集裝箱碼頭泊位—集卡—堆場多目標集成優化模型

鄭津霖

提高碼頭生產作業效率是集裝箱碼頭生產管理的重點和難點。本文在考慮泊位分配、集卡運輸、堆場箱區選擇等三大作業環節之間耦合關系的基礎上，提出集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場多目標集成優化模型，并通過算例對比聯合裝卸作業模式與單獨裝卸作業模式下的集卡行駛距離和集卡運行時間，以驗證模型的可行性和有效性，從而為集裝箱碼頭生產作業環節優化提供新的解決思路和方法。

1 研究背景

世界范圍內集裝箱運輸的快速蓬勃發展對集裝箱在物流網絡中的周轉提出極高要求。作為集裝箱運輸的中轉站和緩沖地，集裝箱碼頭已感受到壓力和挑戰。除擴建碼頭、增置設備外，生產作業環節優化也是提高集裝箱碼頭生產作業效率的重要方式之一。

集裝箱碼頭的生產作業環節主要包括船舶進港靠泊、岸橋分配與裝卸、內集卡運輸、堆場存取箱、外集卡進出閘口等，其中：船舶靠泊泊位和集裝箱在堆場堆存位置的確定是集裝箱碼頭生產作業系統優化的基礎，其直接決定集卡行駛距離；而在集卡數量一定的條件下，集卡與岸橋和場橋的銜接狀況直接影響集裝箱碼頭的裝卸效率。由此可見，優化泊位分配和堆場箱區選擇是提高集裝箱碼頭生產作業效率的關鍵，優化集卡行駛路徑則是提高集裝箱碼頭生產作業效率的突破口。

國內外學者對泊位分配、集卡行駛路徑確定、堆場箱區選擇等開展深入研究，并取得一定的研究成果。在泊位分配及其與其他生產作業環節的協同優化方面：楊露等[1]采用數據挖掘分類技術中的ID3方法分析相關數據，得到泊位分配分類規則；徐亞等[2]提出處于港內不同位置的多個集裝箱碼頭的泊位協調調度問題，并建立相應的混合整數規劃模型，對多碼頭任務分配和泊位調度進行統籌優化；滑建輝[3]提出船舶在港停留時間最短以及船舶裝卸作業產生的泊位運營費用和岸橋移動費用最少的雙目標函數優化模型；LALLA-RUIZ等[4]以轉船成本最小化和岸橋價值最大化為目標，解決泊位分配與岸橋調度的同步優化問題。在集卡行駛路徑優化方面：嚴南南等[5]建立考慮集卡能耗和集卡作業時間的多目標數學模型；王濤等[6]綜合考慮集卡作業效率和調運能耗，提出多目標混合整數規劃模型；曹朋亮等[7]針對集卡作業面模式，構建以裝船作業時間最短為目標的場橋與集卡聯合調度優化模型。在堆場箱區選擇方面：嚴偉等[8]采用聚類分析法研究集裝箱碼頭出口箱堆存策略；劉嬋娟等[9]將集裝箱堆場出口箱箱位分配問題分為兩個階段進行研究，其中，第一階段以場內集卡行駛距離最短為目標建立整數規劃模型，為到場出口箱分配箱區；SHARIF等。以實現堆場箱區間作業量均衡以及縮短集卡在泊位與堆場間的行駛距離為目標，采用蟻群控制算法構建數學模型，確定集裝箱的堆存位置和集卡行駛路徑；鎮璐等[11]考慮泊位與堆場協同優化，構建混合整數規劃模型。

上述研究大多針對集裝箱碼頭單一或相鄰的生產作業環節，多目標集成優化研究少見。為此，本文綜合考慮泊位分配、集卡運輸和堆場箱區選擇等生產作業環節，構建集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場多目標集成優化模型。

2 問題描述

（1）泊位分配 泊位分配是集裝箱碼頭實施生產作業的前提條件：集裝箱碼頭首先要為到港船舶確定靠泊泊位，才能進一步確定岸橋數量、集卡數量和堆場箱區。集裝箱船舶大多采用班輪運營模式，船舶到港時間、船型和裝卸箱量在一定周期內相對固定，而碼頭泊位分布以離散型為主，即每個泊位的長度確定；因此，碼頭可以根據泊位使用情況和約束條件，為在錨地中等候靠泊的船舶分配泊位，這屬于運籌學中的指派問題。

（2）堆場箱區選擇 為降低成本和提高效益，貨主和船公司通常在船舶靠泊前3d安排集裝箱集港。大量集裝箱在短期內集港，不僅對優化碼頭堆場集裝箱的堆存順序不利，而且可能造成箱區過于集中，導致堆場擁堵及場橋作業壓力過大。為了減少翻箱作業，縮短堆場在船舶裝卸作業前的準備時間，降低作業成本，提高作業效率，部分碼頭采用集裝箱分散堆存策略，將同一艘船舶裝卸的集裝箱分散堆存于不同箱區。如何科學地選擇箱區也屬于運籌學中的指派問題。

（3）集卡運輸 目前集裝箱碼頭的集卡作業大多采用作業線法，即碼頭將一定數量的集卡分配給岸橋，岸橋單獨實施裝船或卸船作業：卸船作業時，集卡將岸橋卸下的進口箱運至進口箱區，并空載返回至該岸橋下再次取箱；裝船作業時，集卡將出口箱運至岸橋下，并空載返回至出口箱區再次取箱。在上述作業模式下，岸橋和集卡均存在空載情況，導致設備使用效率大打折扣。為了配合岸橋邊裝邊卸作業模式，提高岸橋和集卡的使用效率以及碼頭裝卸效率，集卡作業可采用作業面法，即：集卡裝載出口箱至裝船岸橋后，前往卸船岸橋裝載進口箱返回進口箱區，然后前往出口箱區再次裝載出口箱至裝船岸橋，如此反復直至完成全部作業任務。

由此可見，泊位分配、集卡運輸、堆場箱區選擇三者之間存在耦合關系，同步解決指派問題和路徑選擇問題有一定的難度。考慮到泊位分配和堆場箱區選擇對集卡行駛距離有根本性的影響，即兩點確定一線，如果集卡行駛距離最短，則說明泊位分配和堆場箱區選擇合理。此外，與集卡相比，岸橋配置數量較少且配置成本較高，其在相當大的程度上決定著碼頭裝卸效率；因此，在碼頭作業過程中，應盡量避免出現岸橋等待集卡的現象。綜上所述，本文在一定周期內完成全部船舶裝卸作業任務的條件下，以集卡行駛距離和運行時間最短為目標，構建集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場多目標集成優化模型。

3 模型構建

3.1 符號說明

3.1.1 集合和參數

4 算例分析

本文結合天津港集裝箱碼頭的實際作業情況，簡化情境并設計相應的算例進行仿真求解。假設條件如下：泊位4個，船舶8艘，進出口箱區各16個，岸橋20臺，集卡行駛速度8m/s，進出口箱量各9815TEU，共8個周期。利用交互式線性和通用優化求解器編程計算聯合裝卸作業模式下和單獨裝卸作業模式下的集卡運行效率，結果顯示：與單獨裝卸作業模式相比，聯合裝卸作業模式下的集卡行駛距離縮短43875m，等待時間縮短390376s，運行時間縮短27.6%，并且聯合裝卸作業模式能夠實現進出口箱區箱量分布均勻，避免因箱量過于集中而造成堆場道路擁堵。由此可見，本文提出的集裝箱碼頭泊位-集卡-堆場多目標集成優化模型不僅能同步解決泊位分配、集卡運輸和堆場箱區選擇等問題，而且能顯著提高碼頭生產作業效率，降低碼頭生產作業成本。

參考文獻：

[1]楊露，余麗婷，陸克斌.基于分類分析的集裝箱碼頭泊位分配研究[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2015（6）：35-40.

[2]徐亞，杜玉泉，龍羞.支持多碼頭協調運作的泊位調度模型和算法[J].系統工程，2015，33（1）：128-138.

[3]滑建輝.集裝箱碼頭泊位與岸橋聯合調度[D].天津：天津工業大學，2015.

[4]LALLA-RUIZ E，GONZALEZ-VELARDE J L，MELL?N-BATISTA B，et al.Biased random key genetic algorithm for the Tactical Berth Allocation Problem[J].Applied soft computing，2014，22：60-76.

[5]嚴南南，楊瑩.集裝箱碼頭考慮集卡能耗的岸橋集卡協調調度[J].廣西大學學報（自然科學版），2016，41（6）：1949-1959.

[6]王濤，黃有方，嚴偉.多集裝箱碼頭內集卡調度方法[J].大連海事大學學報，2015，41（1）：69-76.

[7]曹朋亮，姜桂艷，杜春承，等.集卡作業面模式下裝船作業場橋與集卡聯合調度優化[J].寧波大學學報（理工版），2017，30（5）：108-114.

[8]嚴偉，朱夷詩，黃有方，等.基于聚類分析的集裝箱碼頭堆場策略[J].上海海事大學學報，2014，35（1）：35-40.

[9]劉嬋娟，胡志華.基于滾動計劃的堆場出口箱存儲位置分配兩階段模型[J].上海大學學報（自然科學版），2017，23（5）：789-800.

[10]SHARIF O，HUYNH N.Storagespaceallocationatmarinecontainerterminalsusingant-basedcontrol[J].Expertsys?temswithapplications，2013，40（6）：2323-2330.

[11]鎮路，付方九.集裝箱港口泊位與堆場分配的聯合優化研究[J]·工業工程，2014，17（2）：1-6.