一種集裝箱港口集卡的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法

一種集裝箱港口集卡的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法馬慧娟;杜玉越【摘要】在集裝箱港口中.設(shè)備的配置和調(diào)度對(duì)港口的運(yùn)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(yùn)輸時(shí)間和集卡排隊(duì)等待時(shí)間的權(quán)重系數(shù)考慮，建立了以總作業(yè)時(shí)間最小為目標(biāo)的集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了不同船舶裝船作業(yè)和卸船作業(yè)同時(shí)進(jìn)行的集卡動(dòng)態(tài)分配.最后，通過對(duì)集裝箱港口實(shí)際作業(yè)流程的建模仿真，例證了本文模型的有效性和實(shí)用性.【期刊名稱】《山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2016(035)004【總頁數(shù)】7頁(P99-105)【關(guān)鍵詞】集裝箱港口;混合交叉作業(yè);集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度;仿真模型【作者】馬慧娟;杜玉越【作者單位】山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266590;山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266590【正文語種】中文【中圖分類】U691.3現(xiàn)代集裝箱港口是陸運(yùn)與海運(yùn)兩種運(yùn)輸方式間集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)的中轉(zhuǎn)樞紐，在全球綜合運(yùn)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(jìn)管理水平，研究港口裝卸工藝流程和資源調(diào)度，進(jìn)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(yùn)營(yíng)成本，是港口提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)。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(jìn)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(yùn)設(shè)備等的調(diào)度配置［3-4］、堆場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)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(biāo)，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(yùn)輸時(shí)間和等待時(shí)間加權(quán)和最小為目標(biāo)函數(shù)的模型，設(shè)計(jì)了改進(jìn)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(shí)間，而后者的優(yōu)化目標(biāo)考慮因素不夠全面。針對(duì)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(yùn)輸時(shí)間和集卡排隊(duì)等待時(shí)間的權(quán)益系數(shù)，將岸橋作業(yè)時(shí)間、集卡排隊(duì)等待時(shí)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(shí)間最少為目標(biāo)的集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。最后以青島某集裝箱港口的一個(gè)時(shí)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。1.1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(jìn)港到裝船的搬運(yùn)過程中，采用的工藝流程、裝卸搬運(yùn)機(jī)械類型及其相互配合的作業(yè)方式［11］。船舶進(jìn)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(jì)劃，對(duì)岸橋、場(chǎng)橋和集卡進(jìn)行分配和調(diào)度，堆場(chǎng)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(dú)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(gè)進(jìn)口集裝箱運(yùn)送到進(jìn)口箱區(qū)i，然后空載返回泊位a去卸載另一個(gè)進(jìn)口集裝箱；在裝船過程中，集卡在出口箱區(qū)j裝載一個(gè)集裝箱運(yùn)送到泊位b，然后空載返回堆場(chǎng)去裝載另一個(gè)出口集裝箱。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(dú)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。混合交叉作業(yè)模式下，集卡在裝卸作業(yè)時(shí)，可有多種選擇：1） 單程卸載：集卡從進(jìn)口泊位a重載至進(jìn)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(jìn)口泊位a重載至進(jìn)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(chǎng)中橋作業(yè)時(shí)間和集卡的運(yùn)輸時(shí)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(jìn)口泊位a行駛到進(jìn)口箱區(qū)i的時(shí)間（集卡從進(jìn)口箱區(qū)i行駛到進(jìn)口泊位a的時(shí)間也為tai）；tij表示集卡從進(jìn)口箱區(qū)i行駛到出口箱區(qū)j的時(shí)間；tjb表示集卡從出口箱區(qū)j行駛到出口泊位b的時(shí)間（集卡從出口泊位b行駛到出口箱區(qū)j的時(shí)間也為tjb）；tba表示空載的集卡從出口泊位b行駛到進(jìn)口泊位a的時(shí)間；t1表示岸橋裝、卸集裝箱作業(yè)時(shí)間；t2表示場(chǎng)橋裝、卸集裝箱作業(yè)時(shí)間；m表示進(jìn)口箱區(qū)的數(shù)量；n表示出口箱區(qū)的數(shù)量；k表示進(jìn)口泊位的數(shù)量；l表示出口泊位的數(shù)量；Di表示計(jì)劃從進(jìn)口泊位卸到進(jìn)口箱區(qū)i的進(jìn)口集裝箱數(shù)量；Lj表示計(jì)劃從出口箱區(qū)j運(yùn)輸?shù)匠隹诓次坏某隹诩b箱數(shù)量；Da表示從進(jìn)口泊位a進(jìn)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(jìn)口泊位a重載至進(jìn)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(jìn)口泊位a重載至進(jìn)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)?；诩ㄕ{(diào)度優(yōu)化的考慮，建立以總作業(yè)時(shí)間最小為目標(biāo)的集卡調(diào)度模型。式（1）是目標(biāo)函數(shù)，表示集卡完成所有進(jìn)出口集裝箱所用的運(yùn)輸時(shí)間與岸橋、場(chǎng)橋作業(yè)時(shí)間之和最??；式(2)表示計(jì)劃堆存在進(jìn)口箱區(qū)i的集裝箱由集卡從進(jìn)口泊位全部運(yùn)送到進(jìn)口箱區(qū)i；式(3)表示計(jì)劃從出口箱區(qū)j運(yùn)送到出口泊位的集裝箱由集卡從出口箱區(qū)j全部運(yùn)送到出口泊位；式(4)表示集卡從進(jìn)口泊位a運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)進(jìn)口箱區(qū)的集裝箱總數(shù)等于計(jì)劃從進(jìn)口泊位a進(jìn)口的集裝箱總數(shù)；式(5)表示集卡從各個(gè)出口箱區(qū)運(yùn)輸?shù)匠隹诓次籦的集裝箱總數(shù)等于計(jì)劃從出口泊位b出口的集裝箱總數(shù)。集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度是在裝載計(jì)劃和卸載計(jì)劃已知的前提下，根據(jù)岸橋裝卸任務(wù)給岸橋動(dòng)態(tài)分配集卡的過程。本節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度算法來實(shí)現(xiàn)混合裝卸模式下給岸橋動(dòng)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(shí)間，減少集卡的行駛距離，提高岸橋的利用率。算法設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程如圖3所示。算法1：集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度算法Step1:設(shè)置需要分配集卡的岸橋編號(hào)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(diǎn)Ldi和Lli，其中Ldi用于存儲(chǔ)一個(gè)給定岸橋i未完成的卸載列表，Lli用于存儲(chǔ)一個(gè)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。Step3:臨時(shí)給岸橋i分配的集卡數(shù)量=允許給岸橋分配的最大集卡數(shù)量Ntm。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+Ntli2Nti',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(chǎng)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+w1xdi,其中w1為集卡行駛單位距離的權(quán)重，di為集卡到達(dá)目的地岸橋i需要行駛的距離。Step7:當(dāng)前岸橋的卸載積分Sdi2=Sdi1+(Ncdif-Ntdi)xwd,其中為卸載的堆放在岸橋i下的集裝箱數(shù)量，Ntdi為目前派往岸橋i做卸載操作的集卡數(shù)量，wd為卸載集裝箱堆放權(quán)值。Step8:如果Sdi2>S0,S0為一個(gè)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(gè)集裝箱。Step9:如果Ncli>0，則裝載積分Sli=0;否則轉(zhuǎn)Step18。Step10:岸橋i的裝載積分Sli1=Sli+(Ntli+Ncli')xwL,其中Ntli為目前正被派往岸橋i裝載的集卡數(shù)量，為堆放在岸橋i下要裝載的集裝箱數(shù)量，wL為裝載集裝箱堆放權(quán)值。Step11:如果當(dāng)前集卡在堆場(chǎng)，岸橋i裝載積分Sli2=Sli1+SL,SL為場(chǎng)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(hào)為j,j=(1,...,Ncli)。Step13:返回裝載計(jì)劃列表中第j個(gè)集裝箱所在箱區(qū)的信息，第j個(gè)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(shí)裝載積分Sli3=Sli2+w2xNbL,w2為多個(gè)集卡行駛到同一個(gè)箱區(qū)的權(quán)值，NbL為集裝箱數(shù)量。Step15:岸橋i臨時(shí)裝載積分Sli4=Sli3+w1xd,d為集卡到達(dá)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(gè)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Stepl;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(chǎng)箱區(qū)的實(shí)際位置，進(jìn)行動(dòng)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(shí)間最小為目標(biāo)，根據(jù)集卡在岸橋排隊(duì)等待時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間給集卡分配下一個(gè)任務(wù)，集卡在任意時(shí)刻根據(jù)岸橋的需求以及路徑距離的遠(yuǎn)近被選用，為岸橋、場(chǎng)橋共享，集卡服務(wù)的對(duì)象動(dòng)態(tài)地與整個(gè)港口的作業(yè)面進(jìn)行搭配。3.1仿真假設(shè)利用FlexTerm仿真軟件對(duì)集裝箱港口的實(shí)際問題進(jìn)行建模仿真。考慮到在集裝箱港口實(shí)際運(yùn)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(shí)，基于以下假設(shè)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化：1） 集卡每次只能裝載一個(gè)集裝箱；2） 集卡獨(dú)立運(yùn)行，且互不干擾；3） 所有設(shè)備均不考慮故障與維護(hù)，處于連續(xù)工作狀態(tài)；4） 不考慮集裝箱的分類，認(rèn)為所有的集裝箱都一樣。3.2案例設(shè)計(jì)利用青島某集裝箱港口的案例來分析上述集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。該港口某時(shí)段一艘深海船舶需要卸載集裝箱800個(gè)，另一艘深海船舶需要裝載集裝箱800個(gè)，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(jì)案例，從船舶靠港到離開，對(duì)兩艘船的裝卸作業(yè)進(jìn)行連續(xù)仿真。岸橋單裝或者單卸一個(gè)集裝箱的平均時(shí)間為1.5min,集卡的平均速度為18km/h，這一時(shí)段內(nèi)涉及岸橋數(shù)量為4，各個(gè)箱區(qū)的裝卸箱量如表1所示。岸橋和場(chǎng)橋的作業(yè)過程包括裝載、卸載和移動(dòng)等活動(dòng)，集卡搬運(yùn)過程包括裝載、卸載、等待和卡車搬運(yùn)等活動(dòng)。模型的初始狀態(tài)是集卡在等候場(chǎng)地待命。作業(yè)過程中，所有從船上卸下的進(jìn)口集裝箱都由集卡運(yùn)至進(jìn)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(yùn)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(dòng)態(tài)調(diào)度作業(yè)與集卡獨(dú)立調(diào)度作業(yè)船舶在港時(shí)間（如表2所示）?？梢钥闯?，整體來說，不同集卡數(shù)量下，集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度模型船舶在港時(shí)間比獨(dú)立作業(yè)模式下都要短一些，尤其是在集卡資源較少時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)度作業(yè)比獨(dú)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(shí)間迅速減少，當(dāng)集卡達(dá)到8輛時(shí)，隨著集卡的增加，無論是集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度還是獨(dú)立裝卸，船舶在港時(shí)間下降趨勢(shì)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(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)度的方法，對(duì)集卡運(yùn)輸?shù)倪^程進(jìn)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(shí)間。求解集卡動(dòng)態(tài)調(diào)度運(yùn)輸路徑和箱量如表3所示。表中O1代表進(jìn)口船舶，O2代表出口船舶，01-5-4-02代表從進(jìn)口船舶O1到箱區(qū)5卸箱再到箱區(qū)4裝箱運(yùn)輸?shù)匠隹诖?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(jìn)行的，這樣的動(dòng)