解决集装箱堆存问题的新方法外文翻译资料

 2022-07-29 17:07:36

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解决集装箱堆存问题的新方法

摘要

近10年来，集装箱运输发展十分迅速。以丹吉尔港为例，2015年该港口的集装箱吞吐量达到了300万标箱（其中80%为中转箱），相较于2012年增长了40%。因此，本文将针对港口管理中存在的问题提出相关解决方案，优化其作业流程。

本文的主要目的是研究一种有效的优化方法来解决集装箱堆存问题（CSP）。因此，在分配集装箱码头堆场操作任务时定义了一种新的MIP（整数规划）模型。模型的优化目标有两个，一是在给定的到场集装箱数量下使得堆场所用的堆垛数最小，二是缩短港内搬运机械将集装箱从码头前沿搬运至堆场的运输距离，节约相关成本。本篇论文由以下几个部分构成：首先阐明了本文要重点解决的问题；然后查阅目前关于集装箱堆存问题的相关文献，并对它们进行综合概述；接下来介绍了MIP（整数规划）方法并将其用于解决集装箱堆存问题；最后得出相关结论，并对未来提出展望。

为了解决该问题，本文建立了MIP（整数规划）模型，并提出了相关方法对该模型进行求解。一是采用改进的遗传算法（DGAS）作为元启发式算法，二是分枝切割算法（Bamp;C）。建模过程中的主要目标是尽量避免倒箱操作，为到场集装箱分配最佳的堆存位置。文中将应用改进的遗传算法（DGAS）来进行实证分析，并将求解的数值结果与Cplex结果（分枝切割算法求出）进行对比分析。

本文待定义的相关参数包括到场集装箱的高度、重量、目的地、设备类型、堆存贝位和预计离场时间（ETD）。研究的最终目的是在给定初始堆位状态和到场集装箱需求的情况下，为堆场计划员提供指导意见，帮助他们制定卸船计划和箱位分配计划。

关键词：集装箱码头；优化方案；倒箱；集装箱堆存问题；元启发式算法；优化；预计离场时间

1绪论

根据steenken等[2]的介绍，海运业务量在近十年来增长十分迅速，货物的集装箱化减少了大量的包装，同时有效的降低了货损情况。

集装箱码头是一个过渡的堆存点，在出口业务中，堆存在堆场的出口箱会被取出然后装到相应的靠泊船舶上；在进口业务中，进口箱会从船舶上卸下并被运输到堆场上进行堆存；在过驳过程中，集装箱会从一艘船舶转移到另一艘船舶上。世界各地有一套通用的集装箱标准，国际标准化组织（ISO）对于集装箱的定义是用来在不同大陆之间运输货物的金属容器。最常见的集装箱尺寸类型为：20英尺、40英尺。当集装箱在堆场堆存时会采用“后进先出（LIFO）”的策略，因为后到的集装箱会堆存在先到的集装箱上面。当港内搬运机械将集装箱从码头前沿运输到堆场时，场桥会根据以下准则将它们堆放到特定的箱位：目的地、预计离场时间、重量、规格。图1展示了集装箱码头完整的作业过程以及相关机械设备，包括用来装/卸集装箱船舶的岸桥，在港区内搬运集装箱的内部搬运机械，在堆场上进行存/取箱作业的轮胎式龙门吊（RTGC）以及用于客户交/提箱运输作业的外集卡。

图1 集装箱码头作业流程

如果存在压箱的情况，即待取集装箱并不是在堆垛的最上方，则必须要进行倒箱作业。发生这种情况的原因有两种，一是在该集装箱被堆存之后，又有另一到港船舶进行卸箱作业；二是堆场计划员缺乏准确的信息，为该集装箱分配了错误的箱位。倒箱作业降低了龙门吊的生产率，同时也进行了很多无效的箱位重置作业。基于上述问题，场桥成为了港口作业中的瓶颈。

根据Stahlbok和Voss[4]的描述，集装箱码头的生产作业被分为两个主要的区域：码头前沿和堆场。针对码头前沿的作业情况，许多文献研究了下述相关问题：

1）泊位分配问题（BAP）

2）集装箱堆存问题

3）岸桥配置问题

同理，针对堆场作业情况也有类似的相关问题进行研究：

1）场桥配置问题

2）箱位分配问题

3）到场集卡车的作业安排问题

根据上述问题，Rashidi和Tsang[5]将集装箱码头的作业过程分为5类，它们将影响码头的作业效率，具体分类见图2。

泊位岸桥配置 为预计到港船舶分配泊位

为在港作业船舶配置岸桥

目标函数：船舶周转时间最小化以及港口吞吐量最大化

箱位分配 为到场集装箱分配合适的箱位

目标函数：倒箱量最小

轮胎式龙门吊配置 确定每一箱区所需龙门吊的台数

目标函数：最小化船舶停港时间以及龙门吊、搬运机械的作业等待时间

机械作业时间及路 合理安排机械的作业时间和运行路径

径安排 目标函数：最小化集装箱的运输成本以及岸桥、场桥的作业等待时间

外集卡作业时间安 为到港进行交/提箱作业的外集卡安排合适的时间

排 目标函数：最小化外集卡作业等待时间，降低闸口拥挤度

图2 集装箱码头作业过程

在解决集装箱码头相关问题时，有三种层次的决策：1）战略型决策是一种长期的决策，它包括码头整体布局的规划，装卸机械的配置以及主要装卸工艺流程的制定。2）战术型决策是一种中期决策，它着眼于岸桥、场桥、跨运车等港口机械的数量配置。3）操作型决策是一种短期的决策，它关注的是岸桥、场桥、跨运车的后续相关操作。因为本文研究的港口是既定的，作业机械是已知的，所以要解决的问题属于上述提到的操作型决策。本文的研究目的是：协同优化岸桥、场桥、内集卡的作业过程，最小化内集卡搬运距离以及减少堆场的倒箱量。

2文献综述

如上所述，本文将关注堆场箱位分配问题以及内集卡在码头前沿与堆场之间的路径优化问题。为了解决相关问题，参考了半自动化集装箱码头进口箱箱位分配问题研究的文献。每一堆场都有限定的集装箱堆存高度，堆放在顶部的集装箱最好先进行出场作业，否则容易产生无效作业（倒箱、堆存保管）。这些无效作业会降低集装箱码头的作业效率。因此，当考虑集装箱在堆场的堆位时，优化目标是最小化内集卡的行驶距离，同时要降低堆场的倒箱量。

决定集装箱堆存位置的关键因素是集装箱的特性和堆场的相关参数：堆存高度，集装箱的重量、尺寸，预计离场时间，当前堆垛状态，空余堆位和堆存策略。在本文的研究中，将下述机械考虑在内：装/卸集装箱船舶的岸桥、搬运集装箱的内集卡、堆场上进行存/取箱作业的轮胎式龙门吊、客户用来进行交/提箱作业的外集卡。

根据steenken等[2]的研究和stahlbock、voss[8]的后续探讨，集装箱码头操作中存在着以下问题：泊位分配，船舶配载，场桥、岸桥的调度安排，港内运输路径优化，堆场的堆存策略。箱位分配包括静态分配和动态分配。静态分配时，堆场计划员会在船舶到港卸箱之前为每一集装箱预先分配并保留一个箱位。堆存策略取决于集装的目的港、重量、规格以及预计离场时间。在动态分配过程中，箱位安排是随着到港船舶作业过程实时更新的。本文的研究过程中并未考虑到场集装箱的目的港以及预计离场时间。

根据Carlo等[9]的研究，集装箱的堆存问题分为两类：单个集装箱堆存问题和批量集装箱堆存问题。

2.1单个集装箱的箱位安排

针对该问题的一般研究思路是：首先为待堆存的集装箱选定箱区，然后在选定的箱区中为它安排箱位。Guldogan[10]在文中综合考虑了集装箱码头作业平衡情况、集卡的使用量以及运输距离等因素，根据集装箱的离港日期将它们进行分类。分类过程中不考虑集装箱的重量及类型。倒箱量会随着集装箱数量的增加而增加。Park等[11]首先根据平衡场桥作业量为到场集装箱分配箱区，然后针对堆场空间利用率和场桥利用率建立权重函数，并依此在对应箱区中为集装箱选派箱位。但是在建立函数的过程中未考虑到集装箱的离场时间，有可能造成倒箱量的增加。Chen和Lu[12]为出口箱选派箱位时，只追求倒箱量最小，而没有考虑场桥作业量的平衡。Ng等[13]在一个滚动作业计划期内，采用新的启发式算法对进口集装箱堆存问题进行求解，但是没有考虑集装箱的重量。

2.2批量集装箱的箱位安排

针对该问题的一般研究思路是：根据船舶的目的地，预计离港时间和集装箱的种类来为一组集装箱安排合适的箱位。对于启发式算法的效果评估一般包括泊位分配、搬运机械的行驶时间、装/卸作业时间。Huang和Ren[14]提出了模拟退火算法，该算法要求列举出三类进口集装箱的所有排列，所得结果并未与港口现有堆存策略进行比较。Jeong等[15]提出了一种策略，解决了每一箱区集装箱堆存量的问题，但该策略只考虑了集装箱的目的港，而没有考虑它的预计离场时间。Nishimura等[16]提出了一种新的整数规划模型，并采用新的启发式算法对其进行求解，优化目标是降低集装箱的装卸时间，对于集装箱的目的港没有额外约束。

3问题描述

在集装箱码头的操作过程中，箱位分配尤为重要。它不仅会影响到堆存效率，还会影响后续的取箱过程。如果箱位选择不当，还会造成倒箱操作，降低堆场的生产效率。

在船舶抵港之前，大副（负责制定船舶的装/卸计划，与各目的港工作人员联系）会与港口工作人员进行电子数据交换（EDI）。大副会告知港方船舶的预计抵港时间（ETA），船舶积载计划，船舶装/卸作业计划，集装箱在船上的具体位置以及每一集装箱的具体信息：重量、高度、预计离港时间、装载货物类型。当船舶装/卸计划员收到大副发来的相关信息后，他就能确定需要装船的出口集装箱量和需要卸船的进口集装箱量，同时根据船舶积载图，还能确定在装/卸箱过程中会产生的倒箱量。所以大副所制定的配积载计划对于船舶在各港口进行装/卸作业时维持船舶稳性十分重要。

在此之后，船舶装/卸计划员将相关信息发送给堆场计划员，告知其将要到达各个箱区的集装箱信息。码头运营商与客户之间的合作关系有两种：

码头运营商只服务单一的客户；

码头运营商会与多个客户合作；

本文所研究的案例是针对上述第二种情况，即港方要管理来自不同客户的集装箱。

需要强调的一点是，在上述研究中并未考虑到堆场容量的限制，所以在制定装/卸船计划之后，还需要对堆位进行重新分配。而本文所提出的优化方法在制定船舶装/卸计划的同时就对堆场容量限制加以考虑。

一个集装箱的具体位置会通过箱区、贝位、列、层这4个参数来表示。箱区容量是根据这一箱区的贝位数（决定箱区长度：通常一个箱区包括20~30个贝位）、列数（决定箱区宽度：每一箱区普遍有6列，其中有一列是空出来供集卡车运行的）、层数（堆高限制为4层）共同决定的。堆场是由多个箱区组成的，每一箱区是由多个贝位组成，每一贝位又是由多个垛（包括列和层）组成的。

本文针对集装箱堆存问题（CSP）进行研究，这是在集装箱码头中普遍存在的作业瓶颈。图3展示了集装箱码头的整体构成：

图3 集装箱码头整体构成

综上所述，研究过程中考虑了以下问题：

1）码头装卸搬运机械：岸桥、平板车、场桥、集卡

2）岸桥的卸箱量和作业时间是已知的

3）优化目标：最小化内集卡行驶距离、倒箱量最小

4）箱位分配的影响因素：集装箱的目的港、预计离港时间、规格

5）集装箱的堆存时间：船舶靠泊后，集装箱能在船上堆存0~18小时；在搬运过程中，集装箱能在平板车上存放0~2小时；堆场的堆存期为1~8天。

4集装箱堆存问题

4.1数学模型

集装箱码头堆场的堆存策略是将同一目的港、同规格的集装箱堆存在同一垛上。到场集装箱有两种类型，20ft和40ft。20ft集装箱在堆场上占一个标准箱位，40ft集装箱在堆场上占两个标准箱位。每一贝位只能存放相同规格的集装箱。

4.1.1模型参数

港口的作业过程是连续的，本文将集装箱码头的作业时间定为一星期，以一天作为一个计划期，每一计划期内分为三个时间段。岸桥的作业效率直接决定了待装卸船舶的作业时间，取值范围一般为30~60moves/h。

岸桥的配置要满足以下约束条件：岸桥的配置数量不能超过可用岸桥数、岸桥作业效率不能超过其最大作业效率、针对每一船舶配置的集卡数不能超过可用集卡数。

目标函数是内集卡运行距离最短和堆场的倒箱量最小。模型参数定义如下：

：集装箱

：贝位号

：列号

：层号

：计划期内集装箱的堆存量

：每一箱区的箱位容量

：集装箱的重量

：贝位的可用箱位

：贝位堆存集装箱的规格（20ft或40ft）

：集装箱的种类

：集装箱的目的港

：贝位所堆存的集装箱的目的港

：集装箱的预计离港时间

：集装箱的堆存成本

决策变量：

4.1.2数学模型

目标函数和约束条件如下所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

4.1.3模型说明

为了将模型进行简化，本文使用集装箱从码头前沿到堆场的运输距离来表征集装箱的相关成本，目的是为了将所得结果与其他文献中的相关结

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