1 上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司 2 上海海勃物流軟件有限公司 3 華東師范大學(xué)

1 引言

配載是碼頭作業(yè)過程中的一個(gè)非常重要的組成部分，關(guān)系著碼頭和船方兩方的利益。對(duì)于船方而言，配載需要以積載要求為基礎(chǔ)，以滿足船舶適航條件要求為前提；對(duì)于碼頭來說，配載需要達(dá)到碼頭的作業(yè)要求，保證作業(yè)的連續(xù)性，在船期內(nèi)完工。配載的好壞很大程度上決定了船舶的作業(yè)是否順利。

汪圓圓等[1]針對(duì)掛靠多港口集裝箱船的全航線預(yù)配問題，以倒箱量最少、船舶縱向強(qiáng)度最優(yōu)為目標(biāo)，提出0-1整數(shù)規(guī)劃模型，并采用混合整數(shù)規(guī)劃算法、蟻群算法和遺傳算法等模擬計(jì)算得出8BAY集裝箱船全航線智能預(yù)配問題研究的最優(yōu)結(jié)果。牛王強(qiáng)等[2]從船方和碼頭兩方面總結(jié)了自動(dòng)配載近十多年的研究進(jìn)展，給出了數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的一般思路。王斌等[3]對(duì)集裝箱優(yōu)化配載的具體流程進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以搭載不同優(yōu)化算法的配載軟件，并進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。黃桁[4]研究了確定性和不確定性的自動(dòng)化碼頭配載問題，針對(duì)確定性問題，設(shè)計(jì)基于集裝箱與船箱位編號(hào)排序的禁忌搜索算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有輪盤賭選擇交換算子的改進(jìn)禁忌搜索算法，基于貪婪算法設(shè)計(jì)禁忌搜索的初始解，通過一個(gè)BAY的數(shù)據(jù)算例證明了其魯棒優(yōu)化模型的正確性和算法搜索的高效性。但上述研究?jī)H停留在理論階段，未能在碼頭中推廣使用，或是未能考慮到目前機(jī)械設(shè)備、碼頭布局的革新。目前在洋山深水港四期全自動(dòng)化集裝箱碼頭內(nèi)，所有船舶均可使用自動(dòng)配載。本文就洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的自動(dòng)配載系統(tǒng)進(jìn)行分析和介紹，以便更好地推廣和改善自動(dòng)配載系統(tǒng)。

2 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的自動(dòng)配載分析

如圖1所示，洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭為了提升自動(dòng)化堆場(chǎng)的容量和優(yōu)化堆場(chǎng)布局[5]，相對(duì)于傳統(tǒng)碼頭，作出了5個(gè)方面的改變：

圖1 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)布局

(1)箱區(qū)采取了不同于傳統(tǒng)碼頭的水平布置，轉(zhuǎn)而變?yōu)榇怪贝a頭布置，箱區(qū)之間為維修通道，兩端設(shè)置AGV(Automatic Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車)和集卡的交換區(qū)，水平運(yùn)輸機(jī)械不進(jìn)入箱區(qū)，減少場(chǎng)內(nèi)道路，嚴(yán)格區(qū)分自動(dòng)化和非自動(dòng)化區(qū)域，在交通管控上有了很大的改善。

(2)堆場(chǎng)縱深依據(jù)地形實(shí)現(xiàn)了最大化。

(3)與傳統(tǒng)碼頭使用輪胎吊不同，每個(gè)箱區(qū)配置2臺(tái)軌道吊同軌運(yùn)行。無懸臂箱區(qū)有明顯的海陸側(cè)分工，也能通過接力互相支援。當(dāng)一臺(tái)軌道吊故障時(shí)，將其推至維修區(qū)，另外一臺(tái)軌道吊能夠頂替作業(yè)。懸臂箱區(qū)則主要負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)與出口業(yè)務(wù)，AGV可以駛?cè)胂鋮^(qū)內(nèi)的21 m通道，2臺(tái)軌道吊可以同時(shí)進(jìn)行海側(cè)作業(yè)，而陸側(cè)作業(yè)只能由陸側(cè)軌道吊完成。

(4)海側(cè)AGV交換區(qū)設(shè)置了支架，增加調(diào)度的冗余度；陸側(cè)則是直接對(duì)集卡作業(yè)。

(5)冷藏箱采用相對(duì)集中的布置，與普通箱一同堆放在自動(dòng)化箱區(qū)中。

對(duì)于配載員來說，最重要的是在滿足船公司要求的重量、港口分布、特種箱特定位置的基礎(chǔ)上，保證船舶作業(yè)的連續(xù)性，即保證供給橋吊的箱區(qū)出箱順暢。

在傳統(tǒng)碼頭，通常1條靠泊船舶的出口箱與中轉(zhuǎn)箱堆場(chǎng)計(jì)劃會(huì)安排在靠泊泊位的2～3塊箱區(qū)，可由多臺(tái)輪胎吊同時(shí)進(jìn)入箱區(qū)進(jìn)行發(fā)箱作業(yè)，即1個(gè)箱區(qū)有多個(gè)出箱點(diǎn)。在洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭中，無懸臂箱區(qū)可認(rèn)為1個(gè)出箱點(diǎn)，懸臂箱區(qū)最多為2個(gè)出箱點(diǎn)。為了保證同樣的出箱點(diǎn)數(shù)量來滿足海側(cè)供箱能力，堆場(chǎng)計(jì)劃不得不將1條靠泊船舶的出口箱安排在了靠泊泊位附近的幾個(gè)，甚至十幾個(gè)箱區(qū)中，給配載員的判斷造成了很大的困難。

傳統(tǒng)碼頭配載員在配船時(shí)，通常會(huì)注意每條橋吊作業(yè)路的箱區(qū)分布，盡可能在保證每條作業(yè)路的作業(yè)效率的前提下，確保在同一作業(yè)時(shí)間段堆場(chǎng)輪胎吊發(fā)箱不會(huì)沖突，作業(yè)路之間干擾較少。傳統(tǒng)碼頭箱區(qū)數(shù)量較少，箱子分布較為集中，同一箱區(qū)出箱點(diǎn)較多，配載判斷較為容易；洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭箱區(qū)數(shù)量多，箱子的分布又較為分散，配載員很難保證各條作業(yè)路均順暢運(yùn)轉(zhuǎn)、互不影響，因此自動(dòng)配載的開發(fā)使用很有必要。

自動(dòng)配載將配載員的經(jīng)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)語言和程序的方式，展現(xiàn)到配載結(jié)果上，相較于人工配載有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)簡(jiǎn)化配載員操作與思維。自動(dòng)配載只需要制作預(yù)配船圖，相當(dāng)于只需要搭建一個(gè)框架，具體的填充內(nèi)容無需人工操作。

(2)提升整體配載效果。自動(dòng)配載整體結(jié)果快捷可靠，在堆場(chǎng)使用正常的情況下，自動(dòng)配載對(duì)于單船的首配重箱翻箱率低于10%，拼車率低于20%，清列率大于80%；空箱翻箱率為0，拼車率低于2%，清列率大于85%。通常在預(yù)配準(zhǔn)確、放關(guān)率較好的情況下，設(shè)置好各類要求的參數(shù)后，只需要調(diào)整數(shù)箱至數(shù)十箱之內(nèi)，出箱情況良好。

(3)充分利用EDI船圖。對(duì)于傳統(tǒng)碼頭，船公司提供的EDI船圖是無用的。但是在洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭，只要EDI船圖的信息與在場(chǎng)箱信息出入不大，即可直接使用完成配載。

3 洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭自動(dòng)配載的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 自動(dòng)配載總體流程

洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭自動(dòng)配載整體實(shí)現(xiàn)流程為：載入信息、數(shù)據(jù)校驗(yàn)赫爾格式化處理、預(yù)配的屬性組檢查、預(yù)配的重量組檢查、重量組劃分、重量填充、應(yīng)用自動(dòng)配載算法進(jìn)行配載、自動(dòng)檢查交換、輸出配載結(jié)果。

3.2 載入信息及格式化處理

系統(tǒng)自動(dòng)讀取航次信息、參數(shù)文件、箱分組信息、船舶重量要求信息、港口信息、CWP工作計(jì)劃、預(yù)配位信息、箱區(qū)信息、在場(chǎng)箱信息、箱作業(yè)時(shí)間信息、船舶結(jié)構(gòu)信息、重量等級(jí)信息的數(shù)據(jù)文件。將讀取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理，按照不同的關(guān)鍵字進(jìn)行分類，存放在不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

3.3 合法性檢查與重量劃分、填充

配載時(shí)的重要選箱原則就是規(guī)則與重量，所以將其分為屬性組和重量組方便后續(xù)選箱。屬性組即碼頭中箱子對(duì)應(yīng)的規(guī)則，包含尺寸、空重、冷凍標(biāo)志、危險(xiǎn)品標(biāo)志、箱型、高平、港口等內(nèi)容。重量組可由船舶結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，也可重新進(jìn)行人工輸入設(shè)定。如0～5 t為一個(gè)重量組，范圍越小，越容易滿足船方要求，但是翻箱率越高；范圍越大，則可能會(huì)偏離船方的要求，但是翻箱率會(huì)有所下降。

預(yù)配位是擁有預(yù)配規(guī)則的船箱位。合法性是數(shù)量與重量上處于可執(zhí)行的狀態(tài)為合法，如制作好規(guī)則和重量組，預(yù)配箱數(shù)量小于等于可配箱、預(yù)配箱的重量處于在場(chǎng)箱重量組范圍內(nèi)等。

(1)檢查屬性組。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的預(yù)配位的屬性組信息，對(duì)比每個(gè)屬性組中預(yù)配位和在場(chǎng)箱的箱子數(shù)目是否一致。如果在場(chǎng)箱中找不到符合這種屬性組信息的箱子，就會(huì)出現(xiàn)提示信息，要求人工干預(yù)，檢查輸入信息是否有誤；如果在場(chǎng)箱中這種屬性組的集裝箱不足以將該種屬性組的預(yù)配位全部配載，那么便會(huì)輸出提示信息，對(duì)多出的預(yù)配位信息進(jìn)行人工調(diào)整。

(2)檢查重量組。如果每個(gè)預(yù)配位都有相應(yīng)的重量，要檢查這個(gè)重量是不是和該預(yù)配的重量組相匹配(一般這種情況出現(xiàn)在EDI導(dǎo)入)。循環(huán)遍歷整個(gè)預(yù)配集合，檢查每個(gè)預(yù)配位重量是否在對(duì)應(yīng)的重量組范圍之內(nèi)。如果不合法，需進(jìn)行重量組的重新劃分和重量填充，否則便直接進(jìn)入配載過程。

(3)重量組劃分。重量組的劃分邏輯見圖2，其匹配劃分流程見圖3。為了實(shí)現(xiàn)整船重量的合理分布，在匹配劃分中進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)：將每個(gè)屬性組的預(yù)配位集合根據(jù)距離中心排、最小層(甲板上下的最小層不同)、中心排的位置偏差大小進(jìn)行排序，得到以中心到偏離中心的順序排序后的甲板上下的預(yù)配位集合。循環(huán)這個(gè)排序后的結(jié)構(gòu)，將重量組按照從重到輕進(jìn)行填充，并按照中心位置排序后的預(yù)配位集合，一次循環(huán)會(huì)填充甲板上下各一個(gè)預(yù)配位對(duì)應(yīng)的重量組(如果甲板上下都還有預(yù)配位)，一直到某個(gè)屬性組的某個(gè)重量組數(shù)目填完，再填下一個(gè)重量組，最終將全部預(yù)配位要求的重量組填完，結(jié)束填充。

圖2 重量組劃分邏輯

圖3 重量組匹配劃分流程

(4)重量填充。每個(gè)預(yù)配位都有對(duì)應(yīng)的重量組和預(yù)配的船箱位，結(jié)合重量組的重量范圍和船箱位在船上的位置權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)的重量填充。如果該預(yù)配位比較靠近中心位置，填充的重量應(yīng)該接近重量組的上限；而越偏離中心位置的預(yù)配位，填充的重量應(yīng)越接近重量組的下限。在該重量組的最小重量的基礎(chǔ)上，加上和位置有關(guān)的增加重量偏差，即得到該位置的填充重量。

3.4 應(yīng)用算法進(jìn)行配載

在配載具體某一個(gè)預(yù)配位時(shí)，對(duì)于所有的候選預(yù)配箱，需要指定一個(gè)合理的評(píng)價(jià)策略，整個(gè)決策的過程會(huì)根據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)策略的指標(biāo)來進(jìn)行。每一個(gè)預(yù)配位的決策過程都希望能選到最優(yōu)或者次優(yōu)的解，進(jìn)而獲得整體的優(yōu)解，因此，評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)預(yù)配箱選擇的結(jié)果起到?jīng)Q定性作用，科學(xué)合理的評(píng)價(jià)函數(shù)才能獲得好的配載效果。針對(duì)洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭，算法目前考慮如下因素：

(1)軌道吊相關(guān)因素。包括大車移動(dòng)速度、距離、作業(yè)不同層數(shù)在場(chǎng)箱的時(shí)間、位于懸臂或無懸臂箱區(qū)等。

(2)翻箱因素。

(3)AGV因素。

(4)重量因素。

(5)其他因素。主要包含洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭具體情況的因素：在16 min內(nèi)出過4箱以上的箱區(qū)加罰分，避免箱區(qū)沖突；選擇盡量小于該預(yù)配位的填充重量的箱子，避免超過槽重限制； 橋吊雙箱吊作業(yè)的第2個(gè)箱子盡量與第1個(gè)箱子在同一箱區(qū)出箱，減少AGV拼箱的行駛時(shí)間；懸臂軌道吊盡量選擇前一個(gè)裝船箱的同一在場(chǎng)貝位的箱子，減少大車的移動(dòng)時(shí)間；軌道吊盡量選擇前一個(gè)裝船箱的同一在場(chǎng)列的箱子，增加清列率，減少因?yàn)闃虻踝鳂I(yè)快慢或突發(fā)情況造成的翻箱，同時(shí)提高堆場(chǎng)的利用率；候選箱集中的箱區(qū)優(yōu)先選擇出箱，避免作業(yè)最后該箱區(qū)箱子剩余過多；允許艙內(nèi)或甲板同一列中同港口組的高平大箱的上下互換，減少翻箱。

因此，其中部分因素是直接的時(shí)間因素，可以將其統(tǒng)一為時(shí)間單位。而像重量因素并不是直接的時(shí)間因素，為了便于比較和調(diào)節(jié)不同因素之間的重要程度，需要將非時(shí)間因素轉(zhuǎn)化為時(shí)間因素，便于評(píng)價(jià)值的比較，也便于在實(shí)踐操作中根據(jù)碼頭的不同工作狀態(tài)，甚至是不同碼頭的不同情況，調(diào)節(jié)各因素之間的權(quán)重，進(jìn)而取得較好的配載效果。在確定了預(yù)配箱的評(píng)價(jià)函數(shù)之后，還要確定配載整體評(píng)價(jià)的流程。在出箱過程中，先后集裝箱之間是會(huì)互相影響的，比如同一個(gè)列中的上方集裝箱和下方集裝箱在倒箱時(shí)間上就會(huì)有直接影響，或者同一箱區(qū)出箱量與附近箱區(qū)出箱量之間也會(huì)互相影響。因此，配載除了對(duì)單獨(dú)的每一個(gè)預(yù)配位進(jìn)行評(píng)價(jià)之外，還需要給整個(gè)過程設(shè)計(jì)一個(gè)整體的優(yōu)化策略。由于一次配載通常需要處理幾百到幾千個(gè)預(yù)配位，要獲得全局最優(yōu)解是難以實(shí)現(xiàn)的，所以采取了分枝搜索的算法，分出X條鏈路，考慮Y個(gè)預(yù)配位，選取綜合最優(yōu)。

3.5 自動(dòng)檢查交換，輸出配載結(jié)果

在執(zhí)行完自動(dòng)配載后會(huì)生成第一次的結(jié)果，針對(duì)配載員設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于不滿足的位置進(jìn)行箱子之間的交換，得到符合要求的結(jié)果。

(1)重壓輕檢驗(yàn)交換。當(dāng)出現(xiàn)有甲板或艙內(nèi)上層箱比下層箱重的情況，結(jié)合配載設(shè)置的參數(shù)檢驗(yàn)是否在允許范圍內(nèi)，如果超出，則進(jìn)行該列上下層箱的交換。

(2)槽重負(fù)荷檢驗(yàn)交換。通過配載員輸入的平均大小箱負(fù)荷，在結(jié)合預(yù)配、已配、過境的層數(shù)計(jì)算得出總負(fù)荷，減去已配和過境的重量得到該倍預(yù)配的單槽負(fù)荷值，根據(jù)得出的負(fù)荷值執(zhí)行下一階段過程。其計(jì)算公式為：平均負(fù)荷×所有箱子的層數(shù)-(已配箱重量+過境箱重量)=預(yù)配箱負(fù)荷。

自動(dòng)配載完成后檢驗(yàn)槽重，記錄超重的槽和超重的噸位。進(jìn)行整船檢索，優(yōu)先交換艙內(nèi)不同槽的箱子，解決超重的問題，同時(shí)根據(jù)重量允許的范圍進(jìn)行整船重壓輕的重量組交換。記錄交換后的整船重量分布，刪除原先配載，重新生成配載，其目的是得到更好的配載效果。例如，交換后一個(gè)預(yù)配位記錄了24.5 t的重量，那么再次配載時(shí)給出一個(gè)24～25 t的重量組范圍。多次重復(fù)上述步驟，將重量范圍越縮越小，直至不出現(xiàn)超負(fù)荷的情況。如出現(xiàn)沒有合適箱子可用交換時(shí)，完成自動(dòng)配載，給出超重位置，讓配載員人工介入。

4 結(jié)語

自動(dòng)配載系統(tǒng)從開港運(yùn)行至今表現(xiàn)良好，已經(jīng)能夠支持目前16臺(tái)橋吊同時(shí)作業(yè)的規(guī)模，對(duì)于船方的積載要求也能基本滿足，同時(shí)也支持人工調(diào)整滿足船方的特殊要求。但作為一個(gè)全新的系統(tǒng)，其中的部分決策因素仍需要不斷進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)自動(dòng)化碼頭作業(yè)的需求。