基于線性規劃的集裝箱碼頭作業路優化

摘 要：目前內河集裝箱碼頭一般采用單路作業方式安排作業路。調度員會根據某條作業路的生產量分配集卡，不同作業路之間的集卡互不干涉。這種作業方式雖然簡便易行，但也存在局限。容易造成集卡利用率不高，集卡空載的現象時有發生。對于寶貴的生產資源是一種浪費，這種浪費會造成整個堆場作業效率下降。有沒有一種新的作業路分配方式能夠使碼頭的效率得到提高，是本文主要研究的課題。本文提出了兩種非傳統的作業路分配方式：“裝卸分離”和“裝卸循環”。使用線性規劃作為研究模型，利用LINGO工具對這兩種不同的分配方式進行了建模求證。模型的主要原理是：集卡在上一次作業完成后可就近投入到其他需要的作業路中，以此縮短集卡的行駛距離和時間，有效減少集卡空載率。本文以武漢港集裝箱有限公司為例，對其實際生產數據進行了采樣。將該數據帶入到模型中去運算，對三種不同的計算結果進行了對比分析，取得了預期的研究成果。

關鍵詞：集裝箱碼頭；作業路；集卡；線性規劃

一、研究背景

集裝箱碼頭運營管理是一個復雜的系統問題，涉及面廣、環節多，如果各個環節配合不當，就會影響整個系統的發揮。（1）因此，碼頭作業路的優化，以及集裝箱運輸的載體“集卡”的運輸調度問題成為港口作業效率提升的一大關鍵因素。（2）當然，迫在眉睫的一個問題就是如何搞好集卡與岸橋之間的高度協作，合理的優化現有的調度模式，提高港口內、外運作效率和管理水平，使港口的發展走上重技術、重管理的集約化道路。正是在這樣的背景下，本文提出了以岸橋與集卡配合為主線，采用科學的方法，合理的分配各集卡的作業量和運輸路徑，以達到提高集裝箱碼頭現場管理水平的目的。

集裝箱碼頭的作業方式實際上是以流水線作業，碼頭一般稱這條流水線為“作業路”。集卡作為集裝箱碼頭中的水平運輸設備，其數量最多，靈活性最強，轉運路線復雜。作為岸橋和堆場之間連接的紐帶，集卡的調度與作業量的分配直接影響著整個堆場的效率（3）。

目前，內河碼頭一般采用單路作業的生產方式安排船舶裝卸作業。單路作業是指，當船舶靠泊時，中控員根據泊位的狀況和船舶計劃表開始安排作業路。然后根據箱量為每個參與作業的岸橋安排若干數量的集卡。安排完成后，這輛集卡只能固定在此作業路上進行作業，不負責其他作業路的運輸工作。這種分配方式簡便易行，因此單獨作業方式在內河集裝箱碼頭廣泛使用。它的弊端也很明顯，因為碼頭在實際生產時每條作業路的繁忙程度都不一樣，現場情況較為復雜多變。在這種調度方式下，提前完成任務的集卡會被閑置，而繁忙的作業路卻不會有其他集卡主動參與到其中來加速完成任務。這種對寶貴生產資源的浪費給碼頭的作業效率帶來了很大影響。

二、解決方案

針對碼頭的問題現狀設計一套優化辦法。優化目的為如下三個：

（1）能夠最大化的減少集卡的行駛距離，達到有效降低油耗的目的。

（2）能夠將總作業量平均分配給各集卡，這樣做不僅可以提高集卡利用率，還能夠使每個集卡司機的工作量平衡，相應的收入也能做到平均分配（集卡司機的工資是計件計算）。

（3）能夠將集卡行駛的總路程平均分配給各集卡。這樣做可以有效縮短作業時間的長度，使每輛集卡都可以物盡其用，達到優化堆場作業效率的目的。

第一個目的可以使用運輸問題模型來解決。第二和第三個目的用整數規劃模型求解。為了達到上述幾個目的，本文將對三種不同的作業路分配方式進行建模分析：

（1）單獨作業：

這是一種傳統的作業路分配方式。它要求各作業路的集卡數一定，不同作業路之間的集卡互不干涉，因此集卡只能按照既定行程往返奔波于岸橋和堆場之間，不能靈活變動。采用這種方式作業，達不到很好的優化效果。

（2）裝卸分離：

同為卸船或同為裝船的多個作業路可以混合使用集卡，但兩者間集卡不能混用。這種作業下集卡的分配方式更為靈活，能夠達到優化效果。

（3）裝卸循環：

無論是裝船還是卸船，所有作業路共用集卡資源。原理是：利用集卡空載的機會，讓上一次剛做完卸船的集卡立刻投入到裝船過程中去。集卡在卸船和裝船兩種不同的過程中循環作業，因此稱其為裝卸循環。裝卸循環在集卡分配上比之前兩種分配方式更加靈活，能夠使優化效果進一步提高。

三、研究步驟

由于碼頭每日裝卸船及進出口動態錯綜復雜，為了能夠簡化研究難度，理清研究思路，將對各分配方式和單個作業路的具體作業情況進行逐步分析。

（1）對單獨作業方式進行建模分析：

分別對四條作業路進行建模。目標函數為：每條作業路下集卡的作業量和作業行程能夠平均分配到各個集卡上，這樣可以有效減少作業耗時。約束條件為各作業路的總作業量一定，各卸區和裝區分作業量一定。集卡分配數量已知，各作業點之間的距離已知。需要計算的結果為各集卡的行程、作業量、耗時，各分作業路的總行車距離和耗時，所有作業路的總行車距離及總耗時（以最后一輛集卡的完工時間為準）。

（2）對裝卸分離作業方式進行建模分析：

分別對卸船作業路，裝船作業路兩種不同的作業過程進行建模。目標函數為：首先對集卡行駛路徑進行優化，力求做到集卡總行程最小。然后再對作業量和行程進行平均分配。約束條件為各作業路總作業量一定，各卸區和裝區分作業量一定。需要計算的結果為各集卡的行程、作業量、耗時，裝船作業路和卸船作業路在分離情況下作業的總行車距離和耗時，所有作業路的總行車距離及總耗時（以最后一輛集卡的完工時間為準）。

（3）對裝卸循環作業方式進行建模分析：

對四條作業路的循環作業進行建模。所有集卡不再分裝船或卸船過程，一并分配到所有作業路下參與裝卸作業。目標函數與上述的裝卸分離模型相同。約束條件為各作業路總作業量一定，各卸區和裝區分作業量一定。需要計算的結果為各集卡的行程、作業量、耗時，計算所有作業路的總行車距離及總耗時（以最后一輛集卡的完工時間為準）。

（4）將上述三種不同的作業方式，利用線性規劃模型優化后計算出結果，對結果進行對比分析，判斷每種作業方式的優缺點，得出本文最終結論。

四、 研究結論

對三種不同的作業路分配方式計算結果進行對比分析，對比分析表如下：

從圖1來看，裝卸分離比單獨作業的總行程縮短了11.24%，而裝卸循環縮短的行程比例更是高達17.05%。因此可以得出結論：裝卸循環對于集卡行程的優化是有明顯效果的，其分配方式要明顯優于前兩種作業路分配方式。

從圖2來看，裝卸分離作業比單獨作業的總耗時縮短了18.46%，而裝卸循環作業與裝卸分離作業耗時相差無幾。因此可以得出結論：無論是裝卸分離作業還是裝卸循環作業，對于堆場作業效率的優化都能起到明顯效果。

綜上所述可以得出結論：比起傳統的單獨作業方式，裝卸循環能夠有效的減少碼頭資源的損耗，并且大幅度提高碼頭的作業效率。在線性規劃算法的支持下，裝卸循環的作業方式滿足了之前所提出的三個優化目的，本文的研究也取得了應有的成果。

參考文獻

[1]毛鈞，李娜，靳志宏.基于混堆模式的集裝箱碼頭堆場空間資源配置優化.2014年1月.

[2]丁一盛揚，梁承姬.基于遺傳算法的集裝箱港口堆場空間動態分配策略.2015.

[3]曹慶奎，趙斐.基于遺傳蟻群算法的港口集卡路徑優化.系統工程理論與實踐.7，2013年.

作者簡介：

榮耀，男，1984.8，湖北武漢，碩士，物流管理，初級工程師，武漢港務集團有限公司。