散貨碼頭裝卸作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置優(yōu)化研究

丁 濤，張志鵬，胡 裕

（武漢理工大學(xué) 交通運(yùn)輸管理系，湖北 武漢 430063）

散貨碼頭裝卸作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置優(yōu)化研究

丁 濤，張志鵬，胡 裕

（武漢理工大學(xué) 交通運(yùn)輸管理系，湖北 武漢 430063）

從港口生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)分析散貨碼頭機(jī)械設(shè)備配置研究現(xiàn)狀，探討了散貨碼頭裝卸作業(yè)線效率評(píng)價(jià)指標(biāo)和散貨港口裝卸作業(yè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。確定以提高碼頭作業(yè)線的機(jī)械綜合效率為研究目標(biāo)，建立一個(gè)作業(yè)線后方機(jī)械設(shè)備配置優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)模型進(jìn)行求解，采用算例分析證明了所構(gòu)建的散貨碼頭裝卸作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置優(yōu)化模型能夠較好地反映出港口調(diào)度的實(shí)際情況。同時(shí)，模型在配置機(jī)械時(shí)考慮了與前沿門(mén)機(jī)的效率匹配，避免為同一作業(yè)線投入過(guò)多設(shè)備，能為港口實(shí)際作業(yè)調(diào)度提供一定的參考。

散貨碼頭；裝卸作業(yè)線；設(shè)備配置；系統(tǒng)優(yōu)化；動(dòng)態(tài)規(guī)劃

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的逐漸復(fù)蘇以及“一帶一路”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，物流業(yè)的重要戰(zhàn)略地位正被不斷凸顯。而港口作為現(xiàn)代物流中的重要一環(huán)，重要性不言而喻。裝卸作業(yè)是碼頭生產(chǎn)的主要作業(yè)，為了提高碼頭的裝卸作業(yè)能力，增加泊位的吞吐能力，降低碼頭營(yíng)運(yùn)成本，可以通過(guò)新增裝卸機(jī)械設(shè)備或擴(kuò)建碼頭前沿，但是由于裝卸機(jī)械設(shè)備，特別是大型裝卸設(shè)備十分昂貴。同時(shí)，一個(gè)泊位上能容納的設(shè)備數(shù)量也是有限的。一味通過(guò)購(gòu)置新增港口裝卸設(shè)備來(lái)提高碼頭的裝卸作業(yè)效率、作業(yè)能力并不可行。而碼頭岸線資源是稀缺資源，更加無(wú)法一味的擴(kuò)建。因此，最直接有效的方法就是對(duì)碼頭裝卸資源進(jìn)行合理科學(xué)的配置。而裝卸機(jī)械設(shè)備資源是碼頭的重要生產(chǎn)資源，通過(guò)合理配置優(yōu)化裝卸設(shè)備資源，能提高裝卸設(shè)備的利用率，最大地發(fā)揮其裝卸生產(chǎn)能力，提高裝卸效率、降低碼頭營(yíng)運(yùn)成本，使碼頭綜合通過(guò)能力上升，進(jìn)而最大化碼頭整體的運(yùn)營(yíng)效率。

2 散貨碼頭機(jī)械設(shè)備配置研究現(xiàn)狀

目前大多數(shù)碼頭資源配置優(yōu)化的研究文獻(xiàn)都主要集中在集裝箱碼頭上。對(duì)于散貨碼頭、件雜貨碼頭資源配置的論文則相對(duì)較少。在一個(gè)碼頭系統(tǒng)中，研究的主要內(nèi)容集中在泊位資源、橋吊資源的配置優(yōu)化。相對(duì)地，對(duì)運(yùn)載工具和后方裝卸設(shè)備資源的配置研究則較少。其中，對(duì)于后方裝卸資源配置和運(yùn)載工具合理配置問(wèn)題，研究還有待進(jìn)一步深入。韓曉龍［1］通過(guò)最小流算法對(duì)龍門(mén)吊進(jìn)行任務(wù)分派，使得龍門(mén)吊的行走時(shí)間最短。董明望［2］通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)件雜貨裝卸作業(yè)線后方的裝卸設(shè)備進(jìn)行合理配置。李磊等［3］針對(duì)進(jìn)出口兩個(gè)泊位上船舶裝卸的情況，提出基于免疫禁忌算法的集卡優(yōu)化模型。馮春煥［4］則綜合考慮泊位、岸橋、集卡對(duì)碼頭生產(chǎn)運(yùn)作效率的影響，以集卡運(yùn)輸作業(yè)時(shí)間最小為目標(biāo)，構(gòu)建基于岸橋間混合作業(yè)模式的碼頭集卡路徑優(yōu)化模型，得到船舶自到達(dá)港口到完成集裝箱裝卸任務(wù)的最短時(shí)間。散貨碼頭有其裝卸作業(yè)的獨(dú)特性，但目前作業(yè)線上裝卸機(jī)械的配置，還停留在低級(jí)階段，仍以經(jīng)驗(yàn)為主。因此，本文主要探究散貨碼頭后方機(jī)械配置的優(yōu)化模型。

雖然在散貨碼頭進(jìn)行裝卸、搬運(yùn)、儲(chǔ)藏的貨物類型很多，不同的貨種會(huì)有不一樣的操作方法、工藝流程。但作為港口生產(chǎn)最主要的裝卸作業(yè)生產(chǎn)，其基本流程卻是相同的，具體為：當(dāng)船舶抵港后，由調(diào)度人員根據(jù)貨物種類和泊位情況，選擇合適的工藝流程并搭配門(mén)機(jī)數(shù)量，再根據(jù)所需后方機(jī)械的可用數(shù)量、堆場(chǎng)位置為每條作業(yè)線配置后方機(jī)械、工屬具及配套設(shè)備。但在實(shí)際裝卸大宗散貨過(guò)程中，由于碼頭前沿門(mén)機(jī)和后方裝卸機(jī)械的效率不匹配，經(jīng)常出現(xiàn)貨物堆積在碼頭前沿的情況。所以在考慮整個(gè)碼頭作業(yè)效率最高的前提下，需要對(duì)如何進(jìn)行后方裝卸機(jī)械設(shè)備配置提供一定的理論依據(jù)。

3 散貨碼頭裝卸作業(yè)線效率評(píng)價(jià)指標(biāo)及基本假設(shè)

3.1 散貨碼頭裝卸作業(yè)線效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

散貨碼頭裝卸作業(yè)線的效率通常用單位時(shí)間內(nèi)完成的作業(yè)量來(lái)衡量。但是對(duì)于不同的生產(chǎn)作業(yè)線來(lái)說(shuō)，由于貨種、堆場(chǎng)、工屬具的不同，使用常規(guī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)不能夠真實(shí)的反映各作業(yè)線之間裝卸作業(yè)效率的差別。同時(shí)，由于每條作業(yè)線前沿作業(yè)機(jī)械如門(mén)機(jī)的效率也存在差別，在綜合考慮前沿門(mén)機(jī)效率差別和每條裝卸作業(yè)線上后方裝卸機(jī)械的實(shí)際作業(yè)效率都不可能超過(guò)該裝卸線上前沿門(mén)機(jī)的作業(yè)效率的基礎(chǔ)上，使用相對(duì)作業(yè)效率來(lái)衡量不同作業(yè)線的裝卸效率。即以后方裝卸機(jī)械的實(shí)際效率與門(mén)機(jī)最大的實(shí)際作業(yè)效率之比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，既考慮了同一后方裝卸效率在不同作業(yè)線存在效率差別，又考慮了不同作業(yè)線上不同門(mén)機(jī)的效率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

3.2 基本假設(shè)

由于整個(gè)散貨碼頭系統(tǒng)工作的復(fù)雜性，需要對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的一些問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（1）岸邊裝卸機(jī)械只考慮門(mén)機(jī)；

（2）所有裝卸機(jī)械在一定時(shí)間內(nèi)的裝卸效率保持穩(wěn)定不變；

（3）各裝卸機(jī)械間不形成干擾。

散貨裝卸過(guò)程中，岸邊裝卸機(jī)械絕大部分為門(mén)機(jī)，因此在本文中岸邊裝卸機(jī)械只考慮門(mén)機(jī)。假設(shè)（1）成立。

裝卸機(jī)械的臺(tái)時(shí)效率在一定時(shí)間內(nèi)總是在一定范圍波動(dòng)且波動(dòng)不大，符合正態(tài)分布。因此假設(shè)效率保持穩(wěn)定不變，假設(shè)（2）成立。

在裝卸場(chǎng)地空間足夠的情況下，各裝卸機(jī)械間不會(huì)形成干擾。假設(shè)（3）成立。

4 港口裝卸作業(yè)線優(yōu)化配置模型的建立

4.1 模型假設(shè)

在構(gòu)建裝卸作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置模型時(shí)，作出以下假設(shè)：

（1）已知待作業(yè)的作業(yè)線數(shù)量為T(mén)。

（2）裝卸作業(yè)中共有數(shù)量為L(zhǎng)的機(jī)械設(shè)備需要進(jìn)行配置，除此之外的其他設(shè)備數(shù)量充足，能滿足裝卸要求。

（3）每條作業(yè)線所選用的門(mén)機(jī)數(shù)量和工藝流程由生產(chǎn)調(diào)度人員選擇確定，即為已知條件。

（4）每條作業(yè)線至少配置一臺(tái)機(jī)械。

4.2 模型建立

由于作業(yè)線數(shù)量T已知，因此本模型的基本思路就是要取T個(gè)控制參量值u0，u1，…，uT-1，使?fàn)顟B(tài)變量從x0出發(fā)，歷經(jīng)x1，x2，…，xT-1，最終使xT-1達(dá)到相對(duì)作業(yè)效率最大。這一過(guò)程可定義為T(mén)階段決策。終止?fàn)顟B(tài)xT-1由xT-2和uT-2決定，而xT-2又是由xT-3和uT-3決定的，追根尋源，xT-1是由u0，u1，…，uT-1及x0所決定的。

（1）相關(guān)變量及參數(shù)說(shuō)明

T：待作業(yè)線數(shù)量；

Kt：第t作業(yè)線分配的某類型裝卸設(shè)備的總臺(tái)時(shí)效率；

Gt：第t作業(yè)線分配的門(mén)機(jī)的臺(tái)時(shí)效率；

t：未配置作業(yè)線；

Et：相對(duì)作業(yè)效率；

ut：第t作業(yè)線配置的機(jī)械設(shè)備數(shù)量；

et：機(jī)械設(shè)備在第t作業(yè)線作業(yè)時(shí)的臺(tái)時(shí)效率；

Kmt：第t作業(yè)線上第m臺(tái)門(mén)機(jī)的臺(tái)時(shí)效率；

Kmax：臺(tái)時(shí)效率最大的門(mén)機(jī)的效率數(shù)值；

Qt：第t作業(yè)線分配的門(mén)機(jī)數(shù)量；

L：待配置的某類型裝卸設(shè)備的總數(shù)量；

Tt：第t作業(yè)線實(shí)際作業(yè)時(shí)間；

Tt*:第t作業(yè)線許可作業(yè)時(shí)間；

Zmax:T條作業(yè)線最大相對(duì)效率效率之和。

（2）建立基本數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)以鏟車為短缺設(shè)備，由于每條裝卸作業(yè)線的最高裝卸效率被門(mén)機(jī)作業(yè)能力限定，現(xiàn)假設(shè)在作業(yè)線t上，鏟車相對(duì)于門(mén)機(jī)的作業(yè)效率為Et，則系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)為:

由于在港口生產(chǎn)作業(yè)中存在重點(diǎn)作業(yè)線的情況，即重點(diǎn)作業(yè)線的裝卸作業(yè)時(shí)間必須在規(guī)定許可時(shí)間之內(nèi)，則有而其它作業(yè)線可認(rèn)為T(mén)t恒小于Tt*。

5 模型求解

所建立的優(yōu)化模型選用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)求解。

5.1 算法設(shè)計(jì)

算法流程如圖1所示。

圖1 裝卸設(shè)備配置優(yōu)化模型的動(dòng)態(tài)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)N-S圖

5.2 算例分析

模型實(shí)例運(yùn)用T階段決策方法，以某散貨碼頭鏟車裝卸設(shè)備為例進(jìn)行說(shuō)明，實(shí)際運(yùn)用中模型可編程求解。

（1）初始值假設(shè)。假設(shè)某時(shí)段碼頭的作業(yè)線數(shù)T= 4，分別為ABCD四條作業(yè)線。可調(diào)度鏟車設(shè)備總臺(tái)數(shù)L=11。ABC三個(gè)作業(yè)線各分配一臺(tái)門(mén)機(jī)，D作業(yè)線分配兩臺(tái)門(mén)機(jī)。各作業(yè)線的門(mén)機(jī)效率比以及待分配裝卸設(shè)備K在各作業(yè)線的單臺(tái)相對(duì)作業(yè)效率假設(shè)見(jiàn)表1。

假設(shè)存在重點(diǎn)作業(yè)線，設(shè)階段t=3為重點(diǎn)作業(yè)線，需22h內(nèi)完成裝卸作業(yè)。當(dāng)只考慮門(mén)機(jī)作業(yè)時(shí)，則門(mén)機(jī)可在15h內(nèi)完成全部作業(yè)量，可表示為E3需要滿足約束條件

表1 各作業(yè)線的門(mén)機(jī)效率比及單臺(tái)設(shè)備K相對(duì)作業(yè)效率Et*

則此重點(diǎn)作業(yè)線應(yīng)滿足:

（2）T階段決策方法求解模型。

當(dāng)T=1時(shí)，t=0，可得L與u0×E0*的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 L與u0×E0*的關(guān)系表

經(jīng)過(guò)四個(gè)表的循環(huán)過(guò)程后，當(dāng)T=4時(shí)，t=3，可得u3與u3×E3*的關(guān)系表3。

表3 u3與u3×E3*關(guān)系表

表4 dL3與u3、L的關(guān)系表

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，只需將本例的鏟車換成其它待配備設(shè)備即可。本文所涉及裝卸設(shè)備的作業(yè)效率通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試以及現(xiàn)在技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法獲得。

6 結(jié)論及展望

本文所構(gòu)建的散貨碼頭裝卸作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置優(yōu)化模型能夠較好地反映出港口調(diào)度的實(shí)際情況。在機(jī)械設(shè)備短缺、有限的情況，根據(jù)模型機(jī)械設(shè)備優(yōu)先分配給相對(duì)裝卸效率最大的作業(yè)線，為港口機(jī)械設(shè)備實(shí)際調(diào)度過(guò)程中的效率優(yōu)先策略提供了一定的理論依據(jù)。同時(shí)，模型在配置機(jī)械時(shí)考慮了與前沿門(mén)機(jī)的效率匹配，避免為同一作業(yè)線投入過(guò)多設(shè)備。模型配置結(jié)果能為港口實(shí)際作業(yè)調(diào)度提供一定的參考。

本文雖較好地解決了散貨碼頭前沿裝卸門(mén)機(jī)數(shù)量、效率不同對(duì)配置后方機(jī)械配置的影響，但仍有許多不足和需要改進(jìn)的地方。如在考慮裝卸機(jī)械相互干擾下時(shí)，配置結(jié)果是否會(huì)出現(xiàn)較大不同；能否將動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與模糊理論結(jié)合，提高模型的適用性；是否可以使用仿真模型對(duì)裝卸機(jī)械的利用率和三個(gè)港口間的綜合利用率做出進(jìn)一步的研究。

［1］韓曉龍.集裝箱港口裝卸作業(yè)資源配置研究［D］.上海:上海海事大學(xué)，2005.

［2］董明望，辜勇，郟琳.件雜貨碼頭裝卸作業(yè)線后方機(jī)械配置模型的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2003，27（5）:698-702.

［3］李磊，孫俊清，韓梅.基于“作業(yè)面”的集裝箱碼頭集卡路徑優(yōu)化的研究［A］.第二十七屆中國(guó)控制會(huì)議［C］.2008.

［4］馮春煥.集裝箱碼頭泊位一岸橋一集卡調(diào)度優(yōu)化研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2011.

［5］常鵬.工業(yè)港散貨碼頭物流系統(tǒng)仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［6］張宏偉.數(shù)學(xué)建模中的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題［D］.長(zhǎng)春:東北師范大學(xué)，2008.

Study on Optimal Mechanical Equipment Deployment in Bulk Cargo Harbor Handling Line

DingTao，ZhangZhipeng，HuYu
（DepartmentofTransportationManagement，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan 430063，China）

In this paper，starting from the practice of the productive activities of the harbor and through analyzing the current status of the deployment of the mechanical equipment at bulk cargo harbors，we discussed the evaluation index for the efficiency of the bulk cargo harbor handling line and the simplification of the bulk cargo harbor handling activity system.Next，with improving the comprehensive equipment efficiency of the harbor operation line as the objective，we established the mathematical model to optimize the mechanical equipment deployment behind the operation line，solved it using the dynamic programming method，and through a numerical example，demonstrated the validity of the model established to reflect the actual situation at the harbor.While optimizing the deployment of the machinery，the model also considered the efficient matching of the machinery with the front-line gantry crane so as to avoid investing too muchequipmentinoneactivityline.

bulkcargoharbor；handlingactivityline；equipmentdeployment；systemoptimization；dynamicprogramming

U691.5

A

1005-152X（2016）05-0106-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.05.024

2016-04-05

丁濤（1964-），男，江蘇人，武漢理工大學(xué)副教授，碩士，研究方向：國(guó)際航運(yùn)和綜合物流；張志鵬（1993-），男，廣東人，武漢理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸與管理；胡裕（1993-），男，湖北人，武漢理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸與管理。