可通過(guò)以下策略在源頭控制后續(xù)可能產(chǎn)生的翻倒作業(yè)：①在進(jìn)口箱卸船作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)判斷陸側(cè)軌道吊的繁忙程度，若空閑狀態(tài)且海側(cè)無(wú)后續(xù)任務(wù)，則海側(cè)軌道吊將任務(wù)箱直接放至目標(biāo)位置；②若陸側(cè)軌道吊處于繁忙階段，則優(yōu)先選擇陸側(cè)軌道吊作業(yè)的目的位置作為臨時(shí)位置，將集裝箱放下后繼續(xù)執(zhí)行下一任務(wù)，陸側(cè)軌道吊在執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)后，直接將海側(cè)作業(yè)箱通過(guò)二次選位，將進(jìn)口箱按時(shí)間、類(lèi)型、大票貨物集中堆放的規(guī)則放至目標(biāo)位置。這樣操作雖然在計(jì)劃執(zhí)行階段增加作業(yè)箱的操作比，但相對(duì)于混堆作業(yè)，該流程可以有效降低提箱過(guò)程中的翻箱發(fā)生率。

(5)在計(jì)劃管理層面，系統(tǒng)可以在計(jì)劃受理階段就進(jìn)行作業(yè)順序的確定，客戶(hù)在預(yù)約過(guò)程中提示最佳預(yù)約時(shí)間段，按集裝箱在碼頭堆存的位置，通過(guò)錯(cuò)時(shí)預(yù)約有效地降低碼頭作業(yè)過(guò)程中的翻箱操作。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)口箱進(jìn)場(chǎng)的執(zhí)行階段通過(guò)改變現(xiàn)有的選位邏輯，增加周轉(zhuǎn)時(shí)間、大票貨物等信息的核算邏輯，選擇合適的堆場(chǎng)位置，降低提箱作業(yè)的翻箱率。將同票同流向的集裝箱以預(yù)約箱區(qū)的形式實(shí)施，實(shí)際選箱過(guò)程在集卡到達(dá)自動(dòng)化碼頭陸側(cè)后開(kāi)始進(jìn)行，將完全避免大票箱在碼頭的翻箱作業(yè)。改變預(yù)約的機(jī)制，在計(jì)劃受理階段按箱區(qū)預(yù)約情況提供合適的可預(yù)約時(shí)間，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算有效地分解單位時(shí)間箱區(qū)的作業(yè)密度，優(yōu)先滿(mǎn)足上層箱的提箱作業(yè)。結(jié)合自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)的規(guī)模、堆存的密度，翻箱過(guò)程中考慮堆存箱的堆存狀態(tài)，避免新老箱互壓，合理利用未安排提箱計(jì)劃的堆箱位置，將符合條件的翻倒箱放至堆存列的最上方。合理利用海陸側(cè)軌道吊的生產(chǎn)間隙，實(shí)施必要的翻倒作業(yè)，有利于減少外集卡在陸側(cè)作業(yè)的等待時(shí)間，提升碼頭的對(duì)外服務(wù)質(zhì)量。