集装箱码头堆场作业资源优化与设计实现

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【摘　要】随着上海港集装箱吞吐量的增大，提高港口作业效率成为不容忽视的问题，在此问题上合理配置集装箱码头作业资源，实现综合调运的资源优化是一种提高码头作业效率的途径，本文将以上海某集装箱码头为背景，对集装箱码头堆场作业资源优化设计实现进行阐述。

【关键词】集装箱码头;作业资源;优化

1.背景

港口作为重要的物流节点在国民经济中起着日益重要的作用，而集装箱在提高港口作业标准化、作业效率方面具有明显优势，因此集装箱码头成为许多国家的发展重点。特别是在我国，随着国民经济的发展，与世界各国的经济交往愈加密切，对外贸易额呈快速增长的趋势，其中集装箱的进出口量也逐年递增，从而成为我国集装箱码头建设的主要推动力之一。然而随着集装箱码头的规模日益增大，吞吐量的急速递增，由于港口作业自身受环境影响大、建设期码头规模估计不足等因素，集装箱码头的作业效率成为制约发挥集装箱码头效能的瓶颈，因此合理调配码头作业资源成为不容忽视的问题，本文将以集装箱码头日常生产实践为基础、以xx港资源优化设计为背景，从集装箱码头作业资源优化与设计方面进行阐述。

2.作业资源优化问题概述

集装箱码头作业资源的优化问题可分解为三个部分的问题：岸边资源优化配置问题、水平运输资源优化配置问题、场内资源优化配置问题。（见图2.1）

图2.1 码头作业资源分类图

岸边资源优化配置问题，这其中包括泊位资源分配问题和桥吊资源分配问题。泊位资源的优化配置使用决定着港口岸线资源的使用效率和船舶进港的靠泊时间；桥吊资源分配问题则主要是桥吊调度问题的研究，合理提高装卸效率和提高桥吊的使用率。水平运输资源是指将集装箱从堆场运到岸边或由岸边运到堆场的集卡、AGV等运输设备，目前学者对水平运输资源优化问题的研究中，多贴近于路径优化网络模型的建立，而在实际生产中，由于路径规划不合理、调配不当等因素造成的局部拥堵现象是理论研究中无法反应的，此外在于岸边资源衔接方面，随着桥吊规模增大，目前洋山港已有13台双起重吊投入生产，这对水平运输资源的优化配置也是极大的考验。

集装箱码头场内资源主要有堆场机械资源和堆场空间资源，在装卸过程中，堆场机械直接参与装卸操作，而堆场空间属于固定资源，因此提高装卸效率、和空间利用率是场内资源分配优化的关键问题。目前学术界研究的场内资源优化主要是研究轮胎吊或轨道吊的配置问题，而在实际操作中堆场机械与水平运输设备的衔接等问题上对龙门吊配置模型的应用仍是极大考验。

3.目前已做工作及效果

3.1轮胎吊调度的线性规划模型

轮胎吊的多任务调度模型，也就是需要解决在符合业务约束的前提下,将M个作业任务优化地分配给N个轮胎吊的问题。该问题用整数规划可以表述为如下：

其中(1)式为目标函数， x■表示第i个作业任务和第j个轮胎吊之间的关系，x■=1表示将第i个作业任务分配给了第j个轮胎吊，x■=0则表示第i个作业任务没有分配给第j个轮胎吊。

Cij定义为效率矩阵，表示第i个任务如果给分配给第j个轮胎吊的作业成本，对于轮胎吊调度来说主要考虑时间因素。

Cij=Tij=Sij/Vrtg+Nij*Tc (6)

对于式(6),Sij表示如果第i个任务分配给轮胎吊j,根据预测轮胎吊的移动轨迹距离，在计划作业时间的一定时段以内(如15分钟,待定)，按就近原则决定轮胎吊的移动次序，且根据轮胎吊的实际位置动态修正, Nij表示第i个作业之前需要作业的作业数目,如图3.1所示:

图3.1 轮胎吊预测移动轨迹示意图

假设轮胎吊原本已分配有5个作业任务，最近的为任务1，如果轮胎吊先做任务1，与任务1最近为任务2，则依次类推可以得到预测的轮吊移动轨迹。如果任务5’要分配给该轮吊做，则需要重新预测移动轨迹，5’替代了5的次序，此时所以有：Sij=S12345’, Nij=4，即可计算成本Cij。若Cij导致作业冲突，则Cij=∞。

式(2)为约束条件表示一个任务之可以分配给一个轮胎吊作业。式(3)表示一个轮胎吊可以同时分配到多个任务。式(5)表示每次调度的任务数小于轮胎吊数，这是考虑到本模型大部分计算都是基于预测，一次调度中分配过多任务，导致误差过大。

该线形规划模型是一个0-1整数规划模型，可以考虑用穷举法或隐含枚举法求解，考虑算法性能因素，采用隐含枚举法，隐含枚举法算法示意图如图3.2所示:

图3.2 隐含枚举法算法示意图

3.2轮胎吊：RPS轮胎吊自动调度

3.2.1目标

（1）轮胎吊的作业纳入系统管理范畴，建立与之相适应的轮胎吊自动调度数学模型，按照作业指令动态匹配轮胎吊的思路，利用线形规划等算法及方法优化轮胎吊自动调度，并且符合相关业务需求。

（2）采用GPS系统，对轮胎吊位置进行实时跟踪，开发轮胎吊自动调度系统（RPS），对轮胎吊作业采取指导与控制措施，提高轮胎吊作业的效率及利用率。

（3）开发与优化计划与控制子系统，支持轮胎吊自动调度，实现轮胎吊的作业量均衡。

3.2.2实现方法探讨

（1）对现有的堆场进行块的划分：

①按作业箱类型划分：进口箱、出口箱、中转箱。

②人为划分：比如按通道划分（建议）

③块的划分，是为工作量的预测做准备，目前，由于进出口作业的不均衡性，因此，以上对于块的划分，只能实现RTG作业同一类型作业的均衡，而不能使不同类型的作业量达到均衡作用，因此，建议按通道划分，并且同一通道中兼有进口箱和出口箱。

（2）对于划分块的工作量，通过历史数据的分析，进行各类作业工作量的预测。

（考虑到洋山码头目前正处于高速成长期，因此其资料要求考虑成长因素。）

①收集2007－1－1到2007－6－30的进箱、提箱、装船、卸船、翻箱、转堆的每一小时的数据量。共52128条记录（时间、箱尺寸、作业类型、作业箱量）取后三列数据：