一種集裝箱港口集卡的動態(tài)調(diào)度方法

馬慧娟，杜玉越

(山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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一種集裝箱港口集卡的動態(tài)調(diào)度方法

馬慧娟，杜玉越

(山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：在集裝箱港口中，設(shè)備的配置和調(diào)度對港口的運作效率有著較大影響。為了研究集裝箱港口岸橋與集卡的調(diào)度，在混合交叉作業(yè)模式下，基于集卡運輸時間和集卡排隊等待時間的權(quán)重系數(shù)考慮，建立了以總作業(yè)時間最小為目標的集卡動態(tài)調(diào)度模型，實現(xiàn)了不同船舶裝船作業(yè)和卸船作業(yè)同時進行的集卡動態(tài)分配。最后，通過對集裝箱港口實際作業(yè)流程的建模仿真，例證了本文模型的有效性和實用性。

關(guān)鍵詞：集裝箱港口；混合交叉作業(yè)；集卡動態(tài)調(diào)度；仿真模型

現(xiàn)代集裝箱港口是陸運與海運兩種運輸方式間集裝箱轉(zhuǎn)運的中轉(zhuǎn)樞紐，在全球綜合運輸體系中發(fā)揮著日益重要的作用。在貿(mào)易規(guī)模與日俱增的繁榮期，如何在現(xiàn)有的港口規(guī)模下，挖掘潛力，改進管理水平，研究港口裝卸工藝流程和資源調(diào)度，進一步優(yōu)化利用現(xiàn)有的資源來改善港口的吞吐能力，降低運營成本，是港口提高自身競爭力的重點。

由于集裝箱港口生產(chǎn)作業(yè)的復(fù)雜性，目前較常見的優(yōu)化方法是將港口作業(yè)系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)，分層次進行優(yōu)化。具體地可以分為泊位調(diào)度分配[1]、岸橋調(diào)度[2]、水平搬運設(shè)備等的調(diào)度配置[3-4]、堆場內(nèi)場橋等設(shè)備的資源調(diào)度[5-6]以及不同裝卸工藝[7-8]等。在集卡路線優(yōu)化方面，楊靜蕾[9]以集卡行駛距離最短為目標，建立集卡路徑優(yōu)化模型，求解集卡最優(yōu)行駛路徑；CAO等[10]考慮了集卡資源有限制下的集卡調(diào)度模型，建立了以集卡運輸時間和等待時間加權(quán)和最小為目標函數(shù)的模型，設(shè)計了改進算法來求解模型。但前者只考慮集卡行駛路徑最短，沒有考慮集卡的行駛時間，而后者的優(yōu)化目標考慮因素不夠全面。

針對岸橋與集卡聯(lián)合調(diào)度問題，本文在混合交叉作業(yè)模式下，基于集卡運輸時間和集卡排隊等待時間的權(quán)益系數(shù)，將岸橋作業(yè)時間、集卡排隊等待時間和集卡行駛路徑多種因素考慮在內(nèi)，提出一種以作業(yè)時間最少為目標的集卡動態(tài)調(diào)度算法。最后以青島某集裝箱港口的一個時段為案例，通過建模仿真方式例證了本文方法的正確性和有效性。

1問題描述

1.1港口裝卸作業(yè)流程

集裝箱港口的作業(yè)流程，是集裝箱從卸船到離港，從進港到裝船的搬運過程中，采用的工藝流程、裝卸搬運機械類型及其相互配合的作業(yè)方式[11]。船舶進港后先給其分配泊位，然后根據(jù)船舶的裝卸量制定相應(yīng)的裝載和卸載計劃，對岸橋、場橋和集卡進行分配和調(diào)度，堆場根據(jù)堆存策略安排集裝箱的位置。

1.2不同裝卸模式分析

獨立裝卸作業(yè)模式，是指給某一艘船舶配備一定數(shù)量的岸橋和集卡的裝卸模式[12]，如圖1所示。在卸船過程中，集卡在泊位a搭載一個進口集裝箱運送到進口箱區(qū)i，然后空載返回泊位a去卸載另一個進口集裝箱；在裝船過程中，集卡在出口箱區(qū)j裝載一個集裝箱運送到泊位b，然后空載返回堆場去裝載另一個出口集裝箱。

圖1　獨立裝卸作業(yè)模式示意圖

圖2　混合交叉作業(yè)模式示意圖

混合交叉作業(yè)模式，是指基于作業(yè)面的調(diào)度模式下，集卡池的集卡不再單獨服務(wù)于一艘船，而是按照整體優(yōu)化思想來完成集裝箱的裝載和卸載任務(wù)[12]，如圖2所示?；旌辖徊孀鳂I(yè)模式下，集卡在裝卸作業(yè)時，可有多種選擇：

1) 單程卸載：集卡從進口泊位a重載至進口箱區(qū)i，然后空車返回泊位a；

2) 單程裝載：集卡從出口箱區(qū)j重載至出口泊位b，然后空車返回箱區(qū)j；

3) 同步裝卸：集卡從進口泊位a重載至進口箱區(qū)i，空駛至出口箱區(qū)j，再重載至出口泊位b，然后空駛至泊位a。

1.3集卡調(diào)度的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)岸橋、場橋作業(yè)時間和集卡的運輸時間，在“作業(yè)面”作業(yè)模式下，建立了集卡調(diào)度模型[13]。模型參數(shù)和變量定義如下：tai表示集卡從進口泊位a行駛到進口箱區(qū)i的時間(集卡從進口箱區(qū)i行駛到進口泊位a的時間也為tai)；tij表示集卡從進口箱區(qū)i行駛到出口箱區(qū)j的時間；tjb表示集卡從出口箱區(qū)j行駛到出口泊位b的時間(集卡從出口泊位b行駛到出口箱區(qū)j的時間也為tjb)；tba表示空載的集卡從出口泊位b行駛到進口泊位a的時間；t1表示岸橋裝、卸集裝箱作業(yè)時間；t2表示場橋裝、卸集裝箱作業(yè)時間；m表示進口箱區(qū)的數(shù)量；n表示出口箱區(qū)的數(shù)量；k表示進口泊位的數(shù)量；l表示出口泊位的數(shù)量；Di表示計劃從進口泊位卸到進口箱區(qū)i的進口集裝箱數(shù)量；Lj表示計劃從出口箱區(qū)j運輸?shù)匠隹诓次坏某隹诩b箱數(shù)量；Da表示從進口泊位a進口的集裝箱總量；Lb表示從出口泊位b出口的集裝箱總量；xaijb表示集卡從進口泊位a重載至進口箱區(qū)i，卸載后集卡空駛至出口箱區(qū)j裝箱后再重載至出口泊位b的次數(shù)；xai表示集卡從進口泊位a重載至進口箱區(qū)i再空車返回到泊位a的次數(shù)；xjb表示集卡從出口箱區(qū)j重載至出口泊位b再空車返回到箱區(qū)j的次數(shù)。

基于集卡調(diào)度優(yōu)化的考慮，建立以總作業(yè)時間最小為目標的集卡調(diào)度模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)是目標函數(shù)，表示集卡完成所有進出口集裝箱所用的運輸時間與岸橋、場橋作業(yè)時間之和最小；式(2)表示計劃堆存在進口箱區(qū)i的集裝箱由集卡從進口泊位全部運送到進口箱區(qū)i；式(3)表示計劃從出口箱區(qū)j運送到出口泊位的集裝箱由集卡從出口箱區(qū)j全部運送到出口泊位；式(4)表示集卡從進口泊位a運輸?shù)礁鱾€進口箱區(qū)的集裝箱總數(shù)等于計劃從進口泊位a進口的集裝箱總數(shù)；式(5)表示集卡從各個出口箱區(qū)運輸?shù)匠隹诓次籦的集裝箱總數(shù)等于計劃從出口泊位b出口的集裝箱總數(shù)。

2集卡動態(tài)調(diào)度算法

集卡動態(tài)調(diào)度是在裝載計劃和卸載計劃已知的前提下，根據(jù)岸橋裝卸任務(wù)給岸橋動態(tài)分配集卡的過程。本節(jié)設(shè)計一個集卡動態(tài)調(diào)度算法來實現(xiàn)混合裝卸模式下給岸橋動態(tài)分配集卡的問題，以期獲得比傳統(tǒng)的給泊位配備固定集卡的方法更短的作業(yè)時間，減少集卡的行駛距離，提高岸橋的利用率。算法設(shè)計的詳細流程如圖3所示。

算法1：集卡動態(tài)調(diào)度算法

Step1：設(shè)置需要分配集卡的岸橋編號為i，i=(1,…,Nc)(Nc為需要分配集卡的岸橋的數(shù)量)。

Step2：定義樹節(jié)點Ldi和Lli，其中Ldi用于存儲一個給定岸橋i未完成的卸載列表，Lli用于存儲一個給定岸橋i未完成的裝載列表。如果岸橋i的卸載列表Ldi和裝載列表Lli都不存在，則轉(zhuǎn)Step18；否則，返回Ldi中集裝箱數(shù)量Ncdi和Lli中集裝箱數(shù)量Ncli。

Step4：如果目前被派往岸橋i卸載的集卡總數(shù)與被派往岸橋i裝載的集卡總數(shù)之和大于等于Nti(，即Ntdi+Ntli≥Nti′，則轉(zhuǎn)到Step18，其中Ntdi包括前往岸橋i和在岸橋i處等待的集卡，Ntli包括前往岸橋i和在岸橋i處等待的集卡。

Step5：如果Ncdi>0，則岸橋i的初始卸載積分Sdi=0；否則轉(zhuǎn)Step9。

Step6：如果當(dāng)前集卡沒在堆場并且已經(jīng)分配給了岸橋i做卸載操作，則岸橋i的卸載積分Sdi1=Sdi+Sd，Sd為岸橋一次卸載操作積分；否則，該岸橋卸載積分Sdi1=Sdi+w1×di，其中w1為集卡行駛單位距離的權(quán)重，di為集卡到達目的地岸橋i需要行駛的距離。

Step8：如果Sdi2>S0，S0為一個初始值，則S0=Sdi2，把當(dāng)前集卡分配給岸橋i，岸橋i卸載Ldi中第Ncdi個集裝箱。

Step9：如果Ncli>0，則裝載積分Sli=0；否則轉(zhuǎn)Step18。

圖3　集卡動態(tài)調(diào)度算法流程

Step11：如果當(dāng)前集卡在堆場，岸橋i裝載積分Sli2=Sli1+SL，SL為場橋一次裝載操作積分；

否則，Sli2=Sli1。

Step12：設(shè)置需要裝載的集裝箱編號為j，j=(1，…，Ncli)。

Step13：返回裝載計劃列表中第j個集裝箱所在箱區(qū)的信息，第j個集裝箱所在箱區(qū)中的要裝載集裝箱數(shù)量NbL= 指定的調(diào)度任務(wù)序列。

Step14：臨時裝載積分Sli3=Sli2+w2×NbL，w2為多個集卡行駛到同一個箱區(qū)的權(quán)值，NbL為集裝箱數(shù)量。

Step15：岸橋i臨時裝載積分Sli4=Sli3+w1×d，d為集卡到達目的箱區(qū)需要行駛的距離。

Step16：如果Sli4>S0，S0為初始值，則S0=Sli4，把當(dāng)前集卡分配給岸橋i，裝載Lli中第j個集裝箱。

Step17：j=j+1，判斷是否j≤Ncli，如果j≤Ncli，轉(zhuǎn)到Step13。

Step18：i=i+1，判斷是否i≤Nc，如果i≤Nc，轉(zhuǎn)到Step2。

Step19：判斷Ncdi和Ncli是否大于0，若Ncdi>0或者Ncli>0，轉(zhuǎn)到Step1；否則，結(jié)束。

在該算法中，集卡不再固定服務(wù)于某一岸橋或者某一艘船舶，而是根據(jù)待裝卸集裝箱在堆場箱區(qū)的實際位置，進行動態(tài)調(diào)配。集卡在完成一次作業(yè)后，控制系統(tǒng)以總作業(yè)時間最小為目標，根據(jù)集卡在岸橋排隊等待時間和運輸時間給集卡分配下一個任務(wù)，集卡在任意時刻根據(jù)岸橋的需求以及路徑距離的遠近被選用，為岸橋、場橋共享，集卡服務(wù)的對象動態(tài)地與整個港口的作業(yè)面進行搭配。

3仿真模型運行及結(jié)果分析

3.1仿真假設(shè)

利用FlexTerm仿真軟件對集裝箱港口的實際問題進行建模仿真?？紤]到在集裝箱港口實際運作環(huán)境中，各作業(yè)環(huán)節(jié)比較繁瑣，本文在建立仿真模型時，基于以下假設(shè)條件進行簡化：

1) 集卡每次只能裝載一個集裝箱；

2) 集卡獨立運行，且互不干擾；

3) 所有設(shè)備均不考慮故障與維護，處于連續(xù)工作狀態(tài)；

4) 不考慮集裝箱的分類，認為所有的集裝箱都一樣。

3.2案例設(shè)計

利用青島某集裝箱港口的案例來分析上述集卡動態(tài)調(diào)度方法。該港口某時段一艘深海船舶需要卸載集裝箱800個，另一艘深海船舶需要裝載集裝箱800個，根據(jù)港口現(xiàn)有泊位、岸橋和集裝箱船舶技術(shù)參數(shù)設(shè)計案例，從船舶靠港到離開，對兩艘船的裝卸作業(yè)進行連續(xù)仿真。岸橋單裝或者單卸一個集裝箱的平均時間為1.5 min，集卡的平均速度為18 km/h，這一時段內(nèi)涉及岸橋數(shù)量為4，各個箱區(qū)的裝卸箱量如表1所示。

表1　各箱區(qū)進出口集裝箱數(shù)量

岸橋和場橋的作業(yè)過程包括裝載、卸載和移動等活動，集卡搬運過程包括裝載、卸載、等待和卡車搬運等活動。模型的初始狀態(tài)是集卡在等候場地待命。作業(yè)過程中，所有從船上卸下的進口集裝箱都由集卡運至進口箱區(qū)，所有要裝船的出口集裝箱都由集卡從出口箱區(qū)運至出口船舶。

3.3仿真結(jié)果分析

通過仿真得到不同集卡數(shù)量下，集卡動態(tài)調(diào)度作業(yè)與集卡獨立調(diào)度作業(yè)船舶在港時間(如表2所示)。

表2　不同集卡數(shù)量下船舶在港時間

可以看出，整體來說，不同集卡數(shù)量下，集卡動態(tài)調(diào)度模型船舶在港時間比獨立作業(yè)模式下都要短一些，尤其是在集卡資源較少時，動態(tài)調(diào)度作業(yè)比獨立裝卸作業(yè)完成裝卸任務(wù)更快。隨著集卡數(shù)量的增加，裝卸作業(yè)時間迅速減少，當(dāng)集卡達到8輛時，隨著集卡的增加，無論是集卡動態(tài)調(diào)度還是獨立裝卸，船舶在港時間下降趨勢都不斷減緩，所以配置8輛集卡是比較合理的。

配置8輛集卡時兩種調(diào)度方式的岸橋利用率如圖4所示。數(shù)據(jù)表明，采用集卡動態(tài)調(diào)度的方法，對集卡運輸?shù)倪^程進行綜合調(diào)度，岸橋利用率提高了5%～10%，能有效減少船舶在港時間。

圖4　兩種調(diào)度方式的岸橋利用率

求解集卡動態(tài)調(diào)度運輸路徑和箱量如表3所示。表中O1代表進口船舶，O2代表出口船舶，O1→5→4→O2代表從進口船舶O1到箱區(qū)5卸箱再到箱區(qū)4裝箱運輸?shù)匠隹诖癘2。從表中看出，集卡裝卸作業(yè)絕大部分是在箱區(qū)之間進行的，這樣的動態(tài)調(diào)度使集卡雙向重載行駛，集卡行駛總里程為595.7 km，與獨立調(diào)度時的948.5 km相比減少了37%。

表3　集卡的運輸路線和裝卸箱量

4結(jié)語

本文以總作業(yè)時間最小為目標，綜合考慮岸橋作業(yè)時間、集卡排隊等待時間和集卡行駛路徑多種因素，給出了一種集裝箱港口集卡動態(tài)調(diào)度方法，并通過仿真的方式，以實際集裝箱港口作業(yè)流程為原型進行案例分析。案例結(jié)果顯示，本文提出的模型和算法是合理可行的，對減少船舶在港時間和集卡總行駛距離、提高岸橋利用率有明顯的作用。本文主要考慮的是集卡的調(diào)度問題，沒有考慮堆場場橋的數(shù)量以及堆放策略，這是本課題組下一步的研究內(nèi)容。

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(責(zé)任編輯：傅游)

收稿日期：2016-01-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61170078,61472228);山東省泰山學(xué)者攀登計劃建設(shè)項目；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014FM009)

作者簡介：馬慧娟(1990-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事港口調(diào)度與仿真研究. 杜玉越(1960-)，男，山東聊城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事Petri網(wǎng)、工作流、過程挖掘等方面的研究，本文通信作者.E-mail:yydu001@163.com

中圖分類號：U691.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)04-0099-07

A Dynamic Scheduling Method of Truck in Container Terminal

MA Huijuan,DU Yuyue

(College of Information Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:In the container terminal, the configuration and scheduling of equipment affect the operational efficiency significantly of a container terminal. In order to study the Scheduling of quay cranes and trucks in the container terminal, With the consideration of weight parameters among the truck’s transportation time and the truck’s waiting time,a dynamic scheduling model isformulated in the mixed cross-operation mode,whose objective is to minimize total time. The model enables dynamic allocation of truck for the loading and unloading operation simultaneously of different ship. Finally, the container terminal simulation experiments are given to illustrate the effectiveness and practicality of the model.

Key words:container terminal; mixed cross-operation;truck dynamic scheduling; simulation model