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经验推广:集装箱码头作业资源优化与设计实现

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摘要:随着上海港集装箱吞吐量的增大,提高港口作业效率成为不容忽视的问题,在此问题上合理配置集装箱码头作业资源,实现综合调运的资源优化是一种提高码头作业效率的途径,本文以上海盛东集装箱码头为背景,对集装箱码头作业资源优化设计实现进行阐述。

关键词:集装箱码头 作业资源? 优化

 

1? 背 景

港口作为重要的物流环节在国民经济中起着日益重要的作用,随着我国国民经济的发展,与世界各国的经济交往愈加密切,对外贸易额呈快速增长的趋势,其中集装箱的进出口量也逐年递增,从而成为我国集装箱码头建设的主要推动力之一。然而随着集装箱码头的规模日益增大,吞吐量的急速递增,由于港口作业自身受环境影响大、建设期码头规模估计不足等因素,集装箱码头的作业效率成为制约发挥集装箱码头效能的瓶颈,因此合理调配码头作业资源成为不容忽视的问题,本文以集装箱码头日常生产实践为基础、以盛东公司资源优化设计为背景,从集装箱码头作业资源优化与设计方面进行阐述。

(1)集装箱港口大型化趋势明显:高速发展的集装箱运输以及船舶的大型化要求各大型港口满足以下条件:良好的航道疏浚、一定的泊位水深、高效的装卸效率、具有良好的从港口向内陆腹地的集装箱转运疏散能力等。为了应对这一要求,各大港口纷纷采取相应措施:如疏浚航道、加深泊位水深、加长装卸岸线、提高装卸效率、增强后方疏运能力等等。由此出现深水港(洋山港)、挖入式港池(阿姆斯特丹港)、浮式装卸作业平台(鹿特丹港)、移动港口(韩国正在研制)、超巴拿马岸边集装箱起重机、自动化码头(德国)等,这些都从地理和设备上改善条件以适应大型船的挂靠,从而增加港口竞争力。上海港集装箱吞吐量已连续几年排名世界第一。

(2)面向作业面的调度优化:集装箱港口是一个复杂的物流系统,进出口流通过程中每一个环节都有其相对应的装卸资源与设备。对于大型集装箱港口来说,作业繁忙的时候,装卸作业路繁多,作业之间的冲突也随之加剧,原有模式将严重阻碍码头整体装卸效率。因此纷纷出现面对整体作业面的装卸工艺,如边装边卸、混合堆存等。船舶靠泊除了与泊位有关外还与岸桥配置、堆场位置相关;堆场装卸除了与集卡运输有关外还与岸桥装卸也有关。因此要提高港口的装卸效率,必须要提高港口整体装卸作业面的效率。

(3)港口装卸的瓶颈问题:一直以来,岸边装卸效率影响着整个港口的吞吐量。而目前出现的日益先进的岸边集装箱装卸设备(双箱吊、双吊具)和船两侧装卸条件(挖入式港池、浮动装卸作业平台),大幅度提高了岸边装卸效率,解决了原有的瓶颈问题。又加上集卡运输的边装边卸的实现,目前的瓶颈问题已逐渐转移到堆场堆存和装卸。在目前的实际港口装卸作业中,已开始出现岸桥(QC)等待集卡的现象,这充分证实了瓶颈问题的转移。对于大型集装箱港口,堆场堆存和装卸这一瓶颈问题将会愈发显著。

2? 作业资源优化问题概述

集装箱码头作业资源的优化问题可分解为三个部分的问题:岸边资源优化配置问题、水平运输资源优化配置问题、场内资源优化配置问题。(见图2.1)

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图2.1 码头作业资源分类图

2.1 岸边资源优化配置问题概述

岸边资源优化配置包括泊位资源配置问题和桥吊资源配置问题。泊位资源的优化配置使用决定着港口岸线资源的使用效率和船舶进港的靠泊时间;桥吊资源配置问题则主要是桥吊调度问题的研究,合理提高装卸效率和提高桥吊的使用率。自从Edmond等(1978泊位安排问题)和Daganzo(1989桥吊分配问题)开始有很多学者已经对集装箱码头岸边资源调度进行了研究,但是理论需要实践的检验,如何将优化模型运用到实践当中,其中需要考虑的细节问题还有很多。

2.2 水平运输资源优化配置问题概述

水平运输资源是指集卡设备,目前学者对水平运输资源优化问题的研究中,多贴近于路径优化网络模型的建立,而在实际生产中,由于路径规划不合理、调配不当等因素造成的局部拥堵现象是理论研究中无法解决的,此外在于岸边资源衔接方面,随着桥吊规模增大,目前洋山港盛东公司已有13台双起重吊投入规模化生产,这对水平运输资源的优化配置也是极大的考验。

2.3 场内资源优化配置问题概述

集装箱码头场内资源主要有堆场机械资源和堆场空间资源,在装卸过程中,堆场机械直接参与装卸操作,而堆场空间属于固定资源,因此提高装卸效率、和空间利用率是场内资源配置优化的关键问题。目前学术界研究的场内资源优化主要是研究轮胎吊或轨道吊的配置问题,而在实际操作中堆场机械与水平运输设备的衔接等问题上对场地轮胎吊配置模型的应用仍是极大考验。

3? 目前已做工作及效果

3.1 桥吊、集卡、轮胎吊的精细计划

3.1.1 桥吊调度的线性规划模型

桥吊的多任务调度模型,也就是需要解决在符合业务约束的前提下,将N个作业任务优化地分配给M个桥吊的问题。该问题用整数规划可以表述为如下:

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其中(1)式为目标函数,?表示第i个作业任务和第j个桥吊之间的关系,?表示将第i个作业任务分配给了第j个桥吊,?则表示第i个作业任务没有分配给第j个桥吊。

Cij定义为效率矩阵,表示第i个任务如果给分配给第j个桥吊的作业成本,对于桥吊调度来说主要考虑时间因素。

3.1.2 集卡调度的线性规划模型

集卡的多任务调度模型,也就是需要解决在符合业务约束的前提下,将N个作业任务优化地分配给M个集卡的问题。该问题用整数规划可以表述为如下:

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其中(1)式为目标函数,?表示第i个作业任务和第j个集卡之间的关系,?表示将第i个作业任务分配给了第j个集卡,则表示第i个作业任务没有分配给第j个集卡。

Cij定义为效率矩阵,表示第i个任务如果给分配给第j个集卡的作业成本,对于集卡调度来说主要考虑时间因素。

3.1.3? 轮胎吊调度的线性规划模型

轮胎吊的多任务调度模型,也就是需要解决在符合业务约束的前提下,将M个作业任务优化地分配给N个轮胎吊的问题。该问题用整数规划可以表述为如下:

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其中(1)式为目标函数,表示第i个作业任务和第j个轮胎吊之间的关系,?表示将第i个作业任务分配给了第j个轮胎吊,?则表示第i个作业任务没有分配给第j个轮胎吊。

Cij定义为效率矩阵,表示第i个任务如果给分配给第j个轮胎吊的作业成本,对于轮胎吊调度来说主要考虑时间因素。

20121019094607258?????? (6)

对于式(6),Sij表示如果第i个任务分配给轮胎吊j,根据预测轮胎吊的移动轨迹距离,在计划作业时间的一定时段以内(如15分钟,待定),按就近原则决定轮胎吊的移动次序,且根据轮胎吊的实际位置动态修正, Nij表示第i个作业之前需要作业的作业数目,如图3.2所示:

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图3.2? 轮胎吊预测移动轨迹示意图

假设轮胎吊原本已分配有5个作业任务,最近的为任务1,如果轮胎吊先做任务1,与任务1最近为任务2,则依次类推可以得到预测的轮吊移动轨迹。如果任务5’要分配给该轮吊做,则需要重新预测移动轨迹,5’替代了5的次序,此时所以有:,Sij=S12345’, Nij=4,即可计算成本Cij。若Cij导致作业冲突,则Cij=∞。式(2)为约束条件表示一个任务之可以分配给一个轮胎吊作业。式(3)表示一个轮胎吊可以同时分配到多个任务。式(5)表示每次调度的任务数小于轮胎吊数,这是考虑到本模型大部分计算都是基于预测,一次调度中分配过多任务,导致误差过大。

该线形规划模型是一个0-1整数规划模型,可以考虑用穷举法或隐含枚举法求解,考虑算法性能因素,采用隐含枚举法,隐含枚举法算法示意图如图3.3所示:

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图3.3 隐含枚举法算法示意图

3.2集卡:TPS集卡自动调度

轮胎吊和集卡是集装箱码头的主要作业设备,并且数量大。它们的有效利用率直接决定了码头的作业效率。研制精益化的资源分派与调度系统,是现代化集装箱港口运作效率提升的关键。下面重点阐述本项目在集卡共享池与协调调度方面做的技术创新。

首先,采用了以GPS引导的TPS集卡运输模式,通过集卡的GPS定位,以此为依据计算TPS的最佳引导路径,实现集卡的最优调度。同时,根据作业繁忙时出现的作业路不均衡、重点作业路、堆场冲突加剧等问题,建立集卡调度优化模型:一是调整大小适中的集卡池;二设置预空指令模式;三是扩大集卡任务搜索范围;四是设置符合作业路效率变化的集卡池的集卡浮动最大最小值。从而在系统中实现集卡池对作业的自适应。

3.3轮胎吊:RPS轮胎吊自动调度

3.3.1目标

(1)轮胎吊的作业纳入系统管理范畴,建立与之相适应的轮胎吊自动调度数学模型,按照作业指令动态匹配轮胎吊的思路,利用线形规划等算法及方法优化轮胎吊自动调度,并且符合相关业务需求。

(2)采用GPS系统,对轮胎吊位置进行实时跟踪,开发轮胎吊自动调度系统(RPS),对轮胎吊作业采取指导与控制措施,提高轮胎吊作业的效率及利用率。

(3)开发与优化计划与控制子系统,支持轮胎吊自动调度,实现轮胎吊的作业量均衡。

3.3.2实现方法

(1)对现有的堆场进行块的划分:

= 1 \* GB3 ①按作业箱类型划分:进口箱、出口箱、中转箱。

= 2 \* GB3 ②人为划分:比如按通道划分(建议)

= 3 \* GB3 ③块的划分,是为工作量的预测做准备,目前,由于进出口作业的不均衡性,因此,以上对于块的划分,只能实现RTG作业同一类型作业的均衡,而不能使不同类型的作业量达到均衡作用,因此,建议按通道划分,并且同一通道中兼有进口箱和出口箱。

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(2)对于划分块的工作量,通过历史数据的分析,进行各类作业工作量的预测。

(3)根据每一个分块的工作量的预测,可供调配的轮胎吊数量以及轮胎吊类型,确定每一个分块调配的轮胎吊数量,以及下一阶段,该分块中,每一个通道中需要调出以及需要调入的RTG数量

该算法完成:

= 1 \* GB3 ①总工作量的预测

= 2 \* GB3 ②各分块工作量的确定

= 3 \* GB3 ③总出勤RTG设备的确定

= 4 \* GB3 ④每一个箱区分块可分配到的RTG数量

= 5 \* GB3 ⑤每一个RTG工作量的确定

4? 实施效果

4.1桥吊作业效率的提升

桥吊作业效率提升对比如表4.1所示

表4.1 桥吊作业效率提升

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4.2集卡周转率的提高

(1)集卡周转周期由平均21.2分钟减少到17.1分钟。

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图4.1 集卡周期指标数据分析

(2)集卡重进重出率由原来的20%左右上升到了目前的40%-50%,如图4.2所示。

集卡调度模型重建在上海盛东国际集装箱码头有限公司的投入使用,提高了码头的劳动生产率,实现了合理利用集卡资源,降低能耗,提高了码头集装箱的装卸效率的作用,减少了资源开销,降低了装卸成本,提高了码头的实际装卸能力,创造了良好的经济效益和社会效益。

表4.2 集卡作业效率提升

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4.3轮胎吊作业效率的提高

轮胎吊作业效率提升如表4.3所示。

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表4.3 轮胎吊作业效率提升

5? 总结与展望

集装箱码头作业资源优化设计在洋山港二期码头的生产实际应用中已经初步见成效,但是在岸边的泊位分配、桥吊调度等问题上的优化设计方案还在设计与论证阶段,相信在不久的将来,盛东码头在码头作业资源优化设计方面的研究与实践一定会对码头运作效率的提高与运作成本的降低起到巨大的推进作用。


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