岸桥并行作业效率约束下泊位与岸桥集成分派_高超锋.caj

BerthCrane Allocation Constrained by Parallel Operation Efficiency of Quay Cranes
2 Gao Chaofeng1 ，Hu Zhihua1，
（ 1． Logistics Ｒesearch Center，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 ，China； 2． School of Economics ＆ Management，Tongji University，Shanghai 200092 ，China） Abstract： Ｒegarding the problem that the interferences among parallel operational cranes affect the efficiencies of cranes， the strategies for berth allocation and quay assignment were studied， considering the constraints of efficiency of parallel operational cranes． A mixed integer programming linear model was established to minimize the penalty costs when vessels stayed waiting for operations． Interference factors in different operation environments and penalty coefficients off the optimal berthing position were introduced in the model to analyze the effects of varying the working hours of cranes and penalty costs． And the effects of the numbers of parallel operational cranes on the efficiency of these cranes were further studied． The case studies show that more parallel operational cranes can speed up the container handling tasks and reduce the penalty costs of vessels waiting for operations； however，it reduces the operation efficiencies of cranes，which increases the working hours of cranes and total operation costs of port． Key words： port engineering； berthcrane allocation problem（ BCAP） ； parallel operation； interference； mixed integer lineobjective optimization ar programming； multi-
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图1 Fig． 1
泊位岸桥集成调度
第3 期
高超锋， 等： 岸桥并行作业效率约束下泊位与岸桥集成分派
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很少涉及多台岸桥同时作业的情况下， 岸桥边际效 率减少的泊位与岸桥调度优化。 ［ 9 ］ Y． M． Park， 等 的研究表明， 为一艘船舶同时服务 2 ～ 5 。 的岸桥数量约为 台 当为一艘船舶同时服务的岸 则称之为并行作业。分配给船舶的岸桥 桥数量大于 1， 数量决定船舶挂靠以后的作业效率， 船舶的装卸作业 即岸 时间和分配给它的并行作业的岸桥数量成反比， 桥数量越多， 作业时间越短。但是， 分配给船舶的单个 因相 岸桥的作业效率随着并行作业岸桥数量的增多， ［ 13 ］ 等 将岸桥划分为 互之间干扰增大而降低。靳志宏， 固定岸桥及调度岸桥两子集， 并且不同类型的岸桥作 设计开发了遗传算法， 但没有考虑多台岸 业效率不同， 桥同时为一艘船舶工作时相互之间存在的干扰对岸桥 ［ 14 ］ 作业效率的影响。F． Meisel， 等 从靠泊位置的变化对 岸桥作业效率产生影响和岸桥边际效率减少的角度进 行研究， 但是没有对每个时刻为船舶分配的岸桥数量 因为每个时刻船舶可用 变化对效率的影响进行分析， 岸桥数量增加时， 即并行作业的岸桥数量增加， 相互之 ［ 15 ］ 间干扰增大。C． J． Liang， 等 考虑了岸桥配置数量对 但是没有考虑偏好泊位和 岸桥平均作业效率的影响， 并行作业岸桥相互的干扰。 不同数量的岸桥同时为一艘船舶工作时， 对单个 相同数量的岸桥由于 岸桥作业效率的影响不尽相同， 作业人员技术和作业环境的不同对效率的影响也不 同， 因此引入干扰因子研究船舶在港惩罚成本和岸桥 为了考虑偏离偏好泊位 作业时间的变化趋势。另外， 的影响， 通过引入偏离最佳偏好泊位的惩罚系数来研 究对船舶在港惩罚成本和岸桥作业时间的影响。最 考虑多台岸桥并行作业之间的相互干扰， 研究并行 后， 作业的岸桥台数对泊位与岸桥集成优化的影响。笔者 对这些因素进行了综合考虑、 建模与分析。
收稿日期： 2013-07-18 ； 修订日期： 2014-03-06 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 71101088） ； 国家自然科学基金面上项目（ 71171129） ； 上海市大文科研究生学术新人培育计划（ wk2013001） mail： gaochaofeng2007@ 126． com。 第一作者： 高超锋（ 1988 —） ， 男， 江西抚州人， 硕士研究生， 主要从事港口物流运作优化方面的研究。E-
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引
言
对于集装箱码头， 通过靠泊计划和岸桥分派， 及 不仅能够降低 其集成分派优化船舶在港作业时间， 运作成本， 而且能够提升整个运输网络系统的运作 ［14 ］ 。 Crane Alloca效率 泊位与岸桥集成分派（ Berthtion Problem， 简称 BCAP） 是指船舶到港之前根据各 个泊位的空闲情况和物理约束为船舶安排停靠泊位 和靠泊顺序， 并配置岸桥。 泊位分派与岸桥调度通常作为两个独立的环节 ［57 ］ 。泊位分配与岸桥调度相互影响， 分别进行研究 将泊位分派与岸桥调度作为整体进行集成调度能够 ［8 ］ 提高港口码头的作业效率。 A． Imai， 等 考虑了岸
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定义 B k 和 s k 分别表示船舶 k 的实际靠泊位置 从船舶左偏离量要求满足约束 和最佳 偏 好 泊 位， BL k ≥ B k － s k ， 船 舶 右 偏 离 量 要 求 满 足 约 束 BＲ k ≥ s k － B k 。通过 a k 指定岸桥作业工时， 则岸桥作业工 时 a k 会因为作业效率的下降而隐性增加， 可以表示 为 1 + β（ BL k + BＲ k ） a k 。 β = 0． 01 表示若靠泊位置 偏离其偏好位置 1 单位， 其岸桥作业工时会隐性增 e k 是船舶预期到 加 1% 。船舶都有时间窗的约束， ， T 达港口的时间 k 是船舶实际到港时间， 船舶提前 到达港口的时间 TE k = e k － T k ， 推迟到达港口的时间 TL k = T k － e k ， 如图 3 。
单位时间和一个单位岸线， 船舶占用网格表示在该 事件和该位置进行装卸作业。 在图 1 中， 引入 0 /1 变量 Z k， 表示船舶 k 是否从由靠泊时间 j 和靠泊 i， j， 位置 i 表示的位置开始作业。 而方框表示该船舶占 用的岸线（ 纵向） 与作业的时间 （ 横向 ） ， 方框中圆圈 中的数据代表每个时刻分配给该船舶的岸桥数量 。 集装箱港口根据船舶到港情况分配泊位 。 通常 船舶靠泊时希望靠 集装箱都是暂时存放在堆场中， 这样方便集卡把集装箱从岸 近其特定的堆场位置， 边运送到堆场。 这个位置相对应的岸线， 即是船舶 偏好的靠泊位置。如果实际分配的靠泊位置与最佳 靠泊位置不一致， 如图 1 ， 将使集卡水平运输距离增 ， 加 导致岸边作业效率下降， 船舶需要更多的岸桥工 时。为此引入靠泊位置左偏离变量 BL k 和右偏离变 量 BＲ k ， 将靠泊位置和岸桥工时联系起来 ， 如图 2 。
第 33 卷第 3 期 2014 年 6 月
重 庆 交 通 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版） JOUＲNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVEＲSITY（ NATUＲAL SCIENCE）
Vol． 33 No． 3 Jun． 2014
doi： 10． 3969 / j． issn． 1674-0696． 2014． 03． 17
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Fi源自文库． 2
图 2 偏离最佳泊位惩罚成本 Penalty costs off the optimal berthing position
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问题描述
为了实现泊位与岸桥的集成调度， 参照 Y． M． ［9 ］ Park， 等 的研究， 将泊位分配和岸桥分派问题用图 1的 “时间空间” 表示。
岸桥并行作业效率约束下泊位与岸桥集成分派
1 1， 2 高超锋 ， 胡志华
（ 1． 上海海事大学 物流研究中心 ， 上海 201306 ； 2． 同济大学 经济与管理学院 ， 上海 200092 ） 摘要： 针对多个岸桥并行作业时的相互干扰而影响岸桥工作效率的问题 ， 研究了岸桥并行作业效率约束下船舶作业 引入不同作 泊位分派和岸桥分配优化的方法 。建立了以船舶在港惩罚成本最小为目标的混合整数线性规划模型 ， 业环境下的干扰因子和偏离最佳靠泊泊位的惩罚系数 ， 分析了岸桥工时和惩罚成本的影响 。研究了并行作业岸桥 数量变化对效率的影响 。算例分析表明： 虽然岸桥并行作业的数量增多能够加快装卸 ， 减少船在港惩罚成本， 但是 会降低岸桥工作效率， 增加岸桥总工时， 从而增加集装箱港口的运作成本 。 关 键 词： 港口工程； 泊位与岸桥的集成分配 ； 并行作业； 干扰； 混合整数规划； 多目标优化 中图分类号： U691． 7 文献标志码： A 文章编号： 1674-0696 （ 2014 ） 03-072-07
桥移动路径建立了同时优化离散泊位分配与岸桥调 ［9 ］ 度的模型； Y． M． Park， 等 建立了带有偏离偏好泊 位惩罚的最小费用泊位动态分配模型， 并给出每个 时间点为船舶作业配备的岸桥数量； M． Sammarra， ［10 ］ 等 建立岸桥作业顺序和岸桥移动路径优化的模 ［11 ］ 型， 采用禁忌搜索算法求解； Ｒ． M． Tavakkoli， 等 给 岸桥作业完成时间和船舶延迟到港时间赋予相应的 ［12 ］ 权重， 建立岸桥分派模型； P． Legato， 等 考虑船偏 好泊位和时间， 以船舶作业时间和岸桥使用数量最 少为目标建立泊位分派和岸桥分派模型 。 以上的研 究仅从船舶在港等待时间， 运作成本、 偏好位置， 岸 — 桥移动路径等角度考虑泊位 岸桥调度优化问题，
Fig． 3
图 3 提前、 推迟、 延迟时间惩罚成本 Penalty costs for time advancement and delay
Chart of berthcrane integrated scheduling