基于知識(shí)工程的煤炭碼頭堆場(chǎng)分配策略

王煜，鄭惠強(qiáng)，李強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804;2.上海海事大學(xué)集裝箱供應(yīng)鏈技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306;3.天津港(集團(tuán))有限公司科研設(shè)備部，天津 300461)

0 引言

煤炭是我國(guó)能源的命脈，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)煤炭需求量將達(dá)到22億～24億t，這意味著有大批量的煤炭需要運(yùn)輸.海運(yùn)是最主要的運(yùn)輸方式之一，而煤炭碼頭在煤炭運(yùn)輸中起著連接作用，是運(yùn)輸過(guò)程中重要的中轉(zhuǎn)站.近年來(lái)不斷增長(zhǎng)的運(yùn)輸態(tài)勢(shì)，使得煤炭碼頭公司面臨巨大壓力.堆場(chǎng)是所有碼頭的有限資源，如何在現(xiàn)有堆場(chǎng)條件下，有效利用碼頭堆場(chǎng)、提高碼頭周轉(zhuǎn)效率是堆場(chǎng)急需解決的問(wèn)題.

很多研究者針對(duì)碼頭的堆場(chǎng)分配問(wèn)題進(jìn)行研究，分析如何有效利用碼頭堆場(chǎng).例如:嚴(yán)偉等［1］和周桂清等［2］針對(duì)集裝箱碼頭堆場(chǎng)分配問(wèn)題，運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃方法建立滾動(dòng)式計(jì)劃的集裝箱堆場(chǎng)分配模型;KIM 等［3－4］研究件雜貨及散貨在不同標(biāo)準(zhǔn)下的堆放策略;蹤鋒等［5］針對(duì)散貨堆場(chǎng)的特點(diǎn)，提出增加散貨堆場(chǎng)堆存量的方法;DUINKERKEN等［6］提出堆場(chǎng)堆碼的最大剩余堆存空間策略;唐穎［7］建立筒倉(cāng)堆場(chǎng)生產(chǎn)管理策略的動(dòng)態(tài)分配原則及其數(shù)學(xué)模型;沈劍峰等［8］提出基于知識(shí)的箱位分配計(jì)劃方法;白治江等［9］建立堆存空間分配的線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃模型并用滾動(dòng)規(guī)劃方法得到堆場(chǎng)存儲(chǔ)空間的分配方案.從這些研究中可以看出，對(duì)于堆場(chǎng)的研究雖然較多，但是大部分都集中在集裝箱堆場(chǎng)，對(duì)散貨堆場(chǎng)的研究相對(duì)較少.本文以煤炭碼頭堆場(chǎng)作為研究對(duì)象，基于知識(shí)工程研究并改進(jìn)散貨碼頭的堆場(chǎng)分配方法，提高散貨堆場(chǎng)的利用率及碼頭的生產(chǎn)效率.

1 煤炭碼頭堆場(chǎng)分配問(wèn)題描述及堆存策略

煤炭碼頭堆場(chǎng)分配是連接碼頭進(jìn)場(chǎng)與出場(chǎng)的中間環(huán)節(jié)，由于煤炭碼頭針對(duì)的煤炭貨主和種類(lèi)都相對(duì)固定，所以煤炭碼頭堆場(chǎng)的分配有其特殊性.碼頭堆場(chǎng)的分配方法很多，使用不當(dāng)不但導(dǎo)致堆場(chǎng)利用率不高，裝船效率也會(huì)受到影響.煤炭碼頭的作業(yè)流程中，大部分采用裝船機(jī)裝船，機(jī)械相對(duì)固定，且需要在同一條皮帶上運(yùn)動(dòng)，所以煤炭碼頭堆場(chǎng)分配計(jì)劃顯得尤為重要，堆場(chǎng)分配的不同會(huì)影響到整個(gè)作業(yè)效率的高低，而這一點(diǎn)就體現(xiàn)在碼頭堆存策略上.煤炭碼頭堆場(chǎng)分配策略大致可以分為3種:

(1)隨機(jī)堆放.該策略是指在保證煤炭種類(lèi)相同且同一貨主的前提下，首先尋找堆場(chǎng)中是否存在已堆放該類(lèi)型煤炭的場(chǎng)區(qū)，如果有并且剩余空間足夠，則直接在該場(chǎng)區(qū)堆放，否則就新開(kāi)辟一塊場(chǎng)區(qū)堆放.

(2)固定堆放.該策略根據(jù)該碼頭的煤炭種類(lèi)及其吞吐量，把整個(gè)堆場(chǎng)按照相應(yīng)比例固定分配給不同的煤種，則在已經(jīng)劃分給該煤種的剩余場(chǎng)區(qū)中尋找堆放場(chǎng)區(qū).

(3)固定與隨機(jī)結(jié)合.該策略是前兩者的結(jié)合，對(duì)于吞吐量較大的煤種，分配固定場(chǎng)區(qū)，按照固定堆放的原則堆放，其余的按照隨機(jī)堆放的原則堆放.

由于碼頭的堆場(chǎng)資源有限，如果完全采用策略(2)可能會(huì)導(dǎo)致堆場(chǎng)的利用率低下;如果完全采用策略(1)，則可能會(huì)導(dǎo)致堆放相對(duì)分散，不利于裝船;雖然采用策略(3)比前兩者有一定改進(jìn)，但是由于沒(méi)有考慮到吞吐量的變化也會(huì)導(dǎo)致堆場(chǎng)資源分配的不均衡.所以，需要一種動(dòng)態(tài)的堆存策略才能更好地滿(mǎn)足碼頭上煤炭的堆存.

2 煤炭碼頭堆場(chǎng)分配模型

煤炭碼頭堆場(chǎng)分配，簡(jiǎn)言之就是從當(dāng)前狀態(tài)的各種堆場(chǎng)數(shù)據(jù)中找到堆場(chǎng)選擇所需要的數(shù)據(jù)，并根據(jù)人們制定的規(guī)則選擇合適的堆場(chǎng).對(duì)于任意一批進(jìn)場(chǎng)煤炭，其堆場(chǎng)分配的過(guò)程可被看作是按知識(shí)和規(guī)則運(yùn)作的許多判斷活動(dòng)的集合，每經(jīng)過(guò)一個(gè)(或一組)判斷，就是篩選一部分?jǐn)?shù)據(jù)出去，使得可選擇區(qū)域的范圍逐漸減少，并最終選出最優(yōu)區(qū)域分配給需要堆放的煤炭.

堆場(chǎng)分配過(guò)程中，設(shè)計(jì)劃分配的場(chǎng)區(qū)為P，堆場(chǎng)的狀態(tài)空間為U ＜M，F(xiàn)，V，C ＞，其中:M為可選擇堆場(chǎng)集合，該堆場(chǎng)所堆放的煤炭屬性為Cm;F為作業(yè)設(shè)備集合，F(xiàn)m代表第m個(gè)場(chǎng)區(qū)的設(shè)備狀態(tài)，設(shè)0代表設(shè)備狀態(tài)為不可作業(yè)，1代表設(shè)備狀態(tài)可以作業(yè);V為場(chǎng)區(qū)的可堆放容量，Vi為某一場(chǎng)區(qū)可堆放容量;C為待分配的煤種屬性(在分配計(jì)劃過(guò)程中，該值不變)，該次需要堆放的煤炭質(zhì)量為Qc.

當(dāng)進(jìn)行堆場(chǎng)分配時(shí)，設(shè)置當(dāng)前的初始狀態(tài)空間為U0＜ M0，F(xiàn)0，V0，C ＞，其中:M0代表堆場(chǎng)中所有場(chǎng)區(qū)的全集;F0代表堆場(chǎng)中所有場(chǎng)區(qū)對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)集合;V0是堆場(chǎng)剩余的堆存容量.

煤炭堆存位置的選擇可分為3個(gè)階段:可分配區(qū)域選擇，設(shè)備與堆場(chǎng)匹配，最優(yōu)區(qū)域選擇.從這3個(gè)階段的分析中可以看出整個(gè)模型的運(yùn)作過(guò)程就是在不斷縮小范圍，直到出現(xiàn)最終結(jié)果.如果設(shè)每一個(gè)階段結(jié)束后的狀態(tài)空間為Ui，則狀態(tài)空間應(yīng)滿(mǎn)足U3?U2?U1?U0，堆場(chǎng)區(qū)域選擇的框架見(jiàn)圖1.

通過(guò)這3個(gè)階段的執(zhí)行，最后得到最終狀態(tài)空間中的M3就是所求的區(qū)域P.每個(gè)階段其實(shí)都是基于知識(shí)的規(guī)則匹配過(guò)程，見(jiàn)圖2.該過(guò)程由待分配堆場(chǎng)的煤C根據(jù)相關(guān)規(guī)則R進(jìn)行規(guī)則匹配，整個(gè)規(guī)則匹配的基本運(yùn)算公式為M=f(C，R)，但每個(gè)過(guò)程中所利用的規(guī)則不同.

3 煤炭碼頭堆場(chǎng)分配規(guī)則

3.1 可分配區(qū)域選擇

可分配區(qū)域選擇是整個(gè)分配模型的第1個(gè)階段，該階段主要是指在僅考慮堆場(chǎng)堆存狀況的情況下，選擇可以堆放該煤種的場(chǎng)區(qū)，即從M0中挑選出滿(mǎn)足煤炭屬性 C的M1，而F1則是剩余M1場(chǎng)區(qū)的設(shè)備作業(yè)狀態(tài).

上述公式中，如果某一場(chǎng)區(qū)為空，說(shuō)明該場(chǎng)區(qū)可以被選擇，可以默認(rèn)為Cm=C，則在滿(mǎn)足式(1)的情況下，該場(chǎng)區(qū)能夠被選到.煤炭碼頭堆場(chǎng)是按照煤種分類(lèi)堆放煤炭的，所以其具體規(guī)則如下:

如果堆場(chǎng)中已經(jīng)存在某一煤種的堆放垛位，且該垛位剩余容量足夠，則選擇該垛位作為計(jì)劃位置;如果堆場(chǎng)中已經(jīng)存在某一煤種的堆放垛位，且該垛位剩余容量不足，則選擇空垛位作為計(jì)劃位置;如果堆場(chǎng)中不存在某一煤種的堆放垛位，則選擇一個(gè)空垛位作為計(jì)劃位置;如果某個(gè)垛位是空的，則該垛位在任意選擇中都可以作為計(jì)劃位置.

3.2 設(shè)備與堆場(chǎng)匹配

設(shè)備與堆場(chǎng)匹配是整個(gè)分配模型的第2個(gè)階段，該階段主要考慮設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)對(duì)堆場(chǎng)選擇的影響.如果設(shè)備作業(yè)狀態(tài)為1則可以選擇，否則不能選擇，這里的設(shè)備作業(yè)狀態(tài)是指該場(chǎng)區(qū)是否可以進(jìn)行作業(yè)，而不是該場(chǎng)區(qū)有沒(méi)有設(shè)備，即從M1中挑選出Fm為1的M2.

設(shè)備作業(yè)規(guī)則與設(shè)備的物理及空間作業(yè)特性有關(guān)，它影響到設(shè)備在物理及空間上的作業(yè)能力和對(duì)相鄰堆場(chǎng)的作業(yè)順序.通過(guò)作業(yè)能力可以判斷某種堆場(chǎng)狀態(tài)下設(shè)備能否將相應(yīng)的貨物放進(jìn)需要的堆場(chǎng)或者從某個(gè)堆場(chǎng)取煤.堆場(chǎng)的作業(yè)設(shè)備主要有取料機(jī)、堆料機(jī)及堆取料機(jī)，這些設(shè)備之間相互工作，必須保持相應(yīng)的場(chǎng)區(qū)寬度才能正常工作，并且這些作業(yè)機(jī)械覆蓋的面積都比較廣，所以在同時(shí)進(jìn)場(chǎng)或者裝船時(shí)應(yīng)考慮把煤炭堆放在不同機(jī)械對(duì)應(yīng)的場(chǎng)區(qū).根據(jù)這些機(jī)械的特性及作業(yè)要求，碼頭需要對(duì)作業(yè)規(guī)則作合理定義.規(guī)則如下:

如果某一垛位正在進(jìn)行裝船作業(yè)，那么其相鄰的垛位不能被作為計(jì)劃位置;如果某一垛位正在進(jìn)行堆垛作業(yè)，并且另一煤種也需要進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)堆垛，那么不在同一排上的垛位可以被作為計(jì)劃位置;如果兩種類(lèi)型的煤種需要在同一時(shí)間裝船，那么選擇不同排上的垛位作為計(jì)劃位置，并且這些垛位的作業(yè)不會(huì)相互干擾.

3.3 最優(yōu)區(qū)域選擇

最優(yōu)區(qū)域選擇是整個(gè)分配模型的最后階段，該階段就是要在這些滿(mǎn)足堆放及作業(yè)條件的堆場(chǎng)中選擇一個(gè)或者幾個(gè)最適合該種煤炭堆存的堆場(chǎng)區(qū)域，在該階段就要考慮關(guān)于貨物周轉(zhuǎn)率、出口裝船的狀況、出口運(yùn)輸路徑的長(zhǎng)短等很多問(wèn)題，所以這個(gè)階段是最為復(fù)雜的，需要考慮的因素非常多，最后選擇出需要的堆場(chǎng)區(qū)域.也就是從M2中挑選出足夠堆放Qc且作業(yè)效率最優(yōu)的堆場(chǎng)區(qū)域M3.

最優(yōu)區(qū)域選擇需要考慮到煤炭的周轉(zhuǎn)率:周轉(zhuǎn)率較高的煤種應(yīng)堆放在容易取煤的堆場(chǎng)區(qū)域，即靠近中間的區(qū)域;周轉(zhuǎn)率較低的則可以選擇靠近堆場(chǎng)兩邊的位置堆放;同時(shí)，為了裝船能連續(xù)取貨，同種煤炭應(yīng)堆放在相鄰區(qū)域;當(dāng)上述過(guò)程中剩余的堆場(chǎng)堆存量Σ Vm大于Qc時(shí)，就以裝船優(yōu)先，考慮裝船路徑最短的位置.規(guī)則如下:

如果某一種煤炭的周轉(zhuǎn)率較高，那么選擇堆場(chǎng)中間的垛位作為計(jì)劃位置;如果某一種煤炭的周轉(zhuǎn)率較低，那么選擇堆場(chǎng)兩端的垛位作為計(jì)劃位置;如果堆場(chǎng)中存在某一煤種的堆放垛位，那么新選擇的計(jì)劃位置應(yīng)與該垛位相鄰;如果可供選擇的垛位容量大于需要的容量，那么選擇裝船距離最近的垛位作為計(jì)劃位置.

4 案例分析

以某煤炭碼頭為例進(jìn)行分析.該碼頭岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)600 m，前沿最大水深19.6 m，堆場(chǎng)面積15萬(wàn)m2，分為60個(gè)垛位，堆存能力86萬(wàn)t，年吞吐量2 100萬(wàn)t左右，裝船機(jī)裝船實(shí)際最高值為3 000～4 000 t/h(平均2 000 t/h).該碼頭煤炭堆存工藝主要為:火車(chē)運(yùn)煤進(jìn)港，翻車(chē)機(jī)卸車(chē)，皮帶運(yùn)輸，堆料機(jī)堆煤.裝船工藝主要為:取料機(jī)取煤，皮帶運(yùn)輸至前沿，裝船機(jī)裝船.

根據(jù)相關(guān)調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，船舶裝載量服從以3.5萬(wàn)t為均值，1萬(wàn)t為最小值，9萬(wàn)t為最大值的截?cái)嗾龖B(tài)分布;同時(shí)，船舶到達(dá)間隔服從負(fù)指數(shù)分布，其均值為14.4 h.利用仿真方法對(duì)該碼頭1 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 堆場(chǎng)平均堆存量統(tǒng)計(jì)

堆場(chǎng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為堆場(chǎng)占用率及裝船效率.根據(jù)各場(chǎng)區(qū)的平均堆存量及其堆場(chǎng)容量，可以計(jì)算出各場(chǎng)區(qū)的堆場(chǎng)占用率.計(jì)算公式如下:

式中:di和Di分別為第i個(gè)堆場(chǎng)的存煤量和堆場(chǎng)總?cè)萘浚琋表示共有N個(gè)場(chǎng)區(qū).計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 堆場(chǎng)利用分析

同時(shí)，根據(jù)仿真結(jié)果得到裝船效率，見(jiàn)圖3.

從表1和2中可看出:該煤炭碼頭使用本文的堆場(chǎng)分配方法后，其堆場(chǎng)平均占用率在65.6%左右，在這種狀態(tài)下，如果碼頭吞吐量增大，也能夠滿(mǎn)足其堆存需求;在裝船時(shí)間的對(duì)比中，采用新堆場(chǎng)分配方案的平均裝船時(shí)間為13.48 h，原方案的平均裝船時(shí)間為14.18 h.雖然圖3中有少數(shù)船舶的裝船時(shí)間比原方案長(zhǎng)，但這是由于某些周轉(zhuǎn)率高的煤種堆存位置比其他煤種的作業(yè)效率低而導(dǎo)致的.從整體上比較，整個(gè)周期內(nèi)的平均裝船時(shí)間比原方案有所提高，碼頭效率得到提升，說(shuō)明新的堆場(chǎng)分配模型在合理分配堆場(chǎng)的情況下能更好地完成裝船工作.

圖3 裝船時(shí)間對(duì)比

另外，還可以看到該碼頭某些垛位的占用率超過(guò)90%，但這些位置都是容易取煤的垛位，并且堆的都是周轉(zhuǎn)率較高的煤種，這樣既能提高堆場(chǎng)的有效利用率，對(duì)碼頭的裝船作業(yè)效率也有所幫助.

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)煤炭碼頭堆場(chǎng)分配問(wèn)題進(jìn)行研究，分析煤炭碼頭的各種堆存策略，并根據(jù)碼頭堆場(chǎng)管理原則和設(shè)備特征，獲取堆場(chǎng)分配相關(guān)規(guī)則，構(gòu)建基于知識(shí)的煤炭碼頭堆場(chǎng)分配模型，對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行合理分配，能有效提高煤炭碼頭的裝船效率，對(duì)煤炭碼頭的生產(chǎn)起到一定的幫助作用.

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