基于多場景分配原則的集裝箱堆存策略研究

方 勝 高延輝 張 煜 董寶慧

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

隨著全球貿易進程不斷深化，港口集裝箱吞吐量大幅增長，各碼頭積極致力于由傳統(tǒng)碼頭向智能化碼頭過渡。集裝箱堆場裝卸作業(yè)效率對港口發(fā)展的影響日漸突出，尤其是堆場中集裝箱堆存方式對集裝箱裝卸及水平運輸有直接影響。以某全自動化集裝箱碼頭為背景，圍繞集裝箱堆存策略展開研究。

目前，國內外有諸多關于自動化碼頭堆場堆存策略及集裝箱箱位分配問題的研究。付鵬成等提出自動化集裝箱碼頭的箱位分配策略需結合碼頭所處環(huán)境、碼頭作業(yè)設備特點等因素制定，證明了自動化堆場策略能突破傳統(tǒng)集裝箱碼頭作業(yè)量和設備作業(yè)時間不穩(wěn)定導致堆存效率低的瓶頸，提高碼頭資源利用率[1]。倪敏敏等針對集裝箱箱位分配問題，提出了基于堆場起重機布局的動態(tài)分配策略，數學模型求解結果表明該方案能充分利用堆場貝位[2]。梁承姬等為解決堆場空間分配問題，使用網絡優(yōu)化方法建立堆場空間動態(tài)分配模型，結果表明該方法能保證堆場中進出口箱數量分配平衡[3]。范厚明等為避免倒箱，從碼頭運營信息的視角提出新的堆存策略[4]。薛浩勇等針對出港箱箱位分配問題提出兩階段優(yōu)化模型與算法，降低了倒箱次數[5]。楊曉斌等針對集疏港集裝箱箱位分配問題，提出相應數學模型，并設計蒙特卡洛樹搜索算法進行求解，結果表明該模型可提高碼頭吞吐能力[6]。Hang Yu等為解決出口箱分配問題，提出柔性裝載集群概念，靈活分配出口集裝箱在堆場中的位置[7]。Caimao Tan等針對堆場管理，考慮了空間分配和堆場起重機調度等因素，建立了一個綜合優(yōu)化模型，通過實驗證明了模型的有效性[8]。

現有研究成果中，碼頭堆場集裝箱堆存策略應用場景較為單一，集裝箱存放過于集中，容易造成港區(qū)道路擁堵、裝卸設備作業(yè)不均衡等問題，極大影響港口裝卸作業(yè)及水平運輸作業(yè)效率。立足于現有自動化集裝箱堆場空間劃分和設備資源，提出一種基于多場景分配原則的集裝箱堆垛管理方法。在分析自動化碼頭堆場布局的基礎上，將場地、貝位、排位設置為3個場景，按照一定場景順序基于罰分策略分配集裝箱。詳細分析集裝箱箱區(qū)打散流程、進口箱和集港箱打散流程的實施過程，為自動化集裝箱碼頭減少水平運輸系統(tǒng)擁堵情況、提高堆場箱位利用率提供建議。

2 堆場布局概述

該碼頭堆場平行于碼頭岸線布置，堆場縱深約752 m，箱區(qū)長度約280 m。堆場共分為3塊區(qū)域，分別為堆場A區(qū)、堆場B區(qū)和堆場C區(qū)(見圖1)。3個區(qū)域各布置8條作業(yè)線，作業(yè)線1C、3C、4C、6C、2B、5B、7B、8A配置1臺自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱ARMG)，其他作業(yè)線配置2臺ARMG。

圖1 堆場俯視圖

整個自動化堆場共布置27個箱區(qū)，其中包括24個普通集裝箱箱區(qū)和3個冷藏箱箱區(qū)(見圖2)。雙懸臂軌道吊軌距為34 m，起重量為41 t，軌距內布置11排箱，堆箱高度“堆6過7”，能夠滿足碼頭實際運營需求。相比堆場垂直布置方案，堆場平行岸線布置方案裝卸點更多，給ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能運輸機器人)提供更多作業(yè)位，降低車輛擁堵概率，加快車輛周轉速度。同時，堆場軌道吊無需帶箱長距離輸送集裝箱，能耗低，海陸側裝卸作業(yè)及集疏運能互相支援。

圖2 堆場側視圖

3 堆存策略實施

3.1 箱區(qū)打散流程

海側進港集裝箱和陸側集港集裝箱都需要在堆場箱區(qū)存儲，箱區(qū)打散策略能有效提高集裝箱堆存效率。當車輛入場，箱區(qū)打散策略快速為集裝箱劃分堆存區(qū)域，使ART和外集卡分區(qū)分道作業(yè)，實現軌道吊和作業(yè)任務多對一，合理調控道路交叉口交通流量，降低擁堵概率。箱區(qū)打散策略在分配箱區(qū)的同時考慮車輛行駛里程，能大大降低車輛能耗，實現車輛高效綠色運轉。

具體打散流程為：將泊位和箱區(qū)進行耦合，根據箱區(qū)到岸邊集裝箱起重機的距離和箱區(qū)堆存率，將每個泊位卸載的集裝箱所屬堆存箱區(qū)設為一個扇形區(qū)域。泊位1對應的箱區(qū)為由序號1、2、5圍成的扇形區(qū)域；泊位2對應的箱區(qū)為由序號1、3、5圍成的扇形區(qū)域；泊位3對應的箱區(qū)為由序號1、4、5圍成的扇形區(qū)域(見圖3)。

圖3 箱區(qū)打散扇形區(qū)域示意圖

3.2 箱區(qū)分配方案

箱區(qū)分配方案由調度中心系統(tǒng)通過智能優(yōu)化算法以裝卸效率最大化為目標計算生成。依次進行箱區(qū)-貝位-排位的選擇后確定集裝箱的最優(yōu)堆場分配箱位，并生成對應集裝箱的箱區(qū)分配方案，堆存策略實施流程見圖4。

圖4 堆存策略流程圖

3.3 場地分配策略

3.3.1 策略流程

給集裝箱分配任務編號記為k，開始進行箱區(qū)選擇，根據當前所有箱區(qū)的堆存率、任務位置到所有箱區(qū)的路徑、各個箱區(qū)的等待集卡進行評估，依據罰分評估策略選擇較優(yōu)的箱區(qū)分配給該集裝箱任務。

3.3.2 罰分策略

(1)根據箱區(qū)堆存率、任務位置到箱區(qū)的路徑、箱區(qū)內等待集卡數量，對所有箱區(qū)進行打分。

(2)計算任意箱區(qū)最終得分值。

(3)將得分值最優(yōu)的箱區(qū)分配給當前任務集裝箱，如存在多個最優(yōu)箱區(qū)，可隨機選擇分配給任務集裝箱。

3.4 貝位分配策略

3.4.1 策略流程

完成箱區(qū)選擇后，在最優(yōu)箱區(qū)中根據任務k對應的箱型，確定該箱區(qū)對應該箱型的貝位集合，根據堆存率和集裝箱屬性進行評估，選擇最優(yōu)的貝位分配給該集裝箱任務。

3.4.2 罰分策略

(1)根據任務k對應的箱型(20 ft或40 ft箱)，確定該箱區(qū)對應該箱型的貝位集合(20 ft貝位或40 ft貝位)。

(2)將貝位集合中的貝位依據堆存率進行打分。

(3)選取分值最優(yōu)的貝位，若與其相鄰貝位沒有存放與當前任務屬性相同的集裝箱，則選擇該貝位，否則繼續(xù)搜索合適貝位。

3.5 排位分配策略

3.5.1 策略流程

完成貝位選擇后，對當前選定箱區(qū)貝位的各個排進行罰分計算，根據罰分評估策略選擇出最優(yōu)的箱位分配給該集裝箱任務。

3.5.2 罰分策略

(1)對當前選定箱區(qū)貝位的各排進行罰分計算：依據任務箱型、空重箱、任務箱流向、航次等因素對各排進行打分。

(2)計算各排分值，將分值最優(yōu)的排分配給當前任務箱；若存在多個選擇，隨機選擇一個排進行分配。

經過上述3種選擇規(guī)則后挑選出最優(yōu)箱位方案，并由調度中心系統(tǒng)發(fā)送至運輸系統(tǒng)，運輸系統(tǒng)派遣ART將對應集裝箱運送至指定堆場箱位完成裝卸。

港區(qū)道路狀況會實時變化，在為集裝箱分配箱區(qū)、貝位和排的同時，應根據港口運作現狀動態(tài)調整箱區(qū)分配策略。當泊位窗口發(fā)生變動，堆存策略根據船舶實際停留位置快速分配新的堆存區(qū)域，保證箱區(qū)利用率均衡。在搜尋最優(yōu)箱位時，考慮ART運行里程，預測交叉路口ART和外集卡交通流量，使集裝箱到最優(yōu)箱位作業(yè)任務不會增加ART輸送距離和道路交通壓力，大大提高碼頭整體作業(yè)效率。

4 策略應用

根據所提出的基于箱區(qū)打散模式的自動化集裝箱堆場堆存策略，設計開發(fā)港口堆場堆存運營系統(tǒng)軟件，為集裝箱實時分配最優(yōu)箱位，并顯示各箱位和當前任務箱適配信息。在為集裝箱分配箱位時，系統(tǒng)軟件會實時檢測箱區(qū)、貝位、排與任務箱的適配信息并反饋給工作人員，最終為任務箱搜尋到最優(yōu)箱位。

圖5、圖6為某碼頭實際運營案例結果。圖5為不同流向集裝箱在場地分布情況示意圖，圖6為不同箱型和不同箱重集裝箱在場地分布情況示意圖。圖中縱坐標表示場地編號，即1A到8C，橫坐標表示箱型種類(如22G1)、重量等級(1-6)或集裝箱流向(進口箱、出口箱、中轉箱等)，表格中數字表示當前場地存儲對應種類集裝箱的箱數。

圖6 堆場不同箱型和箱重分布情況

在堆場存儲作業(yè)中，目前大多數集裝箱碼頭將貝位作為分配單元，同一貝位只能堆放同種屬性集裝箱。當集裝箱作業(yè)量增加，這種堆存策略會占用更多貝位，造成堆場空間資源浪費，增加倒箱次數與船舶等待時間，降低堆場作業(yè)效率，使港口運營成本上升。而改用以箱位為分配單元后，按照箱區(qū)、貝位、排的順序層層遞進，篩選適合存儲集裝箱的位置，并采用罰分評估策略，能保證各個箱區(qū)、貝位利用率均衡，有效避免各排出現空箱重箱混放、任務流向不一致集裝箱混放等不合理的堆存現象。同時罰分策略中的參數可由港口管理人員動態(tài)修改，以提高堆存策略的靈活性，使集裝箱箱位分配結果合理，減少倒箱次數，突破堆場資源利用不合理瓶頸。

5 結語

基于箱區(qū)打散模式的自動化集裝箱堆場堆存策略，首先基于箱區(qū)堆存率、擁擠情況和作業(yè)任務路徑3個因素對箱區(qū)進行篩選，然后根據貝位堆存率和集裝箱屬性對已確定箱區(qū)中的貝位進行篩選，最后根據箱位罰分策略對已確定貝位中的排進行篩選，為集裝箱搜尋到最優(yōu)箱位。與傳統(tǒng)堆場堆存策略相比，該策略能均衡各箱區(qū)、貝位、排的利用率，降低翻倒箱次數，緩解堆場區(qū)擁堵。