湯　齊，伍德俊(天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)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(shè)備調(diào)度優(yōu)化

湯齊，伍德俊
(天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，天津300380)

摘要:集裝箱碼頭裝卸操作的重要機(jī)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(gè)裝卸活動(dòng)的生產(chǎn)效率。結(jié)合現(xiàn)代集裝箱碼頭先進(jìn)的裝卸技術(shù)和管理信息水平，探討集裝箱碼頭應(yīng)對(duì)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(diào)度方法，以岸橋和集裝箱卡車(chē)運(yùn)作時(shí)間最短為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Lingo軟件將算例數(shù)據(jù)進(jìn)行編程求解運(yùn)算得出優(yōu)化方案，并考查異貝位同步裝卸作業(yè)調(diào)度方法的有效性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:異貝位裝卸;集裝箱碼頭;岸橋;集卡

隨著全球集裝箱運(yùn)輸業(yè)務(wù)的急速增長(zhǎng)，船舶大型化已成為集裝箱船舶發(fā)展的主要趨勢(shì)。集裝箱船舶的大型化又對(duì)港口碼頭的裝卸設(shè)備、效率以及管理水平提出了更高的要求，如何更有效地對(duì)岸橋、場(chǎng)橋和集卡等搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行工藝優(yōu)化和合理調(diào)度，使集裝箱碼頭低成本、高效率的運(yùn)作，是目前世界各大港口面臨的普遍問(wèn)題。

李克強(qiáng)總理在2014年政府工作報(bào)告中指出，“推進(jìn)長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)一體化，深化泛珠三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作，加強(qiáng)環(huán)渤海及京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)協(xié)作?！倍旖蚋塾捎谔厥獾牡乩?xiàng)l件和港航資源將在京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略中扮演重要的角色，2013年數(shù)據(jù)顯示，天津港貨物吞吐量突破5億噸，集裝箱業(yè)務(wù)的吞吐量也突破1 300萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，從而使天津港成為中國(guó)北方地區(qū)第一個(gè)5億噸港口。高效的裝卸流程也是提高天津港貨物周轉(zhuǎn)速率的關(guān)鍵。

一、研究現(xiàn)狀綜述

Kozan等［1］針對(duì)集裝箱碼頭集卡的運(yùn)輸問(wèn)題，采用啟發(fā)式算法對(duì)影響碼頭作業(yè)效率的因素做出了討論;Gambardella等［2］通過(guò)比較集裝箱碼頭岸橋以及場(chǎng)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(shè)備能源消耗的問(wèn)題，基于知識(shí)系統(tǒng)建立了場(chǎng)橋調(diào)度模型;Xi Guo等［4］設(shè)計(jì)出可容啟發(fā)式算法與回溯算法組合的搜索方法，針對(duì)集裝箱碼頭堆場(chǎng)場(chǎng)橋配置方案的選擇與場(chǎng)橋作業(yè)序列優(yōu)化問(wèn)題建立模型;曾慶成、楊忠振［5］以岸橋作業(yè)等待集卡運(yùn)輸時(shí)間最短為目標(biāo)，運(yùn)用Q學(xué)習(xí)算法模型研究了集卡調(diào)度問(wèn)題;韓曉龍和丁以中［6］對(duì)集裝箱碼頭裝卸作業(yè)利用仿真手段，采用VB 6.0編程對(duì)裝卸設(shè)備在面向作業(yè)面和同步裝卸工藝的裝卸作業(yè)中的運(yùn)行進(jìn)行仿真模擬;計(jì)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(yùn)輸路徑最短為目標(biāo)，使用進(jìn)化計(jì)算的方法研究岸橋和集卡的調(diào)度優(yōu)化;王起航［8］列舉了集裝箱碼頭的三種不同生產(chǎn)作業(yè)方法，通過(guò)對(duì)三種生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)銜接關(guān)系和調(diào)度方式進(jìn)行分析研究，以此建立了集成調(diào)度優(yōu)化模型;吳志佩［9］運(yùn)用單親遺傳算法解決同步裝卸調(diào)度問(wèn)題，針對(duì)混堆堆場(chǎng)情況下集卡在集裝箱船舶不同貝位及箱區(qū)間的運(yùn)行提出異貝位同步調(diào)度的方法等。

由于集裝箱碼頭岸橋的閑置成本遠(yuǎn)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(shí)服務(wù)岸橋情況的產(chǎn)生。本文在之前的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察集卡在不同貝位間動(dòng)態(tài)移動(dòng)以達(dá)到集裝箱船舶的混合裝卸作業(yè)以及集卡在進(jìn)出口不同堆場(chǎng)箱區(qū)間的運(yùn)輸路線，從而提出新的裝卸工藝來(lái)提高岸橋的工作效率和集卡的運(yùn)輸效率，并建立了集卡在多岸橋下異貝位間及多場(chǎng)橋不同箱區(qū)間裝卸岸橋工作和集卡運(yùn)輸總時(shí)間最小的數(shù)學(xué)模型。

二、傳統(tǒng)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(shí)進(jìn)行混合裝卸的過(guò)程，涉及多岸橋、多場(chǎng)橋的集裝箱異貝位混合裝卸調(diào)度問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化集卡運(yùn)輸路線并使集卡動(dòng)態(tài)服務(wù)于不同岸橋、場(chǎng)橋間以完成混合裝卸，使集卡完成“重進(jìn)重出”活動(dòng)，降低集卡的空載率，從而減少集卡作業(yè)時(shí)間，提高運(yùn)輸效率，在確保集卡動(dòng)態(tài)供應(yīng)及時(shí)的情況下，達(dá)到岸橋場(chǎng)橋作業(yè)效率的最大化。集裝箱碼頭單船舶傳統(tǒng)作業(yè)模式與異貝位混合裝卸作業(yè)模式的對(duì)比情況見(jiàn)圖1。

圖1　傳統(tǒng)作業(yè)模式與異貝位作業(yè)模式

對(duì)于單船舶異貝位間混合裝卸調(diào)度，其具體操作過(guò)程比較復(fù)雜，需要多個(gè)岸橋在船舶不同貝位間進(jìn)行動(dòng)態(tài)的協(xié)同操作;船舶到達(dá)泊位進(jìn)行裝卸活動(dòng)前，集裝箱碼頭對(duì)船舶各貝位的裝載量等實(shí)際情況進(jìn)行前期的裝卸流程的規(guī)劃，安排適當(dāng)數(shù)量的岸橋并配以相當(dāng)數(shù)量的場(chǎng)橋、集卡進(jìn)行工作;分配給每個(gè)岸橋需負(fù)責(zé)的貝位，如圖1中的A、B兩個(gè)岸橋構(gòu)成一個(gè)作業(yè)組，A岸橋先對(duì)其負(fù)責(zé)的某一貝位進(jìn)行單獨(dú)卸箱活動(dòng)，完成后，A岸橋在原貝位位置保持不動(dòng)等待裝船活動(dòng)，在A岸橋負(fù)責(zé)貝位卸箱活動(dòng)完成后，B岸橋才開(kāi)始啟動(dòng)進(jìn)行卸載活動(dòng)，集卡從B岸橋重載至進(jìn)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?qū)π犊肇愇贿M(jìn)行裝船作業(yè)，然后集卡再空載至B岸橋等待裝載，由此構(gòu)成一個(gè)循環(huán)作業(yè);直至A岸橋負(fù)責(zé)貝位裝船完成，岸橋再移動(dòng)至下一個(gè)計(jì)劃的貝位進(jìn)行卸箱活動(dòng)，B岸橋在卸船作業(yè)完成后進(jìn)入下一計(jì)劃貝位進(jìn)行裝船作業(yè);作業(yè)組之間始終進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，期間，集卡動(dòng)態(tài)服務(wù)于各個(gè)岸橋、場(chǎng)橋之間;以此類(lèi)推，直至A岸橋負(fù)責(zé)的所有貝位均完成裝箱任務(wù)，則對(duì)B岸橋剩余的集裝箱進(jìn)行單獨(dú)的裝卸工作，直至完成船舶的裝卸任務(wù)。岸橋在整個(gè)裝卸過(guò)程中始終處于運(yùn)作狀態(tài)且運(yùn)作效率更高，集卡則在碼頭前沿和堆場(chǎng)間進(jìn)行“重進(jìn)重出”的往返運(yùn)輸作業(yè)，提升裝卸效率，節(jié)省裝卸時(shí)間，節(jié)約碼頭運(yùn)營(yíng)成本。

三、數(shù)學(xué)模型的建立

本文以集裝箱碼頭岸橋工作時(shí)間和集卡行駛時(shí)間最短為研究目標(biāo)，提出新的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算例分析。

1．環(huán)境假設(shè)

(1)碼頭對(duì)集裝箱船舶所需要裝配以及卸載情況已知。

(2)集卡能及時(shí)動(dòng)態(tài)地服務(wù)于各裝卸橋，運(yùn)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(shí)間和距離。

模型中參數(shù)和變量的內(nèi)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(jìn)口箱區(qū)數(shù)量，Ni表示第i個(gè)進(jìn)口箱區(qū)，i∈N;R為出口箱區(qū)數(shù)量，Rj表示第j個(gè)出口箱區(qū)，j∈R;A為提前選擇先卸載的貝位中，為確?；旌涎b卸作業(yè)的進(jìn)行先卸載的集裝箱量;t1為岸橋單位卸箱的時(shí)間;t2為岸橋作業(yè)組構(gòu)成混合循環(huán)裝卸作業(yè)的單位時(shí)間;t3為岸橋單位裝箱的時(shí)間;doi為船舶到進(jìn)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(shí)的速度;珋v為集卡空載時(shí)的速度;Qi為Ni進(jìn)口箱區(qū)內(nèi)還可容納的集裝箱量;MD為集裝箱船舶計(jì)劃卸載的箱量總數(shù);ML為集裝箱船舶計(jì)劃裝載的箱量總數(shù)。

2．目標(biāo)函數(shù)的設(shè)立

式中:目標(biāo)函數(shù)(1)為集裝箱碼頭岸橋的工作時(shí)間和集卡在裝卸橋及箱區(qū)間運(yùn)行時(shí)間之和最小;目標(biāo)函數(shù)(2)和目標(biāo)函數(shù)(3)分別是對(duì)目標(biāo)函數(shù)(1)所做出的詳細(xì)說(shuō)明，其中T1是岸橋工作的總時(shí)間，具體分為岸橋僅卸箱、僅裝箱以及混合循環(huán)裝卸過(guò)程的工作時(shí)間，T2求解的則是集卡運(yùn)輸工作的總時(shí)間，具體分為僅卸載至箱區(qū)的行駛時(shí)間、僅裝載至船舶的行駛時(shí)間以及混合循環(huán)裝卸過(guò)程的行駛時(shí)間;目標(biāo)函數(shù)(4)為各岸橋所負(fù)責(zé)總卸載集裝箱數(shù)等于其負(fù)責(zé)貝位中只進(jìn)行單獨(dú)卸箱過(guò)程的集卡運(yùn)輸次數(shù)與混合循環(huán)裝卸作業(yè)過(guò)程集卡運(yùn)輸次數(shù)之和;目標(biāo)函數(shù)(5)為各岸橋所負(fù)責(zé)總裝載集裝箱數(shù)等于其負(fù)責(zé)貝位中指進(jìn)行單獨(dú)裝箱過(guò)程的集卡運(yùn)輸次數(shù)與混合循環(huán)裝卸作業(yè)過(guò)程集卡運(yùn)輸次數(shù)之和;目標(biāo)函數(shù)(6)為某一進(jìn)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(guò)它的可存容量;目標(biāo)函數(shù)(7)為保證同步裝卸的實(shí)施，船舶需單獨(dú)卸下的集裝箱量;目標(biāo)函數(shù)(8)為非負(fù)約束。

四、算例分析

算例研究單船舶到達(dá)港口的情況，配備4臺(tái)岸橋準(zhǔn)備卸載活動(dòng)，對(duì)各岸橋負(fù)責(zé)貝位工作進(jìn)行劃分，假設(shè)集裝箱船舶總卸載量為1 175 TEU，離港計(jì)劃裝載量為1 120 TEU。集裝箱碼頭堆場(chǎng)分進(jìn)、出口不同箱區(qū)，假設(shè)該集裝箱碼頭有9個(gè)進(jìn)口箱區(qū)和9個(gè)出口箱區(qū)，表1給出堆場(chǎng)進(jìn)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(jì)劃出口的集裝箱量，船舶?？坎次坏拇a頭前沿到各進(jìn)出口箱區(qū)的距離如表2，各進(jìn)出口箱區(qū)相互間的距離如表3，集裝箱船舶各個(gè)貝位計(jì)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(jì)劃，岸橋、集卡以作業(yè)組的形式展開(kāi)裝卸活動(dòng)，為保證船舶實(shí)現(xiàn)混合裝卸，需要先按裝卸計(jì)劃選擇一個(gè)貝位進(jìn)行卸載活動(dòng)，岸橋每次只能抓取1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TEU，集卡每次也只能運(yùn)送1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TEU，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)試，設(shè)定岸橋單獨(dú)裝、卸箱的作業(yè)效率是1.5 min/個(gè)，協(xié)同循環(huán)作業(yè)的效率是2 min/次，集卡重載運(yùn)輸速度v=200 m/min，空載運(yùn)輸速度v=300 m/min，集卡在各貝位中的行駛不考慮時(shí)間問(wèn)題。

表1　進(jìn)出口堆場(chǎng)所需裝卸集裝箱量

表2　船舶?？坎次淮a頭前沿到各箱區(qū)的距離

表3　各進(jìn)出口箱區(qū)之間的運(yùn)輸距離

根據(jù)算例所給出的數(shù)據(jù)，將各相關(guān)數(shù)據(jù)在Lingo中進(jìn)行編程求解運(yùn)算，最后得出碼頭岸橋工作時(shí)間和集卡運(yùn)輸時(shí)間之和的最小結(jié)果為9 981 min，其中岸橋工作總時(shí)間T1=2 548 min，集卡運(yùn)輸總時(shí)間T2=7 433 min。運(yùn)輸路徑優(yōu)化見(jiàn)表5。

表5　運(yùn)輸路徑優(yōu)化

將新裝卸工藝作業(yè)與單船舶獨(dú)立進(jìn)行裝卸作業(yè)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。

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

表6　單船舶異貝位混合裝卸與獨(dú)立裝卸作業(yè)的結(jié)果對(duì)比

五、結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了集裝箱碼頭單船舶異貝位間實(shí)現(xiàn)混合裝卸作業(yè)的新工藝，尋找船舶大型化對(duì)集裝箱碼頭運(yùn)轉(zhuǎn)效率要求的解決辦法。在進(jìn)出口集裝箱數(shù)量確定的情況下，通過(guò)系統(tǒng)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(jì)劃，提高設(shè)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(duì)整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)而言的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，若要對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)整體優(yōu)化還需要綜合考慮其他環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究。雖然集裝箱船舶異貝位混合裝卸調(diào)度作業(yè)模式下，船舶裝卸計(jì)劃的制定、集卡作業(yè)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性、岸橋及場(chǎng)橋作業(yè)的復(fù)雜性，增加了碼頭裝卸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度的困難，但不斷提升的現(xiàn)代集裝箱碼頭管理信息系統(tǒng)水平，可以為混合裝卸模式的實(shí)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(huì)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)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(jiǎn)介:湯齊(1965—)，男，博士，教授．

基金項(xiàng)目:天津市教委社會(huì)科學(xué)重大基金資助項(xiàng)目(2014ZD34);天津市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金資助項(xiàng)目(TJZDWT130311)．

收稿日期:2014-10-18．

中圖分類(lèi)號(hào):U691.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1008-4339(2015)03-274-05