自動化集裝箱碼頭橋機資源策劃系統

丁益華

橋機是集裝箱碼頭重要的裝卸設備，橋機利用率對碼頭裝卸效率有重要影響。具備前瞻性的橋機資源策劃方案能夠使后續的裝卸作業更加流暢，有助于實現降本增效的目標。隨著自動化集裝箱碼頭的蓬勃興起以及船舶大型化趨勢的持續發展，碼頭作業的不均衡性加劇，從而使橋機資源策劃面臨更大挑戰和更高要求。本文針對自動化集裝箱碼頭橋機資源配置問題，在綜合考慮船舶裝卸作業相關因素的條件下，建立以橋機利用率最高和橋機作業成本最低為目標的整數規劃模型，并采用分支定界法求解和優化，據此構建自動化集裝箱碼頭橋機資源策劃系統。

1 研究背景

傳統的橋機資源策劃方案通常由船舶計劃員根據經驗編制完成，編制前需要掌握以下資料：（1）上個晝夜船舶作業進度和橋機作業狀態;（2）船舶相關資料，包括船舶吃水、到港動態、進口箱量、出口預配箱量和船圖、大件貨物信息、危險貨物信息、船期及其變更通知、修船要求、船舶靠泊方向等;（3）碼頭潮汛和氣象信息;（4）碼頭設施設備維保計劃;（5）支線船舶每日到港動態。船舶計劃員根據上述資料，結合船舶靠離泊計劃，并綜合考慮碼頭作業能力、作業設備和人力資源等因素編制橋機資源策劃方案。由于橋機資源策劃方案的數據來源較多且編制工作量較大，加之需要在較短的時間內完成，船舶計劃員難以實現精確計算，導致人工編制的橋機資源策劃方案往往與現場實際作業情況存在較大差異，難以有效指導后續現場作業。

鑒于人工編制的橋機資源策劃方案存在上述弊端，有必要研發和應用智能化的橋機資源策劃系統，使其基于相應的模型和算法，在綜合考慮相關因素的條件下，自動編制可行的橋機資源策劃方案。橋機資源策劃領域的研究成果包括：隋延清[1]通過建立聯合調度模型和設計啟發式算法求解船舶調度方案，并以船舶調度方案為仿真邏輯設計仿真實驗，探究海側作業資源配置與船舶在港時間的關系;王輝球[2]探討橋機調度問題的計算復雜度，并證明該問題是完全多項式非確定性問題;鄭紅星等[3]針對集裝箱碼頭泊位確定條件下的單船橋機分配和調度問題建立線性規劃模型;范志強等[4]分析橋機支援對船舶裝卸作業效率的影響，指出縮短橋機等待時間有利于加強橋機支援和提高碼頭整體運作效率，并建立以最大完工時間和橋機等待時間最短為優化目標的橋機作業調度雙目標混合整數規劃模型;樂美龍等[5]以單艘船舶的橋機作業時間最短為目標，建立單艘船舶橋機調度的混合整數線性模型。本文在現有研究成果的基礎上，結合自動化集裝箱碼頭的生產特點和船舶計劃員的作業經驗，在綜合考慮船舶裝卸作業相關因素的條件下，建立以橋機利用率最高和橋機作業成本最低為目標的整數規劃模型，并采用分支定界法求解和優化，據此構建自動化集裝箱碼頭橋機資源策劃系統，實現橋機資源的自動分配。

2 橋機資源策劃系統實現路徑

2.1 方案設計

橋機資源策劃系統的設計目標是：以橋機利用率最高和橋機作業成本最低為基本原則，為等待安排橋機作業計劃的船舶統籌分配橋機，從而在1個計劃周期（24 h或）內，使所有船舶均能在靠離泊作業計劃時間內完成作業。橋機資源策劃問題可以解析成將不同組合的橋機資源在不同時間段分配給待作業船舶，具體方案如下：首先，將作業相關因素折算成時間;然后，結合自動化集裝箱碼頭生產特點，對橋機和時間進行組合;最后，篩選出部分可行的整數組合，以橋機利用率最高和橋機作業成本最低為目標建立模型并求解。橋機資源策劃系統設有人機交互界面和人工干預機制，在算法結果不滿足要求的情況下，允許人工介入調整。

2.2 算法流程

橋機資源策劃算法的主要邏輯是：將需要安排橋機的船舶作業時間分割成時長為1 h的多個時段，并以需要安排橋機的最早時間為基準點，每隔1 h遍歷計算1次，將橋機分配給滿足作業條件的船舶，直至所有船舶均已分配橋機，最終得到當前時間段內所有船舶的橋機分配結果。在計算船舶橋機組合解的過程中，需要綜合考慮橋機維保計劃、駁船橋機資源策劃方案（人工編制）、橋機移動的線序性、橋機電纜范圍、后續靠泊船舶、同一橋機在相同時間段內不能作業不同船舶等約束條件。將所有船舶的橋機組合按照橋機物理位置線序性排列，作為1次橋機資源分配結果，即1個分支節點。在一段時間內，滿足約束條件的橋機均能分配給對應船舶，從而產生多個分支節點。船舶橋機組合的核心是為每

艘待作業船舶安排完成作業所需的數量最少的橋機。結合自動化集裝箱碼頭作業特點，在滿足業務規則硬性約束條件的前提下，以橋機利用率最高和橋機作業成本最低為評價標準，對船舶橋機組合的每個分支節點進行評分，從中獲得橋機利用率最高和橋機作業成本最低的解，其中：橋機利用率為已分配橋機數量與橋機總量的比值，橋機作業成本為所有作業橋機的移動距離之和。橋機資源策劃算法流程見圖1。

2.3 關鍵參數計算

船舶作業時間是橋機資源策劃模型中的關鍵參數。要計算船舶作業時間，首先需要計算船舶貝位關數。

2.3.1 船舶貝位關數計算

計算船舶貝位關數需要裝卸船箱量或計劃裝卸船箱量等數據。通常情況下，船公司會向碼頭提供船舶干路圖，其中包括裝卸船箱量等數據，此時按照船舶干路圖計算貝位關數即可。有時船舶干路圖僅包含部分數據，此時可按照以下步驟計算船舶貝位關數：（1）如果船舶干路圖有卸船箱量數據而沒有裝船箱量數據，則把計劃裝船箱量平均分配至船舶干路圖中的卸船貝位;（2）如果船舶干路圖有裝船箱量數據而沒有卸船箱量數據，則把計劃卸船箱量平均分配至船舶干路圖中的裝船貝位;（3）如果船舶干路圖既沒有裝船箱量數據也沒有卸船箱量數據，則把計劃裝船箱量和計劃卸船箱量平均分配至船舶所有貝位。

2.3.2 船舶作業時間計算

得到船舶貝位關數后，需要通過計算將關數轉換成貝位作業時間，從而為后續的模型計算提供有效的輸入數據。

不同貝位相同箱型的橋機作業時間不同，相同貝位不同箱型的橋機作業時間也不同。首先，通過分析船舶歷史作業數據，得到各貝位不同箱型所占比例及作業時間;其次，用船舶貝位關數乘以相應貝位不同箱型所占比例，得到相應貝位不同箱型關數;再次，根據相應貝位各箱型關數和作業時間，進行先相乘后累加的計算，得到貝位作業時間;最后，計算船舶每個貝位作業時間。

2.4 模型構建

2.4.1 模型算法

橋機資源策劃問題可視為組合優化問題。分支定界法適用于解決純整數規劃問題和混合整數規劃問題，并且便于計算機求解，故本文采用分支定界法來求解船舶待分配橋機的可行性組合解集，具體實現過程如下：用搜索樹描述求解過程，計算搜索樹上每個節點對應的可行解空間的下界或上界，利用界限選擇分支節點，并在該節點的基礎上分裂計算可行解組合，從而產生子節點，直至產生最優解。由此可見，分支定界法包含分支和定界：分支的目的是為求解整數規劃問題創造條件;定界的目的是提高搜索效率。

自動化集裝箱碼頭橋機資源策劃需要綜合考慮多方面因素，包括船舶靠離泊計劃、設備和人員出勤計劃、駁船作業計劃、設備維保計劃和船舶干路圖等。據此，在算法模型生成船舶橋機組合解的過程中，主要考慮以下因素：（1）船期計劃，包括開始作業時間和結束作業時間;（2）船舶作業時間;（3）橋機信息，包括橋機位置、橋機電纜范圍、橋機維保計劃和駁船作業計劃;（4）算法配置參數。

2.4.2 符號說明

（1）c為橋機集合，ci∈c ，i∈（1，2，…，n）。

（2）s為計劃周期內待作業船舶集合，sj∈s，j∈（1，2，…，m）。

（3）sjit為0-1變量：若船舶sj在t時刻選中橋機ci作業，則sjit=1;否則，sjit=0。

（4）cjit為0-1變量：若橋機ci在t時刻可以作業船舶sj，則cjit=1;否則，cjit=0。

（5）wtj為單臺橋機作業船舶sj所需時長。

（6）T為計劃周期，一般為24 h或48 h。

（7）t為計劃周期T內的某一時刻，0≤t≤T。

（8） it為0-1變量：若橋機ci在t時刻被分配，則 it=1;否則， it=0。

（9）pit為橋機ci在t時刻所處的貝位位置。

（10）| g|為2個貝位之間的距離。

2.4.3 目標函數

目標函數為

F=min（ 1 ?+ 2 ）（1）

F1=（2）

F2=（3）

式（1）～（3）中：F1為橋機利用率;F2為計劃周期內橋機作業成本; 1 和 2分別為橋機利用率評價指標權重和橋機作業成本評價指標權重，滿足 1+ 2=1，本模型取 1= 2=0.5，即橋機利用率評價指標權重與橋機作業成本評價指標權重相同。

約束條件為

sjit cjit≥wtj j∈（1，2，…，m）（4）

sjit=0 jt，sj（i 1）t+sj（i+1）t<2，1≤i≤n 1（5）

式（4）表示所有船舶在計劃周期內作業完畢;式（5）表示同一時刻每艘船舶所分配的橋機滿足線序性。

3 橋機資源策劃系統功能及界面

3.1 系統功能

橋機資源策劃系統具有以下功能：（1）通過數據接口從碼頭生產系統中獲取算法模型所需數據，并通過圖形化界面向用戶呈現計算結果;（2）允許根據實際情況調整算法模型的輸入參數和輸出結果，如允許修改橋機分配時段等;（3）通用性功能，如導出和打印計算結果等。

3.2 系統界面

3.2.1 橋機資源策劃主界面

橋機資源策劃主界面（見圖2）由船舶信息界面和橋機資源策劃信息界面組成，其中：船舶信息界面顯示下個晝夜即將靠泊碼頭的船舶信息，內容包含船名、航次、裝船箱量、卸船箱量、離泊時間和船時箱量等;橋機資源策劃信息界面以圖形化方式顯示橋機資源策劃結果，內容包含橋機編號、行車范圍、班組、時間和橋機安排等，并且允許以圖形拖動的方式調整策劃結果。

圖2 橋機資源策劃主界面

3.2.2 船舶干路圖子界面

船舶干路圖子界面（見圖3）顯示船名、航次、船舶貝位號、卸船箱量、裝船箱量、卸船關數、裝船關數和合計關數等信息。系統通過計算得到箱量和關數等數據，并且允許根據實際情況調整數據。

圖3 船舶干路圖子界面

4 結束語

橋機資源策劃系統目前已在上海港洋山深水港區四期自動化集裝箱碼頭投入使用。與傳統的人工策劃方式相比，橋機資源策劃系統的運行效率更高，資源配置結果更符合碼頭實際生產作業情況，不僅能夠降低人工成本，而且能夠提高碼頭作業效率，從而為碼頭帶來更高的經濟效益。

參考文獻：

[1] 隋延清. 集裝箱碼頭海側作業資源配置仿真優化[D]. 大連：大連海事大學，2020.

[2] 王輝球. 集裝箱岸吊的調度模型和算法研究[D]. 北京：清華大學，2006.

[3] 鄭紅星，吳岳，涂闖，等. 單船岸橋分配與調度集成優化模型[J]. 計算機應用，2015，35（1）：247-251.

[4] 范志強，樂美龍. 最小化最大完工時間與等待時間的岸橋作業調度雙目標優化及其遺傳算法[J]. 系統管理學報，2013，22（1）：120-127.

[5] 樂美龍，趙彥營，劉秀玲. 時間窗下單船岸橋調度――基于數學規劃和規則的啟發式算法[J]. 計算機工程與應用，2014，50（9）：242-248.

（編輯：張敏 收稿日期：2021-11-30）