張 靜,司玉軍,2,段國林*

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300130) (2.曹妃甸港集團(tuán)股份有限公司 通用碼頭分公司,唐山 063000)

持續(xù)增長的港口吞吐量對港口的未來發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇,也同時提出了新的挑戰(zhàn),面對日益增長的貿(mào)易需求,港口企業(yè)必須要同時提高自身的軟件實(shí)力和硬件實(shí)力[1]．岸橋、泊位等設(shè)施一般在港口的建成初期就已確定,因此對于硬件設(shè)備的提升往往在短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)．同時,在我國多數(shù)港口,均存在著設(shè)備先進(jìn)而管理調(diào)度方法落后的共性問題．因此,如何提升港區(qū)的經(jīng)營模式和管理方法顯得至關(guān)重要[2]．相關(guān)的軟件實(shí)力包括工作人員的工作效率、船舶的調(diào)度方案設(shè)定等.目前學(xué)界的研究熱點(diǎn)主要集中在泊位與岸橋的調(diào)度分配上[3]．文獻(xiàn)[4]中對基于岸橋成本分析的集裝箱港口泊位和岸橋分配問題進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]中通過建立船舶總體在港時間最小化的仿真優(yōu)化模型,求得了包括船舶的靠泊時間、靠泊位置和為其服務(wù)的岸橋數(shù)目等要素的優(yōu)化解;文獻(xiàn)[6]中針對船舶抵港時間不確定的問題,建立以船舶在港時間和港口裝卸成本最小化為目標(biāo)的泊位-岸橋分配非線性混合整數(shù)多目標(biāo)規(guī)劃模型,利用優(yōu)化技術(shù)處理非線性多目標(biāo)問題；文獻(xiàn)[7]中針對各型集裝箱船舶的長度、作業(yè)時間及所需求的岸橋數(shù)量的不同,提出船舶靠泊優(yōu)先級計(jì)算方法;文獻(xiàn)[8]中研究了偏好泊位約束下的集裝箱港口離散泊位分配問題;文獻(xiàn)[9]中研究了基于泊位偏好與岸橋干擾的泊位和岸橋分配問題;文獻(xiàn)[10]中基于吸引子布局算法研究了各類資源占用的宏觀效率以及延遲到離港懲罰函數(shù)的影響．以上關(guān)于泊位和岸橋分配的文獻(xiàn)通常以船舶在泊時間最小化、船舶靠泊優(yōu)先級或在某個影響因素干擾下的分配問題為研究目標(biāo)．文中在研究資源成本的基礎(chǔ)上,同時將泊位偏離、岸橋干擾、時間延遲這3大主要影響因素考慮在內(nèi),使數(shù)學(xué)模型更符合港口實(shí)際運(yùn)行工作,從而對港口的資源分配具有更科學(xué)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義．

1 問題的描述

近年來,隨著港口吞吐量的增長,在現(xiàn)有的設(shè)施水平下,如何提高資源配置水平,充分發(fā)揮設(shè)備資源的潛力,成為當(dāng)前港口發(fā)展面臨的主要問題．目前,泊位、岸橋以及時間資源是港口碼頭運(yùn)營經(jīng)濟(jì)成本的3大重要稀缺資源,合理有效利用這3大資源是當(dāng)前提高資源調(diào)度分配水平的重要方法．文中利用三維布局思想,將3大資源分別作為3個坐標(biāo)軸形成一個空間直角坐標(biāo)系,每艘船舶所占用資源均可被抽象轉(zhuǎn)化為不同形狀大小的矩形塊(圖1),泊位岸橋分配問題則轉(zhuǎn)化為三維布局問題,使目標(biāo)函數(shù)即總布局體積最小.v=l·q·t，其中v為資源體積，l為泊位，q為岸橋數(shù)，t為時間，但在優(yōu)化資源配置方案時,條件過于理想化,因此很多影響因素都無法考慮在內(nèi),導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行操作過程存在一定差異,增加了工作難度．當(dāng)船舶沒有?？吭谄梦恢脮r,會對岸橋工作效率產(chǎn)生影響;若多臺岸橋同時為一艘船舶服務(wù),并行作業(yè)下會相互干擾,降低岸橋工作效率;到、離港的時間差也會擾亂泊位岸橋的分配計(jì)劃,影響其資源配置．文中在優(yōu)化3大資源的同時,將各資源導(dǎo)致的懲罰因素考慮在內(nèi),同時進(jìn)行優(yōu)化,尋求合理的岸橋分配與船舶的靠泊位置與次序,最終得到符合實(shí)際運(yùn)營工作的資源配置方案．[11]

圖1 船舶資源占用塊Fig.1 Ship resource occupation block

2 數(shù)學(xué)建模

2.1 相關(guān)假設(shè)

為便于模型建立和后期分析,文中假設(shè):① 待靠泊的船舶沒有吃水深度等物理上的限制；② 該段時間內(nèi)所有到港船舶固定且到達(dá)錨地時間已知；③ 每艘船舶都有一個偏好的停泊位置；④ 忽略岸橋作業(yè)時的移動時間；⑤ 提供給每艘船舶的岸橋位置必須相鄰；⑥ 由于船方要求和船舶噸位的影響,每艘船舶都有最小和最大的服務(wù)岸橋數(shù)限制；⑦ 岸橋一旦為一艘船舶服務(wù),只有完成該船舶的全部裝卸任務(wù)方可進(jìn)行下一次服務(wù).

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

3 算法設(shè)計(jì)

在碼頭的實(shí)際作業(yè)過程中,每艘船舶所占用的泊位、岸橋和時間資源各不相同,形成形狀各異的矩形塊,在布局過程中,為使各矩形塊盡可能緊湊,資源浪費(fèi)最少,采用遺傳算法尋求資源利用最大化,得出不同的優(yōu)化調(diào)度方案．與此同時,3大資源所帶來的不同程度的影響也不可忽略,將各類資源的影響因素以懲罰因子的形式附加在各個矩形塊上,形成M(資源成本)=v(資源體積)·ρ(效率密度)的體積密度各不相同的價值成本矩形塊,文中依據(jù)到港船舶總價值來評價調(diào)度方案的優(yōu)劣程度,利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了船舶最佳的岸橋分配數(shù)量以及泊位?？课恢煤痛涡?從而達(dá)到優(yōu)化資源配置，提高港口作業(yè)效率的目的[10]．其算法步驟:

(1) 根據(jù)船舶的到港順序確定船舶編號,即各自船舶資源占用塊的布局順序．

(3) 在給定時間區(qū)間內(nèi),采用遺傳算對每艘船舶的資源占用矩形塊進(jìn)行布局．

(4) 計(jì)算適應(yīng)度值v．

(5) 比較步驟(4)中的適應(yīng)度值,得出每個可行解的布局體積方案．

(6) 根據(jù)步驟(5)的結(jié)果計(jì)算出每艘船舶3大影響因子f1,f2,f3．

(7) 求解目標(biāo)函數(shù)M,尋求最小值Mmin．

(8) 輸出最終調(diào)度方案．

4 算例及其結(jié)果分析

文中結(jié)合河北省某港口碼頭某工作時間區(qū)間內(nèi)的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與算法分析,相關(guān)的基本情況如下:碼頭岸線長度為900 m,岸橋數(shù)量為10臺,取港口工作某天內(nèi)的全部到港船只,具體到港船舶屬性如表1.

表1 到港船舶計(jì)劃表Table 1 Arrival schedule of all vessels

注:① 船長包含靠泊時的安全距離；② 偏好泊位指船舶占用泊位的起始點(diǎn).

結(jié)合遺傳算法,對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,得出了3組可行的且相對較優(yōu)的解,如表2.

表2 船舶調(diào)度分配方案1Table 2 Vessels dispatching plan one

表3 船舶調(diào)度分配方案2Table 3 Vessels dispatching plan two

表4 船舶調(diào)度分配方案3Table 4 Vessels dispatching plan three

根據(jù)三維布局思想,采用遺傳算法,按照文獻(xiàn)[12]中已有的基于吸引子布局算法求解碼頭泊位岸橋分配問題,求得以上3個方案的適應(yīng)度值分別為0.222 0,0.231 5,0.204 4,因此,按已有算法求解，得到方案的優(yōu)劣結(jié)論:方案2>方案3>方案1．根據(jù)文中提出的思想,將泊位偏離、岸橋并行作業(yè)干擾以及延遲到、離港3大影響因素考慮在內(nèi),按照M(資源成本)=v(資源體積)·ρ(效率密度)的思想,在已有結(jié)論的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化,可知方案2的資源體積雖然相對最小,但泊位偏離、岸橋干擾以及時間延遲比較嚴(yán)重,因此得到不同結(jié)論:方案3>方案1>方案2,方案3的布局如圖2．在已有算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),綜合考慮實(shí)際作業(yè)過程中的多種干擾因素,建立更接近于實(shí)際作業(yè)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行求解,得出不同結(jié)論,說明文中提出的算法在港口碼頭作業(yè)中具有更高的可行性與操作性．

圖2 靠泊資源占用Fig.2 Occupancy of berthing resources

5 結(jié)論

(1) 在連續(xù)型泊位的基礎(chǔ)上,將傳統(tǒng)建模方法轉(zhuǎn)化為空間布局模型,可以綜合考慮泊位、岸橋、時間3大重要稀缺資源,同時將各類資源在占用過程中影響資源成本和工作效率的干擾因素設(shè)為懲罰函數(shù)考慮在內(nèi),通過啟發(fā)式算法進(jìn)行優(yōu)化求解,從而得到更符合實(shí)際作業(yè)的資源配置方案．

(2) 算例分析表明,該算法在資源體積占用方面較已有算法偏大,但是綜合3大資源的附加懲罰函數(shù)，該算法使得港口總成本最小,效益最高．

(3) 該研究采用先進(jìn)管理技術(shù)，結(jié)果對于提高港區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化水平,有很大的促進(jìn)作用．下一步的研究可以考慮船舶吃水深度以及工人連續(xù)作業(yè)時長對工作效率和服務(wù)質(zhì)量的影響,使研究結(jié)果更符合實(shí)際情況,不斷提高管理效率,優(yōu)化管理模式．