港口集裝箱碼頭集卡優化調度研究

李華　吳強　張棟棟　竇亞君

摘 要：集裝箱運輸模式目前已經相對成熟，也在一定程度上改變了當前的物流體系。由于集裝箱成本較低，且具備國際化與標準化特征，因此受到了諸多國家的認可，基于集裝箱的運輸方式和應用模式逐漸成型。在現代物流運輸行業中，集裝箱運輸幾乎已成為海上運輸的主體模式，在未來，集裝箱產業將會朝著更為理想、更為現代化的方向發展，發展前景一片光明。但實際上，各港口的集裝箱碼頭在作業時，集卡調度并未達到最優配置，集卡空駛距離較長、碼頭裝卸成本居高不下等問題均未得到有效解決。因此，根據各港口集裝箱碼頭的集卡調度現狀，制定相應的優化策略十分有必要。

關鍵詞：港口；集裝箱碼頭；集卡調度；優化策略

中圖分類號：F259.21；U653文獻標志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.14.029

Abstract： The container transportation model is currently relatively mature and has changed the current logistics system to some extent. Due to the low cost of containers and their internationalization and standardization characteristics， they have been recognized by many countries. Container-based transportation methods and their application models are gradually taking shape. In the modern logistics transportation industry， container transportation has almost become the main mode of maritime transportation. In the future， the container industry will develop towards a more ideal and modern direction， with excellent development prospects. However， in reality， the container terminals of various ports have not achieved optimal configuration for container truck scheduling during operation， and problems such as long empty distance of container trucks and high loading and unloading costs at the terminals have not been effectively solved. Therefore， it is extremely necessary to develop corresponding optimization strategies based on the current situation of container terminal scheduling in various ports.

Key words： port; container terminal; truck scheduling; optimization strategy

在港口集裝箱碼頭中，含有集卡搬運、閘口控制、岸橋裝卸等多類型設施，通常情況下企業會按照預設的配載方案和堆場方案，合理配置岸橋、集卡等各項設施的資源，完善集裝箱碼頭的運作系統。該系統中各類要素應互相銜接，互為助力，構成完整的集裝箱碼頭工作流程。在實際工作中，集裝箱碼頭應對該系統內的各類要素進行優化、調節，并結合目前市場需求，確保各項配置與調度工作達到最優。裝箱碼頭的生產運作流程與普通項目的運作流程不同，其復雜度較高。而集卡則是集裝箱碼頭運作過程中必不可少的水平運輸設備，集卡調度是否最優、是否合理，直接關系到集裝箱碼頭的運轉效率。因此，相關工作人員必須針對當前港口集裝箱碼頭集卡調度及配置進行系統分析，并提出優化策略，從整體上提升集卡作業率，完善目前的集卡作業模式。

1? ? 傳統集卡調度模式

傳統集卡調度多為作業線調度模式，各集裝碼頭根據裝卸貨物的實際作業量，為不同岸橋分配相應的集卡資源，確保在每一次貨運卸載作業中，均為每一岸橋配置相應數量的集卡，以輔助裝卸任務并運輸岸橋的進出口集裝箱，直至該岸橋完成裝卸任務。作業線調度模式示意圖如圖1所示。

整體而言，在作業線調度模式下，岸橋和集卡互為綁定狀態，集卡始終往返于堆場和泊位之間，運輸路徑相對固定，以單向行駛運輸作業路線為主。此類集卡模式相對來說比較簡便、直觀，易于根據裝卸作業量的不同分配集卡任務，便于港口集裝箱碼頭的管理。但集卡在往返于堆場和泊位間時，只有半程為載重狀態。各集卡在堆場卸貨后，將以空載狀態返回岸橋，導致港口集裝箱碼頭的集卡空載率較高。此外，岸橋裝卸作業中所需集卡數量，均由相關工作人員基于該碼頭此前作業效率計算得出，此類計算結果模糊度較高，且由于不同批次集裝箱箱距不同，在實際作業時，集卡的運輸距離不等，可能會導致某一作業線路集卡數量不足，或出現集卡數量過剩等問題，從而致使岸橋和集卡在執行裝卸任務時，存在閑置或等待問題，嚴重降低了岸橋裝卸工作效率，這是一種碼頭資源的浪費。

2? ? 傳統集卡調度模式面臨的主要問題

集卡作為港口集裝箱碼頭的水平運輸工具，直接關系到集裝箱碼頭的工作效率。目前，大部分港口集裝箱碼頭的橋吊工作效率相對穩定，因此，常出現橋吊司機等待集卡等問題。若集卡能跟得上橋吊作業的速度，將會有效提高港口裝卸作業效率[1]。

通常情況下，各港口集裝箱碼頭，使用的是岸邊橋式起重機或場地輪胎式起重機兩種設備，并借助集卡將各集裝箱在碼頭橋岸與堆場間進行運輸。集卡調度會根據岸橋和碼頭整體工作效率，配置相應數量的集卡，形成作業線調度模式。各集卡分配給岸橋后，其行進路線和路徑便固定了下來，此時集卡在岸橋與堆場間進行循環運輸時，一半路程為重載，一半路程為空載，這也是作業線調度模式存在的主要問題。

此時，若對船舶甲板上的集裝箱進行裝卸，橋吊起吊高度較低，司機視野良好，則工作效率相對較高，而此時集卡的運輸速度往往難以跟上橋吊裝卸作業的速度，經常會出現橋吊等待集卡、或橋吊閑置等現象。若裝卸對象為船舶深艙處的貨物，則橋吊工作效率會大幅度降低，就會出現大量集卡在岸橋旁排隊等候裝卸等現象。由此可見，對集卡調度模式進行優化，應從平衡集卡和岸橋的工作效率這一點入手。

3? ? 港口集裝箱碼頭集卡日常管理優化策略

集裝箱碼頭作業效率，是整個生產、經營、裝卸等諸多工作的綜合反映，此時單個系統的工作效率提升，未必會帶動整個集裝箱碼頭的工作效率上漲。但若某一子系統在作業時，其工作效率相對低下，則會拖累整個碼頭的工作進度。為了進一步提高集裝箱碼頭的工作效率，優化港口的服務質量，必須認真分析當前碼頭內各子系統的實際運行效率，并針對各系統的現存問題制定優化策略，完善集裝箱碼頭的整體調度，進一步提高工作效率。上文提到，集卡是碼頭集裝箱的主要水平運輸系統，其運輸效率和調度水平直接關系到碼頭的運作能力，因此相關工作人員應當從碼頭的裝卸能力出發，優化集卡日常管理策略，進一步提高其現有工作能力[2]。

整體而言，集卡空耗率可直接反映出碼頭內集卡系統的運作效率，對此，工作人員需認真分析碼頭集卡在日常工作中存在的各項問題并制定相應的改善策略。根據碼頭運行效率，合理優化并預報集卡資源投入，制定全新的集卡派工、派車章程，完善生產運作環節中的溝通協調策略，加強集卡內部管理，并加大主控室對集卡運行工作的監督管理力度。組織工作人員成立集卡監督和改善技術小組，在全面、系統的監督下，積極協調并處理集卡在日常工作中遇到的各項問題，進一步提高工作效率，設立跨崗位、跨部門的溝通監督機制，并制定相應的處理計劃。優化集裝箱碼頭集卡日常管理工作的具體措施如下。

重新擬定集卡派車章程，合理預報并使用集卡，加強對集卡安排調度的標準化監督，杜絕突發或盲目調用集卡。在碼頭生產系統中，加設集卡超時等待系統，嚴格控制集卡在裝卸作業中的等待時間，以降低集卡空耗率。

設置集卡資源總控崗，針對碼頭內的集卡制定統一化管理標準，并嚴格落實統一調配。確保所有作業集卡均由相關作業人員統一進行處理，不同作業線下的集卡資源可在統一管理下正常運作，既提高了資源配置的靈活度，也能提高碼頭內集卡的實際利用率。

構建并升級集裝箱碼頭監控系統、主操控系統，加大對各集卡工作狀態的監督管理力度。目前，部分集裝箱碼頭存在集卡監督力度不嚴、監控手段不足、監管人員工作狀態不佳或工作態度不正確等問題，無法有效監督并及時處理集卡在工作中出現的突發問題。因此，各集裝箱碼頭應升級當前的監控系統，積極引入現代化信息技術，如5G通信技術、AI識別系統等先進科技，及時搭載完善的主控操作系統，升級現有監控體系，加大對集卡的監控管理力度，確保每輛作業集卡均設有預警裝置。

優化碼頭集卡調度系統。作業線集卡調度模式嚴重限制了碼頭作業效率，在傳統集卡調度模式下，大部分調度人員會在船舶靠岸后，根據當前的船舶配載計劃和進出口數量，配置大型機械設備，岸橋與集卡按照固定作業線路完成集裝箱運輸、堆放等作業。此類調度模式的資源浪費率較高，且在集卡排隊等待橋吊作業或等待集卡的過程中，時常會出現排隊擁堵等情況，造成港口交通堵塞。為解決此問題工作人員必須設立相應的現代化集卡調度系統，加強對集卡調度的優化管理，進一步提高碼頭作業效率。

4? ? 港口集裝箱碼頭集卡優化策略

4.1? ? 作業面調度模式

作業面調度模式詳細分析了作業線調度模式存在的弊端，如果在原有的調度方法上加以改正，就能進一步提高碼頭各機械設備的利用率，也能有效減少港口集裝箱碼頭的資源浪費情況，可以在一定程度上提高集裝貨物裝卸工作效率，并提升碼頭整體服務質量。作業面調度模式下，一定范圍內的多個岸橋共享一定規模或數量的集卡組，該集卡組下的多臺集卡同時服務于區域范圍內的多個岸橋，且集卡將根據集裝箱在堆場中的具體擺放位置和目前岸橋的裝卸效率，實時調整最佳運輸路線。實時進行調度，以達到集卡與岸橋間的最佳配置。作業面調度模式可按其作業范圍分為船舶作業面（見圖2）和港區作業面（見圖3）。

船舶作業面模式主要面向單艘船舶的小作業。集卡調度的作業單元為單艘船舶，作業范圍較小，調度針對性較高。在單艘船舶的裝卸作業中，一個作業岸橋下將共享多個集卡資源，且集卡僅服務于該船舶，不參與其他岸橋或其他船只的裝卸工作。船舶作業面調度模式下，將根據該船舶的配載計劃和當前裝卸集裝箱貨物堆放點位，規劃出最佳路徑，并為集卡指派定向任務，達到岸橋裝卸效率的最大化。船舶作業面調度模式能夠降低作業線調度模式中集卡運輸距離對其的影響，并適當平衡多個岸橋間的整體性裝卸效率，能夠有效提升集卡使用率，并減少集裝箱碼頭的資源浪費情況。

港區作業面模式的作業單元為整個港區，調度范圍較廣。港口各集卡應統一被投放入集卡池內，在港區作業下，作業船舶可選擇集卡池內的任意集卡，完成集裝箱裝卸。港區作業面調度模式復雜度更高，岸橋與集卡間的配合難度較大，十分考驗港區對集卡的實時調度能力和碼頭的信息控制水平。另外，港區作業面模式下，集卡多為重進重出，能夠有效增加集卡載重里程，降低集卡的空載率，可以確保港內多艘船舶的岸橋裝卸作業的平衡，適用于多船同步裝卸。

4.2? ? 基于最小等待時間的動態集卡調度

傳統的作業線集卡調動模式下，線路固定化嚴重，嚴重影響了集卡的工作效率，且集卡空載率過高。因此，工作人員可基于最小等待時間優化集卡調度策略，根據目前集裝箱碼頭與卡刀工作流程，綜合規劃裝船、卸船、移箱等一系列集卡運輸作業后，執行統一動態化調度，確保集卡可與岸橋共享信息及調度指令，不再單獨局限于某條固定作業線，打破傳統的作業線調度模式，便可有效解決目前的調度問題。

基于最小等待時間的集卡動態調度，可確保在集卡裝卸作業時，岸橋與集卡的相對等待時間最短，從而減少單一岸橋或單一船舶的集卡配置數量，避免集裝箱碼頭出現資源浪費。基于最小等待時間的動態集卡調度優先順序如下。

集卡空閑狀態下，優先為其選擇人為干預路線執行裝卸任務；空閑集卡選擇裝卸對象時，應優先選擇各重點船只和重點作業路線；在碼頭前等待的空閑集卡，具備優先選擇卸船作業路線的權限；碼頭前集卡裝船作業路線完成后，應優先選擇卸船路線；在堆場等待的空閑集卡，應優先選擇裝船作業路線；于堆場完成卸船作業任務的集卡，應優先選擇裝船作業路線[3]；裝船作業路線與卸船作業路線等待時間接近時，優先選擇最短作業線。

基于最小等待時間的動態集卡調度，以目前集卡在某條作業線中的等待時間為核心依據，優化集卡調度配置策略，能夠有效降低集卡的閑置率，縮短集卡在作業現場的等待時間，進一步提高碼頭裝卸工作效率。集卡執行完一輪裝卸任務后，則應立即進入下一輪調度中，以達到等待時間最短的目的。基于最小等待時間的動態調度流程如圖4所示。

在港口集裝碼頭工作中，各機械設備的調度均以岸橋為主導，集卡與碼頭場地中的其他機械設備，應通過人工控制及合理調度為岸橋服務，以達到最優配置。通常情況下，碼頭在執行裝卸任務時，重點作業線的實際作業時間及其作業量，直接決定了整船的裝卸作業時間，而其他作業線路也可直接影響著重點作業線路的作業時間從而影響整船作業效率。因此，以重點線路為核心的碼頭生產管理模式，應根據碼頭當前的裝卸任務進度，完善集卡的實時動態化調度，確保各重點作業線路的集卡服務的穩定、高效，并根據目前可分配的集卡與可執行的指令，使用最優匹配算法，得到最優匹配的集卡指令[4]。

4.3? ? 現代化集卡調度系統

現代化集卡調度系統（即TPS系統），基于終端指揮中心，將集卡上搭載的各無線終端作為主要通信手段和信息傳遞載體，借助無線集群傳遞各類控制信號，并下達相應指令。該系統可借助計算機系統內搭載的人工智能處理器，結合此前預設的集卡動態調度管理系統，根據集卡當前的工作狀態與現實需求，在短時間內自動計算出最佳路徑，并向集卡發布作業指令。集卡調度系統可分析此時的港口集裝箱碼頭中，碼頭前沿及箱區的集卡行駛路線，并從中發現當前的集卡行徑規律，隨后根據不同作業線中集卡的裝卸轉接比例，利用各類數學模型和特殊算法規劃最佳路徑，并下達相應指令集卡，在完成卸船任務后，根據其行進路徑，基于就近原則尋找處于路徑上的作業任務。

TPS系統打破了原有的靜態化作業路徑安排，以動態實時的調度管理方式，有效提高了集裝箱碼頭的裝卸工作效率。在此系統下，每輛集卡可同時對應多條作業路徑和多個裝卸任務，可以確保集卡在每一次完成裝卸任務后，遵循系統發布的指令，沿最佳路徑行駛時，根據就近原則及時尋找下一任務，投入其他有需求的作業線中，從而降低集卡的空閑率，該系統可以在不調整集卡數量的前提下，有效提高集裝箱碼頭的工作效率[5]。

TPS系統在實際應用時的優勢極大，該系統的信息傳輸速率極高，能夠確保信息在碼頭的集卡團隊中實時傳播。TPS系統的指令分配也十分合理，在計算每一條指令前，該系統都要對當前箱區的整體情況進行全面分析，若現場存在某處交通堵塞或機械故障等問題，系統可第一時間察覺，并暫停向該區域下發指令，同時將該處交通堵塞或故障問題可能影響到的其他作業線路整理出來，對其及時制定優化策略，確保其他作業線路通暢。當該處交通堵塞狀況解除或故障維修完畢后，TPS系統也會在第一時間收到相應指令，在重新計算后，下達關于該區域的裝卸指令，確保該區域可在第一時間投入裝卸作業。

TPS系統的有效應用可將碼頭的裝卸、轉堆作業線路集結成一個整體，確保集卡的行進路徑達到最優，且該系統的智能化程度較高，可有效減少集裝箱碼頭調度工作中的人工作業量，從而有效提高工作效率，節約集卡調度成本。此類先進科學技術的合理引用，為集裝箱碼頭的創新發展提供了更多可能。

5? ? 結? ? 語

目前集裝箱港口業務量日益劇增，市場的競爭狀況也相對激烈，為進一步增強港口集裝箱碼頭在市場環境下的競爭力，應積極引入先進的技術手段和成熟的調度算法，采用作業面調動模式、最小等待時間的動態化集卡調度及先進的現代集卡調度系統，打破傳統集卡調度方式的局限，進一步提高集裝箱碼頭的裝卸工作效率，從而提升其服務質量，使港口在市場環境中占據更有利的地位。

參考文獻：

[1] 竇菲菲．基于海鐵聯運的港口鐵路集裝箱裝卸設備調度優化研究[D]．大連：大連海事大學，2022.

[2] 張馨月．港口集裝箱海鐵聯運疏港作業流程仿真優化[D]．北京：北京交通大學，2022.

[3] 李想．集裝箱碼頭海鐵共堆場下的“堆場-鐵路”作業調度優化研究[D]．北京：北京交通大學，2021.

[4] 黃金虎．港口裝卸協同下多目標兩階段集卡路徑優化研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2020.

[5] 吳勇智．港口集裝箱碼頭岸橋與場橋聯合調度優化研究[D]．廈門：集美大學，2018.

收稿日期：2023-05-19

作者簡介：李? ? 華（1974—），男，河北河間人，高級工程師，碩士，研究方向：港口設備管理；吳? ? 強（1971—），男，天津人，正高級工程師，碩士，研究方向：港口設備管理；張棟棟（1987—），男，山東臨沂人，高級工程師，碩士，研究方向：港口設備管理；竇亞君（1981—），男，天津人，高級工程師，碩士，研究方向：港口信息化。

引文格式：李華，吳強，張棟棟，等．港口集裝箱碼頭集卡優化調度研究[J]．物流科技，2023，46（14）：101-104.