集裝箱卡車調度方法研究

摘要：對集裝箱碼頭的水平運輸設備——集裝箱卡車提出了新的調度算法、建立數學模型。該模型綜合考慮橋吊的服務時間、輪胎吊的服務時間、橋吊的利用率等等因素，減少集裝箱卡車的等待時間，建立集卡運輸的數學模型。實驗結果表明集裝箱數量恒定時，新的調度算法比傳統的調度算法集卡數量減少、集卡的空載率降低。

關鍵詞：碼頭；集裝箱卡車；等待時間；調度

中圖分類號：U169.71文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2008)03-0122-04

Abstract: In the paper， we present the new deployment method about the horizontal transport and equipment in the container port such as container truck and find the mathematic model which takes into consideration the serving time of quay crane and yard crane， the efficiency of quay crane and so on. The model is based on reducing waiting time in the container truck. As a result， when the number of the container is constant， the new deployment advances the old deployment in decreasing the container truck and the idle rate of the container truck.

Key words: container port; container truck; waiting time; deployment

集裝箱碼頭是指由泊位、岸邊起重機（橋吊）、水平運輸設備—集裝箱卡車（集卡）、集裝箱龍門起重機（輪胎吊與軌道吊）、堆場、道路、大門以及人員之間相互影響、相互制約的有機整體。集裝箱卡車是貫穿于碼頭與堆場之間的水平運輸設備，集卡調度的好壞直接影響集裝箱碼頭設備的利用率、碼頭的吞吐量。目前集裝箱碼頭的調度人員僅僅憑借經驗對機械設備進行調度與管理，沒有理論根據。本文綜合考慮橋吊服務時間、輪胎吊服務時間、堆場位置、集卡的運行速度、碼頭道路等一系列因素建立集卡調度的數學模型，分析集卡調度的方式，減少集卡的空載率，確定集裝箱卡車數量最優配置，提高碼頭機械設備的利用率。

1傳統集卡調度方式

船靠泊后，港口調度人員根據船的配載圖、集裝箱數量、堆場箱位圖等配置相應的機械設備。也就是說當船舶到港時，判斷是裝船還是卸船，根據集裝箱量為船配置相應的橋吊，按照橋吊數，每一臺橋吊配備5—6輛集卡，集卡按規定作業路線沿順時針方向運輸，始終為該橋吊服務直至船離開泊位。整個裝、卸過程中橋吊、輪胎吊和集卡形成固定的線路（如圖1）。

優點是司機操作比較簡單，不易出錯[1]；缺點是這種調度方案是根據集裝箱碼頭調度人員多年經驗，沒有理論依據。若運輸量小，造成集卡運輸過程中空載率高，而其他運輸量大的作業路集卡欠缺，致使生產銜接不上。由于集裝箱碼頭集卡調度的復雜性和并發性，傳統調度方法很難滿足碼頭的快速發展，合理地調度集卡、分配集卡是當務之急。本文基于現場考察建立相應的數學模型與仿真模型，得出調度的最優。

2動態調度算法

2.1問題分析

本文所考慮動態調度方式是打破作業路調度集卡方式，動態調度集卡不同于文獻[1]中所考慮以到達橋吊的集卡的數量為判斷依據，而是以集卡的等待時間最小化為判別依據，將裝船、卸船、轉堆一系列需要集卡的運輸整體調度，形成一輛集卡可以在多項工作中使用，保證橋吊與輪胎吊的利用率達到最優，集卡等待橋吊或輪胎吊的時間最短，使整個碼頭機械設備的調度達到平衡。空閑集卡不是僅僅服務于一條作業路而是能隨時投入其他作業路線中，同理其它的空閑集卡也可以隨時加入本作業路線。減少集卡等待橋吊的時間，充分利用橋吊、縮短集卡空載的行駛時間和距離，實現裝卸過程的“重進重出”，為提高碼頭機械設備的利用效率提供參考依據。

2.2調度原則

（1）空閑集卡優先選擇人為干預作業路線。

（2）空閑集卡選擇重點船、重點作業路線。

（3）碼頭前沿空閑集卡優先選擇卸船作業路線。

（4）堆場中空閑集卡優先選擇裝船作業路線。

（5）碼頭前沿集卡完成裝船的過程后優先選擇卸船作業路線。

（6）在堆場中完成卸箱后優先選擇堆場中裝船作業路線。

（7）當前兩條作業路達到平衡時，集卡選擇轉堆作業路線。

（8）當三條作業路達到平衡時，也就是等待作業的集卡等待時間均等，為空閑集卡分配路徑最短的作業指令。

2.3集卡調度算法

在新的調度算法中，以當前橋吊、輪胎吊的利用率為基礎，對集卡調度的判斷依據為集卡在輪胎吊或橋吊等待作業等待時間最短，這就是說在每分配一輛集卡到橋吊或到輪胎吊執行任務時，首先要考慮集卡在橋吊或輪胎吊下的等待時間，也就是集卡的等待時間與橋吊或輪胎吊的服務時間*（當前集卡數+1）的數值進行比較；如果等待的時間大于服務時間*集卡數，此橋吊或輪胎吊不給予分配集卡，集卡等待下一次調度過程；否則集卡分配給此作業路線中。當一輛集卡完成某個作業的操作變為空閑集卡可進入新的調度過程，調度過程遵循調度原則，優先級由（1）~（7）。流程圖如下：

此調度算法主要是利用集卡的等待時間為依據來分配集卡，減少集卡的等待時間，減少集卡空載率，提高碼頭設備的利用率。

2.4數學模型

2.4.1參數含義

K=1，2，3，…，31表示現場中橋吊的總數

J=1，2，3，…，77表示現場中的輪胎吊的總數

I=1，2，3，…，140表示現場中的集卡數

Mu——表示卸船所分配的橋吊數

Ml——表示裝船所分配的橋吊數

Mu+M1

N——表示要服務的集裝箱總數U——表示卸船的集裝箱總數L——表示裝船的集裝箱總數N=U

+L

Tr——表示所調用的集卡數量

So——表示集卡重載行駛的路程

Se——表示集卡空載行駛的路程

QCk——表示第k橋吊服務于一個集裝箱的時間k∈K

QCkreach——表示第k橋吊完成任務時刻

YCj——表示第j輪胎吊服務于一個集裝箱時間，也就是說輪胎吊將集裝箱從堆場中提起到放入或從集卡吊起放入堆場的時間j∈J

2.4.2傳統方法集卡數量

根據傳統調度人員一橋吊配置5—6輛集卡，按照統一的作業路進行運輸，傳統調度方式集卡數量為：Tr

=Mu+M1*5—6輛。

2.4.3動態調度數學模型

動態調度算法在理論上橋吊的利用率為100%，同時使集卡的等待時間接近0，這是對集卡調度的最小數量估計

通過對集卡調度配置模型求解，根據現場機械設備的服務時間、集裝箱運輸量可得出所需集卡數量及集卡的最小等待時間，為集卡的分配得出最優方案。

2.5驗證參數

為證明表達式的正確性，通過現場采集數據計算集卡的空載率、集卡的平均等待時間、集卡等待效率等等，對比傳統方法與新的動態調度算法的差異。

3例子

3.1模型假設

（1）每輛集卡一次運一個標準箱。

（2）碼頭中集卡的功能相同，如裝、卸、轉堆及容量、速度等等。

（3）對特殊箱，如冷藏箱、危害箱的運輸，集卡不予考慮。

（4）集卡的初始點位于輪胎吊處，在傳統方式下每隔三分鐘發出一輛空集卡，集卡空載運行時間為4min、重載運行時間為5min。擁塞狀態集卡的路徑被忽略。

（5）要運輸的集裝箱位置和集裝箱量是確定值。

（6）岸邊的橋吊數為2個，分別用于裝貨和卸貨。輪胎吊數量也為2個，位于前方堆場。輪胎吊服務時間為3min（每小時運輸20個集裝箱）、橋吊的服務時間為4min（每小時運輸15個集裝箱）。

3.2仿真結果

本文是以某港口兩艘船為例，分別進行裝卸，當仿真時鐘從0開始，第一艘船到港進行裝船操作，20分鐘以后第二艘船到港進行卸船操作，每艘船停靠泊位后分配一個橋吊服務，對應的堆場中也由一個輪胎吊為其服務。比較傳統調度算法與新的動態調度算法集卡的運輸能力，分析指標如表1：

表1比較了在兩種調度算法中集卡數量、集卡的空載率、集卡的重載率、集卡平均等待時間、集卡等待效率指標，可知當集裝箱數量為29個（分別裝船為17個，卸船為12個），按著傳統方式所需集卡數量為12輛，通過新的調度算法所需集卡數為7輛，運輸同樣的集裝箱數量可以節省5輛集卡，以備其它作業路使用。傳統方法與新的調度算法比較，空載率降低了47.41%－33.33%=14.08%，同樣集卡的平均等待時間減少了13.83－5.28=8.55分鐘，集卡的等待效率也減少了10.69個百分點，可以充分利用集卡，在保證集卡的充分調度時，同時也可以保證橋吊的利用率，以提高碼頭的吞吐量，進一步證明采用新的調度算法的可靠性。

4結論

本文提出了集裝箱碼頭集卡調度配置新的模型，并對碼頭集卡的調度配載方式提出新的判斷依據，進行仿真運算、分析，得出集裝箱運輸量恒定時，動態調度優于傳統的調度方式，從理論上得出集裝箱數量恒定所使用集卡數量，為實際中的調度提供理論依據，打破原有的憑經驗調度，提高碼頭的機械設備的利用率。

在仿真的過程中，對橋吊與輪胎吊的作業時間進行了恒定，下一步可以改變其數據，全面考慮碼頭的機械設備，為進一步接近實際生產打下堅實的基礎。

參考文獻：

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。