码头翻箱作业优化研究

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摘 要：翻箱工作是港口集装箱船舶装船作业和提箱、移箱作业中的一个环节，翻箱率直接影响码头的装卸效率和进提箱效率，目前我国很多码头的翻箱作业还存在一定的问题。文章结合集装箱码头作业的理论和实际操作经验，以港吉码头为例对堆场的翻箱量进行研究，运用蒙特卡罗法进行仿真，对翻箱作业进行分析，提出了控制装船翻箱、提箱翻箱等优化对策。

关键词：集装箱堆场；翻箱；蒙特卡罗法

中图分类号：U169.6 文献标识码：A

早在20世纪60年代，一些发达国家和地区的集装箱运输就已进入稳定发展期，70年代更趋于成熟，而该时期我国的集装箱运输则刚刚起步。改革开放以来，我国集装箱运输保持持续高速发展，平均年增长率近30%，增长速度远超过世界平均增幅6%～8%的水平，也超过世界上任何一个集装箱运输大国的水平。随着中国经济尤其是国际贸易的迅猛发展，我国集装箱吞吐量以年均26.1%的速度增长，2003年，我国港口集装箱吞吐量跃居世界第一。2008年，集装箱吞吐量更是创记录的达到1.26亿TEU，上海港和深圳港稳居世界港口集装箱吞吐量前五位。从表1中，可以看到我国主要港口集装箱吞吐量的世界排名从2000年排名相对靠后，发展到2007年有9个港口排名进入前30名，从而可以看出我国近些年沿海港口集装箱吞吐量迅猛增长的态势。如今，我国集装箱运输已成为全球集装箱运输发展的重要组成部分。

港口作为货流的中转站，其运营效率不仅影响到本港口的竞争能力，同时也影响到以本港口为节点的整个运输系统的效率乃至本地区的经济发展。如何提高集装箱码头运营效率，以最小的成本提供最高效的服务，己经成为集装箱码头企业提高港口核心竞争力和为本地区经济发展服务能力的根本手段。

集装箱码头堆场是集装箱在码头中转运输的缓冲区，作为集装箱码头内最重要的组成部分，不仅仅对码头的吞吐能力有着制约的作用，堆箱的质量对码头的操作效率也是有着非常重要的影响。无论是发货人的待装集装箱还是从集装箱船上卸下发送给收货人的集装箱，都必须经过集装箱堆场交接。集装箱化的优越性能否发挥，关键在集装箱堆场如何顺利作业。另外，由于在集装箱运输系统中，集装箱堆场是海陆运输的衔接点，因此集装箱堆场不仅仅起到了集装箱装卸场地的作用，同时还起着集装箱储存、保管、交接、集疏运作用，堆场管理及运作效率直接影响着码头的装卸效率和经营成果。

1 理论综述

1.1 翻箱作业及其影响

翻箱工作是港口集装箱船舶装船作业和提箱、移箱作业中的一个环节，翻箱率直接影响码头的装卸效率和进提箱效率，尤其是对装船作业的影响更为明显。降低翻箱率有助于提高船舶的准班率和计划兑现率，降低港口装卸成本，提高经济效益[1]。

翻箱可以分为装船翻箱、提箱翻箱和移箱翻箱等3种类型。移箱翻箱一般为小概率事件，虽然会在移箱作业中增加一定的无效作业时间，但对港口的服务效率一般不会产生太大的影响；提箱翻箱一般是由于客户提箱顺序与场地堆箱顺序不匹配所造成的，这种翻箱会在一定程度上影响码头的进提箱作业效率，主要是造成港口作业成本的增加；装船翻箱一般是由于出口堆场安排不尽合理或配载安排不尽合理以及船方配载要求变动等原因造成的。这种翻箱直接影响港口的服务效率，也会提高作业成本，对码头的影响较大。

1.2 蒙特卡罗法

蒙特卡罗法（Monte-Carlo）亦称为随机仿真（random simulation）方法，有时也称作随机抽样（random sampling）技术或统计试验（statistical testing）方法，主要用于研究不确定性过程[2]。其基本思想是：针对要求解的数学、物理工程技术及生产管理等方面的问题，首先建立一个该问题的概率模型，确定问题解的指标；然后通过对模型或过程的抽样试验或观察，来计算解的统计特征，给出解的近似值和它的精度。这一方法源于美国在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”，随着现代计算机技术的飞速发展，用计算机仿真随机过程，实现多次仿真试验并统计计算结果，进而可获得所求问题的近似结果。蒙特卡罗方法日益广泛地应用于物理、工程、经济、金融的各个方面。

蒙特卡罗法以概率统计理论为其主要理论基础，以随机抽样（随机变量的抽样）为其主要手段。它可以解决各种类型的问题，但总的来说，视其是否涉及随机过程的性态和结果，这些问题可分为两类：第一类是确定性的数学问题，如计算多重积分、解线形代数方程组等；第二类是随机性问题，如原子核物理问题、运筹学中的库存问题、随机服务系统中的排队问题等[3]。

2 研究方法

本文主要采用理论研究与实践案例相结合、定性与定量相结合的研究方法，即以港吉码头为例，分析其翻箱作业的现状，指出其翻箱过程中存在的无效作业问题并分析问题产生的原因。同时利用蒙特卡罗法对翻箱问题进行仿真，并提出相应的解决方案。

3 案例分析

港吉码头位于宁波北仑穿山半岛，自然条件极其优越，是世界上少有的天然深水港区。公司区位优势明显，水陆疏运畅通，港区水深流顺风浪小，进港航道水深在-18.2米以上，可满足目前世界上最大的集装箱船全天候进出港区。是中国沿海向美洲、大洋洲和南美洲等港口远洋运输辐射的理想集散地。

公司现阶段已建成专业集装箱泊位5个，其中2#～4#泊位由宁波港与地中海合资；5#、6#泊位由宁波港与长荣合资。码头岸线全长1 700米，码头前沿平均水深-17米，进出航道水深可满足目前世界上最大的集装箱船舶全天候进出和靠泊，以舟山群岛为天然屏障，受季风影响小，全年作业天数在350天以上。拥有堆场面积90万平方米，其中配备危险品堆场1.3万平方米、冷藏箱堆场2.6万平方米，可容纳660个标准危险品箱、1 700个标准冷藏箱。配有桥吊20台（其中，双40英尺桥吊4台）、龙门吊52台、正面吊4台、堆高机8台、集卡130台、铲车11台、调箱门机1台（如表2所示）。

3.1 港吉码头翻箱作业中存在的问题

翻箱是指对某一集装箱进行作业时，将压在其上的其他集装箱转移到同一位的其他排的操作。随着吞吐量的上升，必将引起堆场利用率的上升，而堆场利用率的上升，就会在出口箱、中转箱装船以及进口箱提箱作业中，存在着大量的翻箱作业，这些翻箱作业的存在，增加了堆场作业的操作量，影响了集装箱码头堆场作业效率。

下文以港吉码头2010年的箱量结构为例进行简单分析（如表3所示）。

进提箱量占总作业量的比例较少，装卸箱量、外移箱量均为客观需要的吞吐量，不可改变，内移箱量属于“主动作业”量，唯有翻箱量绝大多数是“无用功”。翻箱量的增加直接导致港口装卸成本的提高。另外，翻箱工作还增加大量的非有效工作时间。随着吞吐量的逐年增加，势必会造成更大的翻箱作业量。

3.2 翻箱产生的原因

通过对这些翻箱作业进行分析，发现其中一部分翻箱作业是由于出口箱放行情况不理想、中转箱二程船信息滞后或者进口箱提箱时间的先后而造成的，这些是码头所不能控制的[4]。但还有一部分翻箱作业则是因为码头在安排计划、生产组织方面的疏忽或失误造成的，这些是不合理的，也是码头作业中应该尽量避免的，这些翻箱作业主要原因有以下几个方面：

（1）出口箱吨位不一致造成翻箱。在进行船舶配载和装船作业时，要求重箱在上，轻箱在下，最理想的情况就是在堆场堆放时，重箱在下，轻箱在上，但由于出口箱进场可控性较弱，码头为提高堆场利用率，不可能按箱子的实际重量进行重压轻堆放，一般采取的做法是首先对出口箱进行分吨（如将出口箱分为5个重量等级，0～10、10～15、15～20、20～25、25吨以上），然后安排堆存计划，指定堆放原则（重压轻堆放、按列堆放、按层堆放、按层列堆放），卡口进箱时系统会自动根据分吨情况、堆放原则进行选位。但有些船舶配载时对吨位要求较高（上下两层集装箱重量不能超过2吨，最好能按实际箱重进行配载），这样就跟进箱时的选位原则不一致，从而造成出口箱装船作业时的翻箱。

（2）进口箱新箱压老箱造成翻箱。一般情况下，进口箱遵循“先进先出”的原则，最理想的情况是新卸下的箱子不压在堆场上原有的在场箱上，但在实际作业中，进口重箱只是相对集中放置，并没有按照船分开，因此提箱的时候造成翻箱。

（3）配载与控制作业人员思路不一致造成翻箱。码头采取由控制员进行作业路调配（安排作业桥吊以及每部桥吊的作业贝位、作业次序），船舶配载负责船舶配载的做法。在进行出口船图配载时，当遇到堆场上某一排的箱子不能配在同一舱内的情况时，船舶配载员会根据自己理解的船舶装船作业次序将箱子配到不同舱内，但实际作业时，如果控制员没有按这一思路进行装船作业，那势必会造成发箱时的翻箱。

（4）特殊箱型装船造成翻箱。特殊箱型的重箱由于在船上有比较固定的位置，装卸作业前必须在堆场内单独堆放，以便于装箱，从而导致翻箱，如冷藏箱、危险箱、框架箱、高箱等。

3.3 利用Monte Carlo方法进行仿真

（1）仿真内容。本文所采用的是6列4层的一个贝，总堆存能力是24自然箱，考虑到翻箱操作需要（同一贝位内集装箱不翻往其它贝），实际最大堆存能力为21自然箱。对堆存能力为6*4自然箱的贝中，实际堆存12～21自然箱，即箱区利用率在50.0%～87.5%之间，相应的翻箱率进行了仿真，其实际应用价值，在于结合进口箱量预测，合理安排箱区利用率，并对总翻箱量进行合理预期，以优化RTG资源配置。

（2）仿真结果。本文对提空一个贝内所有自然箱所需的RTG翻箱作业量作仿真，具体步骤如下：①确定进箱数，得到相应的初始贝位利用率；②根据一定的收箱堆存原则收箱，得到贝位堆存图；③模拟客户提箱的随机性，产生随机提箱序列；④根据随机提箱序列发箱；⑤若随机序列中应发箱不在箱区顶层，则根据一定的翻箱原则进行翻箱；⑥以进口堆场RTG收发一个重箱作为一个增值操作，以翻一个重箱作为一个非增值操作；⑦提空整个贝位，完成一次仿真。

本文在50.0%～87.5%的贝位利用率之间，针对不同的收箱堆存原则和翻箱原则，对进箱和提空一个贝分别作了10 000次仿真，得到平均提空一个贝的所需的总翻箱次数和每自然箱翻箱次数，结果如表4所示。

（3）贝内总翻箱量。以上仿真结果直观地反映出了箱区利用率和收箱、翻箱原则对进口箱区总翻箱作业次数的影响：贝位利用率越低，贝内翻箱操作次数越少；相比就近翻箱原则，采用最矮原则进行翻箱可有效降低翻箱作业次数；在最高贝位利用率情形下（21箱，利用率87.5%），采用层优先原则收箱，略次于列优先，约多翻1.64%，合0.24箱。经检验，这一差异在置信度95%下显著；随着贝位利用率下降，层优先收箱原则相对于随机原则和列优先原则的优势逐渐显现。例如在堆16箱，贝位利用率66.67%的情形下，与采用层优先相比，列优先平均多翻14.49%，合1.18箱；同一贝位利用率下，收、翻箱原则对平均翻箱次数影响显著，贝位利用率87.5%时，最高翻箱次数比最低翻箱次数多20.39%，合2.94箱；贝位利用率66.7%时，最高翻箱次数比最低翻箱次数多44.87%，合3.65箱；贝位利用率降至50%时，最高翻箱次数比最低翻箱次数多122.88%，合4.67箱；以上结果表明，堆场利用率、堆存原则和翻箱原则对进口堆场翻箱作业量的影响是显著的。在贝位达到满负荷运作的情形下（24个箱位堆21箱），按照列优先进箱和最矮原则翻箱略优于其它方案；在其它贝位利用率下，按照层优先进箱和最近原则翻箱相对其它方案更优，且这一优势随着贝位利用率的下降逐渐变得明显。

（4）平均每自然箱翻箱次数。上文所分析的贝内总翻箱量所考量的是一定贝位利用率下提空一个贝所需的全部翻箱操作次数。在同一贝位利用率下，贝内总翻箱量在不同堆存和翻箱原则下具有较好的横向可比性，但是，在贝位利用率不同的情况下，贝内总翻箱量的纵向可比性较差。

因此，还需研究更具可比性的平均每自然箱翻箱次数指标，以分析在特定的堆存或翻箱原则下，贝位利用率不同时平均每自然箱翻箱次数的纵向差异，计算公式为：

平均每自然箱翻箱次数=贝内总翻箱/贝内堆存自然箱量

对不同贝位利用率下平均每自然箱翻箱次数分析的结果见表5。

以上仿真结果反映出了箱区（贝位）利用率和收箱、翻箱原则对进口箱区平均每自然箱翻箱作业次数的影响：在贝位利用率较高时，堆存原则对平均每自然箱翻箱次数的影响高于翻箱原则对其的影响；同一翻箱原则下，在贝位利用率较高时，平均每自然箱翻箱次数的差异较小；层优先进箱，最矮原则翻箱是减少平均翻箱次数的最佳方案，当贝位利用率87.5%时，平均每个自然箱需要1.7个RTG操作才能被提出场外；贝位利用率66.7%时，平均每个自然箱需要1.51个RTG操作才能被提出场外；当贝位利用率下降到50%时，每个自然箱只需要1.32个RTG操作就能被提出场外。

4 研究发现与讨论

对于月均装船10万自然箱的集装箱码头，翻箱率降低2%，全年可减少的成本为：10万自然箱/月*2%*12月*50元/自然箱=120万元（次翻箱成本按小箱吊机费的50%测算）可见，降低翻箱率对降低成本作用非常明显。另一方面，假设每个集装箱翻箱1次需要额外花费 2.5分钟，以2010年港吉码头的翻箱量为例估算，翻箱量为73 389自然箱，意味着翻箱需花费3 058小时的无效作业时间。可见，翻箱所花费的时间成本亦是非常巨大的。因此对于港吉码头，本文有以下建议：

（1）控制装船翻箱。装船翻箱整理包括出口装船前整理、中转箱场地整理、出口退关箱整理和其他场地整理等。整理后的出口箱、中转箱要求在场地按船名航次、港口、重量等级原则整理堆放，并且每条船在每个箱区的箱量控制在一定范围之内，以避免装船箱区太散或太集中而影响装船效率。通过场地移箱，可以有效利用堆场资源，降低装船翻箱率，提高装卸船效率。

第一，采取有效的堆场安排策略。合理安排场地，并加强出口箱的装船前移箱和退关箱的归位工作。堆场系统通常都是按列或按贝自动分配场位，如果不做整理，装船区域剩余的集装箱，会在系统内占据所在的列或者贝，下一条准备在该区域进箱的集装箱将无法使用该区域，造成场位的浪费。虽然该方式只能节省出几个贝的空间，但是在堆场占用高峰期，还是能起到一点点作用的。

第二，采取适当的“浮面”作业。所谓“浮面”就是“浮出水面”的意思，即通过装船前主动、有效的翻箱作业，达到较少翻箱率，进而提高效率。根据配载的预配，对场地上该船装船的箱子进行按照大概作业路数和船上舱位情况进行整理，将待装船箱移到堆垛的最上面一层，避免装船作业过程中进行翻箱作业，提高装船效率。

第三，在配载方面，通过事先策划。确定作业路数和装船顺序，用系统模拟装船过程，控制翻箱数量。此外，还可采取将装船效率纳入配载人员考核指标等措施提高配载质量、降低翻箱率。

第四，出口中转箱卸船选位优先的原则。中转比例高的集装箱码头公司要坚持一程船的装船需求，从而降低出口中转箱的翻箱率，提高出口中转箱的装船效率。因为对于中转箱而言，每条船带下了很多条航线的中转箱，出去的时候一条航线上的箱子就是由几条船带进来的，因此可以问船公司要中转计划，在平时随时将这些箱子按照计划进行整理，一方面可以节省堆存空间，另一方面将箱子归并整理后，每个航线每块场地箱量可以相对均衡，提高装船效率。

（2）控制提箱翻箱。一般情况下，进口箱作业遵循“先进先出”的原则，最理想的情况是新卸下的箱子不压在堆场上原有的箱子上。但在实际作业中，由于堆场使用率较高，或是在卸船作业前来不及对卸船箱区进行合理的归、并、转，使堆场在卸船作业时没有空位可放箱，而场吊司机为了提高卸船效率或图方便会将新卸下的箱子压在原有的在场箱上，造成后续进口箱提箱作业时的翻箱。主要控制方法如下：

第一，对于进口重箱，应用卸船前获取的舱单信息，给大提单的集装箱定义特殊的群组编号，卸船时把相同群组编号的集装箱单独堆放，通过提箱预约方式实现不指定箱号提箱，达到降低翻箱率的目的。但这个方法需要外在因素的配合，包括预约环境的建立、口岸环节的配合等。

第二，对于进口空箱，通过加强与客户（一般为港外堆场）的沟通，与客户签订成批驳箱协议，采取事先预约的方式，提箱过程中进行不指定箱号提箱，以实现零翻箱率。

第三，对于进口重箱堆存期长短不一造成的翻箱，可以采取有计划的规避方法，即对于预计堆存期较长的重箱，采取与其他进口重箱分列堆放的方法，以减少翻箱。

5 结 论

随着经济一体化、全球化趋势的发展和我国社会主义经济的不断完善，我国对外贸易的快速增长，集装箱运输量保持了较高的增长速度。快速上升的集装箱运输市场使我国现有的不少集装箱码头出现了能力的缺口。同时，由于近年来现代物流的发展，要求实现集装箱运输的无缝连接，这对于集装箱码头提出了更高的要求。不仅要求要有足够的容量适应快速增加的货源需求，而且要在现有资源水平的条件下，进行优化管理，充分地提高资源的利用率，来快速响应物流发展的要求。

参考文献：

[1] 徐剑华. 择箱指数法优化集装箱货场的利用效率和取箱效率[J]. 港口装卸，1991，72（4）：46-51.

[2] Taleb-Ibrahimi M， Castilho B D， Dagnazo C F. Storage space vs handling work in container terminal[J]. Transportation Research， 1993，27（1）：13-32.

[3] 陈庆伟，王继荣. 集装箱堆场出口箱堆存模型及其算法[J]. 物流科技，2007（7）：106-108.

[4] 胡明静，张玲. 提高港口集装箱堆场快速反应性的策略[J]. 港口经济，2008（3）：56-57.

[5] 丁嵩冰，吴纯锴. 集装箱码头堆场进口箱区轮胎吊翻箱作业的蒙特卡罗仿真[J]. 集装箱化，2007（2）：9-12.