集卡調度中的關鍵問題

顏銀慧

【摘 要】 為提高集裝箱碼頭集卡調度的有效性，通過分析其現有的研究成果，結合碼頭實際作業需求，提出集卡調度中的關鍵問題并給出解決方法，并從精細化管理的角度出發，首次提出集卡運行總成本的評價指標，用以評價集卡調度的有效性。

【關鍵詞】 集卡；調度；重載率；評價指標

0 引 言

隨著港口競爭的不斷加劇，如何提高碼頭作業設備利用率，降低作業成本已經成為碼頭公司提高服務水平、提升自身競爭力的重要研究課題。船舶在碼頭的停留時間和完成裝卸作業的時間是衡量碼頭作業水平的重要指標，而該指標與碼頭作業設備的作業效率息息相關。集裝箱卡車（簡稱集卡）作為連接碼頭水平運輸和垂直運輸的橋梁，其作業效率對整個碼頭的作業效率有著至關重要的影響。因此，集裝箱碼頭的集卡調度問題已經成為國內外研究熱點之一。

NG等[1]以集卡總體作業耗時最小化為目標，將集卡調度問題轉化為混合整數規劃MIP問題，采用遺傳算法進行求解；XUE等[2]從碼頭的實際作業出發，考慮裝卸船作業的先后順序，通過建立混合整數規劃模型，運用兩階段算法即蟻群算法（Ant Colony Optimization）和貪婪算法（Greedy Algorithm），為集卡分配作業指令；BISH等[3]基于碼頭的作業規則，采用啟發式算法動態地給集卡指派作業任務。

集卡調度問題屬于NP難問題，而窮舉法過于耗時，因此許多學者提出各種近似的方法來求解集卡調度問題，以不斷提升調度算法的性能和優化效果。

1 集卡調度中的關鍵問題

集裝箱碼頭的常規作業主要包括裝船、卸船、堆場移箱作業和進提箱作業。碼頭作業的常用設備包括岸橋、場橋和集卡等。卸船作業的基本流程為：岸橋將集裝箱從船上卸到岸邊的集卡上，然后集卡將該集裝箱運至堆場指定位置，再由堆場的場橋從集卡上將集裝箱吊起放至堆場指定位置。裝船作業流程則與卸船作業流程相反。

在傳統的調度模式下，碼頭調度人員為單個工作點（如對應一輛岸橋）固定分配一批集卡，通常為5～7輛，并獨享該工作點下的所有集卡資源。但在這種調度模式下，各個工作點忙閑程度不一，需要集卡的工作點得不到集卡資源，容易出現集卡載著集裝箱從堆場到岸邊，最后空車返回堆場，造成集卡空載率（距離）較高（約為50%），利用率較低。

現有的調度算法很難在生產環境中得到應用，主要有以下原因：（1）算法耗時過長，往往超過1 min（以30輛集卡為例），很難滿足碼頭作業的實時性要求；（2）調度的首要目標是保證船舶作業按時完成，實現船舶按時離泊，碼頭的作業能否按時完成，取決于岸橋的作業效率和岸橋、場橋以及集卡的協同作業，而現有的調度算法通常假設岸橋/場橋數量足夠，完全能夠滿足集卡的作業需求，即集卡在岸橋/場橋下不需要等待。

集卡調度問題可以簡化為傳統的配對問題，即合理地為集卡與指令進行配對。據了解，基于運用成本最小原則，集卡指令配對模型已為業界一些領先的集裝箱碼頭操作管理系統供應商所采用。本文基于集卡指令配對模型，從碼頭的實際需求出發，探討集卡調度中的一些關鍵問題：

（1）由于碼頭作業的復雜性，在實際作業場景中，設備的作業時間和狀態變化較大，要求調度算法必須根據實際作業情況的變化，動態地為集卡分配指令。

（2）調度算法的實時性。在碼頭的實際作業過程中，要求調度算法實時地為集卡分配指令，通常分配時間（計算周期）應小于2 s。在設計調度算法時，可以充分利用相鄰兩次計算的相似性，即當次計算可以利用上一次計算信息，縮短算法的計算時間，滿足實時性需求。針對集卡調度，可采用改進的Dynamic Hungarian Algorithm算法。

（3）在集卡指令配對模型中，集卡完成作業指令的代價計算是調度算法的核心部分。如果僅僅考慮集卡參與作業所需要行使的路程，往往導致工作點距離作業箱區較近的岸橋分配的集卡較多，甚至出現擁堵，從而出現岸橋忙閑不一，造成集卡資源浪費。為此，需要考慮岸橋/場橋是否需要集卡，即集卡能否準時到達岸橋/場橋下，盡量使需要集卡的岸橋/場橋能夠得到集卡。

針對集卡完成作業指令的3種場景進行相應的分析，結果如表1所示。

通過對以上3種場景的分析來看，集卡完成作業指令最為合適的代價計算應是集卡運輸時間、集卡早到時間和集卡晚到時間三者的加權總和，即 €%[ €準ㄐ惺皇奔洌？€%d €準ㄔ緄絞奔洌？€%e €準ㄍ淼絞奔洌渲？€%[， €%d， €%e為權重參數。為了減少集卡早到和晚到情形的出現， €%d和 €%e應滿足 €%d>€%[和 €%e>€%[。在實際碼頭應用中，需要結合碼頭的實際情況不斷摸索和總結，設置合理的參數，以達到最優的調度效果。

2 集卡調度的評估

為評估集卡調度的有效性，業界有些專家提出以下評價指標：重載率（時間維度）、重載率（距離維度）、重來重去率。各指標的定義如下：

重載率（時間）=重載時間/集卡運行時間

重載率（距離）=重載距離/集卡行駛距離

重來重去率=集卡背重箱次數/集卡背箱總次數

事實上，集卡重車在堆場或者岸邊等待可提高集卡重載率（時間），但重載率高不一定能夠反映集卡調度效果好。在岸邊完成裝船作業的集卡通過等待直至獲得卸船作業任務，以此提高重來重去率，但也有可能導致岸邊集卡過多，造成交通擁堵。

基于精細化管理角度，應從集卡本身出發，以集卡成本來評估集卡調度的優劣。在碼頭作業中，集卡運行成本由以下部分構成：集卡空車運行成本、集卡空車等待成本、集卡重車運行成本和集卡重車等待成本等。通過無線射頻識別（RFID）技術或者集卡司機按鍵確認到達等手段，碼頭可以記錄集卡到達目標作業的時間，統計出集卡空車運行時間（T空運）、集卡空車等待時間（T空等）、集卡重車運行時間（T重運）和集卡重車等待時間（T重等）；根據歷史經驗數據和集卡行業相關信息，碼頭可獲得單位時間內集卡空車運行油耗（C空運）、集卡空車等待油耗（C空等）、集卡重車運行油耗（C重運）和集卡重車等待油耗（C重等）。因此，碼頭集卡運行的總成本M總=T空運€證空運+T空等€證空等+T重運€證重運+T重等€證重等。在作業任務一定的條件下，同時確保岸橋作業效率，集卡運行的總成本可以用來衡量集卡調度的優劣。

3 結 語

集卡調度是碼頭作業設備調度的核心問題之一。如何評估集卡調度的有效性，需要建立科學的評估指標。當前業界評估指標存在缺陷，因此，從精細化管理角度出發，本文首次提出集卡運行總成本的評估指標，并給出相應的計算公式，而對于設計合理的集卡調度系統及運用本文提出的集卡調度評估指標來不斷優化系統將是下一步研究方向。

參考文獻：

[1] NG W C，MAK K L，ZHANG Y X.Scheduling trucks in container terminals using a genetic algorithm [J].Engineering Optimization，2007，39（1）：33-37.

[2] XUE Z J，ZHANG C R，MIAO L X，et al.An ant colony algorithm for yard truck scheduling and yard location assignment problems with precedence constraints [J].Journal of Systems Science and Systems Engineering，2013，22（1）：21-37.

[3] BISH E K，CHEN F Y，LEONG Y T，et al.Container terminal and cargo systems [M].Berlin：Springer Berlin Herdelberg，2007.