基于知識工程的煤炭碼頭堆場分配策略

王煜，鄭惠強，李強

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804;2.上海海事大學集裝箱供應鏈技術教育部工程研究中心，上海 201306;3.天津港(集團)有限公司科研設備部，天津 300461)

0 引言

煤炭是我國能源的命脈，預計到2020年我國煤炭需求量將達到22億～24億t，這意味著有大批量的煤炭需要運輸.海運是最主要的運輸方式之一，而煤炭碼頭在煤炭運輸中起著連接作用，是運輸過程中重要的中轉站.近年來不斷增長的運輸態勢，使得煤炭碼頭公司面臨巨大壓力.堆場是所有碼頭的有限資源，如何在現有堆場條件下，有效利用碼頭堆場、提高碼頭周轉效率是堆場急需解決的問題.

很多研究者針對碼頭的堆場分配問題進行研究，分析如何有效利用碼頭堆場.例如:嚴偉等［1］和周桂清等［2］針對集裝箱碼頭堆場分配問題，運用多目標規劃方法建立滾動式計劃的集裝箱堆場分配模型;KIM 等［3－4］研究件雜貨及散貨在不同標準下的堆放策略;蹤鋒等［5］針對散貨堆場的特點，提出增加散貨堆場堆存量的方法;DUINKERKEN等［6］提出堆場堆碼的最大剩余堆存空間策略;唐穎［7］建立筒倉堆場生產管理策略的動態分配原則及其數學模型;沈劍峰等［8］提出基于知識的箱位分配計劃方法;白治江等［9］建立堆存空間分配的線性整數規劃模型并用滾動規劃方法得到堆場存儲空間的分配方案.從這些研究中可以看出，對于堆場的研究雖然較多，但是大部分都集中在集裝箱堆場，對散貨堆場的研究相對較少.本文以煤炭碼頭堆場作為研究對象，基于知識工程研究并改進散貨碼頭的堆場分配方法，提高散貨堆場的利用率及碼頭的生產效率.

1 煤炭碼頭堆場分配問題描述及堆存策略

煤炭碼頭堆場分配是連接碼頭進場與出場的中間環節，由于煤炭碼頭針對的煤炭貨主和種類都相對固定，所以煤炭碼頭堆場的分配有其特殊性.碼頭堆場的分配方法很多，使用不當不但導致堆場利用率不高，裝船效率也會受到影響.煤炭碼頭的作業流程中，大部分采用裝船機裝船，機械相對固定，且需要在同一條皮帶上運動，所以煤炭碼頭堆場分配計劃顯得尤為重要，堆場分配的不同會影響到整個作業效率的高低，而這一點就體現在碼頭堆存策略上.煤炭碼頭堆場分配策略大致可以分為3種:

(1)隨機堆放.該策略是指在保證煤炭種類相同且同一貨主的前提下，首先尋找堆場中是否存在已堆放該類型煤炭的場區，如果有并且剩余空間足夠，則直接在該場區堆放，否則就新開辟一塊場區堆放.

(2)固定堆放.該策略根據該碼頭的煤炭種類及其吞吐量，把整個堆場按照相應比例固定分配給不同的煤種，則在已經劃分給該煤種的剩余場區中尋找堆放場區.

(3)固定與隨機結合.該策略是前兩者的結合，對于吞吐量較大的煤種，分配固定場區，按照固定堆放的原則堆放，其余的按照隨機堆放的原則堆放.

由于碼頭的堆場資源有限，如果完全采用策略(2)可能會導致堆場的利用率低下;如果完全采用策略(1)，則可能會導致堆放相對分散，不利于裝船;雖然采用策略(3)比前兩者有一定改進，但是由于沒有考慮到吞吐量的變化也會導致堆場資源分配的不均衡.所以，需要一種動態的堆存策略才能更好地滿足碼頭上煤炭的堆存.

2 煤炭碼頭堆場分配模型

煤炭碼頭堆場分配，簡言之就是從當前狀態的各種堆場數據中找到堆場選擇所需要的數據，并根據人們制定的規則選擇合適的堆場.對于任意一批進場煤炭，其堆場分配的過程可被看作是按知識和規則運作的許多判斷活動的集合，每經過一個(或一組)判斷，就是篩選一部分數據出去，使得可選擇區域的范圍逐漸減少，并最終選出最優區域分配給需要堆放的煤炭.

堆場分配過程中，設計劃分配的場區為P，堆場的狀態空間為U ＜M，F，V，C ＞，其中:M為可選擇堆場集合，該堆場所堆放的煤炭屬性為Cm;F為作業設備集合，Fm代表第m個場區的設備狀態，設0代表設備狀態為不可作業，1代表設備狀態可以作業;V為場區的可堆放容量，Vi為某一場區可堆放容量;C為待分配的煤種屬性(在分配計劃過程中，該值不變)，該次需要堆放的煤炭質量為Qc.

當進行堆場分配時，設置當前的初始狀態空間為U0＜ M0，F0，V0，C ＞，其中:M0代表堆場中所有場區的全集;F0代表堆場中所有場區對應的設備狀態集合;V0是堆場剩余的堆存容量.

煤炭堆存位置的選擇可分為3個階段:可分配區域選擇，設備與堆場匹配，最優區域選擇.從這3個階段的分析中可以看出整個模型的運作過程就是在不斷縮小范圍，直到出現最終結果.如果設每一個階段結束后的狀態空間為Ui，則狀態空間應滿足U3?U2?U1?U0，堆場區域選擇的框架見圖1.

通過這3個階段的執行，最后得到最終狀態空間中的M3就是所求的區域P.每個階段其實都是基于知識的規則匹配過程，見圖2.該過程由待分配堆場的煤C根據相關規則R進行規則匹配，整個規則匹配的基本運算公式為M=f(C，R)，但每個過程中所利用的規則不同.

3 煤炭碼頭堆場分配規則

3.1 可分配區域選擇

可分配區域選擇是整個分配模型的第1個階段，該階段主要是指在僅考慮堆場堆存狀況的情況下，選擇可以堆放該煤種的場區，即從M0中挑選出滿足煤炭屬性 C的M1，而F1則是剩余M1場區的設備作業狀態.

上述公式中，如果某一場區為空，說明該場區可以被選擇，可以默認為Cm=C，則在滿足式(1)的情況下，該場區能夠被選到.煤炭碼頭堆場是按照煤種分類堆放煤炭的，所以其具體規則如下:

如果堆場中已經存在某一煤種的堆放垛位，且該垛位剩余容量足夠，則選擇該垛位作為計劃位置;如果堆場中已經存在某一煤種的堆放垛位，且該垛位剩余容量不足，則選擇空垛位作為計劃位置;如果堆場中不存在某一煤種的堆放垛位，則選擇一個空垛位作為計劃位置;如果某個垛位是空的，則該垛位在任意選擇中都可以作為計劃位置.

3.2 設備與堆場匹配

設備與堆場匹配是整個分配模型的第2個階段，該階段主要考慮設備的作業狀態對堆場選擇的影響.如果設備作業狀態為1則可以選擇，否則不能選擇，這里的設備作業狀態是指該場區是否可以進行作業，而不是該場區有沒有設備，即從M1中挑選出Fm為1的M2.

設備作業規則與設備的物理及空間作業特性有關，它影響到設備在物理及空間上的作業能力和對相鄰堆場的作業順序.通過作業能力可以判斷某種堆場狀態下設備能否將相應的貨物放進需要的堆場或者從某個堆場取煤.堆場的作業設備主要有取料機、堆料機及堆取料機，這些設備之間相互工作，必須保持相應的場區寬度才能正常工作，并且這些作業機械覆蓋的面積都比較廣，所以在同時進場或者裝船時應考慮把煤炭堆放在不同機械對應的場區.根據這些機械的特性及作業要求，碼頭需要對作業規則作合理定義.規則如下:

如果某一垛位正在進行裝船作業，那么其相鄰的垛位不能被作為計劃位置;如果某一垛位正在進行堆垛作業，并且另一煤種也需要進行進場堆垛，那么不在同一排上的垛位可以被作為計劃位置;如果兩種類型的煤種需要在同一時間裝船，那么選擇不同排上的垛位作為計劃位置，并且這些垛位的作業不會相互干擾.

3.3 最優區域選擇

最優區域選擇是整個分配模型的最后階段，該階段就是要在這些滿足堆放及作業條件的堆場中選擇一個或者幾個最適合該種煤炭堆存的堆場區域，在該階段就要考慮關于貨物周轉率、出口裝船的狀況、出口運輸路徑的長短等很多問題，所以這個階段是最為復雜的，需要考慮的因素非常多，最后選擇出需要的堆場區域.也就是從M2中挑選出足夠堆放Qc且作業效率最優的堆場區域M3.

最優區域選擇需要考慮到煤炭的周轉率:周轉率較高的煤種應堆放在容易取煤的堆場區域，即靠近中間的區域;周轉率較低的則可以選擇靠近堆場兩邊的位置堆放;同時，為了裝船能連續取貨，同種煤炭應堆放在相鄰區域;當上述過程中剩余的堆場堆存量Σ Vm大于Qc時，就以裝船優先，考慮裝船路徑最短的位置.規則如下:

如果某一種煤炭的周轉率較高，那么選擇堆場中間的垛位作為計劃位置;如果某一種煤炭的周轉率較低，那么選擇堆場兩端的垛位作為計劃位置;如果堆場中存在某一煤種的堆放垛位，那么新選擇的計劃位置應與該垛位相鄰;如果可供選擇的垛位容量大于需要的容量，那么選擇裝船距離最近的垛位作為計劃位置.

4 案例分析

以某煤炭碼頭為例進行分析.該碼頭岸線長達600 m，前沿最大水深19.6 m，堆場面積15萬m2，分為60個垛位，堆存能力86萬t，年吞吐量2 100萬t左右，裝船機裝船實際最高值為3 000～4 000 t/h(平均2 000 t/h).該碼頭煤炭堆存工藝主要為:火車運煤進港，翻車機卸車，皮帶運輸，堆料機堆煤.裝船工藝主要為:取料機取煤，皮帶運輸至前沿，裝船機裝船.

根據相關調研和數據分析，船舶裝載量服從以3.5萬t為均值，1萬t為最小值，9萬t為最大值的截斷正態分布;同時，船舶到達間隔服從負指數分布，其均值為14.4 h.利用仿真方法對該碼頭1 a的數據進行分析，統計結果見表1.

表1 堆場平均堆存量統計

堆場的主要評價指標為堆場占用率及裝船效率.根據各場區的平均堆存量及其堆場容量，可以計算出各場區的堆場占用率.計算公式如下:

式中:di和Di分別為第i個堆場的存煤量和堆場總容量，N表示共有N個場區.計算結果見表2.

表2 堆場利用分析

同時，根據仿真結果得到裝船效率，見圖3.

從表1和2中可看出:該煤炭碼頭使用本文的堆場分配方法后，其堆場平均占用率在65.6%左右，在這種狀態下，如果碼頭吞吐量增大，也能夠滿足其堆存需求;在裝船時間的對比中，采用新堆場分配方案的平均裝船時間為13.48 h，原方案的平均裝船時間為14.18 h.雖然圖3中有少數船舶的裝船時間比原方案長，但這是由于某些周轉率高的煤種堆存位置比其他煤種的作業效率低而導致的.從整體上比較，整個周期內的平均裝船時間比原方案有所提高，碼頭效率得到提升，說明新的堆場分配模型在合理分配堆場的情況下能更好地完成裝船工作.

圖3 裝船時間對比

另外，還可以看到該碼頭某些垛位的占用率超過90%，但這些位置都是容易取煤的垛位，并且堆的都是周轉率較高的煤種，這樣既能提高堆場的有效利用率，對碼頭的裝船作業效率也有所幫助.

5 結束語

對煤炭碼頭堆場分配問題進行研究，分析煤炭碼頭的各種堆存策略，并根據碼頭堆場管理原則和設備特征，獲取堆場分配相關規則，構建基于知識的煤炭碼頭堆場分配模型，對堆場進行合理分配，能有效提高煤炭碼頭的裝船效率，對煤炭碼頭的生產起到一定的幫助作用.

［1］嚴偉，謝塵，萇道方.基于并行遺傳算法的集裝箱碼頭堆場分配策略［J］.上海海事大學學報，2009，30(2):14－19.

［2］周桂清，嚴偉.基于雙40英尺集裝箱裝卸系統的自動化碼頭堆場計劃［J］.上海海事大學學報，2011，32(3):1－6.

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［4］KIM B，KOO J，SAMBHAJIRAO H T.A simplified steel plate stacking problem［J］.Int J Production Res，2011，49(17):5133－5151.

［5］蹤鋒，陳波，馬小建.增加散貨堆場的堆存量的方法研究［J］.物流工程與管理，2009，33(2):102－104.

［6］DUINKERKEN M B，EVERS J J M，OTTJES J A.A simulation model for integrating quay transport and stacking policies on automated container terminals［C］//Proc 15th Eur Simulation Multiconference.San Diego，CA，USA，2001:909－916.

［7］唐穎.基于專業配煤功能的環保型煤炭碼頭關健生產策略研究［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［8］沈劍峰，金淳，高鵬.基于知識的集裝箱堆場箱位分配計劃研究［J］.計算機應用研究，2007，24(9):46－48.

［9］白治江，王曉峰.基于負載平衡的堆存空間分配優化方案［J］.上海海事大學學報，2008，29(3):60－64.