樂(lè)美龍， 于 航， 張少凱

(1.上海海事大學(xué) 物流研究中心,上海 201306)(2.上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海 201306)

2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)以后,世界航運(yùn)市場(chǎng)正在慢慢復(fù)蘇,我國(guó)的集裝箱運(yùn)輸量也在逐年增長(zhǎng).如何提高集裝箱碼頭的作業(yè)效率,減少碼頭的作業(yè)成本已成為我國(guó)各碼頭公司關(guān)注的焦點(diǎn).在集裝箱碼頭的作業(yè)系統(tǒng)中,內(nèi)集卡資源的配置是銜接各設(shè)備流暢作業(yè)的核心,也是降低碼頭作業(yè)成本的關(guān)鍵.如何優(yōu)化集裝箱碼頭內(nèi)集卡資源的配置成為當(dāng)前研究的核心.

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[1]運(yùn)用基于仿真的優(yōu)化方法著重研究集裝箱港口動(dòng)態(tài)集卡配置問(wèn)題；文獻(xiàn)[2]研究了堆場(chǎng)和集卡的一體化,并提出了集裝箱港口卸船作業(yè)調(diào)度方案兩階段禁忌搜索算法；文獻(xiàn)[3]研究了場(chǎng)橋與集卡的協(xié)同調(diào)度；文獻(xiàn)[4]提出了動(dòng)態(tài)集卡調(diào)度和人員排班計(jì)劃問(wèn)題,并提出了以解決隊(duì)列優(yōu)化為目標(biāo)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[5]提出了橋吊和集卡排班的問(wèn)題,并采用基于Johnson規(guī)則的遺傳算法來(lái)優(yōu)化排班問(wèn)題.以上研究局限于港口的部分裝卸設(shè)備,不能將港口裝卸過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)化的考慮.因此，文獻(xiàn)[6]提出了由集裝箱集疏運(yùn)問(wèn)題向柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacture system,FMS)生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)化的方法和模型,解決復(fù)雜的集裝箱港口集疏運(yùn)系統(tǒng)多階段動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究對(duì)港口前沿交通流,分析了集裝箱拖掛車在前沿的滯留時(shí)間與作業(yè)的集裝箱岸橋數(shù)量比的關(guān)系.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,港口裝卸設(shè)備的研究開(kāi)始以仿真的方法為主.文獻(xiàn)[8-13]利用仿真對(duì)港口裝卸問(wèn)題進(jìn)行了研究.其中文獻(xiàn)[8]建立了港口裝卸設(shè)備動(dòng)態(tài)多級(jí)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò),研究了上海外高橋港口的最優(yōu)岸橋數(shù)和最佳集卡配比數(shù)；文獻(xiàn)[12]分析了在傳統(tǒng)模式下單船裝卸運(yùn)輸仿真模型中集卡數(shù)量配置和車速對(duì)整船裝卸時(shí)間的影響.針對(duì)同步裝卸研究工藝,文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了碼頭同步裝卸工藝的優(yōu)化研究；文獻(xiàn)[15]建立了同貝同步裝卸調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)裝卸橋在同一貝位內(nèi)同時(shí)進(jìn)行裝船與卸船作業(yè),模型通過(guò)優(yōu)化裝卸橋作業(yè)序列與出口集裝箱積載計(jì)劃降低裝卸橋與龍門吊作業(yè)時(shí)間.

當(dāng)前研究中缺少在裝卸同步這種作業(yè)工藝下的集卡配置策略研究.本文中利用Flexsim-CT對(duì)碼頭作業(yè)鏈進(jìn)行仿真,通過(guò)對(duì)不同集卡資源下仿真指標(biāo)的對(duì)比分析,試圖找到適用于碼頭的最優(yōu)配置策略.

1 問(wèn)題描述

1.1 裝卸同步作業(yè)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的集裝箱碼頭裝卸工藝為先卸后裝,即船舶靠泊后先根據(jù)船舶各貝位的裝卸量信息制定進(jìn)口箱的卸載計(jì)劃,當(dāng)該船的所有卸載任務(wù)完成后再開(kāi)始進(jìn)行出口箱的裝載任務(wù)安排.該種作業(yè)工藝適用于各種大小的船只,并廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的各個(gè)集裝箱碼頭.先裝后卸工藝保證了裝載過(guò)程中船舶的穩(wěn)定性,同時(shí)減少了集卡在橋吊下的排隊(duì)等候時(shí)間.

裝卸同步工藝較先卸后裝工藝來(lái)說(shuō)在實(shí)際的生產(chǎn)中使用較少,該工藝要求橋吊在完成一個(gè)集卡的裝載任務(wù)之后立刻為該集卡安排一個(gè)卸載箱的運(yùn)輸任務(wù).該工藝僅適用于對(duì)裝卸穩(wěn)定要求低的大型船只,對(duì)小船的實(shí)用性較低.同時(shí)該工藝對(duì)集卡的調(diào)度要求更高,如果作業(yè)銜接環(huán)節(jié)失穩(wěn)會(huì)造成集卡在橋吊下的等待時(shí)間增長(zhǎng).兩種工藝的示意如圖1.

與傳統(tǒng)操作工藝相比,裝卸同步工藝可以優(yōu)化碼頭的作業(yè)效率,提高碼頭內(nèi)集卡的利用率,降低碼頭的運(yùn)營(yíng)成本.但裝卸同步工藝對(duì)碼頭公司的調(diào)度水平要求更高,對(duì)集卡的配置方案要求更細(xì).因此,采取該種工藝能否起到預(yù)期的優(yōu)化效果,關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是對(duì)集卡資源的配置研究.

a) 先卸后裝

b) 裝卸同步

1.2 作業(yè)面與作業(yè)線策略

集卡作為集裝箱碼頭作業(yè)中的主要運(yùn)輸工具,其資源的合理配置和調(diào)度關(guān)系著整個(gè)碼頭作業(yè)的效率和成本.如何減少集卡在裝卸同步工藝下的等待時(shí)間,提高集卡的利用率是集卡配置策略考慮的重點(diǎn).當(dāng)前的集卡配置策略主要有兩種：一種為基于作業(yè)線(dedicated dispatching)的集卡分配策略；一種為基于作業(yè)面(pool dispatching)的集卡分配策略.兩種作業(yè)方式的示意如圖2.其中作業(yè)線的分配策略為每一作業(yè)路分配了一定數(shù)量的集卡,該集卡群僅負(fù)責(zé)該作業(yè)路的裝卸任務(wù),并不負(fù)責(zé)不同作業(yè)路間調(diào)度.該策略保證了每個(gè)作業(yè)路的作業(yè)效率，但集卡的利用率較低.

作業(yè)面的分配策略特點(diǎn)是將全部?jī)?nèi)集卡放置于一個(gè)虛擬的集卡池(pool)中供船舶的所有作業(yè)路共同調(diào)度,該種策略一方面可提高集卡的利用率,提高集裝箱碼頭的整體作業(yè)效率.另一方面,對(duì)中控的調(diào)度水平提出了更高的要求,如何在作業(yè)面模式下降低集卡的等待時(shí)間,控制集卡池的規(guī)模是優(yōu)化的重點(diǎn).

a) 作業(yè)線

b) 作業(yè)面

2 建模仿真

2.1 仿真流程

在裝卸同步的作業(yè)模式下,所構(gòu)建的集卡工作仿真系統(tǒng)主要包括船舶、橋吊、堆場(chǎng)、龍門吊和集卡等實(shí)體.該仿真模型中集卡進(jìn)行的主要作業(yè)為進(jìn)口箱的卸載運(yùn)輸作業(yè)和出口箱的裝載運(yùn)輸作業(yè).模型的仿真工作流程如圖3.在該仿真模型中產(chǎn)生的主要事件有:

圖3 集卡作業(yè)仿真流程Fig.3 Process of yard truck simulation

1)Load事件 用來(lái)描述進(jìn)口箱卸載時(shí)橋吊放箱空集卡上和出口箱提箱時(shí)龍門吊放箱在空集卡上的動(dòng)作.同時(shí)該事件也包括了出口箱裝載時(shí)橋吊的放箱動(dòng)作和進(jìn)口箱進(jìn)場(chǎng)時(shí)龍門吊的放箱動(dòng)作.

2)Unload事件 用來(lái)描述出口箱裝載時(shí)橋吊從集卡上提走集裝箱和進(jìn)口箱進(jìn)場(chǎng)時(shí)龍門吊從集卡上提箱的動(dòng)作.同時(shí)該事件也包括了進(jìn)口箱卸載時(shí)龍門吊從集卡取箱的操作和出口箱裝載時(shí)橋吊從集卡取箱的操作.

3)Travel事件 用來(lái)描述集卡載箱運(yùn)輸?shù)膭?dòng)作.

4)Waiting事件 用來(lái)描述集卡等待裝箱和等待提箱的動(dòng)作.同時(shí)也表示其他設(shè)備作業(yè)銜接間產(chǎn)生等待時(shí)的動(dòng)作.

2.2 性能指標(biāo)仿真計(jì)算公式

研究的重點(diǎn)是集卡的配置方案,而配置方案不僅關(guān)系到集卡的作業(yè),同時(shí)也影響到整個(gè)碼頭系統(tǒng)的作業(yè)效率.因此選擇整體的作業(yè)完成,時(shí)間Ti和集卡的平均工作等待率Wi及集卡的平均利用率Pi,作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析.指標(biāo)的定義如下:

式中：n為仿真實(shí)驗(yàn)的次數(shù),ti為第i次仿真時(shí)的作業(yè)完成總時(shí)間,wi為在第i次仿真時(shí)的集卡平均工作等待率,pi為第i次仿真時(shí)的集卡平均空置率.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 設(shè)置對(duì)象參數(shù)

以一艘載箱量為8 000TEU的集裝箱船為研究對(duì)象,對(duì)其從船舶靠港開(kāi)始到其離開(kāi)連續(xù)進(jìn)行裝卸船作業(yè)仿真.在模型中假設(shè)只有40FT一種箱型,船舶靠岸后需要靠港卸載1 600 TEU,即需要卸載800個(gè)集裝箱到進(jìn)口箱區(qū);裝載1 400 TEU,即需要裝載700個(gè)集裝箱到出口箱區(qū).設(shè)計(jì)單個(gè)箱區(qū)的最大容量為600個(gè)40英尺箱,文中采用4個(gè)箱區(qū)來(lái)存放需要裝卸的集裝箱,分為2個(gè)出口箱堆存區(qū)和2個(gè)進(jìn)口箱堆存區(qū).堆存策略為默認(rèn)值,進(jìn)口箱放在前方堆場(chǎng),出口箱放在后方堆場(chǎng).在開(kāi)始仿真之前可根據(jù)實(shí)際作業(yè)的平均情況為整個(gè)仿真系統(tǒng)指定完成所有裝卸任務(wù)的上限時(shí)間為12 h.

大量統(tǒng)計(jì)資料表明,港口的裝卸設(shè)備作業(yè)過(guò)程服從數(shù)學(xué)三角分布,本模型中主要涉及的裝卸設(shè)備的具體參數(shù)見(jiàn)表1,其余參數(shù)為默認(rèn)值.

表1 參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters

3.2 結(jié)果分析

1)平均作業(yè)完成總時(shí)間Ti的對(duì)比分析

通過(guò)仿真可以得到在作業(yè)面和作業(yè)線的集卡作業(yè)模式下,碼頭裝卸作業(yè)完成的總時(shí)間計(jì)算匯總?cè)鐖D4，圖中N為集卡數(shù).

圖4 作業(yè)面與作業(yè)線完工時(shí)間比較Fig.4 Conparison between different handlings

由圖可知，在內(nèi)集卡配置總量較少時(shí),不管集卡采用作業(yè)面還是作業(yè)線的作業(yè)方式,碼頭的作業(yè)任務(wù)都無(wú)法在給定的時(shí)間上限720 min內(nèi)完成,但在集卡資源較少時(shí)作業(yè)面模式比作業(yè)線模式更快完成裝卸任務(wù).作業(yè)時(shí)間隨著集卡資源的增加快速減少,當(dāng)可用集卡資源達(dá)到11臺(tái)時(shí),作業(yè)面模式可達(dá)到作業(yè)總時(shí)間的要求而作業(yè)線方式需要再增加一臺(tái)集卡才能達(dá)標(biāo).當(dāng)配置的集卡數(shù)量在13臺(tái)以上時(shí),作業(yè)線模式下的時(shí)間將短于作業(yè)面模式下的時(shí)間.此時(shí)隨著集卡資源的增加,作業(yè)總時(shí)間的縮短速度也在逐漸放慢.

2)集卡資源的平均利用率Pi的對(duì)比分析

通過(guò)兩種作業(yè)模式下集卡的平均利用率的計(jì)算和匯總?cè)鐖D5.

圖5 集卡資源平均利用率Fig.5 Average utilization of yard truck

圖5中可以看出作業(yè)面模式下的集卡資源平均利用率要優(yōu)于作業(yè)線模式下的集卡資源平均利用率,隨著集卡資源的增加,兩種作業(yè)模式的作業(yè)時(shí)間在減少,作業(yè)線模式下的集卡利用率上下波動(dòng),平均利用率水平基本高于80%.與其相比作業(yè)面模式的集卡利用率有所降低，但其集卡的平均利用率一直維持在87%以上,大大優(yōu)于作業(yè)線模式.

3)集卡資源的平均等待率Wi的對(duì)比分析

通過(guò)已有仿真結(jié)果參數(shù)的計(jì)算，可將兩種作業(yè)模式下的集卡平均等待率統(tǒng)計(jì)如圖6.

圖6 集卡平均等待率Fig.6 Average waiting ratios of yard trucks

由圖可知,在可用集卡資源較少時(shí),由于作業(yè)面模式整體調(diào)度集卡的特點(diǎn),集卡池的資源可能同時(shí)被指派多個(gè)任務(wù),任務(wù)銜接更為緊密,因此產(chǎn)生等待的可能性就會(huì)增大,在該模式下的集卡平均等待率要高于作業(yè)線模式.此時(shí),作業(yè)線模式由于其專屬服務(wù)的特性,避免了作業(yè)路間的等待情況產(chǎn)生.但隨著集卡資源的增多,作業(yè)線模式的等待率并不會(huì)很快的下降,這是因?yàn)楦髯鳂I(yè)路的生產(chǎn)節(jié)拍基本穩(wěn)定,因此沒(méi)有很大的縮減空間.相反,由于作業(yè)面模式靈活的調(diào)度方式,隨著集卡資源的增加,等待率將大大的減少.集卡并不死板的在特定作業(yè)路服務(wù),因此減少了等待的可能.

通過(guò)上述分析可以看出,在裝卸同步的作業(yè)工藝下,作業(yè)面模式的集卡資源配置策略使集卡的作業(yè)效率更高,該策略具有更高的設(shè)備利用率和較低的作業(yè)過(guò)程等待率.在可用集卡資源緊缺的情況下完成速度較快.而作業(yè)線模式更適用于集卡資源相對(duì)充足的碼頭,在作業(yè)線模式下如何避免集卡資源的相對(duì)過(guò)剩、如何提高集卡的利用率是碼頭方需要優(yōu)化的重點(diǎn).

4 結(jié)論

采用仿真的方法解決碼頭集裝箱作業(yè)中產(chǎn)生的問(wèn)題,更加貼近生產(chǎn)實(shí)際,研究通過(guò)仿真對(duì)裝卸同步工藝下的集卡資源配置策略進(jìn)行探討,得到了不同集卡資源情況下的作業(yè)配置方案，且發(fā)現(xiàn)作業(yè)面模式下集卡平均利用率更高.在實(shí)際碼頭生產(chǎn)過(guò)程中,制定合理的資源配置策略勢(shì)必會(huì)提高生產(chǎn)作業(yè)效率,同時(shí)能夠有效避免資源過(guò)剩,大幅節(jié)約企業(yè)成本.

[1] 李浩淵,汪定偉.港口動(dòng)態(tài)集卡配置的并行仿真優(yōu)化方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,14:4243-4247.

Li Haoyuan,Wang Dingwei.Parallel simulation-based optimization on dynamic truck configuration of container terminals [J].JournalofSystemSimulation,2009,14:4243-4247.(in Chinese)

[2] 曾慶成,楊忠振.港口卸船作業(yè)調(diào)度方案的兩階段禁忌搜索算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2007(2):109-122.

Zeng Qincheng,Yang Zhongzhen.Two-phase tabu seareh algorithm of unloading operation scheduling project in container wharf.[J]JournalofTrafficandTransportationEngineering,2007(2):109-122.(in Chinese)

[3] 樂(lè)美龍，包節(jié)，范志強(qiáng).龍門吊與集卡協(xié)同調(diào)度問(wèn)題研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(14):241-248.

Le Meilong,Bao Jie,Fan Zhiqiang.Research of integrated yard crane and yard truck scheduling problem[J].ComputerEngineeringandApplications,2012,48 (14): 241-248.(in Chinese)

[4] Huisman D,Albert P M W.A solution approach for dynamic vehicle and crew scheduling[J].EuropeanJournalofOperationalResearch,2001,11:1-20.

[5] Der Horng,Cao Jinxin,Shi Qixin,et al.Integrated quay crane and yard truck schedule problem in container terminals[J].TsinghuaScienceandTechnology,2010,15:467-474.

[6] 張海霖，江志斌，許泓.集裝箱港口集疏運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)工藝的仿真分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(6):1024-1030.

Zhang Hailin,Jiang Zhibin,Xu Hong.A simulation study of container terminal scheduling system[J].JournalofShanghaiTiaotongUniversity,2006,40(6):1024-1030.(in Chinese)

[7] 周強(qiáng),肖矯矯，陶德馨.集裝箱前沿交通流模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(4):487-490.

Zhou Qiang，Xiao Jiaojiao,Tao Dexin.Research on traffic flow of quay in container terminal[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2005,29(4):487-490.(in Chinese)

[8] 楊靜蕾，丁以中.集裝箱港口設(shè)備配置的模擬研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003,15(8):1069-1073.

Yang Jinglei，Ding Yizhong.Study on the simulation of a dynamic multilevel queuing network for container terminals[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(8):1069-1073.(in Chinese)

[9] Shabayek A A,Yeung W W.A simulation model for the Kwai Chung container terminals in Hong Kong[J].EuropeanJournalofOperationalResearch,2002,140:1-11.

[10] Bielli Maurizio.Object oriented model for container terminal distributed simulation[J].EuropeanJournalofOperationalResearch,2006,175:1731-1751.

[11] Sun Zhuo.MicroPort:A general simulation platform for seaport container terminals[J].AdvancedEngineeringInformatics,2012,26:80-89.

[12] 張莉，霍佳震.基于單船裝卸運(yùn)輸模型的集卡配置仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(12):3532-3535.

Zhang Li,Huo Jiazhen.Configuring container truck optimization based on simulation model of single ship handling and transportation on container terminal[J].JournalofSystemSimulation,2006,18(12):3532-3535.(in Chinese)

[13] 張婕姝.港口微觀調(diào)度仿真系統(tǒng)建模研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(10):2560-2563.

Zhang Jieshu.Simulation study on microscopic production scheduling of container terminals[J].JournalofSystemSimulation,2005,17(10):2560-2563.(in Chinese)

[14] 劉琴.集裝箱碼頭同貝位同步裝卸工藝系統(tǒng)研究[D].湖北武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[15] 曾慶成,楊忠振,陸靖.集裝箱碼頭同貝同步裝卸調(diào)度模型與算法 [J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010,10(1):88-93.

Zeng Qingcheng,Yang Zhongzhen,Lu Jing.Scheduling model and algorithm of integrating loading and unloading operations in same ship-bay at container terminal[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering，2010,10(1):88-93.(in Chinese)