散貨碼頭裝卸作業線機械設備配置優化研究

丁 濤，張志鵬，胡 裕

（武漢理工大學 交通運輸管理系，湖北 武漢 430063）

散貨碼頭裝卸作業線機械設備配置優化研究

丁 濤，張志鵬，胡 裕

（武漢理工大學 交通運輸管理系，湖北 武漢 430063）

從港口生產中的現實問題出發，通過分析散貨碼頭機械設備配置研究現狀，探討了散貨碼頭裝卸作業線效率評價指標和散貨港口裝卸作業系統的簡化。確定以提高碼頭作業線的機械綜合效率為研究目標，建立一個作業線后方機械設備配置優化的數學模型，并運用動態規劃法對模型進行求解，采用算例分析證明了所構建的散貨碼頭裝卸作業線機械設備配置優化模型能夠較好地反映出港口調度的實際情況。同時，模型在配置機械時考慮了與前沿門機的效率匹配，避免為同一作業線投入過多設備，能為港口實際作業調度提供一定的參考。

散貨碼頭；裝卸作業線；設備配置；系統優化；動態規劃

1 引言

隨著全球經濟的逐漸復蘇以及“一帶一路”戰略的逐步推進，物流業的重要戰略地位正被不斷凸顯。而港口作為現代物流中的重要一環，重要性不言而喻。裝卸作業是碼頭生產的主要作業，為了提高碼頭的裝卸作業能力，增加泊位的吞吐能力，降低碼頭營運成本，可以通過新增裝卸機械設備或擴建碼頭前沿，但是由于裝卸機械設備，特別是大型裝卸設備十分昂貴。同時，一個泊位上能容納的設備數量也是有限的。一味通過購置新增港口裝卸設備來提高碼頭的裝卸作業效率、作業能力并不可行。而碼頭岸線資源是稀缺資源，更加無法一味的擴建。因此，最直接有效的方法就是對碼頭裝卸資源進行合理科學的配置。而裝卸機械設備資源是碼頭的重要生產資源，通過合理配置優化裝卸設備資源，能提高裝卸設備的利用率，最大地發揮其裝卸生產能力，提高裝卸效率、降低碼頭營運成本，使碼頭綜合通過能力上升，進而最大化碼頭整體的運營效率。

2 散貨碼頭機械設備配置研究現狀

目前大多數碼頭資源配置優化的研究文獻都主要集中在集裝箱碼頭上。對于散貨碼頭、件雜貨碼頭資源配置的論文則相對較少。在一個碼頭系統中，研究的主要內容集中在泊位資源、橋吊資源的配置優化。相對地，對運載工具和后方裝卸設備資源的配置研究則較少。其中，對于后方裝卸資源配置和運載工具合理配置問題，研究還有待進一步深入。韓曉龍［1］通過最小流算法對龍門吊進行任務分派，使得龍門吊的行走時間最短。董明望［2］通過動態規劃法對件雜貨裝卸作業線后方的裝卸設備進行合理配置。李磊等［3］針對進出口兩個泊位上船舶裝卸的情況，提出基于免疫禁忌算法的集卡優化模型。馮春煥［4］則綜合考慮泊位、岸橋、集卡對碼頭生產運作效率的影響，以集卡運輸作業時間最小為目標，構建基于岸橋間混合作業模式的碼頭集卡路徑優化模型，得到船舶自到達港口到完成集裝箱裝卸任務的最短時間。散貨碼頭有其裝卸作業的獨特性，但目前作業線上裝卸機械的配置，還停留在低級階段，仍以經驗為主。因此，本文主要探究散貨碼頭后方機械配置的優化模型。

雖然在散貨碼頭進行裝卸、搬運、儲藏的貨物類型很多，不同的貨種會有不一樣的操作方法、工藝流程。但作為港口生產最主要的裝卸作業生產，其基本流程卻是相同的，具體為：當船舶抵港后，由調度人員根據貨物種類和泊位情況，選擇合適的工藝流程并搭配門機數量，再根據所需后方機械的可用數量、堆場位置為每條作業線配置后方機械、工屬具及配套設備。但在實際裝卸大宗散貨過程中，由于碼頭前沿門機和后方裝卸機械的效率不匹配，經常出現貨物堆積在碼頭前沿的情況。所以在考慮整個碼頭作業效率最高的前提下，需要對如何進行后方裝卸機械設備配置提供一定的理論依據。

3 散貨碼頭裝卸作業線效率評價指標及基本假設

3.1 散貨碼頭裝卸作業線效率評價指標

散貨碼頭裝卸作業線的效率通常用單位時間內完成的作業量來衡量。但是對于不同的生產作業線來說，由于貨種、堆場、工屬具的不同，使用常規的評價指標不能夠真實的反映各作業線之間裝卸作業效率的差別。同時，由于每條作業線前沿作業機械如門機的效率也存在差別，在綜合考慮前沿門機效率差別和每條裝卸作業線上后方裝卸機械的實際作業效率都不可能超過該裝卸線上前沿門機的作業效率的基礎上，使用相對作業效率來衡量不同作業線的裝卸效率。即以后方裝卸機械的實際效率與門機最大的實際作業效率之比為評價指標，既考慮了同一后方裝卸效率在不同作業線存在效率差別，又考慮了不同作業線上不同門機的效率對評價指標的影響。

3.2 基本假設

由于整個散貨碼頭系統工作的復雜性，需要對現實生活中的一些問題進行簡化。

（1）岸邊裝卸機械只考慮門機；

（2）所有裝卸機械在一定時間內的裝卸效率保持穩定不變；

（3）各裝卸機械間不形成干擾。

散貨裝卸過程中，岸邊裝卸機械絕大部分為門機，因此在本文中岸邊裝卸機械只考慮門機。假設（1）成立。

裝卸機械的臺時效率在一定時間內總是在一定范圍波動且波動不大，符合正態分布。因此假設效率保持穩定不變，假設（2）成立。

在裝卸場地空間足夠的情況下，各裝卸機械間不會形成干擾。假設（3）成立。

4 港口裝卸作業線優化配置模型的建立

4.1 模型假設

在構建裝卸作業線機械設備配置模型時，作出以下假設：

（1）已知待作業的作業線數量為T。

（2）裝卸作業中共有數量為L的機械設備需要進行配置，除此之外的其他設備數量充足，能滿足裝卸要求。

（3）每條作業線所選用的門機數量和工藝流程由生產調度人員選擇確定，即為已知條件。

（4）每條作業線至少配置一臺機械。

4.2 模型建立

由于作業線數量T已知，因此本模型的基本思路就是要取T個控制參量值u0，u1，…，uT-1，使狀態變量從x0出發，歷經x1，x2，…，xT-1，最終使xT-1達到相對作業效率最大。這一過程可定義為T階段決策。終止狀態xT-1由xT-2和uT-2決定，而xT-2又是由xT-3和uT-3決定的，追根尋源，xT-1是由u0，u1，…，uT-1及x0所決定的。

（1）相關變量及參數說明

T：待作業線數量；

Kt：第t作業線分配的某類型裝卸設備的總臺時效率；

Gt：第t作業線分配的門機的臺時效率；

t：未配置作業線；

Et：相對作業效率；

ut：第t作業線配置的機械設備數量；

et：機械設備在第t作業線作業時的臺時效率；

Kmt：第t作業線上第m臺門機的臺時效率；

Kmax：臺時效率最大的門機的效率數值；

Qt：第t作業線分配的門機數量；

L：待配置的某類型裝卸設備的總數量；

Tt：第t作業線實際作業時間；

Tt*:第t作業線許可作業時間；

Zmax:T條作業線最大相對效率效率之和。

（2）建立基本數學模型。現以鏟車為短缺設備，由于每條裝卸作業線的最高裝卸效率被門機作業能力限定，現假設在作業線t上，鏟車相對于門機的作業效率為Et，則系統目標函數為:

由于在港口生產作業中存在重點作業線的情況，即重點作業線的裝卸作業時間必須在規定許可時間之內，則有而其它作業線可認為Tt恒小于Tt*。

5 模型求解

所建立的優化模型選用動態規劃算法來求解。

5.1 算法設計

算法流程如圖1所示。

圖1 裝卸設備配置優化模型的動態規劃實現N-S圖

5.2 算例分析

模型實例運用T階段決策方法，以某散貨碼頭鏟車裝卸設備為例進行說明，實際運用中模型可編程求解。

（1）初始值假設。假設某時段碼頭的作業線數T= 4，分別為ABCD四條作業線。可調度鏟車設備總臺數L=11。ABC三個作業線各分配一臺門機，D作業線分配兩臺門機。各作業線的門機效率比以及待分配裝卸設備K在各作業線的單臺相對作業效率假設見表1。

假設存在重點作業線，設階段t=3為重點作業線，需22h內完成裝卸作業。當只考慮門機作業時，則門機可在15h內完成全部作業量，可表示為E3需要滿足約束條件

表1 各作業線的門機效率比及單臺設備K相對作業效率Et*

則此重點作業線應滿足:

（2）T階段決策方法求解模型。

當T=1時，t=0，可得L與u0×E0*的關系見表2。

表2 L與u0×E0*的關系表

經過四個表的循環過程后，當T=4時，t=3，可得u3與u3×E3*的關系表3。

表3 u3與u3×E3*關系表

表4 dL3與u3、L的關系表

在實際生產過程中，只需將本例的鏟車換成其它待配備設備即可。本文所涉及裝卸設備的作業效率通過現場實際測試以及現在技術人員的經驗估計方法獲得。

6 結論及展望

本文所構建的散貨碼頭裝卸作業線機械設備配置優化模型能夠較好地反映出港口調度的實際情況。在機械設備短缺、有限的情況，根據模型機械設備優先分配給相對裝卸效率最大的作業線，為港口機械設備實際調度過程中的效率優先策略提供了一定的理論依據。同時，模型在配置機械時考慮了與前沿門機的效率匹配，避免為同一作業線投入過多設備。模型配置結果能為港口實際作業調度提供一定的參考。

本文雖較好地解決了散貨碼頭前沿裝卸門機數量、效率不同對配置后方機械配置的影響，但仍有許多不足和需要改進的地方。如在考慮裝卸機械相互干擾下時，配置結果是否會出現較大不同；能否將動態規劃法與模糊理論結合，提高模型的適用性；是否可以使用仿真模型對裝卸機械的利用率和三個港口間的綜合利用率做出進一步的研究。

［1］韓曉龍.集裝箱港口裝卸作業資源配置研究［D］.上海:上海海事大學，2005.

［2］董明望，辜勇，郟琳.件雜貨碼頭裝卸作業線后方機械配置模型的研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2003，27（5）:698-702.

［3］李磊，孫俊清，韓梅.基于“作業面”的集裝箱碼頭集卡路徑優化的研究［A］.第二十七屆中國控制會議［C］.2008.

［4］馮春煥.集裝箱碼頭泊位一岸橋一集卡調度優化研究［D］.大連:大連海事大學，2011.

［5］常鵬.工業港散貨碼頭物流系統仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學，2007.

［6］張宏偉.數學建模中的動態規劃問題［D］.長春:東北師范大學，2008.

Study on Optimal Mechanical Equipment Deployment in Bulk Cargo Harbor Handling Line

DingTao，ZhangZhipeng，HuYu
（DepartmentofTransportationManagement，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan 430063，China）

In this paper，starting from the practice of the productive activities of the harbor and through analyzing the current status of the deployment of the mechanical equipment at bulk cargo harbors，we discussed the evaluation index for the efficiency of the bulk cargo harbor handling line and the simplification of the bulk cargo harbor handling activity system.Next，with improving the comprehensive equipment efficiency of the harbor operation line as the objective，we established the mathematical model to optimize the mechanical equipment deployment behind the operation line，solved it using the dynamic programming method，and through a numerical example，demonstrated the validity of the model established to reflect the actual situation at the harbor.While optimizing the deployment of the machinery，the model also considered the efficient matching of the machinery with the front-line gantry crane so as to avoid investing too muchequipmentinoneactivityline.

bulkcargoharbor；handlingactivityline；equipmentdeployment；systemoptimization；dynamicprogramming

U691.5

A

1005-152X（2016）05-0106-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.05.024

2016-04-05

丁濤（1964-），男，江蘇人，武漢理工大學副教授，碩士，研究方向：國際航運和綜合物流；張志鵬（1993-），男，廣東人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向：交通運輸與管理；胡裕（1993-），男，湖北人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向：交通運輸與管理。