集裝箱碼頭泊位—集卡—堆場(chǎng)多目標(biāo)集成優(yōu)化模型

鄭津霖

提高碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率是集裝箱碼頭生產(chǎn)管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文在考慮泊位分配、集卡運(yùn)輸、堆場(chǎng)箱區(qū)選擇等三大作業(yè)環(huán)節(jié)之間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場(chǎng)多目標(biāo)集成優(yōu)化模型，并通過(guò)算例對(duì)比聯(lián)合裝卸作業(yè)模式與單獨(dú)裝卸作業(yè)模式下的集卡行駛距離和集卡運(yùn)行時(shí)間，以驗(yàn)證模型的可行性和有效性，從而為集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)化提供新的解決思路和方法。

1 研究背景

世界范圍內(nèi)集裝箱運(yùn)輸?shù)目焖倥畈l(fā)展對(duì)集裝箱在物流網(wǎng)絡(luò)中的周轉(zhuǎn)提出極高要求。作為集裝箱運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)站和緩沖地，集裝箱碼頭已感受到壓力和挑戰(zhàn)。除擴(kuò)建碼頭、增置設(shè)備外，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)化也是提高集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率的重要方式之一。

集裝箱碼頭的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)主要包括船舶進(jìn)港靠泊、岸橋分配與裝卸、內(nèi)集卡運(yùn)輸、堆場(chǎng)存取箱、外集卡進(jìn)出閘口等，其中：船舶靠泊泊位和集裝箱在堆場(chǎng)堆存位置的確定是集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，其直接決定集卡行駛距離；而在集卡數(shù)量一定的條件下，集卡與岸橋和場(chǎng)橋的銜接狀況直接影響集裝箱碼頭的裝卸效率。由此可見(jiàn)，優(yōu)化泊位分配和堆場(chǎng)箱區(qū)選擇是提高集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率的關(guān)鍵，優(yōu)化集卡行駛路徑則是提高集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率的突破口。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泊位分配、集卡行駛路徑確定、堆場(chǎng)箱區(qū)選擇等開展深入研究，并取得一定的研究成果。在泊位分配及其與其他生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的協(xié)同優(yōu)化方面：楊露等[1]采用數(shù)據(jù)挖掘分類技術(shù)中的ID3方法分析相關(guān)數(shù)據(jù)，得到泊位分配分類規(guī)則；徐亞等[2]提出處于港內(nèi)不同位置的多個(gè)集裝箱碼頭的泊位協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題，并建立相應(yīng)的混合整數(shù)規(guī)劃模型，對(duì)多碼頭任務(wù)分配和泊位調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化；滑建輝[3]提出船舶在港停留時(shí)間最短以及船舶裝卸作業(yè)產(chǎn)生的泊位運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和岸橋移動(dòng)費(fèi)用最少的雙目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型；LALLA-RUIZ等[4]以轉(zhuǎn)船成本最小化和岸橋價(jià)值最大化為目標(biāo)，解決泊位分配與岸橋調(diào)度的同步優(yōu)化問(wèn)題。在集卡行駛路徑優(yōu)化方面：嚴(yán)南南等[5]建立考慮集卡能耗和集卡作業(yè)時(shí)間的多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型；王濤等[6]綜合考慮集卡作業(yè)效率和調(diào)運(yùn)能耗，提出多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型；曹朋亮等[7]針對(duì)集卡作業(yè)面模式，構(gòu)建以裝船作業(yè)時(shí)間最短為目標(biāo)的場(chǎng)橋與集卡聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型。在堆場(chǎng)箱區(qū)選擇方面：嚴(yán)偉等[8]采用聚類分析法研究集裝箱碼頭出口箱堆存策略；劉嬋娟等[9]將集裝箱堆場(chǎng)出口箱箱位分配問(wèn)題分為兩個(gè)階段進(jìn)行研究，其中，第一階段以場(chǎng)內(nèi)集卡行駛距離最短為目標(biāo)建立整數(shù)規(guī)劃模型，為到場(chǎng)出口箱分配箱區(qū)；SHARIF等。以實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)箱區(qū)間作業(yè)量均衡以及縮短集卡在泊位與堆場(chǎng)間的行駛距離為目標(biāo)，采用蟻群控制算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，確定集裝箱的堆存位置和集卡行駛路徑；鎮(zhèn)璐等[11]考慮泊位與堆場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化，構(gòu)建混合整數(shù)規(guī)劃模型。

上述研究大多針對(duì)集裝箱碼頭單一或相鄰的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，多目標(biāo)集成優(yōu)化研究少見(jiàn)。為此，本文綜合考慮泊位分配、集卡運(yùn)輸和堆場(chǎng)箱區(qū)選擇等生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場(chǎng)多目標(biāo)集成優(yōu)化模型。

2 問(wèn)題描述

（1）泊位分配 泊位分配是集裝箱碼頭實(shí)施生產(chǎn)作業(yè)的前提條件：集裝箱碼頭首先要為到港船舶確定靠泊泊位，才能進(jìn)一步確定岸橋數(shù)量、集卡數(shù)量和堆場(chǎng)箱區(qū)。集裝箱船舶大多采用班輪運(yùn)營(yíng)模式，船舶到港時(shí)間、船型和裝卸箱量在一定周期內(nèi)相對(duì)固定，而碼頭泊位分布以離散型為主，即每個(gè)泊位的長(zhǎng)度確定；因此，碼頭可以根據(jù)泊位使用情況和約束條件，為在錨地中等候靠泊的船舶分配泊位，這屬于運(yùn)籌學(xué)中的指派問(wèn)題。

（2）堆場(chǎng)箱區(qū)選擇 為降低成本和提高效益，貨主和船公司通常在船舶靠泊前3d安排集裝箱集港。大量集裝箱在短期內(nèi)集港，不僅對(duì)優(yōu)化碼頭堆場(chǎng)集裝箱的堆存順序不利，而且可能造成箱區(qū)過(guò)于集中，導(dǎo)致堆場(chǎng)擁堵及場(chǎng)橋作業(yè)壓力過(guò)大。為了減少翻箱作業(yè)，縮短堆場(chǎng)在船舶裝卸作業(yè)前的準(zhǔn)備時(shí)間，降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率，部分碼頭采用集裝箱分散堆存策略，將同一艘船舶裝卸的集裝箱分散堆存于不同箱區(qū)。如何科學(xué)地選擇箱區(qū)也屬于運(yùn)籌學(xué)中的指派問(wèn)題。

（3）集卡運(yùn)輸 目前集裝箱碼頭的集卡作業(yè)大多采用作業(yè)線法，即碼頭將一定數(shù)量的集卡分配給岸橋，岸橋單獨(dú)實(shí)施裝船或卸船作業(yè)：卸船作業(yè)時(shí)，集卡將岸橋卸下的進(jìn)口箱運(yùn)至進(jìn)口箱區(qū)，并空載返回至該岸橋下再次取箱；裝船作業(yè)時(shí)，集卡將出口箱運(yùn)至岸橋下，并空載返回至出口箱區(qū)再次取箱。在上述作業(yè)模式下，岸橋和集卡均存在空載情況，導(dǎo)致設(shè)備使用效率大打折扣。為了配合岸橋邊裝邊卸作業(yè)模式，提高岸橋和集卡的使用效率以及碼頭裝卸效率，集卡作業(yè)可采用作業(yè)面法，即：集卡裝載出口箱至裝船岸橋后，前往卸船岸橋裝載進(jìn)口箱返回進(jìn)口箱區(qū)，然后前往出口箱區(qū)再次裝載出口箱至裝船岸橋，如此反復(fù)直至完成全部作業(yè)任務(wù)。

由此可見(jiàn)，泊位分配、集卡運(yùn)輸、堆場(chǎng)箱區(qū)選擇三者之間存在耦合關(guān)系，同步解決指派問(wèn)題和路徑選擇問(wèn)題有一定的難度?？紤]到泊位分配和堆場(chǎng)箱區(qū)選擇對(duì)集卡行駛距離有根本性的影響，即兩點(diǎn)確定一線，如果集卡行駛距離最短，則說(shuō)明泊位分配和堆場(chǎng)箱區(qū)選擇合理。此外，與集卡相比，岸橋配置數(shù)量較少且配置成本較高，其在相當(dāng)大的程度上決定著碼頭裝卸效率；因此，在碼頭作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)岸橋等待集卡的現(xiàn)象。綜上所述，本文在一定周期內(nèi)完成全部船舶裝卸作業(yè)任務(wù)的條件下，以集卡行駛距離和運(yùn)行時(shí)間最短為目標(biāo)，構(gòu)建集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場(chǎng)多目標(biāo)集成優(yōu)化模型。

3 模型構(gòu)建

3.1 符號(hào)說(shuō)明

3.1.1 集合和參數(shù)

4 算例分析

本文結(jié)合天津港集裝箱碼頭的實(shí)際作業(yè)情況，簡(jiǎn)化情境并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算例進(jìn)行仿真求解。假設(shè)條件如下：泊位4個(gè)，船舶8艘，進(jìn)出口箱區(qū)各16個(gè)，岸橋20臺(tái)，集卡行駛速度8m/s，進(jìn)出口箱量各9815TEU，共8個(gè)周期。利用交互式線性和通用優(yōu)化求解器編程計(jì)算聯(lián)合裝卸作業(yè)模式下和單獨(dú)裝卸作業(yè)模式下的集卡運(yùn)行效率，結(jié)果顯示：與單獨(dú)裝卸作業(yè)模式相比，聯(lián)合裝卸作業(yè)模式下的集卡行駛距離縮短43875m，等待時(shí)間縮短390376s，運(yùn)行時(shí)間縮短27.6%，并且聯(lián)合裝卸作業(yè)模式能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)出口箱區(qū)箱量分布均勻，避免因箱量過(guò)于集中而造成堆場(chǎng)道路擁堵。由此可見(jiàn)，本文提出的集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場(chǎng)多目標(biāo)集成優(yōu)化模型不僅能同步解決泊位分配、集卡運(yùn)輸和堆場(chǎng)箱區(qū)選擇等問(wèn)題，而且能顯著提高碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率，降低碼頭生產(chǎn)作業(yè)成本。

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