全航線集裝箱船配載優(yōu)化軟件的研究

王斌, 朱加林, 杜鎮(zhèn)韜, 姜紅建

（1.金海重工股份有限公司，浙江舟山316021；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山316021）

0 引言

集裝箱船運(yùn)輸是目前國(guó)際上先進(jìn)的現(xiàn)代物流方式，因其具有裝卸效率高、貨運(yùn)成本低、貨運(yùn)質(zhì)量高、貨損貨差小等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今世界物流強(qiáng)國(guó)優(yōu)先研究和發(fā)展的海上運(yùn)輸技術(shù)，是一個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

集裝箱配載是集裝箱船運(yùn)輸過(guò)程的核心環(huán)節(jié)，其通過(guò)優(yōu)化裝載方案，實(shí)現(xiàn)倒箱次數(shù)最少、作業(yè)效率最高，并兼顧裝箱量、裝貨總質(zhì)量和船舶穩(wěn)性等因素，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響集裝箱海上運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性。因此，良好的配載方案是眾多航運(yùn)巨頭所極力追求的目標(biāo)。

目前，國(guó)外對(duì)于集裝箱優(yōu)化配載算法的研究工作已經(jīng)較為深入。其中Kozan將理論分析與模擬技術(shù)相結(jié)合，使用概率模擬方法取得了較好的成果。Webster、Martin等提出了啟發(fā)式算法，但因?yàn)楹雎粤颂嗉s束條件，只能用于理論研究，不具備實(shí)際價(jià)值。Akio和Kaxuyau提出一個(gè)作業(yè)時(shí)間最小的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并用模擬退火的算法進(jìn)行了求解。此外還有專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)與模擬進(jìn)化算法等方法也被廣泛應(yīng)用于集裝箱優(yōu)化配載問(wèn)題中。

本文將對(duì)集裝箱優(yōu)化配載的具體流程進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)一個(gè)可以搭載不同優(yōu)化算法的配載軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的全航線的集裝箱自動(dòng)優(yōu)化配載。

1 自動(dòng)配載軟件運(yùn)作流程

該集裝箱自動(dòng)配載軟件集成了船舶裝載系統(tǒng)，將船舶參數(shù)以變量形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)而可供用戶進(jìn)行設(shè)置，其流程如圖2所示。

圖1 大型集裝箱船配載現(xiàn)場(chǎng)

圖2 自動(dòng)配載流程圖

用戶可以根據(jù)實(shí)際情況定義船舶的工況參數(shù)，包括裝箱清單、多余質(zhì)量和壓載艙內(nèi)的參考液位。裝船結(jié)果根據(jù)裝箱清單可由內(nèi)置集裝箱排位優(yōu)化算法計(jì)算而來(lái)，也可手動(dòng)定義使用不同的算法。通過(guò)設(shè)定命令值來(lái)設(shè)定對(duì)應(yīng)的參考規(guī)范，如IMO規(guī)范、CCS規(guī)范、BV規(guī)范和其它自定義規(guī)范等。軟件通過(guò)計(jì)算船舶靜穩(wěn)性、動(dòng)穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、總縱彎曲等各種船舶安全參數(shù)指標(biāo)，以衡量配載方案對(duì)船舶安全性能的影響。最終，軟件輸出報(bào)表來(lái)記錄配載參數(shù)和船舶安全性能參數(shù)。

2 自動(dòng)配載軟件操作流程

本部分對(duì)上述自動(dòng)配載軟件的操作流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，展示了該軟件的使用方式以及應(yīng)用范圍。

2.1 集裝箱配置

首先，在圖3所示的程序內(nèi)，定義集裝箱數(shù)據(jù)，包括集裝箱的尺寸、質(zhì)量、類別、分布區(qū)域等。可以手動(dòng)輸入，也可以通過(guò)txt或excel等格式實(shí)現(xiàn)多個(gè)集裝箱數(shù)據(jù)的批量化輸入。

然后，基于可視化圖形處理運(yùn)輸，可以得到如圖4和圖5所示的船舶集裝箱分布狀態(tài)，以及每個(gè)Bay的詳細(xì)集裝箱分布圖（如圖6和圖7）。同時(shí)，可以查看每個(gè)集裝箱的屬性（如圖8）。

圖3 程序界面

圖4 全船集裝箱分布圖（側(cè)視）

圖5 全船集裝箱分布圖

圖6 局部集裝箱分布圖

其中，每個(gè)集裝箱的屬性定義如下：1）POL為集裝箱裝箱港口；2）POD為集裝箱卸箱港口；3）Weight為集裝箱總重；4）Gross weight為集裝箱箱號(hào)；5）Operator為集裝箱操作者；6）TpSz為集裝箱型號(hào)20 ft/40 ft；7）Full/Empty為集裝箱裝貨情況；8）Special為特殊的集裝箱；9）IMDG/UN No.IMO為危險(xiǎn)貨物編碼；10）Net Weight為集裝箱質(zhì)量；11）Reefer Temp為冷藏箱溫度；12）Port of Receipt為貨物接收港口；13）Port of Origin為貨物發(fā)出港口；14）Final POD為最終停靠港口；15）Delivery Mode為運(yùn)輸方式；16）Final Destination為最終目的器；17）B/L Number為貨運(yùn)單；18）Door Status為門狀態(tài)；19）Voyage No為航線編號(hào)；20）2nd vsl code為輪船編號(hào)；21）2nd voy-No為航線編號(hào)。

同時(shí)，可以定義IMO危險(xiǎn)貨物，并可以查看危險(xiǎn)貨物布置，如圖9所示。

2.2 全航線港口定義

圖7 集裝箱分布詳圖

圖8 集裝箱尺寸定義

通過(guò)定義全航線中船舶運(yùn)輸中的停靠港口、各個(gè)港口的集裝箱運(yùn)輸方式、集裝箱形式以及其它時(shí)間參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)港口因素對(duì)配載優(yōu)化過(guò)程的影響評(píng)估。相關(guān)定義如圖10～圖12所示。

圖9 IMO危險(xiǎn)貨物布置圖

2.3 壓載倉(cāng)液位

如圖13所示，通過(guò)液位傳感器對(duì)各壓載艙的液位進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而獲取其艙內(nèi)的液體質(zhì)量、體積等數(shù)據(jù)，以計(jì)算其對(duì)船舶負(fù)載的影響。

2.4 參考規(guī)范選取

本文中選取的參考規(guī)范為IMO規(guī)范，即輸入命令值1，若需使用不同規(guī)范，只需輸入對(duì)應(yīng)不同命令值即可。

3 軟件計(jì)算結(jié)果

據(jù)IMO規(guī)范，通過(guò)軟件可以得到如下計(jì)算結(jié)果：船舶外形尺寸變形、動(dòng)穩(wěn)性變化、總縱彎矩分布、風(fēng)浪載荷分布等數(shù)據(jù)，以直觀顯示配載方案對(duì)船舶特性的影響，如圖14～圖17所示。

圖10 途經(jīng)港口定義

圖11 貨運(yùn)方式定義

圖12 集裝箱定義

圖13 壓載艙液位定義

4 結(jié)語(yǔ)

圖14 船舶外形尺寸變化報(bào)告

圖15 船舶動(dòng)穩(wěn)性曲線圖

圖16 船舶總縱彎矩圖

圖17 風(fēng)浪載荷計(jì)算

本文對(duì)面向大型集裝船的集裝箱自動(dòng)配載軟件進(jìn)行了研究分析，提出了一種自動(dòng)配載流程及其軟件實(shí)現(xiàn)方法。該研究能大幅提高集裝箱船的配載效率，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。