基于多場(chǎng)景分配原則的集裝箱堆存策略研究

方 勝 高延輝 張 煜 董寶慧

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

隨著全球貿(mào)易進(jìn)程不斷深化，港口集裝箱吞吐量大幅增長(zhǎng)，各碼頭積極致力于由傳統(tǒng)碼頭向智能化碼頭過(guò)渡。集裝箱堆場(chǎng)裝卸作業(yè)效率對(duì)港口發(fā)展的影響日漸突出，尤其是堆場(chǎng)中集裝箱堆存方式對(duì)集裝箱裝卸及水平運(yùn)輸有直接影響。以某全自動(dòng)化集裝箱碼頭為背景，圍繞集裝箱堆存策略展開研究。

目前，國(guó)內(nèi)外有諸多關(guān)于自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)堆存策略及集裝箱箱位分配問(wèn)題的研究。付鵬成等提出自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱位分配策略需結(jié)合碼頭所處環(huán)境、碼頭作業(yè)設(shè)備特點(diǎn)等因素制定，證明了自動(dòng)化堆場(chǎng)策略能突破傳統(tǒng)集裝箱碼頭作業(yè)量和設(shè)備作業(yè)時(shí)間不穩(wěn)定導(dǎo)致堆存效率低的瓶頸，提高碼頭資源利用率[1]。倪敏敏等針對(duì)集裝箱箱位分配問(wèn)題，提出了基于堆場(chǎng)起重機(jī)布局的動(dòng)態(tài)分配策略，數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果表明該方案能充分利用堆場(chǎng)貝位[2]。梁承姬等為解決堆場(chǎng)空間分配問(wèn)題，使用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法建立堆場(chǎng)空間動(dòng)態(tài)分配模型，結(jié)果表明該方法能保證堆場(chǎng)中進(jìn)出口箱數(shù)量分配平衡[3]。范厚明等為避免倒箱，從碼頭運(yùn)營(yíng)信息的視角提出新的堆存策略[4]。薛浩勇等針對(duì)出港箱箱位分配問(wèn)題提出兩階段優(yōu)化模型與算法，降低了倒箱次數(shù)[5]。楊曉斌等針對(duì)集疏港集裝箱箱位分配問(wèn)題，提出相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)蒙特卡洛樹搜索算法進(jìn)行求解，結(jié)果表明該模型可提高碼頭吞吐能力[6]。Hang Yu等為解決出口箱分配問(wèn)題，提出柔性裝載集群概念，靈活分配出口集裝箱在堆場(chǎng)中的位置[7]。Caimao Tan等針對(duì)堆場(chǎng)管理，考慮了空間分配和堆場(chǎng)起重機(jī)調(diào)度等因素，建立了一個(gè)綜合優(yōu)化模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了模型的有效性[8]。

現(xiàn)有研究成果中，碼頭堆場(chǎng)集裝箱堆存策略應(yīng)用場(chǎng)景較為單一，集裝箱存放過(guò)于集中，容易造成港區(qū)道路擁堵、裝卸設(shè)備作業(yè)不均衡等問(wèn)題，極大影響港口裝卸作業(yè)及水平運(yùn)輸作業(yè)效率。立足于現(xiàn)有自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)空間劃分和設(shè)備資源，提出一種基于多場(chǎng)景分配原則的集裝箱堆垛管理方法。在分析自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)布局的基礎(chǔ)上，將場(chǎng)地、貝位、排位設(shè)置為3個(gè)場(chǎng)景，按照一定場(chǎng)景順序基于罰分策略分配集裝箱。詳細(xì)分析集裝箱箱區(qū)打散流程、進(jìn)口箱和集港箱打散流程的實(shí)施過(guò)程，為自動(dòng)化集裝箱碼頭減少水平運(yùn)輸系統(tǒng)擁堵情況、提高堆場(chǎng)箱位利用率提供建議。

2 堆場(chǎng)布局概述

該碼頭堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置，堆場(chǎng)縱深約752 m，箱區(qū)長(zhǎng)度約280 m。堆場(chǎng)共分為3塊區(qū)域，分別為堆場(chǎng)A區(qū)、堆場(chǎng)B區(qū)和堆場(chǎng)C區(qū)(見圖1)。3個(gè)區(qū)域各布置8條作業(yè)線，作業(yè)線1C、3C、4C、6C、2B、5B、7B、8A配置1臺(tái)自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱ARMG)，其他作業(yè)線配置2臺(tái)ARMG。

圖1 堆場(chǎng)俯視圖

整個(gè)自動(dòng)化堆場(chǎng)共布置27個(gè)箱區(qū)，其中包括24個(gè)普通集裝箱箱區(qū)和3個(gè)冷藏箱箱區(qū)(見圖2)。雙懸臂軌道吊軌距為34 m，起重量為41 t，軌距內(nèi)布置11排箱，堆箱高度“堆6過(guò)7”，能夠滿足碼頭實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求。相比堆場(chǎng)垂直布置方案，堆場(chǎng)平行岸線布置方案裝卸點(diǎn)更多，給ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能運(yùn)輸機(jī)器人)提供更多作業(yè)位，降低車輛擁堵概率，加快車輛周轉(zhuǎn)速度。同時(shí)，堆場(chǎng)軌道吊無(wú)需帶箱長(zhǎng)距離輸送集裝箱，能耗低，海陸側(cè)裝卸作業(yè)及集疏運(yùn)能互相支援。

圖2 堆場(chǎng)側(cè)視圖

3 堆存策略實(shí)施

3.1 箱區(qū)打散流程

海側(cè)進(jìn)港集裝箱和陸側(cè)集港集裝箱都需要在堆場(chǎng)箱區(qū)存儲(chǔ)，箱區(qū)打散策略能有效提高集裝箱堆存效率。當(dāng)車輛入場(chǎng)，箱區(qū)打散策略快速為集裝箱劃分堆存區(qū)域，使ART和外集卡分區(qū)分道作業(yè)，實(shí)現(xiàn)軌道吊和作業(yè)任務(wù)多對(duì)一，合理調(diào)控道路交叉口交通流量，降低擁堵概率。箱區(qū)打散策略在分配箱區(qū)的同時(shí)考慮車輛行駛里程，能大大降低車輛能耗，實(shí)現(xiàn)車輛高效綠色運(yùn)轉(zhuǎn)。

具體打散流程為：將泊位和箱區(qū)進(jìn)行耦合，根據(jù)箱區(qū)到岸邊集裝箱起重機(jī)的距離和箱區(qū)堆存率，將每個(gè)泊位卸載的集裝箱所屬堆存箱區(qū)設(shè)為一個(gè)扇形區(qū)域。泊位1對(duì)應(yīng)的箱區(qū)為由序號(hào)1、2、5圍成的扇形區(qū)域；泊位2對(duì)應(yīng)的箱區(qū)為由序號(hào)1、3、5圍成的扇形區(qū)域；泊位3對(duì)應(yīng)的箱區(qū)為由序號(hào)1、4、5圍成的扇形區(qū)域(見圖3)。

圖3 箱區(qū)打散扇形區(qū)域示意圖

3.2 箱區(qū)分配方案

箱區(qū)分配方案由調(diào)度中心系統(tǒng)通過(guò)智能優(yōu)化算法以裝卸效率最大化為目標(biāo)計(jì)算生成。依次進(jìn)行箱區(qū)-貝位-排位的選擇后確定集裝箱的最優(yōu)堆場(chǎng)分配箱位，并生成對(duì)應(yīng)集裝箱的箱區(qū)分配方案，堆存策略實(shí)施流程見圖4。

圖4 堆存策略流程圖

3.3 場(chǎng)地分配策略

3.3.1 策略流程

給集裝箱分配任務(wù)編號(hào)記為k，開始進(jìn)行箱區(qū)選擇，根據(jù)當(dāng)前所有箱區(qū)的堆存率、任務(wù)位置到所有箱區(qū)的路徑、各個(gè)箱區(qū)的等待集卡進(jìn)行評(píng)估，依據(jù)罰分評(píng)估策略選擇較優(yōu)的箱區(qū)分配給該集裝箱任務(wù)。

3.3.2 罰分策略

(1)根據(jù)箱區(qū)堆存率、任務(wù)位置到箱區(qū)的路徑、箱區(qū)內(nèi)等待集卡數(shù)量，對(duì)所有箱區(qū)進(jìn)行打分。

(2)計(jì)算任意箱區(qū)最終得分值。

(3)將得分值最優(yōu)的箱區(qū)分配給當(dāng)前任務(wù)集裝箱，如存在多個(gè)最優(yōu)箱區(qū)，可隨機(jī)選擇分配給任務(wù)集裝箱。

3.4 貝位分配策略

3.4.1 策略流程

完成箱區(qū)選擇后，在最優(yōu)箱區(qū)中根據(jù)任務(wù)k對(duì)應(yīng)的箱型，確定該箱區(qū)對(duì)應(yīng)該箱型的貝位集合，根據(jù)堆存率和集裝箱屬性進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)的貝位分配給該集裝箱任務(wù)。

3.4.2 罰分策略

(1)根據(jù)任務(wù)k對(duì)應(yīng)的箱型(20 ft或40 ft箱)，確定該箱區(qū)對(duì)應(yīng)該箱型的貝位集合(20 ft貝位或40 ft貝位)。

(2)將貝位集合中的貝位依據(jù)堆存率進(jìn)行打分。

(3)選取分值最優(yōu)的貝位，若與其相鄰貝位沒有存放與當(dāng)前任務(wù)屬性相同的集裝箱，則選擇該貝位，否則繼續(xù)搜索合適貝位。

3.5 排位分配策略

3.5.1 策略流程

完成貝位選擇后，對(duì)當(dāng)前選定箱區(qū)貝位的各個(gè)排進(jìn)行罰分計(jì)算，根據(jù)罰分評(píng)估策略選擇出最優(yōu)的箱位分配給該集裝箱任務(wù)。

3.5.2 罰分策略

(1)對(duì)當(dāng)前選定箱區(qū)貝位的各排進(jìn)行罰分計(jì)算：依據(jù)任務(wù)箱型、空重箱、任務(wù)箱流向、航次等因素對(duì)各排進(jìn)行打分。

(2)計(jì)算各排分值，將分值最優(yōu)的排分配給當(dāng)前任務(wù)箱；若存在多個(gè)選擇，隨機(jī)選擇一個(gè)排進(jìn)行分配。

經(jīng)過(guò)上述3種選擇規(guī)則后挑選出最優(yōu)箱位方案，并由調(diào)度中心系統(tǒng)發(fā)送至運(yùn)輸系統(tǒng)，運(yùn)輸系統(tǒng)派遣ART將對(duì)應(yīng)集裝箱運(yùn)送至指定堆場(chǎng)箱位完成裝卸。

港區(qū)道路狀況會(huì)實(shí)時(shí)變化，在為集裝箱分配箱區(qū)、貝位和排的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)港口運(yùn)作現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)調(diào)整箱區(qū)分配策略。當(dāng)泊位窗口發(fā)生變動(dòng)，堆存策略根據(jù)船舶實(shí)際停留位置快速分配新的堆存區(qū)域，保證箱區(qū)利用率均衡。在搜尋最優(yōu)箱位時(shí)，考慮ART運(yùn)行里程，預(yù)測(cè)交叉路口ART和外集卡交通流量，使集裝箱到最優(yōu)箱位作業(yè)任務(wù)不會(huì)增加ART輸送距離和道路交通壓力，大大提高碼頭整體作業(yè)效率。

4 策略應(yīng)用

根據(jù)所提出的基于箱區(qū)打散模式的自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)堆存策略，設(shè)計(jì)開發(fā)港口堆場(chǎng)堆存運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)軟件，為集裝箱實(shí)時(shí)分配最優(yōu)箱位，并顯示各箱位和當(dāng)前任務(wù)箱適配信息。在為集裝箱分配箱位時(shí)，系統(tǒng)軟件會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)箱區(qū)、貝位、排與任務(wù)箱的適配信息并反饋給工作人員，最終為任務(wù)箱搜尋到最優(yōu)箱位。

圖5、圖6為某碼頭實(shí)際運(yùn)營(yíng)案例結(jié)果。圖5為不同流向集裝箱在場(chǎng)地分布情況示意圖，圖6為不同箱型和不同箱重集裝箱在場(chǎng)地分布情況示意圖。圖中縱坐標(biāo)表示場(chǎng)地編號(hào)，即1A到8C，橫坐標(biāo)表示箱型種類(如22G1)、重量等級(jí)(1-6)或集裝箱流向(進(jìn)口箱、出口箱、中轉(zhuǎn)箱等)，表格中數(shù)字表示當(dāng)前場(chǎng)地存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)種類集裝箱的箱數(shù)。

圖6 堆場(chǎng)不同箱型和箱重分布情況

在堆場(chǎng)存儲(chǔ)作業(yè)中，目前大多數(shù)集裝箱碼頭將貝位作為分配單元，同一貝位只能堆放同種屬性集裝箱。當(dāng)集裝箱作業(yè)量增加，這種堆存策略會(huì)占用更多貝位，造成堆場(chǎng)空間資源浪費(fèi)，增加倒箱次數(shù)與船舶等待時(shí)間，降低堆場(chǎng)作業(yè)效率，使港口運(yùn)營(yíng)成本上升。而改用以箱位為分配單元后，按照箱區(qū)、貝位、排的順序?qū)訉舆f進(jìn)，篩選適合存儲(chǔ)集裝箱的位置，并采用罰分評(píng)估策略，能保證各個(gè)箱區(qū)、貝位利用率均衡，有效避免各排出現(xiàn)空箱重箱混放、任務(wù)流向不一致集裝箱混放等不合理的堆存現(xiàn)象。同時(shí)罰分策略中的參數(shù)可由港口管理人員動(dòng)態(tài)修改，以提高堆存策略的靈活性，使集裝箱箱位分配結(jié)果合理，減少倒箱次數(shù)，突破堆場(chǎng)資源利用不合理瓶頸。

5 結(jié)語(yǔ)

基于箱區(qū)打散模式的自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)堆存策略，首先基于箱區(qū)堆存率、擁擠情況和作業(yè)任務(wù)路徑3個(gè)因素對(duì)箱區(qū)進(jìn)行篩選，然后根據(jù)貝位堆存率和集裝箱屬性對(duì)已確定箱區(qū)中的貝位進(jìn)行篩選，最后根據(jù)箱位罰分策略對(duì)已確定貝位中的排進(jìn)行篩選，為集裝箱搜尋到最優(yōu)箱位。與傳統(tǒng)堆場(chǎng)堆存策略相比，該策略能均衡各箱區(qū)、貝位、排的利用率，降低翻倒箱次數(shù)，緩解堆場(chǎng)區(qū)擁堵。