集裝箱碼頭課程設(shè)計集裝箱碼頭集卡調(diào)度與數(shù)量配置優(yōu)化

1、集裝箱碼頭課程設(shè)計集裝箱碼頭集卡調(diào)度與數(shù)量配置優(yōu)化姓 名 陳迪 學(xué) 號 0632100004 專 業(yè) 國航061班 上海海事大學(xué)二九年六月摘 要隨著集裝箱運輸和集裝箱碼頭的迅速發(fā)展，在集裝箱碼頭對裝卸效率的要求越來越高的前提下，探討了在集裝箱碼頭集卡傳統(tǒng)調(diào)度的基礎(chǔ)上，考慮了集卡的裝卸時間及運輸時間等問題，提出在數(shù)字化技術(shù)環(huán)境下的集卡數(shù)量配置的優(yōu)化方案，通過spss軟件和excel進行數(shù)值仿真實驗。并在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出提高集卡和橋吊配合作業(yè)效率的可行性建議。關(guān)鍵字：集卡，調(diào)度優(yōu)化，數(shù)量配置1 選題背景及文獻綜述隨著集裝箱運輸?shù)难杆侔l(fā)展，集裝箱船舶的日趨大型化、高速化，迫切要求集裝箱碼頭配備

2、與之相應(yīng)的集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)和運輸體系，也要求集裝箱碼頭實現(xiàn)作業(yè)高效化、自動化、現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化，加速車、船、箱的運轉(zhuǎn)，以降低運輸成本，提高集裝箱碼頭的整體運營效益。集卡是集裝箱堆場中靈活、數(shù)量大、工況復(fù)雜的水平運輸機械，因此要想完成堆場機械的高效運行必須合理解決堆場集卡調(diào)度問題。在裝卸過程中，通常根據(jù)岸邊裝卸橋的作業(yè)順序分配調(diào)度集卡，完成集裝箱在船邊和堆場間的水平運輸。集卡調(diào)度就是為每臺裝卸橋分配集卡，并且決定為其服務(wù)順序，其目的是降低裝卸橋等待時間，提高集裝箱碼頭裝卸效率。為了提高碼頭的吞吐量和客戶服務(wù)水平，世界各地的集裝箱碼頭都已經(jīng)加大了新的技術(shù)投入，新型決策支持系統(tǒng)被廣泛采用。目前針對集

3、裝箱碼頭內(nèi)車輛調(diào)度問題，許多碼頭采用了agv自動導(dǎo)航集卡，asc自動場橋，gps等技術(shù) 蔡寒. 基于仿真的集裝箱碼頭拖車調(diào)度研究. 清華大學(xué)控制科學(xué)與工程，2007,6.，以獲得更精確的信息，降低人力投入成本以及資源浪費。國際上對于集卡的研究，大多是關(guān)于agv自動導(dǎo)航集卡的研究，如bish bish e k. a multiple-crane- constrained scheduling problem in a container terminal j. european journal of operational research, 2003, 144:83-107. 提出agvs動態(tài)

4、調(diào)動模型，采用啟發(fā)式算法進行求解，減少船舶在港時間；vis vis i fa, de koster r, roodbergen kj, peeters i wp. determination of the number of automated guided vehicles required at a semi-automated container terminal. journal of the operation research society j.2001, 52; 409-417建立了具有時間窗約束的車輛調(diào)度模型，以最小化agvs的需求數(shù)量等。在集卡運輸方面，kozan erha

5、n kozan, peter preston. genetic algorithms to schedule container transfers at multimodal terminals j. international transactions in operational research, 1999, 6:311等運用啟發(fā)式算法研究集裝箱碼頭集卡運輸問題，討論了影響集裝箱碼頭作業(yè)效率的因素；kim kim k h. sequencing delivery and receiving operations for yard cranes in port container ter

6、minalsj. int j production economics, 2003 (84):283-292.討論在裝船時叉車和場橋取箱路徑優(yōu)化問題，采用了整數(shù)規(guī)劃方法進行建模和求解。在中國，楊靜蕾楊靜蕾.集裝箱碼頭內(nèi)部物流網(wǎng)絡(luò)運作研究，上海海運學(xué)院交通運輸規(guī)劃與管理，2003，6.研究了碼頭物流路徑的優(yōu)化問題，呂顯強 呂顯強,張宏偉.集裝箱碼頭分派車輛的整數(shù)規(guī)劃模型j.大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報, 2004, 19: 105-109. 等建立了集裝箱碼頭分派車輛的整數(shù)規(guī)劃模型，嚴政和陶德馨 嚴政,陶德馨.基于動態(tài)優(yōu)化組合的集裝箱碼頭集卡調(diào)度技術(shù)j.武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版, 2006, 28

7、(4): 26-29.分析了基于動態(tài)優(yōu)化組合的集裝箱碼頭集卡調(diào)度問題。本文將采用excel的仿真模式對集裝箱碼頭集卡調(diào)度系統(tǒng)與模型仿真研究，對集卡的運行和作業(yè)效率的數(shù)據(jù)進行比較，提出集裝箱碼頭集卡調(diào)度的優(yōu)化方案。2 目前集卡調(diào)度研究中存在的問題目前國際上對集卡調(diào)度的研究大都集中在agv調(diào)度，因為agv系統(tǒng)一般配有密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，位置信息較詳細，運行也比較穩(wěn)定。但是國內(nèi)港口目前尚未使用agv系統(tǒng)，而是采用有人駕駛的集卡，這種情況下控制室可以獲得的有關(guān)集卡的信息量是有限的，同時有人駕駛的人為因素也增加了控制的碼頭不確定性。目前已有的研究大多更偏重于理論方面，并且選取的驗證模型的普遍性不強，過于特

8、殊，規(guī)模也比較小，造成了驗證過程偏離實際，存在著邏輯上的不完善等問題。另外，目前的研究核心依然是同船調(diào)度問題，雖然已有學(xué)者對兩船一裝一卸情況下的集卡調(diào)度問題進行了研究，但研究對于實際的全場集卡調(diào)度問題還是缺乏針對性的解決辦法。這是因為全場調(diào)度的規(guī)模大，不確定性強，很難建立有效的數(shù)學(xué)模型。3 集裝箱碼頭集卡調(diào)度的優(yōu)化我國國內(nèi)的集裝箱碼頭大多采用“作業(yè)線”生產(chǎn)方式進行船舶裝卸作業(yè)，這是指集裝箱碼頭為到港船舶配備裝卸設(shè)備時，首先根據(jù)船舶資料和箱量情況為船舶配備裝卸橋，然后再為每個工作橋吊配備固定臺數(shù)的固定集卡。當(dāng)某一輛集卡配備給某“作業(yè)線”后，這輛集卡只能運輸此作業(yè)線上的集裝箱，而不能承載其他作業(yè)線

9、的運輸任務(wù)。我國的集裝箱碼頭一條作業(yè)線上機械的配置大約為一臺岸橋?qū)膳_場橋，六至七輛集卡固定為一臺岸橋服務(wù)。在這種情況下，不論岸橋多么空閑，這些集卡都不會脫離該岸橋去執(zhí)行其他任務(wù)，也不論岸橋多忙碌，即使出現(xiàn)岸橋等待集卡的現(xiàn)象，也不會有新的集卡加入來加速完成任務(wù)。這樣，就需要采取措施，對集裝箱碼頭集卡配置進行優(yōu)化，合理安排集卡的數(shù)量，同時增加集卡和岸橋的利用率和作業(yè)效率。4.1 優(yōu)化集卡調(diào)度的原則方案對集卡配置和調(diào)度的優(yōu)化可以從以岸邊起重機為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)和以集卡為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)入手進行分析。4.1.1 以岸邊起重機為本的運行模式以岸邊起重機為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)模式是把提高岸邊起重機的效率放在

10、第一位的，其計算機實現(xiàn)原理如下圖所示。圖 岸邊起重機為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)的計算機實現(xiàn)原理圖在這種模式中，對集卡的調(diào)度原則是，寧可讓集卡擁擠在岸邊起重機下排隊，決不出現(xiàn)集卡脫檔而讓岸邊起重機等待集卡。通過這種方式，有利于集卡在不同作業(yè)效率的岸邊起重機之間的再分配，以及集卡行駛路線的最大可能的優(yōu)化，同時最大限度地提高集卡重進重出的可能性。其運行結(jié)果是：當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路相對效率高時，能夠調(diào)用到更多的集卡；當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路相對效率持平時，保持本身設(shè)定數(shù)量的集卡；當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路相對效率低， 則讓出部分集卡，并且裝卸循環(huán)比例高，集卡行駛路線優(yōu)化。其優(yōu)點在于能夠充分體現(xiàn)岸邊起重機對集卡運駛能力的需求，

11、并盡可能得到解決，最大限度地減少岸邊起重機等待集卡現(xiàn)象的發(fā)生概率，從而有效地提高整體作業(yè)效率，并且有利于最大限度地提高集卡重進重出的可能性，有利于集卡行駛路線的最大可能的優(yōu)化。但是，這種模式同樣存在著缺點，集卡經(jīng)常而且輪流出現(xiàn)短暫的等待指令現(xiàn)象，同時，也可能出現(xiàn)集卡由于較長時間接收不到指令而盲目行駛的現(xiàn)象。當(dāng)部分集卡的通訊中斷或者擅自退出作業(yè)，以致集卡供給總數(shù)小于岸邊起重機對作業(yè)路對集卡的需求總數(shù)時，部分岸邊起重機長時間調(diào)用不到足夠數(shù)量的集卡，直至集卡供需總量平衡，或者其他岸邊起重機作業(yè)路相對效率降低時，才可能解決。4.1.2 以集卡為本的運行模式集卡為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)的運行模式下把提高集卡的

12、效率放在第一位，其計算機實現(xiàn)原理如下圖所示。圖 集卡為本的集卡調(diào)度系統(tǒng)的計算機實現(xiàn)原理圖在這種模式下，集卡的調(diào)度原則是，對集卡來說，系統(tǒng)只考慮無條件滿足集卡全部收到的作業(yè)指令，不判斷岸邊起重機作業(yè)路對集卡的需求，也不判斷岸邊起重機作業(yè)路集卡是否富余；而對岸邊起重機來說，系統(tǒng)首先無條件滿足發(fā)出岸邊起重機所設(shè)定集卡數(shù)量值的作業(yè)指令。其運行結(jié)果是：當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路作業(yè)均衡時，集卡不會被調(diào)用也不會被多調(diào)用；當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路作業(yè)不均衡時，無作業(yè)任務(wù)的作業(yè)路讓出空閑集卡，供有作業(yè)任務(wù)的岸邊起重機作業(yè)路調(diào)用；當(dāng)岸邊起重機作業(yè)路作業(yè)均衡時，集卡長時間固定在某一岸邊起重機作業(yè)路下單卸、單裝，只有在岸邊起重機

13、作業(yè)路的任務(wù)不均衡時，才會有裝卸循環(huán)出現(xiàn)；集卡行駛路線同樣缺乏優(yōu)化的條件。其優(yōu)點在于能最大限度地滿足集卡及時獲得作業(yè)指令，因而集卡行駛方向明確；岸邊起重機作業(yè)路調(diào)用集卡的保證度高；集卡等待指令現(xiàn)象發(fā)生的概率比較低。其缺點在于發(fā)生岸邊起重機等待集卡現(xiàn)象的概率相對較高；通常集卡沒有條件實現(xiàn)重進重出裝卸循環(huán)，固定在某一岸邊起重機作業(yè)路下單卸、單裝的可能性較高；集卡行駛路線的優(yōu)化通常不具備條件；當(dāng)部分集卡通訊中斷或者自動退出作業(yè)，以致集卡供給總數(shù)小于岸邊起重機作業(yè)路對集卡的需求總數(shù)時，部分岸邊起重機長時間調(diào)用不到足夠數(shù)量的集卡，直至集卡供需總量平衡， 或者其他岸邊起重機作業(yè)路無作業(yè)任務(wù)時，才可能解決。

14、4.2調(diào)度優(yōu)化模型4.2.1 atm模型在簡單的單橋吊配備集卡數(shù)量的模擬中，采用excel進行atm模型的數(shù)值模擬。通過一些在前人研究的基礎(chǔ)上已得出的數(shù)據(jù)或觀察測量出的數(shù)據(jù)，利用spss軟件算出使用時間呈正態(tài)分布，并可以算出客戶使用時間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。同樣，通過已得出的數(shù)據(jù)或觀察測量出的數(shù)據(jù)，利用spss測出間隔時間為均勻分布，設(shè)定顧客到達間隔時間的區(qū)間下限為0，區(qū)間上限為5。再用隨機數(shù)rand設(shè)定每個顧客的到達的間隔時間，公式為：（區(qū)間上限 區(qū)間下限）*rand根據(jù)使用時間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差運用函數(shù)算出每個顧客的使用時間，公式為：norminv(rand(),均值,標(biāo)準(zhǔn)差)設(shè)定到達時刻時，第一個

15、人的到達時刻即為其間隔時刻，第二個人至最后一個人的到達時刻都為間隔時刻加上前一個人的到達時刻。設(shè)定開始使用時刻，第一個人的開始使用時刻即為到達時刻，其余的開始使用時刻是在前一個人的完成時刻和本人的到達時刻中取大者。用的是max函數(shù)。等待時刻為開始使用時刻減去到達時刻。完成時刻為開始使用時刻加上使用時刻。停留總時刻為完成時刻減去到達時刻。由以上各項的數(shù)據(jù)，就可以算出等待人數(shù)、等待概率、平均等待時間、最長等待時間、及其利用率、等待超過一分鐘的人數(shù)和概率等各項指標(biāo)，從而評定單atm機的使用程度以及可以根據(jù)這些指標(biāo)判斷是否應(yīng)該增加機器。4.2.2 配置一臺集卡的集裝箱運輸模擬應(yīng)用該模型研究的是在船舶靠

16、港時間均衡、集裝箱裝卸效率均衡的情況下，一臺橋吊應(yīng)配置的集卡數(shù)，使得工作效率最高。假設(shè)目前只配備一臺集卡，考慮是否應(yīng)該增加集卡的配備。以下數(shù)據(jù)為100次的集裝箱裝卸時間：圖表：集裝箱作業(yè)時間 陳瑜,集裝箱碼頭堆場拖車動態(tài)調(diào)度問題研究 2006.7（數(shù)據(jù)來源：集裝箱碼頭堆場拖車動態(tài)調(diào)度問題研究）各集裝箱裝卸集卡所使用的時間即為結(jié)束時間減去開始時間，這100次記錄算出的結(jié)果如圖： 將這些數(shù)據(jù)輸入到spss軟件中，如圖： 在菜單欄中選擇“分析”“非參數(shù)檢驗”“單樣本k-s檢驗”（analyse nonparametric tests 1-sample k-s test，將需統(tǒng)計的表格選入右邊檢驗變量

17、列表，在檢驗分布中勾中正態(tài)分布、均勻分布、泊松分布、指數(shù)分布，按確定。spss軟件計算出的結(jié)果是：這組數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，其中顯著性asymp.sig(2-tailed)為0.293，大于0.05，說明該組數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。均值mean為1.9018，方差std.deviation為0.26349。圖：“單樣本k-s檢驗”正態(tài)分布結(jié)果將這些數(shù)據(jù)輸入excel。設(shè)定間隔時間的上下限，根據(jù)對開始時間的間隔觀察，可以設(shè)定間隔時間的上限為2，下限為0。再對其他數(shù)據(jù)照著atm模型進行設(shè)置。其中，間隔時間 =（區(qū)間上限 區(qū)間下限）* rand 裝卸時間 = norminv ( rand (),均值,標(biāo)準(zhǔn)差) 集

18、裝箱到達時刻 = 前一集裝箱到達時刻 + 間隔時刻 開始裝箱時刻 = max (集裝箱到達時刻，前一集裝箱完成時刻) 等待時間 = 開始裝卸時刻 集裝箱到達時刻 完成時刻 = 開始裝卸時刻 + 裝卸時間 停留總時刻 = 完成時刻 集裝箱到達時刻具體結(jié)果如圖所示：（第6至第997個數(shù)據(jù)已被隱藏）據(jù)此，可以計算等待集裝箱數(shù)、等待概率、平均等待時間等指標(biāo)，如圖所示：進行多次重復(fù)試驗后，統(tǒng)計10次的實驗結(jié)果如下表：統(tǒng)計等待集裝箱數(shù)999999997999999等待概率0.99900.99900.99700.99900.9990平均等待時間221.36206.94189.33189.85213.16最長

19、等待時間427.7420.6401.8404.6417.7集卡利用率0.99960.99970.99880.99850.9989等待超過5分鐘集裝箱數(shù)977996978995993等待超過5分鐘概率0.97700.99600.97800.99500.9930等待集裝箱數(shù)997999999997999等待概率0.99700.99900.99900.99700.9990平均等待時間190.23221.11197.03187.12180.59最長等待時間396.1426.9385.3367.0364.4集卡利用率0.99950.99970.99890.99940.9995等待超過1分鐘集裝箱數(shù)993

20、981987992981等待超過1分鐘概率0.99300.98100.98700.99200.9810從上表的數(shù)據(jù)可以得出，從裝卸橋上卸下的箱子有99%以上不能馬上裝上集卡，需要等待。平均等待時間在1分鐘以上的概率也在90%以上，10次試驗中，最長等待時間有的達到427.7分鐘的，而10次試驗的等待時間超過5分鐘的平均概率達到了98%。再將隱藏的表格展開看，等待時間幾乎是呈遞增趨勢的，這就說明，由于集卡數(shù)量過少，效率過低，導(dǎo)致集裝箱的滯留。從以上模擬結(jié)果可以得出集卡的利用程度是比較高的，但集裝箱等待的概率也比較高，需要再配備更多的集卡，才能滿足集裝箱裝卸效率的要求。4.2.3 配置兩臺集卡的集

21、裝箱運輸模擬根據(jù)以上數(shù)據(jù)，增加一臺集卡，再進行模擬。此時，在上圖中等待時間的部分數(shù)據(jù)中就可以發(fā)現(xiàn)，增加一輛集卡之后，消除了集裝箱滯留等待集卡裝卸的情況，并且效率有了大大改善。從統(tǒng)計結(jié)果中就可以發(fā)現(xiàn)，增加一輛集卡之后，集裝箱的等待概率由原先的99%下降到了23%。由于沒有滯箱現(xiàn)象的出現(xiàn)，等待超過5分鐘的概率由原先的98%降至0，而等待超過1分鐘的概率也僅僅為5%，平均等待時間直線下降至不到1分鐘，而最長等待時間僅僅為1.964分鐘。可見，增加一輛集卡是行之有效的辦法，大大地提高了集裝箱作業(yè)的效率。4 集裝箱碼頭集卡調(diào)度系統(tǒng)（tps）4.1 集卡調(diào)度系統(tǒng)的必要性集裝箱碼頭裝卸工藝一般由裝卸船作業(yè)、

22、堆場作業(yè)和水平運輸這三個部分組成，其中水平運輸由集卡完成。我國許多集裝箱碼頭采取“作業(yè)線”生產(chǎn)方式，即一臺岸橋配備若干臺龍門吊和集卡，組成一條作業(yè)線。這種模式便于管理集卡，但如果集卡數(shù)量不足，則常常出現(xiàn)岸橋等待集卡的現(xiàn)象，反之，則會出現(xiàn)集卡在岸橋下排隊等候現(xiàn)象。為了提高集裝箱碼頭的設(shè)備利用率，充分利用集卡資源，保證碼頭作業(yè)效率，集裝箱碼頭集卡調(diào)度系統(tǒng)（tps）應(yīng)運而生。 4.2 集卡調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢為了解決上述問題，集卡調(diào)度系統(tǒng)tps通過電腦對現(xiàn)場進行監(jiān)控，并根據(jù)現(xiàn)場實時情況進行優(yōu)化計算，之后再將各任務(wù)自動分配給當(dāng)前位置最佳的集卡，并通過無線信號將指令發(fā)到對應(yīng)集卡上去，司機根據(jù)指令操作，使得現(xiàn)場

23、集卡的作業(yè)有序、靈活。由于集卡司機根據(jù)無線信號收到的指令進行拖箱作業(yè)，改變了傳統(tǒng)的靜態(tài)分配方式，大大地提高了集卡的作業(yè)效率，同時也使得集卡與橋吊的作業(yè)配合得更好，從而也提高了橋吊的作業(yè)效率。在技術(shù)上，集卡調(diào)度系統(tǒng)tps對2.4g無線碼頭系統(tǒng)加以利用，車臺終端與系統(tǒng)的通訊服務(wù)器之間的通訊方式采用tcp/ip方式，與車載無線終端的通訊方式相同。在這種方式下，集卡配備兩臺通訊服務(wù)器，哪個先啟動，哪個就作為主通訊服務(wù)器，另一個作為備份通訊服務(wù)器。當(dāng)主服務(wù)器發(fā)生故障后，另一臺會自動接替數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)，車臺終端自動相應(yīng)切換到另一臺通訊服務(wù)器上。（如圖）圖：tps結(jié)構(gòu)示意圖采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可靠性和可用性，一旦擔(dān)任任務(wù)的通訊服務(wù)器發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動把任務(wù)切換到另一臺及機器上，并且服務(wù)器的切換不會引起數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，這樣能保證集卡的晝夜連續(xù)運行的能力。同時，系統(tǒng)還采用三層結(jié)構(gòu)，tps調(diào)度終端的增加或減少不會影響集卡調(diào)度系統(tǒng)的運行效率，并且通過調(diào)整服務(wù)器的參數(shù)，跟蹤了解集卡的實時狀況，可以及時做出任務(wù)的安排和調(diào)整。（下表為使用集卡調(diào)度系統(tǒng)與未使用集卡調(diào)度系統(tǒng)的碼頭比較）表：使用集卡調(diào)度系統(tǒng)與未使用集卡調(diào)度系統(tǒng)的碼頭的比較錢永興,集裝箱