基于線性規(guī)劃的集裝箱碼頭作業(yè)路優(yōu)化

摘 要：目前內(nèi)河集裝箱碼頭一般采用單路作業(yè)方式安排作業(yè)路。調(diào)度員會(huì)根據(jù)某條作業(yè)路的生產(chǎn)量分配集卡，不同作業(yè)路之間的集卡互不干涉。這種作業(yè)方式雖然簡(jiǎn)便易行，但也存在局限。容易造成集卡利用率不高，集卡空載的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。對(duì)于寶貴的生產(chǎn)資源是一種浪費(fèi)，這種浪費(fèi)會(huì)造成整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率下降。有沒(méi)有一種新的作業(yè)路分配方式能夠使碼頭的效率得到提高，是本文主要研究的課題。本文提出了兩種非傳統(tǒng)的作業(yè)路分配方式：“裝卸分離”和“裝卸循環(huán)”。使用線性規(guī)劃作為研究模型，利用LINGO工具對(duì)這兩種不同的分配方式進(jìn)行了建模求證。模型的主要原理是：集卡在上一次作業(yè)完成后可就近投入到其他需要的作業(yè)路中，以此縮短集卡的行駛距離和時(shí)間，有效減少集卡空載率。本文以武漢港集裝箱有限公司為例，對(duì)其實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣。將該數(shù)據(jù)帶入到模型中去運(yùn)算，對(duì)三種不同的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，取得了預(yù)期的研究成果。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭；作業(yè)路；集卡；線性規(guī)劃

一、研究背景

集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)管理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，涉及面廣、環(huán)節(jié)多，如果各個(gè)環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)揮。（1）因此，碼頭作業(yè)路的優(yōu)化，以及集裝箱運(yùn)輸?shù)妮d體“集卡”的運(yùn)輸調(diào)度問(wèn)題成為港口作業(yè)效率提升的一大關(guān)鍵因素。（2）當(dāng)然，迫在眉睫的一個(gè)問(wèn)題就是如何搞好集卡與岸橋之間的高度協(xié)作，合理的優(yōu)化現(xiàn)有的調(diào)度模式，提高港口內(nèi)、外運(yùn)作效率和管理水平，使港口的發(fā)展走上重技術(shù)、重管理的集約化道路。正是在這樣的背景下，本文提出了以岸橋與集卡配合為主線，采用科學(xué)的方法，合理的分配各集卡的作業(yè)量和運(yùn)輸路徑，以達(dá)到提高集裝箱碼頭現(xiàn)場(chǎng)管理水平的目的。

集裝箱碼頭的作業(yè)方式實(shí)際上是以流水線作業(yè)，碼頭一般稱這條流水線為“作業(yè)路”。集卡作為集裝箱碼頭中的水平運(yùn)輸設(shè)備，其數(shù)量最多，靈活性最強(qiáng)，轉(zhuǎn)運(yùn)路線復(fù)雜。作為岸橋和堆場(chǎng)之間連接的紐帶，集卡的調(diào)度與作業(yè)量的分配直接影響著整個(gè)堆場(chǎng)的效率（3）。

目前，內(nèi)河碼頭一般采用單路作業(yè)的生產(chǎn)方式安排船舶裝卸作業(yè)。單路作業(yè)是指，當(dāng)船舶靠泊時(shí)，中控員根據(jù)泊位的狀況和船舶計(jì)劃表開始安排作業(yè)路。然后根據(jù)箱量為每個(gè)參與作業(yè)的岸橋安排若干數(shù)量的集卡。安排完成后，這輛集卡只能固定在此作業(yè)路上進(jìn)行作業(yè)，不負(fù)責(zé)其他作業(yè)路的運(yùn)輸工作。這種分配方式簡(jiǎn)便易行，因此單獨(dú)作業(yè)方式在內(nèi)河集裝箱碼頭廣泛使用。它的弊端也很明顯，因?yàn)榇a頭在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)每條作業(yè)路的繁忙程度都不一樣，現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜多變。在這種調(diào)度方式下，提前完成任務(wù)的集卡會(huì)被閑置，而繁忙的作業(yè)路卻不會(huì)有其他集卡主動(dòng)參與到其中來(lái)加速完成任務(wù)。這種對(duì)寶貴生產(chǎn)資源的浪費(fèi)給碼頭的作業(yè)效率帶來(lái)了很大影響。

二、解決方案

針對(duì)碼頭的問(wèn)題現(xiàn)狀設(shè)計(jì)一套優(yōu)化辦法。優(yōu)化目的為如下三個(gè)：

（1）能夠最大化的減少集卡的行駛距離，達(dá)到有效降低油耗的目的。

（2）能夠?qū)⒖傋鳂I(yè)量平均分配給各集卡，這樣做不僅可以提高集卡利用率，還能夠使每個(gè)集卡司機(jī)的工作量平衡，相應(yīng)的收入也能做到平均分配（集卡司機(jī)的工資是計(jì)件計(jì)算）。

（3）能夠?qū)⒓ㄐ旭偟目偮烦唐骄峙浣o各集卡。這樣做可以有效縮短作業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)度，使每輛集卡都可以物盡其用，達(dá)到優(yōu)化堆場(chǎng)作業(yè)效率的目的。

第一個(gè)目的可以使用運(yùn)輸問(wèn)題模型來(lái)解決。第二和第三個(gè)目的用整數(shù)規(guī)劃模型求解。為了達(dá)到上述幾個(gè)目的，本文將對(duì)三種不同的作業(yè)路分配方式進(jìn)行建模分析：

（1）單獨(dú)作業(yè)：

這是一種傳統(tǒng)的作業(yè)路分配方式。它要求各作業(yè)路的集卡數(shù)一定，不同作業(yè)路之間的集卡互不干涉，因此集卡只能按照既定行程往返奔波于岸橋和堆場(chǎng)之間，不能靈活變動(dòng)。采用這種方式作業(yè)，達(dá)不到很好的優(yōu)化效果。

（2）裝卸分離：

同為卸船或同為裝船的多個(gè)作業(yè)路可以混合使用集卡，但兩者間集卡不能混用。這種作業(yè)下集卡的分配方式更為靈活，能夠達(dá)到優(yōu)化效果。

（3）裝卸循環(huán)：

無(wú)論是裝船還是卸船，所有作業(yè)路共用集卡資源。原理是：利用集卡空載的機(jī)會(huì)，讓上一次剛做完卸船的集卡立刻投入到裝船過(guò)程中去。集卡在卸船和裝船兩種不同的過(guò)程中循環(huán)作業(yè)，因此稱其為裝卸循環(huán)。裝卸循環(huán)在集卡分配上比之前兩種分配方式更加靈活，能夠使優(yōu)化效果進(jìn)一步提高。

三、研究步驟

由于碼頭每日裝卸船及進(jìn)出口動(dòng)態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，為了能夠簡(jiǎn)化研究難度，理清研究思路，將對(duì)各分配方式和單個(gè)作業(yè)路的具體作業(yè)情況進(jìn)行逐步分析。

（1）對(duì)單獨(dú)作業(yè)方式進(jìn)行建模分析：

分別對(duì)四條作業(yè)路進(jìn)行建模。目標(biāo)函數(shù)為：每條作業(yè)路下集卡的作業(yè)量和作業(yè)行程能夠平均分配到各個(gè)集卡上，這樣可以有效減少作業(yè)耗時(shí)。約束條件為各作業(yè)路的總作業(yè)量一定，各卸區(qū)和裝區(qū)分作業(yè)量一定。集卡分配數(shù)量已知，各作業(yè)點(diǎn)之間的距離已知。需要計(jì)算的結(jié)果為各集卡的行程、作業(yè)量、耗時(shí)，各分作業(yè)路的總行車距離和耗時(shí)，所有作業(yè)路的總行車距離及總耗時(shí)（以最后一輛集卡的完工時(shí)間為準(zhǔn)）。

（2）對(duì)裝卸分離作業(yè)方式進(jìn)行建模分析：

分別對(duì)卸船作業(yè)路，裝船作業(yè)路兩種不同的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行建模。目標(biāo)函數(shù)為：首先對(duì)集卡行駛路徑進(jìn)行優(yōu)化，力求做到集卡總行程最小。然后再對(duì)作業(yè)量和行程進(jìn)行平均分配。約束條件為各作業(yè)路總作業(yè)量一定，各卸區(qū)和裝區(qū)分作業(yè)量一定。需要計(jì)算的結(jié)果為各集卡的行程、作業(yè)量、耗時(shí)，裝船作業(yè)路和卸船作業(yè)路在分離情況下作業(yè)的總行車距離和耗時(shí)，所有作業(yè)路的總行車距離及總耗時(shí)（以最后一輛集卡的完工時(shí)間為準(zhǔn)）。

（3）對(duì)裝卸循環(huán)作業(yè)方式進(jìn)行建模分析：

對(duì)四條作業(yè)路的循環(huán)作業(yè)進(jìn)行建模。所有集卡不再分裝船或卸船過(guò)程，一并分配到所有作業(yè)路下參與裝卸作業(yè)。目標(biāo)函數(shù)與上述的裝卸分離模型相同。約束條件為各作業(yè)路總作業(yè)量一定，各卸區(qū)和裝區(qū)分作業(yè)量一定。需要計(jì)算的結(jié)果為各集卡的行程、作業(yè)量、耗時(shí)，計(jì)算所有作業(yè)路的總行車距離及總耗時(shí)（以最后一輛集卡的完工時(shí)間為準(zhǔn)）。

（4）將上述三種不同的作業(yè)方式，利用線性規(guī)劃模型優(yōu)化后計(jì)算出結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷每種作業(yè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出本文最終結(jié)論。

四、 研究結(jié)論

對(duì)三種不同的作業(yè)路分配方式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比分析表如下：

從圖1來(lái)看，裝卸分離比單獨(dú)作業(yè)的總行程縮短了11.24%，而裝卸循環(huán)縮短的行程比例更是高達(dá)17.05%。因此可以得出結(jié)論：裝卸循環(huán)對(duì)于集卡行程的優(yōu)化是有明顯效果的，其分配方式要明顯優(yōu)于前兩種作業(yè)路分配方式。

從圖2來(lái)看，裝卸分離作業(yè)比單獨(dú)作業(yè)的總耗時(shí)縮短了18.46%，而裝卸循環(huán)作業(yè)與裝卸分離作業(yè)耗時(shí)相差無(wú)幾。因此可以得出結(jié)論：無(wú)論是裝卸分離作業(yè)還是裝卸循環(huán)作業(yè)，對(duì)于堆場(chǎng)作業(yè)效率的優(yōu)化都能起到明顯效果。

綜上所述可以得出結(jié)論：比起傳統(tǒng)的單獨(dú)作業(yè)方式，裝卸循環(huán)能夠有效的減少碼頭資源的損耗，并且大幅度提高碼頭的作業(yè)效率。在線性規(guī)劃算法的支持下，裝卸循環(huán)的作業(yè)方式滿足了之前所提出的三個(gè)優(yōu)化目的，本文的研究也取得了應(yīng)有的成果。

參考文獻(xiàn)

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[2]丁一盛揚(yáng)，梁承姬.基于遺傳算法的集裝箱港口堆場(chǎng)空間動(dòng)態(tài)分配策略.2015.

[3]曹慶奎，趙斐.基于遺傳蟻群算法的港口集卡路徑優(yōu)化.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐.7，2013年.

作者簡(jiǎn)介：

榮耀，男，1984.8，湖北武漢，碩士，物流管理，初級(jí)工程師，武漢港務(wù)集團(tuán)有限公司。