集卡與岸橋及場橋聯合調度模型優化

徐遠琴，韓曉龍

（上海海事大學物流研究中心，上海 201306）

集卡與岸橋及場橋聯合調度模型優化

徐遠琴，韓曉龍

（上海海事大學物流研究中心，上海 201306）

分析了集裝箱碼頭中的集卡與岸橋、場橋聯合調度;基于集卡運輸時間與等待岸橋、場橋時間之間的權重系數考慮，建立了以等待岸橋、場橋作業時間與集卡運輸時間之和最小為目標的聯合調度優化模型，為集裝箱碼頭裝卸作業調度提供了決策支持;算例驗證了模型的有效性和實用性。

岸橋;場橋;集卡;聯合調度

0 引言

從世界范圍內來看，各大型集裝箱港口都在不斷地對碼頭的軟、硬件設施進行改造，以改善碼頭的管理運作水平，從而最大限度地提高碼頭的利用效率。在裝卸設備的優化配置方面，Gambardella，等［1］研究了岸橋和場橋優化配置問題;Kozan，等［2］運用遺傳算法對機械設備配置問題進行了求解;在堆場資源優化配置方面，Amborski［3］運用數字仿真技術研究了堆場存取順序規劃問題;Mosca［4］研究了碼頭中堆場的空間布局問題。在集卡調度方面，計明軍，等［5］研究了集卡的運輸路徑，建立集卡行駛路徑最短的優化模型，并對優化模型進行數值試驗且以岸橋等待時間最短估算作業需要配備的最佳集卡數量;劉豐碩［6］研究了集裝箱碼頭集卡路徑優化問題，建立了裝卸混合作業的集卡調度模型，以岸橋等待時間最短為目標函數，在該模型的基礎上建立了基于集裝箱船舶配載的集卡路徑優化模型，使用蟻群算法對模型進行求解最后設計的算例驗證了模型的有效性;康志敏［7］闡述了兩種不同的AGV調度方式，提出了考慮成本的AGV路線調度方法，在作業面動態調度模型下，建立了以等待時間最少的車輛調度模型，利用遺傳算法來求解。Dennis Huisman，等［8］討論了車輛的動態調度問題，提出了新的解決方案，分析了在堆存點較多的情況下，動態調度不好執行的原因;Lee，等［9］考慮了集卡資源限制下的集卡調度模型，建立了以集卡等待時間和運輸時間加權和最小為目標函數的模型，設計了新的混合算法來求解模型。

筆者主要研究集卡與岸橋、場橋的聯合調度問題，首先對該問題進行了描述，建立3者之間的聯合調度模型，求出聯合作業下3者的最小運作時間，最后通過算例驗證了模型的有效性。

本文的創新之處在考慮了裝卸不平衡問題，加入了集卡運輸時間與岸橋、場橋等待時間之間的權重系數，使得模型更具現實意義。

1 問題描述

堆場內既有卸箱作業又有裝箱作業，集卡按照整體優化調度的思想來完成集裝箱的裝卸任務。既有在同一箱區裝卸作業，也有在一箱區卸箱再去另一箱區裝箱作業。采用這種作業方式，集卡作業時可有多種選擇:

1）在箱區卸下進口箱后，從該箱區裝運出口箱運往待裝船;

2）在箱區卸下進口箱后，到另一箱區裝出口箱運往待裝船;

3）集卡從待裝船重載運輸至堆場并空箱返回;

4）集卡從堆場重載運輸至待裝船并空箱返回。

另外，集卡行走時間與等待岸橋、場橋時間是兩個影響集裝箱碼頭作業效率的指標。根據指標在評價系統中的重要程度不同，對其設定不同的權重系數。目標值對權重系數的敏感度計算引用 Lee，等［10］的計算方法。

聯合調度模型基于以下假設:

1）假設某時間段內，進口船舶和出口船舶同時到達;

2）集卡每次只可裝載一個集裝箱;

3）集卡獨立運行，不相互干擾。

2 模型建立

2.1 符 號

為了便于建模，引入以下符號。

1）集 合

A:待卸船舶貝位集合，a∈A;

B:待裝船舶貝位集合，b∈B;

E:堆場箱區集合，e，f∈E且e≠f;

O:船舶集合，o，o'∈O。

2）參 數

Oa:待卸船舶各貝位的裝箱量，a∈A;

Pb:待裝船舶各貝位的裝箱量，b∈B;

Cb:待裝船舶各貝位的容量，b∈B;

Oe:箱區要被裝船的箱量，e∈E;

Pe:箱區要被卸船的箱量，e∈E;

Ce:箱區的容量，e∈E;

Ue:Oe與Pe的差為正的量，e∈E;

Ve:Oe與Pe的差為負的量的絕對值，e∈E;

doe:待卸船舶o與箱區e之間的距離，o∈O，e∈E;

do'e:待裝船舶o'與箱區e之間的距離，o'∈O，e∈E;

def:箱區間的距離，e，f∈E且e≠f;

v:集卡重載的運行速率;

v':集卡空載的運行速率;

t1:岸橋裝、卸箱作業時間;

t2:場橋卸、裝車作業時間;

α1，α2:分別是集卡行走運輸時間與等待岸橋與場橋時間的權重系數。

2.2 決策變量定義

xaeb:表示集卡從待卸船貝位a重載至箱區e并重箱返回至待裝船貝位b的次數，a∈A，e∈E，b∈B;

xaefb:表示集卡從貝位a重載至箱區e卸載后集卡空箱運輸至箱區f再返回待裝船貝位b的次數，a∈A，e，f∈E且e≠f，b∈B;

xae:表示集卡從貝位a重載至箱區e的次數，a∈A，e∈E;

yeb:表示集卡從箱區e重載至待裝船貝位b的次數，e∈E，b∈B。

2.3 集卡動態調度模型

基于集卡調度優化的考慮，建立了以集卡運輸時間與等待時間之和最小為目標的集卡調度模型。

1）集卡的運輸時間與等待時間之和最小

2）集卡的運輸時間

3）集卡等待岸橋與場橋的時間

4）集卡從貝位裝箱運輸到各個箱區的次數和等于該貝位的卸箱量

5）集卡從各個貝位裝箱運輸到箱區的次數和不能超過該箱區的容量

6）集卡從箱區裝箱運輸到待裝船各個貝位的次數和等于該箱區的裝箱量

7）集卡從箱區裝箱運輸到待裝船各個貝位的次數和不能超過該貝位的容量

8）箱區間的運輸不會出現對流

9）在同一箱區裝卸箱的次數約束

10）在箱區間行走的次數約束

3 數值試驗

假設在集裝箱碼頭有1艘進口船舶和1艘出口船舶同時到達。有110個進口集裝箱需要進行卸船作業，100個出口集裝箱要進行裝船作業。有4個箱區可供其堆存。岸橋每次抓取1個集裝箱且集卡每次只能運送1個集裝箱，岸橋的作業效率是2 min/個，場橋的作業效率是1.5 min/個。集卡運輸時間與等待時間的權重系數分別為α1=0.6，α2=0.4。船邊與箱區都停留有集卡。集卡重載運輸速率v=20 m/min，空載運輸速率v'=35 m/min。基本數據如表1～表5。

表1 待卸/裝船舶各貝位的卸/裝箱量及待裝船舶各貝位的容量Table 1 Unloading/loading quantity of container from the bay of unloading/loading boat and the capacity of the bay of loading boat

表2 各個箱區裝箱量/被卸船的箱量及箱區容量Table 2 Loading/unloading quantity of container from blocks and the capacity of blocks

表3 Oe－Pe的絕對值Table 3 The quantity of（Oe－Pe）positive number

表4 船舶到各個箱區的距離Table 4 The distance from boats to blocks

表5 從箱區e到箱區f集卡的距離Table 5 The distance from boats to blocks

把以上表中數據代入上述模型中，求解得，最小運輸時間為3 392.74 min，集卡行走路線優化如表6。

表6 運輸路徑Table 6 Transport routes

對表6的數據分析發現，集卡有在同一箱區同時進行裝卸箱的作業且次數最多，也有在箱區之間的裝卸作業，這樣的動態調度降低了集卡的空載率。

4 結語

集裝箱碼頭的物流作業效率直接影響碼頭節點處的作業生產率及后續節點的運輸質量與效率，所以集裝箱碼頭的作業資源調度問題已成為提升碼頭核心競爭能力的關鍵問題。在確定進出口集裝箱數量的情況下，考慮在堆場同時裝卸箱且裝卸不平衡，利用動態調度思想使集卡在箱區之間作業，降低集卡的空載率。

筆者加入了集卡運輸時間與岸橋、場橋等待時間之間的權重系數，在聯合調度模型上，首次將集卡在同一箱區裝卸和在不同箱區裝卸約束做了創新。但不足之處在于沒有考慮集卡數量的限制、岸橋操作時間不確定性等問題，這值得進一步做深入的研究。

（References）:

［1］ Gambardella L M，Mastrolilli M，Rozzoli A E.An optimization methodology or intermodal terminal management［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，2001，12:521-534.

［2］ Kozan E，Preston P.Genetic algorithm to schedule container transfers at multimodal terminals［J］.International Transactions in Operational Research，1999，6:311-329.

［3］ Amborski K.Optimization of container storage place operation［J］.Modeling Simulation ＆ Control C:Environmental，Biomedical，Human ＆ Social Systems，1984，1:128-140.

［4］ Mosca R，Giribone P，Bruzzone A.Simulation of dock management and planning in a port terminal［J］.International Journal of Modeling and Simulation，2000，20:153-157.

［5］ 計明軍，劉豐碩，李郭記，等.基于裝卸協同作業的集裝箱碼頭集卡調度及配置優化［J］.大連海事大學學報:自然科學版，2010，36（1）:47-50.

Ji Mingjun，Liu Fengshuo，Li Guoji，et al.Truck routing and allocation optimization based on loading and unloading simultaneous operations in a container terminal［J］.Journal of Dalian Maritime U-niversity:Natural Science，2010，36（1）:47-50.

［6］ 劉豐碩.基于裝卸協調作業的集裝箱碼頭集卡路徑優化研究［D］.大連:大連海事大學，2010.

Liu Fengshuo.The Research on Container Truck Routing in Container Terminal Based on Coordinating the Loading and Unloading Operations［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2010.

［7］ 康志敏.集裝箱自動化碼頭AGV路徑優化和調度研究［D］.武漢:武漢理工大學，2011.

Kang Zhimin.The Research of Routing Optimization and Scheduling for AGV on Automated Container Terminals［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2011.

［8］ Huisman D，Wagelmans A P M.A solution approach for dynamic vehicle and crew scheduling［J］.European Journal of Operational Research，2001，11:1-20.

［9］ Lee Derhorng，Cao Jinxin，Shi Qixin，et al.Integrated quay crane and yard truck schedule problem in container terminals［J］.Tsinghua Science and Technology，2010，15（4）:467-474.

［10］ Lee Derhorng，Cao Jinxin，Shi Qixin，et al.A heuristic algorithm for yard truck scheduling and storage allocation problems［J］.Transportation Research:Part E，2009，45:810-820.

United Scheduling Model Optimization of Yard Truck，Quay Crane and Yard Crane

Xu Yuanqin，Han Xiaolong
（Logistics Research Center，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

The united scheduling of yard truck，quay crane and yard crane were analyzed.With the consideration of weight parameters among the yard truck’s transportation time，quay crane and yard crane’s waiting time，a united scheduling model was formulated，whose objective was to minimize the time of yard truck transportation and waiting time for quay crane and yard crane.The model was useful for the loading and unloading operation decision of scheduling in container terminals.Computational experiments were conducted to verify the validity and practicality of the model.

quay crane;yard crane;yard truck;united schedule

U691.31

A

1674-0696（2013）02-0318-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.31

2012-10-18;

2012-12-07

國家自然科學基金項目（71071093）;上海市科委項目（10190502500）;上海市科委創新項目（11510501900）

徐遠琴（1988—），女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事供應鏈與物流管理方面的研究。E-mail:xuyuanqin0830@sina.com。