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一种以改善中转枢纽港口的土地利用率和作业效率的集装箱堆场堆放策略
蒋新佳 a, 李罗海 a,*, Ek Peng Chew a, 韩永斌 a, Kok Choon Tan b
a工业及系统工程学系，新加坡国立大学，肯特月牙岭10号，新加坡119260，新加坡
b决策科学系, 新加坡国立大学商学院，新加坡国立大学，肯特里奇大道10号，新加坡119245，新加坡
摘要：这篇文章研究了在一个繁忙的转运枢纽港口堆场管理和频繁的装卸活动问题。港口运营者为了提供高效率的服务，必须克服集装箱运输量大和港口土地资源匮乏这两个严峻的挑战。虽然一种静态堆场模型托运策略已经被应用以降低堆场重组水平，但是由于预留了存储空间，土地利用率也降低了。通过在不同的班轮中，为不同的船舶动态地预留堆场空间，提出了两种空间共享的方法来提高土地利用率。同时，堆场预留空间工作负载分配也会满足高低工作负载平衡协议，以改善堆场交通堵塞的情况。本文提出了空间预留和工作负载分配一体化的框架。实验结果显示这个框架能够形成解决方案以减少集装箱的存储空间，并且保证最少的场桥部署。
关键词：物流，港口作业，空间共享堆场模型，托运策略，高低工作负载平衡协议
1. 引言
随着国际贸易的发展，集装箱码头在海上货运运输系统中的作用愈发显著。据德鲁里航运咨询公司所说，年集装箱运输量从1990年的879.67亿TEU到2009年的4636.34亿TEU增长了五倍多。年中转运输量甚至增长得更快，从1990年的154.79亿TEU到2009年的1305.72亿TEU增长了8.4倍。这种趋势有望持续。为了提供高效的服务，大型集装箱船加上土地稀缺的到来，将会使中转港口面临巨大的挑战。码头经营者非常重视提高码头前沿作业效率以缩短船舶停泊作业时间。然而，如果没有有效空间容量策略来管理集装箱的存放与检索，那么码头总体生产力快于码头前沿作业能力也并不是总是有益的。Vis and de Koster (2003), Steenken et al. (2004), Stahlbock and Vob (2008)和Ku et al. (2010)都曾强调了堆场存放策略对集装箱码头的重要性。
堆场规划中集装箱的装卸工作由两部分组成，即由运输机实现的集装箱在码头与堆场之间的转运和由场桥实现的集装箱在堆场与堆场之间的转运。在堆场规划中，当运输量大且土地稀缺时，多层堆放是常见的做法。采用这种堆放策略的深层原因是无意义的集装箱重组，更直接的原因则是如果堆场作业没有合理协调，小范围内的密集作业会引起货物运输阻塞。许多研究表明已经修正了这两种会对堆场和整个码头的作业效率产生阻碍的不利影响。
为了研究重组的水平，De Castilho and Daganzo (1993)提出一种测量所需装卸作业量的方法，该所需装卸作业量取决于堆层高度和对进口箱采取的堆放策略。对于一个给定的初始堆场配置，Kim (1997)提出了一种方法来估计提取任一集装箱时重组的预期次数和提取所有集装箱时重组的次数。Kim和Bae(1998)提出的重组方法是针对出口箱来说的。Kim et al .(2000)提出一些定位决策规则在出口集装箱装载期间减少重组次数。Dekker et al. (2006)运用仿真比较了随机堆放和分类堆放，结果证明，根据集装箱预期离港时间，分类堆放可以降低重组次数。Wan et al .(2009)提出为出口集装箱分配堆放位置旨在减少重组的次数。Zhang et al.使用一个反例指出了Kim et al .(2000)的一个错误。
为了平衡堆场高密度的装卸作业以及控制交通堵塞，许多研究已经被提出来了。Kim and Kim (1999)研究了当分离策略运用到集装箱码头时进口箱的空间分配模型。Preston and Kozan (2001)开发一个模型来决定存储位置,以最小化所有的集装箱船的转向时间。Kim and Kim (2002)提出一种方法来确定处理进口集装箱时最优数量的存储空间和转运车的最优数量。Zhang et al.(2003)通过滚动视野法来研究存储分配问题。问题已经在两个阶段解决了,每个阶段都是使用数学规划方法解决。Kim and Park (2003)研究出口集装箱存储空间的分配来有效利用空间和促进装载作业。Kozan and Preston (2006)提出了迭代搜索算法，使集装箱运输模型和定位模型结合以确定一个最优存储策略和调度计划。Vis and Roodbergen(2009)通过为集装箱存储和检索制定计划表来提高堆场作业效率。Cordeau et al.(2011)研究了在汽车码头汽车分配问题以最小化总作业时间。
为了满足转运中心的需求，Lee et al. (2006) 和Han et al. (2008)特别地研究了无价值重组和交通堵塞的影响。在转运中心,通常装载与卸载不可避免地发生在同一时间，相比具有不同的独立专用的存储区域的装卸活动独立的港口进出口通用码头，这使得转运中心堆场规划问题更具挑战性。通过根据不同的目标船舶把出口和转运集装箱存储在专用堆场位置，Lee et al.(2006)提出一个空间托付战略使重组调整到最小水平。高-低负载平衡协议是用来减少潜在的原动机交通拥堵。一个混合整数规划模型来确定每次转运分配的进港集装箱数量和最小数量的场桥。他们的研究结果被Han et al .(2008)扩展到同时考虑每艘船舶的空间预留。
随着转运集装箱体积处理能力的增加，在转运港口复杂的需求下，存储空间的稀缺敦促改善土地利用情况。虽然空间托付策略是减少重组的一种有效的方式，但是提前为目标船舶预留堆场空间会引起土地利用率降低，因为多数集装箱的到港时间与它们的离港时间非常接近。在本文中,我们提出一个空间共享模型概念,旨在提高空间空间的使用,同时保证港口作业的效率。在整个规划周期存储区域将不再为任何船舶保留。相反,堆场空间的一部分将由具有不同存储周期的集装箱共享。
本文的其余部分组织如下。第二部分提供了问题的详细描述；第三节演示了算法的解决方案。第四部分说明了数值实验和计算的结果。第五部分给出了结论和一些未来的研究话题。
2. 问题描述
为了提高作业的弹性,我们把研究的码头分成不同的区域,船舶被分配到不同的区域,每一个对应于多个泊位,而不是确切的停泊地点。因此,当我们在一个区域内进行堆场存储分配时,具体计划泊位的船舶不需要进行考虑。此外,本文不考虑进口集装箱,因为他们有不同的特点并且通常与出口和转运集装箱分开堆放。
更有效地管理堆场分配过程,港口运营商将堆场的每个区域划分为若干个块,如图1所示。所有不同的堆场区域是由一些常见的基本模块组成:“子块”和“块”。为了减少重组,使用空间托付策略,存储在同一堆场的出口和转运集装箱运往同一目标船舶。在堆场存储分配过程中空间托付策略的最小单位是“子块”。每个子块的宽度为6排集装箱,每个子块的长度是8个箱槽(每个箱槽可以容纳一个长宽为20英尺的集装箱)。堆箱高度是5个集装箱高(我们称之为层)。一定数量的子块形成一个更大的单位,称为“块”。有为传统运输车的移动提供的专用车道 (“卡车路线”)和一个单独的“超车道”，超车道只有在需要的时候允许卡车超车。超车道的宽度只够一辆集卡通过,被相邻的两个集装箱块共用。
根据港口运营商提供的工作负载形式,可以得出来港集装箱的两个重要特点，即更高的来港工作负载总是接近它们的离港时间,很少在船离开后发生。因此,对他们使用三角工作负载概要计划是普遍做法。
对静态堆场分配来说(Lee et al.（2006）; Han et al.（2008）),每个块中的所有子块有一个固定的空间能力,如图3所示。这意味着在整个规划周期高峰期所需的最大空间量会专门分配给每一船舶。尽可能多的空间只是在短时间内被占用,显然会导致空间的利用不足。为了享受空间托付的好处,同时增加土地利用率,我们提出一个空间共享方法，允许相邻的块之间共享。本质上,它将有助于减少给定的工作负载所需的原始空间，如图3所示。对空间共享的堆场模型,每个子块都有一定的空间空间共享。例如,s12子块之间可以共享的部分是1和2。
因为在装载完成后的时间段需要很少的空间,一个子块的共享空间可以借给其相邻子块。在主要工作负载进入这个子块之前，共享空间可以从相邻子块归还。主要工作负载在不同时期由不同的船只送达时,不同的转运之间也会发生空间共享。我们可以把子块2作为一个例子来演示其空间如何随时间转运。假设子块1、2和3已经分配给不同的离港船只, 假设装载作业有两次转运，子块14，2和5的转运的装载作业起始时间是独立的。子块2的相邻子块为1和3,在21次转运中空间容量的转运如图4所示。同样,所有的子块的空间容量在21次转运中的转运如图5所示。换句话说, 子块的装载过程完成后一个子块的空间容量将减少,当它的相邻子块完成装载后它的空间容量将会增加。然而,非共享空间的总和及其邻近的共享空间应不超过由港口运营商制定的标准尺寸。
图1一种堆场分配
t0:码头发送集装箱开始时间
t1:船舶装箱开始时间
t2: 船舶装箱结束时间
图2某船舶的来港工作负载建设模式
要实现这个空间共享的概念,应解决三个关键问题,即堆场模型,共享空间和工作负载分配的尺寸。
因为场桥和运输车一次处理一个集装箱, 在每个子块装卸集装箱的次数可以用于指示潜在的交通堵塞。为确保顺畅的交通，我们采用由
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