水运码头的集装箱存储和转运

水运码头的集装箱存储和转运【摘要】此篇论文讨论了在集装箱堆场转载集装箱的存储安排，为了使在大型集装箱船舶停泊的码头的搬运操作更效率。现在提出了关于集装箱从大型集装箱船通过在堆场的中间存储到支线船舶使一个最佳的模型。这个启发式的模型建立在拉格朗日松弛方程式的基础上。这个启发式方法的有效性通过一系列实验得到的验证，在实验中，分析了不同情况下的大型船舶到达率、一些堆垛策略和码头布局。【键字】转运集装箱，集装箱存储，大型集装箱船，数学规划1.引言集装箱系统的引进对减少搬运问题，降低货损和减小搬运成本几个方面有很大好处。这个系统有助于货运多式联运系统的发展，简化了整批货物从一种运输方式到另一种运输方式的步骤。引进这种集装箱系统后，港口设备和作业系统都要随之改变。近来，由于集装箱贸易的不断增长，许多集装箱码头已经被接近最大容量的使用，另外，马士基公司旗下一条容量超过10000个标准箱（被称作未来号的大型集装箱船）爱玛马士基集装箱船已经被引进。大型集装箱船舶的出现引起了物流公司、承运商、港务局以及那些从事海事规划人员的极大的兴趣。考虑到大型集装箱船舶的发展前景，现在对有效率的集装箱码头操作的需求比以往任何时刻都大。大型集装箱船舶停靠在大型港口，然后由支线船舶运输集装箱到达收货人所在港口，所以，在大型集装箱船舶停靠的集装箱码头，需搬运的集装箱的量是非常巨大的。因此，对于大型集装箱船舶来说，一个有效率的集装箱码头极大地加快了集装箱在船舶之间的转载。一个有效率的集装箱码头决于集装箱搬运的流畅度和效率。在集装箱码头，针对装、卸货操作的集装箱搬运系统有三种基础类型：底盘、跨车和转移起重机系统。由于对堆场集装箱存储容量的高需求，后者的系统在大型集装箱码头中使用最多。转移起重机系统需要几种不同类型的搬运设备，如港岸起重机、堆场龙门起重机和堆场拖车。装、卸货操作的瓶颈出现在港岸起重机操作，港岸起重机必须不停地运转以等候拖车从它们这运走集装箱或者递送集装箱给它们。在大型集装箱船舶停靠的集装箱码头，大多数被搬运的货物就是在集装箱码头把从出发地港口的货物转载到目的地港口，因此，进行的相关搬运操作是介于大型集装箱船舶和支线船舶的。为了减少船舶停留在港口的周转时间，流畅的搬运操作是最为关键的。这篇论文是关于转运集装箱集装箱在集装箱堆场的存储安排，为了使集装箱的搬运操作最有效率。论文的安排如下：在第二部分，给这个问题做明确定义；第三部分查阅相关文献；第四部分和第五部分，分别描述问题的公式和解决程序；在第六部分，执行数学验证并且呈现结果；最后一部分报告了论文的发现和结论。2.问题定义航线网络可以根据船舶的需求类型进行分类，如枢纽航线网络或多端口需求航线。集装箱码头是对船舶的需求不仅是使用大型集装箱船舶和支线船舶，而且是使用其它不同尺寸的船舶。众所周知，集装箱堆场是根据集装箱经过集装箱码头的目的粗略地进行划分的，如出境、入境和转载。这份报告研究的是关于大型集装箱船舶上的转载集装箱，这就意味着我们只研究了停靠于码头的所有船舶上的集装箱的一部分。由于在集装箱码头上，集装箱的存储区域是根据集装箱的操作进行划分的，与其他类型的集装箱的相关性是微乎其微的，所以，在这论文中没有必要研究其他尺寸的船舶。首先，问题的目标区域已经被描述了。集装箱进入堆场有两种方式，从大型集装箱船到支线船舶或者从支线船舶到大型集装箱船，如图1所示，需要进入存储区进行存储的集装箱有几个原因：船舶到达时间的不同，集装箱在船舶配载货物中的复位和更改集装箱搬运的工作顺序。图片1.集装箱进入码头堆场的示意图在这篇论文中，为了简化问题的处理方法，假设集装箱进入堆场只有一中方法，从大型集装箱船到支线船舶。换言之，集装箱直到大型集装箱船舶到达才在堆场进行存储。接下来，这些集装箱被装载在相关的支线船舶上。需要注意的是在这份研究报告中假设，一般地，支线船舶的装货操作只有在那艘船舶的卸货操作完成后才能开始。因此，当大型集装箱船舶上的集装箱已经存储入堆场，但是支线船舶的卸货操作还没有完成的时候，这艘船舶的装货操作必须被推迟直到卸货操作完成。当支线船舶的卸货操作完成了，但是大型集装箱船舶上的集装箱还未存储入堆场，支线船舶的装货操作也不得不延迟直到集装箱存储入堆场。集装箱的转载有两种类型，如下：（1）把从某一船舶上卸载的集装箱存入堆场，然后把这些集装箱装入其它船舶的（2）把从某一船舶上卸载的集装箱直接从这艘船舶装载到另一艘船舶。用一个非常简单但是不是很严谨的方法来思考这个问题，就是假设将集装箱从大型集装箱船舶直接装载到支线船舶通过运输集装箱穿越堆场。在那种情况下，在大型集装箱船舶和支线船舶间不停地搬运涉及到目标函数。所有的搬运时间不是取决于集装箱存储的方法而只是与搬运的集装箱数目有关。然而，众所周知，为了重新安排船舶配载的工作顺序，大多数集装箱存储在堆场而不是单单经过。所以，在论文中，我们不考虑集装箱在支线船舶上直接装货的情况。一般地，集装箱堆场情况和堆场的存储容量在相关额计划范围内变化是十分缓慢的。此篇论文的目的是用简单的方法解决问题。我们在一些项目中用一些简化的约束调查这种方法的效果。在今后的研究中，将测试成果并且深入发展应用于实践。那么，我们在论文中只考虑静态模型。其次，我们描述的是集装箱的搬运。一个堆场内有多个集装箱堆垛区域块，而一个区域块由多个集装箱组成。一艘船上的集装箱视作一个集装箱组，举个例子，船A的一个由100个集装箱组成的集装箱组被存入集装箱堆垛区的一个区域块。我们不能分配一个单独的集装箱存入集装箱区域块中一个单独的位置。通常，如果我们想要这个问题处理地井然有序，我们需要这样做：–优先约束工作次序和船舶配载的配载位置，等等。–返工是由工作次序和堆场存储分配所引起的，通过考虑到每个集装箱的重量等级和目的地港口来解决。然而，如上所述，在论文中没有必要处理这个问题。第三，我们必须考虑到对于每艘船舶的港岸起重机分配问题。为了缩短搬运时间，几台港岸起重机被同时分配给一艘大型集装箱船直到大型集装箱船离港。同样地，分配给支线船舶的港岸起重机的数量取决于需搬运的集装箱的容量。如果两台甚至更多的港岸起重机被分配给同一艘支线船舶，集装箱堆场集装箱的搬运能力远远比只使用一台港岸起重机强，前者的船舶能在分配给它的所有的港岸起重机完成搬运操作后离开集装箱码头。我们知道，在给一艘支线船舶分配的港岸起重机的前提下，支线船舶的集装箱存储在由每台港岸起重机划分的区域块内，目的是为了使港岸起重机、龙门吊和拖车最大限制的互不干扰。所以，使用多台港岸起重机时的问题的公式远远比使用一台港岸起重机时复杂。与使用一台港岸起重机不同的是，在使用多台港岸起重机时我们需要更多的约束且问题的解决方法更加复杂。所以，为了简化问题，我们假定一艘支线船舶只分配一台港岸起重机。第四，在几乎同一时间多艘船舶到达集装箱码头的情况下，如果船舶的停留时间是互不相同的，它们能共享一个区域块。因此，我们假定一部分的集装箱堆场区域块可以在另一计划期下搬运不同船舶的集装箱时使用。如果我们假设此问题只考虑大型集装箱船舶停靠时的情况，那么如下假设是合理的，装载到支线船舶的集装箱应该存储到一个不与其它船舶的集装箱共享的单独的堆场区域块内。最后，根据大型集装箱船舶的情况而进行的支线船舶的港岸起重机分配任务和工作次序安排应该提前制定，这是因为他们可以果断地把集装箱装载于大型集装箱船舶。值得注意的是，支线船舶的集装箱是运用一种特别的港岸起重机搬运的。为了降低复杂程度，多台港岸起重机不会同时为一艘支线船舶服务。这也就是假定了支线船舶的靠泊位置是提前知道的。如果支线船舶早到了，那么装载操作也要尽快完成；如果支线船舶晚到了。那么我们不必要马上进行装载操作，但必须在规定时间内完成。我们要尽可能地在靠泊位置附近指定位装载置。最关键的问题的目标函数和约束如下：关键步骤是堆场内转运集装箱的储存位置分配。目标函数是，集装箱从大型集装箱船舶到支线船舶所用的全部时间，包括支线船舶等待装载操作的时间。约束是，–每个支线船舶的集装箱组直接存储入堆场–一艘支线船舶的集装箱组被分配到一个集装箱区域块–直到大型集装箱船舶上的集装箱存储到堆场中时支线船舶的装货操作才能开始。3.文献查阅在集装箱码头上存储空间是最主要的资源。KozanandPreston（1999）认为起决定性作用的是制定最佳存储策略和使用吊车进行搬运集装箱的时间表。他们通过遗传算法和分析原因提出一个启发式的方法，通过在集装箱码头采用不同类型的搬运设备，存储容量和布局来降低吞吐时间进而影响集装箱转载效率。KimandKim（1994）讨论怎样分配已经从堆场撤离转载到船舶上的集装箱所释放的堆场空间。他们建立一种能在空间需求和空间平衡的约束下使拖车的物料搬运成本最小的二次规划模型，他们只讨论一艘船舶的空间分配。KimandBae（1998）建议为三个子程序（倍的匹配，移动计划和任务次序）建立数学模型，目的是为了缩短船舶在集装箱码头的周转时间。其中，任务次序的建模使得重新编组作业的时间最小。KimandKim（1999）在考虑怎样分配进口箱的存储空间使得重新处理的集装箱的预计总数最小。他们假设数学模型和处理程序已经设定了集装箱的到达模式是持续的、周期性的和动态的。Kim等人（2000）通过考虑重量为出口集装箱的存储位置提出了一种解决方案，并且在堆场的倍位中考虑到了集装箱栈的布局和重量分布。他们开发这个存储分配的动态模型是为了使翻箱的量最小。KimandPark(2003)讨论怎样去分配出口集装箱的存储问题。他们用混合整数线性规划来来建立模型，通过空间分配使得空间使用率更高、装货操作更效率。解决这个问题建议使用两种启发式算法。Zhang等人（2003）专注于堆场内集装箱存储空间的分配问题，他们通过一个滚动的方法来解决问题。这个问题被分解成两步：第一步在一时间段内把所有的集装箱放入相对应的每个区域块内，第二步决定每艘船上集装箱的数量从而使得从堆场区域块到船舶靠泊位置的运输距离最短。他们处理四种类型的集装箱如下：在船进口集装箱和已存储入区域块出口集装箱，在区域块的出口集装箱和已经存储入区域块的出口集装箱。然而，Bazzazi等人（2009）认为Zhang等人（2003）处理的问题的第一步只涉及到进口集装箱，他们设定了每艘船在每个区域块内存储的进口集装的数量，使得每个区域块的工作量分配不均衡得到解决。Lee等人（2005）为集装箱到堆场的位置分配给定了一个概念，为每艘船划分一个储备专用集群。他们决定了在每个时间段内集装箱卸船的数量，为了使所有的堆场起重机搬移工作量最小。LimandXu（2006）提出了一个叫做临界振动领域搜索的启发式的程序，使得堆场空间需求量最小，就是在每一时间给出堆场空间的需求。4.问题方程在这章节中，建立了集装箱存储问题的混合整数规划的方程（CSAP）和拉格朗日松弛方程。4.1集装箱存储分配公式（混合整数规划）在建立混合整数规划方程时，一个二元变量xjl被定义成船舶j的一个集装箱组是否存储入堆场位置l。Imai等人（2001）根据混合整数规划方程提出了修正船靠泊位置分配的问题方程（BAP），这个方程又被称为P-CSA。后来，我们处理泊位、船舶和在泊位位置分配的前提下的服务次序，如大型集装箱船舶、支线船舶的港岸起重机分配，大型船舶港岸起重机工作次序的命令。MinimizeSubjectto其中，i(=1,...,NQ)∈QC，代表的是一系列的港岸起重机；j(=1,...,NV)∈V，是支线船舶；l(=1,...,NP)∈YP，是堆场内一系列的集装箱区域块；Ti，分配给港岸起重机i进行搬运的大型集装箱船；Kj，为港岸起重机给支线船舶j上的集装箱组的卸货次序；Qij，如果为1则港岸起重机i负责处理支线船舶j上的集装箱组，为0则不处理；AM，大型集装箱船舶的抵港时间；Fj，支线船舶j上的集装箱卸载完成时间；CB(i)jlMY，支线船舶j上的集装箱组从分配给大型集装箱B(i)的港岸起重机i到堆垛区域块l的搬运时间；CB(j)jlYF，支线船舶j上的集装箱组从堆场区域块l到船舶j的停泊位子B(j)的处理时间；xjl，为决策变量，为1则支线船舶j上的集装箱组存储到堆场区域块目标方程（1）是分别使得集装箱从大型集装箱船舶到堆场区域块搬运和从集装箱堆场到支线船舶停泊位置的搬运时间总和最小，后者是加上支线船舶的等待时间的。约束（2）保证了每个支线船舶上的集装箱组存储在同一个区域块内。约束（3）强制了每个堆场区域块是为一艘支线船舶服务。约束（4）保证了支线船舶的装货工作必须在它达到后并卸载完成后才能开始。在目标方程中，搬运时间CB(i)jlMY是由公式(Ti-Kj+2).(T……4.2混个整数规划的拉格朗日松弛CSAP这个混合整数规划方程在可忽略的时间（如在Imai等人的研究者的船舶泊位分配问题）的情况下是可执行的。在这个章节，在原始问题[P-CSA]的拉格朗日松弛的情况下，我们通过次梯度优化程序建立了一个启发式的程序，如下：Min