集装箱码头集卡调度与数量配置优化

集装箱码头课程设计

集装箱码头集卡调度与数

量配置优化

姓名陈迪

学号0632100004

专业国航061班

上海海事大学二○○九年六月

摘要

随着集装箱运输和集装箱码头的迅速发展，在集装箱码头对装卸效率的要求越来越高的前提下，探讨了在集装箱码头集卡传统调度的基础上，考虑了集卡的装卸时间及运输时间等问题，提出在数字化技术环境下的集卡数量配置的优化方案，通过SPSS软件和EXCEL进行数值仿真实验。并在实验数据的基础上，提出提高集卡和桥吊配合作业效率的可行性建议。

关键字：集卡，调度优化，数量配置

1 选题背景及文献综述

随着集装箱运输的迅速发展，集装箱船舶的日趋大型化、高速化，迫切要求集装箱码头配备与之相应的集装箱码头装卸系统和运输体系，也要求集装箱码头实现作业高效化、自动化、现代化和标准化，加速车、船、箱的运转，以降低运输成本，提高集装箱码头的整体运营效益。

集卡是集装箱堆场中灵活、数量大、工况复杂的水平运输机械，因此要想完成堆场机械的高效运行必须合理解决堆场集卡调度问题。在装卸过程中，通常根据岸边装卸桥的作业顺序分配调度集卡，完成集装箱在船边和堆场间的水平运输。集卡调度就是为每台装卸桥分配集卡，并且决定为其服务顺序，其目的是降低装卸桥等待时间，提高集装箱码头装卸效率。

为了提高码头的吞吐量和客户服务水平，世界各地的集装箱码头都已经加大了新的技术投入，新型决策支持系统被广泛采用。目前针对集装箱码头内车辆调度问题，许多码头采用了AGV自动导航集卡，ASC自动场桥，GPS等技术i，以获得更精确的信息，降低人力投入成本以及资源浪费。国际上对于集卡的研究，大多是关于AGV自动导航集卡的研究，如Bish ii提出AGVs动态调动模型，采用启发式算法进行求解，减少船舶在港时间；Vis iii建立了具有时间窗约束的车辆调度模型，以最小化AGVs的需求数量等。在集卡运输方面，Kozan iv 等运用启发式算法研究集装箱码头集卡运输问题，讨论了影响集装箱码头作业效率的因素；Kim v讨论在装船时叉车和场桥取箱路径优化问题，采用了整数规划方法进行建模和求解。在中国，杨静蕾vi研究了码头物流路径的优化问题，吕显强vii等建立了集装箱码头分派车辆的整数规划模型，严政和陶德馨viii分析了基于动态优化组合的集装箱码头集卡调度问题。

本文将采用EXCEL的仿真模式对集装箱码头集卡调度系统与模型仿真研究，对集卡的运行和作业效率的数据进行比较，提出集装箱码头集卡调度的优化方案。

2 目前集卡调度研究中存在的问题

目前国际上对集卡调度的研究大都集中在AGV调度，因为AGV系统一般配有密集的传感器网络，位置信息较详细，运行也比较稳定。但是国内港口目前尚未使用AGV系统，而是采用有人驾驶的集卡，这种情况下控制室可以获得的有关集卡的信息量是有限的，同时有人驾驶的人为因素也增加了控制的码头不确定性。

目前已有的研究大多更偏重于理论方面，并且选取的验证模型的普遍性不强，过于特殊，规模也比较小，造成了验证过程偏离实际，存在着逻辑上的不完善等问题。

另外，目前的研究核心依然是同船调度问题，虽然已有学者对两船一装一卸情况下的集卡调度问题进行了研究，但研究对于实际的全场集卡调度问题还是缺乏针对性的解决办法。这是因为全场调度的规模大，不确定性强，很难建立有效的数学模型。

3 集装箱码头集卡调度的优化

我国国内的集装箱码头大多采用“作业线”生产方式进行船舶装卸作业，这是指集装箱码头为到港船舶配备装卸设备时，首先根据船舶资料和箱量情况为船舶配备装卸桥，然后再为每个工作桥吊配备固定台数的固定集卡。当某一辆集卡配备给某“作业线”后，这辆集卡只能运输此作业线上的集装箱，而不能承载其他作业线的运输任务。我国的集装箱码头一条作业线上机械的配置大约为一台岸桥对两台场桥，六至七辆集卡固定为一台岸桥服务。在这种情况下，不论岸桥多么空闲，这些集卡都不会脱离该岸桥去执行其他任务，也不论岸桥多忙碌，即使出现岸桥等待集卡的现象，也不会有新的集卡加入来加速完成任务。这样，就需

要采取措施，对集装箱码头集卡配置进行优化，合理安排集卡的数量，同时增加集卡和岸桥的利用率和作业效率。

4.1 优化集卡调度的原则方案

对集卡配置和调度的优化可以从以岸边起重机为本的集卡调度系统和以集卡为本的集卡调度系统入手进行分析。

4.1.1 以岸边起重机为本的运行模式

以岸边起重机为本的集卡调度系统模式是把提高岸边起重机的效率放在第一位的，其计算机实现原理如下图所示。

图岸边起重机为本的集卡调度系统的计算机实现原理图在这种模式中，对集卡的调度原则是，宁可让集卡拥挤在岸边起重机下排队，决不出现集卡脱档而让岸边起重机等待集卡。通过这种方式，有利于集卡在不同作业效率的岸边起重机之间的再分配，以及集卡行驶路线的最大可能的优化，同时最大限度地提高集卡重进重出的可能性。

其运行结果是：当岸边起重机作业路相对效率高时，能够调用到更多的集卡；当岸边起重机作业路相对效率持平时，保持本身设定数量的集卡；当岸边起重机作业路相对效率低，则让出部分集卡，并且装卸循环比例高，集卡行驶路线优化。其优点在于能够充分体现岸边起重机对集卡运驶能力的需求，并尽可能得到解决，最大限度地减少岸边起重机等待集卡现象的发生概率，从而有效地提高整体作业效率，并且有利于最大限度地提高集卡重进重出的可能性，有利于集卡行驶路线的最大可能的优化。

但是，这种模式同样存在着缺点，集卡经常而且轮流出现短暂的等待指令现象，同时，也可能出现集卡由于较长时间接收不到指令而盲目行驶的现象。当部分集卡的通讯中断或者擅自退出作业，以致集卡供给总数小于岸边起重机对作业路对集卡的需求总数时，部分岸边起重机长时间调用不到足够数量的集卡，直至集卡供需总量平衡，或者其他岸边起重机作业路相对效率降低时，才可能解决。

4.1.2 以集卡为本的运行模式

集卡为本的集卡调度系统的运行模式下把提高集卡的效率放在第一位，其计算机实现原理如下图所示。

图集卡为本的集卡调度系统的计算机实现原理图

在这种模式下，集卡的调度原则是，对集卡来说，系统只考虑无条件满足集卡全部收到的作业指令，不判断岸边起重机作业路对集卡的需求，也不判断岸边起重机作业路集卡是否富余；而对岸边起重机来说，系统首先无条件满足发出岸边起重机所设定集卡数量值的作业指令。

其运行结果是：当岸边起重机作业路作业均衡时，集卡不会被调用也不会被多调用；当岸边起重机作业路作业不均衡时，无作业任务的作业路让出空闲集卡，供有作业任务的岸边起重机作业路调用；当岸边起重机作业路作业均衡时，集卡长时间固定在某一岸边起重机作业路下单卸、单装，只有在岸边起重机作业路的任务不均衡时，才会有装卸循环出现；集卡行驶路线同样缺乏优化的条件。

其优点在于能最大限度地满足集卡及时获得作业指令，因而集卡行驶方向明确；岸边起重机作业路调用集卡的保证度高；集卡等待指令现象发生的概率比较低。

其缺点在于发生岸边起重机等待集卡现象的概率相对较高；通常集卡没有条件实现重进重出装卸循环，固定在某一岸边起重机作业路下单卸、单装的可能性较高；集卡行驶路线的优化通常不具备条件；当部分集卡通讯中断或者自动退出作业，以致集卡供给总数小于岸边起重机作业路对集卡的需求总数时，部分岸边起重机长时间调用不到足够数量的集卡，直至集卡供需总量平衡，或者其他岸边起重机作业路无作业任务时，才可能解决。

4.2调度优化模型

4.2.1 ATM模型

在简单的单桥吊配备集卡数量的模拟中，采用EXCEL进行ATM模型的数值模拟。

通过一些在前人研究的基础上已得出的数据或观察测量出的数据，利用SPSS软件算出使用时间呈正态分布，并可以算出客户使用时间的均值和标准差。同样，通过已得出的数据或观察测量出的数据，利用SPSS测出间隔时间为均匀分布，设定顾客到达间隔时间的区间下限为0，区间上限为5。

再用随机数RAND设定每个顾客的到达的间隔时间，公式为：

（区间上限—区间下限）*RAND

根据使用时间的均值和标准差运用函数算出每个顾客的使用时间，公式为：

NORMINV(RAND(),均值,标准差)

设定到达时刻时，第一个人的到达时刻即为其间隔时刻，第二个人至最后一个人的到达时刻都为间隔时刻加上前一个人的到达时刻。

设定开始使用时刻，第一个人的开始使用时刻即为到达时刻，其余的开始使用时刻是在

前一个人的完成时刻和本人的到达时刻中取大者。用的是MAX函数。

等待时刻为开始使用时刻减去到达时刻。

完成时刻为开始使用时刻加上使用时刻。

停留总时刻为完成时刻减去到达时刻。

由以上各项的数据，就可以算出等待人数、等待概率、平均等待时间、最长等待时间、及其利用率、等待超过一分钟的人数和概率等各项指标，从而评定单ATM机的使用程度以及可以根据这些指标判断是否应该增加机器。

4.2.2 配置一台集卡的集装箱运输模拟

应用该模型研究的是在船舶靠港时间均衡、集装箱装卸效率均衡的情况下，一台桥吊应配置的集卡数，使得工作效率最高。

假设目前只配备一台集卡，考虑是否应该增加集卡的配备。

以下数据为100次的集装箱装卸时间：

图表：集装箱作业时间ix（数据来源：《集装箱码头堆场拖车动态调度问题研究》）各集装箱装卸集卡所使用的时间即为结束时间减去开始时间，这100次记录算出的结果如图：

将这些数据输入到SPSS软件中，如图：

在菜单栏中选择“分析”→“非参数检验”→“单样本K-S检验”（Analyse →

Nonparametric tests 1-sample K-S test，将需统计的表格选入右边检验变量列表，在检验分布中勾中正态分布、均匀分布、泊松分布、指数分布，按确定。

SPSS软件计算出的结果是：这组数据呈正态分布，其中显著性Asymp.Sig(2-tailed)为0.293，大于0.05，说明该组数据呈正态分布。均值Mean为1.9018，方差Std.Deviation为0.26349。

图：“单样本K-S检验”正态分布结果

将这些数据输入EXCEL。

设定间隔时间的上下限，根据对开始时间的间隔观察，可以设定间隔时间的上限为2，下限为0。

再对其他数据照着ATM模型进行设置。其中，

间隔时间=（区间上限–区间下限）* RAND

装卸时间= NORMINV ( RAND (),均值,标准差)

集装箱到达时刻= 前一集装箱到达时刻+ 间隔时刻

开始装箱时刻= MAX (集装箱到达时刻，前一集装箱完成时刻)

等待时间= 开始装卸时刻–集装箱到达时刻

完成时刻= 开始装卸时刻+ 装卸时间

停留总时刻= 完成时刻–集装箱到达时刻

具体结果如图所示：（第6至第997个数据已被隐藏）

据此，可以计算等待集装箱数、等待概率、平均等待时间等指标，如图所示：

进行多次重复试验后，统计10次的实验结果如下表：

从上表的数据可以得出，从装卸桥上卸下的箱子有99%以上不能马上装上集卡，需要等待。平均等待时间在1分钟以上的概率也在90%以上，10次试验中，最长等待时间有的达到427.7分钟的，而10次试验的等待时间超过5分钟的平均概率达到了98%。

再将隐藏的表格展开看，等待时间几乎是呈递增趋势的，这就说明，由于集卡数量过少，效率过低，导致集装箱的滞留。

从以上模拟结果可以得出集卡的利用程度是比较高的，但集装箱等待的概率也比较高，需要再配备更多的集卡，才能满足集装箱装卸效率的要求。

4.2.3 配置两台集卡的集装箱运输模拟

根据以上数据，增加一台集卡，再进行模拟。

此时，在上图中等待时间的部分数据中就可以发现，增加一辆集卡之后，消除了集装箱滞留等待集卡装卸的情况，并且效率有了大大改善。

从统计结果中就可以发现，增加一辆集卡之后，集装箱的等待概率由原先的99%下降到了23%。由于没有滞箱现象的出现，等待超过5分钟的概率由原先的98%降至0，而等待超过1分钟的概率也仅仅为5%，平均等待时间直线下降至不到1分钟，而最长等待时间仅仅为1.964分钟。

可见，增加一辆集卡是行之有效的办法，大大地提高了集装箱作业的效率。

4 集装箱码头集卡调度系统（TPS）

4.1 集卡调度系统的必要性

集装箱码头装卸工艺一般由装卸船作业、堆场作业和水平运输这三个部分组成，其中水平运输由集卡完成。我国许多集装箱码头采取“作业线”生产方式，即一台岸桥配备若干台龙门吊和集卡，组成一条作业线。这种模式便于管理集卡，但如果集卡数量不足，则常常出

现岸桥等待集卡的现象，反之，则会出现集卡在岸桥下排队等候现象。为了提高集装箱码头的设备利用率，充分利用集卡资源，保证码头作业效率，集装箱码头集卡调度系统（TPS）应运而生。

4.2 集卡调度系统的优势

为了解决上述问题，集卡调度系统TPS通过电脑对现场进行监控，并根据现场实时情况进行优化计算，之后再将各任务自动分配给当前位置最佳的集卡，并通过无线信号将指令发到对应集卡上去，司机根据指令操作，使得现场集卡的作业有序、灵活。由于集卡司机根据无线信号收到的指令进行拖箱作业，改变了传统的静态分配方式，大大地提高了集卡的作业效率，同时也使得集卡与桥吊的作业配合得更好，从而也提高了桥吊的作业效率。

在技术上，集卡调度系统TPS对2.4G无线码头系统加以利用，车台终端与系统的通讯服务器之间的通讯方式采用TCP/IP方式，与车载无线终端的通讯方式相同。在这种方式下，集卡配备两台通讯服务器，哪个先启动，哪个就作为主通讯服务器，另一个作为备份通讯服务器。当主服务器发生故障后，另一台会自动接替数据的收发任务，车台终端自动相应切换到另一台通讯服务器上。（如图）

图：TPS结构示意图

采用这种系统结构具有可靠性和可用性，一旦担任任务的通讯服务器发生故障时，系统会自动把任务切换到另一台及机器上，并且服务器的切换不会引起数据丢失的现象，这样能保证集卡的昼夜连续运行的能力。

同时，系统还采用三层结构，TPS调度终端的增加或减少不会影响集卡调度系统的运行效率，并且通过调整服务器的参数，跟踪了解集卡的实时状况，可以及时做出任务的安排和调整。（下表为使用集卡调度系统与未使用集卡调度系统的码头比较）

采用TPS系统意味着不增加集卡的数量就能胜任比以前更多、更复杂的作业量，同时可以节约大量的人员，也就意味着能够有效控制车辆台数和人员配备数量，以达到降低成本，增加效益的目的。

由于集卡的运行效率提高了，可以减少桥吊的等待时间，使得船舶装卸计划进行得更紧凑，减少船舶在港时间，从而降低了船公司的成本，也提高码头整体装卸效率，提高了码头的服务质量。

同时，采用TPS后，在相同的工作量的前提下，投入使用的集卡数量相对较少，可以减少箱区车流量，改善箱区的通行情况，并且TPS在掌握码头集卡的整体情况下提供灵活的作业指令，可以有效地减少甚至防止交通事故的发生，给安全生产带来了保证。

5 结论

数值模拟的数据结果表明，提出的模型能够为集卡运输的效率进行评价，能够较好地解决集装箱码头桥吊与集卡的协调优化问题，为提高码头的运营效率提供决策支持。

通过集卡配备的模型模拟，可以为集卡调度提出优化方案，对提高集卡运输效率和桥吊的装卸效率，对提高码头作业能力及合理安排设备的使用，都是行之有效的。

此外，还可以采用高新技术，例如采用集卡调度系统TPS，不仅能提高工作效率，还能及时有效地对全场进行控制，降低成本，提高安全水平，减少事故。

为了提高集卡与桥吊配合下的作业效率，可以提出以下几种可行性建议：一，优化集卡的路线，确保集卡的空载行驶距离和时间压缩到最低限度。二，缩短等待集卡和桥吊的时间。三，提高装卸效率，适当提高集卡的装卸效率可以使得在同等条件下减少集卡的配置数量，进而降低成本。四，提高码头的整体竞争力。

参考文献

i蔡寒. 基于仿真的集装箱码头拖车调度研究. 清华大学控制科学与工程，2007,6.