集裝箱碼頭集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

湯海亮 胡躍朋 王日金

【摘 要】 為提升集裝箱碼頭作業(yè)中集卡的作業(yè)效率，將集卡調(diào)度系統(tǒng)與GIS和GPS結(jié)合對(duì)集卡精準(zhǔn)定位，通過(guò)建立集卡作業(yè)指令打分模型對(duì)集裝箱碼頭裝卸船任務(wù)指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，有效避開(kāi)堆場(chǎng)作業(yè)沖突，實(shí)現(xiàn)集卡全場(chǎng)作業(yè)調(diào)度和最優(yōu)作業(yè)平衡度配置，最后通過(guò)對(duì)實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明：集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)能有效提升集卡重載率，縮短平均裝卸作業(yè)距離，從而降低集卡運(yùn)輸成本和能耗，提升集裝箱碼頭裝卸船作業(yè)效率。

【關(guān)鍵詞】 集卡調(diào)度;GIS;打分模型;作業(yè)沖突

0 引 言

隨著GIS和GPS系統(tǒng)在碼頭應(yīng)用的普及，集裝箱碼頭調(diào)度部門(mén)可以實(shí)時(shí)獲取集卡位置，使得全場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度集卡成為可能，從而達(dá)到節(jié)約集卡能耗、提高碼頭裝卸效率的目的。集卡作為集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，集裝箱碼頭管理者若要降低港口生產(chǎn)成本，高效完成裝卸指令，就必須合理配置和調(diào)度集卡;因此，如何提高集裝箱碼頭集卡作業(yè)效率是集裝箱碼頭管理者的一個(gè)重要課題。

集卡調(diào)度方面的研究已有許多研究成果。李廣儒等[1]運(yùn)用碼頭GPRS系統(tǒng)收集集卡速度、流量、位置等數(shù)據(jù)，通過(guò)蟻群算法判斷阻塞狀況和調(diào)整可行節(jié)點(diǎn)集，能有效緩解碼頭阻塞，提高集卡利用率和碼頭作業(yè)效率。呂品等[2]研究集卡作業(yè)面的集卡調(diào)度模式，以岸橋等待時(shí)間最短為前提對(duì)集裝箱運(yùn)輸船裝卸作業(yè)路徑進(jìn)行優(yōu)化，縮短了集卡行走路程，降低成本，提高集卡工作效率。趙金樓等[3]考慮集卡數(shù)量和空載距離等因素，分別構(gòu)建以集卡行駛距離最短為目標(biāo)和以集卡任務(wù)間空載距離最短為目標(biāo)的兩種集卡路徑優(yōu)化模型，通過(guò)粒子群算法解決了每輛集卡的路徑任務(wù)分配及作業(yè)順序的問(wèn)題。李凡等[4]綜合考慮大作業(yè)面模式下系統(tǒng)總作業(yè)時(shí)間、岸吊等待時(shí)間以及集卡空載率問(wèn)題，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，并運(yùn)用啟發(fā)式方法提出一種混合在線集卡調(diào)度算法，并以港口實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

以上這些研究多集中于路徑優(yōu)化方面，大多為靜態(tài)研究，對(duì)于動(dòng)態(tài)作業(yè)指令分配的研究尚有不足。本文側(cè)重考慮堆場(chǎng)作業(yè)均衡和場(chǎng)地繁忙度等因素展開(kāi)動(dòng)態(tài)研究。

1 集卡全場(chǎng)調(diào)度原理

集裝箱碼頭GIS和GPS的主要作用是對(duì)集卡等作業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位。集卡調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)集卡位置和作業(yè)任務(wù)分布，將作業(yè)指令分配給集卡。

傳統(tǒng)的集裝箱碼頭裝卸船作業(yè)普遍采用的是橋吊與集卡捆綁的“作業(yè)線”（見(jiàn)圖1）模式。

在這種作業(yè)模式下，集卡跟隨橋吊作業(yè)，各條作業(yè)線之間的集卡互不相干，但集卡調(diào)配缺乏靈活性，空載距離較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)作業(yè)不均衡等現(xiàn)象。

為了提高集卡利用率，邊裝邊卸模式和大作業(yè)面（見(jiàn)圖2）模式得到廣泛應(yīng)用。

在這種作業(yè)模式下，集卡在碼頭前沿與堆場(chǎng)之間的行駛路徑不是固定的，但會(huì)出現(xiàn)某輛集卡同時(shí)被多個(gè)作業(yè)路徑需要或者一個(gè)作業(yè)路徑有多輛可利用的集卡的情況。集卡調(diào)度問(wèn)題需要通過(guò)最優(yōu)作業(yè)路徑選擇來(lái)解決。集卡多路作業(yè)共享模式則是將集卡統(tǒng)一到一個(gè)“設(shè)備池”中，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)派發(fā)指令給集卡，實(shí)現(xiàn)集卡全場(chǎng)調(diào)度。在集卡多路作業(yè)共享模式下，某輛集卡不再固定為某臺(tái)橋吊作業(yè)，而是由系統(tǒng)從當(dāng)前碼頭所有橋吊的指令中篩選出最優(yōu)指令，集卡根據(jù)最優(yōu)指令進(jìn)行作業(yè)。集卡多路作業(yè)共享模式操作簡(jiǎn)單，集卡利用合理、靈活。

2 最優(yōu)指令的篩選

集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)獲得集卡位置，在集卡空載后對(duì)需要作業(yè)的指令進(jìn)行計(jì)算，最后將最優(yōu)作業(yè)指令分配給集卡，以保證所有集卡資源在全場(chǎng)作業(yè)的高效利用。

2.1 均衡性打分

在自動(dòng)派發(fā)指令時(shí)，優(yōu)先考慮的因素是橋吊作業(yè)的均衡性，即根據(jù)每臺(tái)橋吊的作業(yè)能力設(shè)置集卡數(shù)量。由用戶設(shè)置每一路最大集卡數(shù)量和最小集卡數(shù)量，這樣既能保證每臺(tái)橋吊下都會(huì)有集卡，又能控制集卡數(shù)量，減少排隊(duì)現(xiàn)象。均衡性打分公式如下：

式中：S1表示i集卡作業(yè)j指令時(shí)的均衡性得分，xj表示j指令所屬橋吊的用戶設(shè)置集卡數(shù)量;a為均衡性系數(shù)，a=1 000分/輛。

2.2 橋吊優(yōu)先等級(jí)打分

船舶的在泊時(shí)間往往取決于該船重點(diǎn)路徑的作業(yè)時(shí)間，因此用戶可以設(shè)置重點(diǎn)路徑數(shù)值，這樣可以保證重點(diǎn)路徑集卡的數(shù)量，從而提高重點(diǎn)路徑的作業(yè)效率，減少船舶在泊時(shí)間。假設(shè)橋吊優(yōu)先等級(jí)最高級(jí)設(shè)置為40 000萬(wàn)分，橋吊每分派一輛集卡需要扣減2 000分，則有

式中：S2為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的橋吊優(yōu)先等級(jí)得分; yij表示為i號(hào)集卡作業(yè)j指令后所屬的橋吊下的集卡數(shù)量。

2.3 集卡路徑距離打分

路徑選擇是一種基于精確定位并結(jié)合作業(yè)集卡行駛路徑，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，然后通過(guò)代碼計(jì)算泊位對(duì)應(yīng)所有堆區(qū)距離并將數(shù)據(jù)錄入表中，使系統(tǒng)可快速讀出最短路徑的方法。為了提高路徑的最優(yōu)性，針對(duì)每臺(tái)橋吊工作點(diǎn)下的作業(yè)隊(duì)列，讀取作業(yè)隊(duì)列即將作業(yè)的3條指令，每條指令的距離便是相應(yīng)的扣分值，將最終分值最高的指令（距離最近）派發(fā)給集卡。集卡路徑打分公式如下：

式中： S3為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的路徑得分; c為路徑系數(shù)，c= 1 分/m; lij為i集卡作業(yè)j指令的路徑長(zhǎng)度，m。

2.4 堆場(chǎng)繁忙度得分

對(duì)堆場(chǎng)裝船作業(yè)隊(duì)列下發(fā)箱堆場(chǎng)后6條作業(yè)指令進(jìn)行預(yù)安排，讀取作業(yè)對(duì)應(yīng)堆場(chǎng)作業(yè)指令數(shù)量，并進(jìn)行打分，則有

式中： S4為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的堆場(chǎng)繁忙度得分;dij為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的堆場(chǎng)指令數(shù)。

以某堆場(chǎng)為例，當(dāng)10>dij≥5時(shí)，堆場(chǎng)繁忙度總分會(huì)被扣除1 000分;當(dāng)15>dij≥10時(shí)，堆場(chǎng)繁忙度總分會(huì)扣除2 000分;而當(dāng)dij≥15時(shí)，堆場(chǎng)繁忙度總分則會(huì)扣50 000分，即該堆場(chǎng)已經(jīng)飽和，不再接收集卡指令。

2.5 橋吊單路集卡的重空載比率打分

依據(jù)當(dāng)前橋吊指令最大值設(shè)定，自動(dòng)控制橋吊下集卡數(shù)量。當(dāng)最大值設(shè)定為8時(shí)，單路徑卸船空載或者裝船重載集卡數(shù)量超過(guò)6，那么該路徑的集卡便不會(huì)接收到該橋吊指令，而選擇其他橋吊指令。此種情況可以避免人為疏忽，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況而造成大量集卡在作業(yè)橋吊下等待。具體打分公式如下：

式中：S5為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的空重載比率得分;T1為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的空載集卡數(shù)量;T2為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的重載集卡數(shù)量。

2.6 指令計(jì)算次數(shù)打分

作業(yè)時(shí)某些作業(yè)指令的位置可能與作業(yè)橋吊和作業(yè)堆場(chǎng)相隔較遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算可能都無(wú)法被集卡選中，因此需要引入積分制對(duì)作業(yè)指令進(jìn)行打分，則有

式中：S6為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的指令累計(jì)得分; f為積分系數(shù)， f= 100分/次; nj為j指令被計(jì)算的次數(shù)，由計(jì)算機(jī)記憶統(tǒng)計(jì)得出。

2.7 集卡選擇指令總模型

集卡i空車選擇指令時(shí)，讀取可以作業(yè)的每臺(tái)橋吊需要作業(yè)的指令序列中的第一條未作業(yè)指令，并進(jìn)行計(jì)算，并選取作業(yè)指令中得分最高的一項(xiàng)，則有

式中：S為i集卡作業(yè)j指令時(shí)的總得分; Iij表示第i集卡選擇j指令作業(yè)。

3 效果評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件說(shuō)明

梅山島國(guó)際集裝箱碼頭有5個(gè)在用泊位，擁有海岸線1 800 m，橋吊20臺(tái)，集裝箱堆場(chǎng)70塊，輪胎式龍門(mén)吊69臺(tái)，集卡175輛。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

為對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，在2019年第四季度使用該集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并選取2018年第四季度未使用該系統(tǒng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

由表1可以看出：通過(guò)使用集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)，作業(yè)指令分配更加合理高效，可以有效減少集卡的行駛距離;使用后比使用前縮短12.65%的行駛距離，重載率提升了19.52%。集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)的使用，使集卡突破了傳統(tǒng)模式中只能單程重載的局限，實(shí)現(xiàn)了重車上碼頭、重車到堆場(chǎng)的作業(yè)模式。經(jīng)計(jì)算，平均每條作業(yè)指令可以節(jié)省0.05 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，為打造綠色港口發(fā)揮了積極作用。

同時(shí)，集卡通過(guò)避開(kāi)作業(yè)繁忙堆場(chǎng)，縮短了橋吊和龍門(mén)吊的等待時(shí)間，優(yōu)化了碼頭集卡資源的合理配置，降低了集卡出勤數(shù)量，可以有效提高船舶作業(yè)效率，從而減少船舶在港時(shí)間，降低航運(yùn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。橋吊集卡配置比同比降低4.66%，干線船舶在泊效率同比提高10.10%，單機(jī)效率同比提高8.51%，人力成本同比降低13.45%，有效提升了作業(yè)效率，碼頭服務(wù)水平也得到了提升，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著智慧港口、綠色港口建設(shè)的興起，集裝箱碼頭智能調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)開(kāi)始逐步完善。GIS和GPS系統(tǒng)為碼頭管理者提供了更好的決策支持，集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)為集卡調(diào)度和日常業(yè)務(wù)管理提供了一個(gè)方便、科學(xué)有效的工具。從應(yīng)用數(shù)據(jù)可以看出，集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)能有效提升碼頭的裝卸作業(yè)效率，提升集卡重載率，降低集卡的行駛距離以減少能耗，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能減排的目的。

本文闡述了梅山島國(guó)際集裝箱碼頭有限公司在集卡全場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)嘗試中取得的成果，該成果可供其他碼頭借鑒。未來(lái)的集卡調(diào)度研究可以向全自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人等自動(dòng)化裝卸設(shè)備的調(diào)度配合研究方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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