集装箱码头集卡调度研究现状与分析_陶经辉

贪婪算法调度策略，它的基本思想是假设装船作 业序列为 J1，J2 ……Jn，首先完全颠倒作业顺序
W G 考虑随机因素对 AGV 在各个装卸点之间的 路径采 用 混 合 整 数 规 划 模 型 进 行 求 解［6］，Tan-
Jn，Jn － 1…J1，接着按照贪婪算法的策略分配作业 任务，不妨设 i 号车分配到的作业任务为 Ji1，Ji2
集装箱港口智能化调度是指在港口集装箱
的装卸过程中，突破以人工调度和静态调度为主 的传统方法，对复杂的集装箱码头操作过程实现 动态的智能化调度管理。我国目前大多数集装 箱码头管理调度沿用的是传统方法，例如，传统 的集装箱设备调度是根据“作业线”来静态配置 集卡（ 国外基本为 AGV，国内基本为拖车） 。根 据统计，按照传统的方式，空驶和等待时间超过 50% ，利用率不高，浪费了宝贵的设备资源。我 国个别港口从国外引进软件系统，但由于国内外 集装箱港口实际情况存在较大的差异，致使使用 效果与预期目标之间有较大的差距。同时，由于 不具有自主知识产权，在今后的发展中将受到很 大的制约。
二、国内外集卡调度研究综述 国外许多学者对集装箱港口日常运作中的 诸多问题进行了研究，如岸吊的调度问题、场吊 的调度问题、集 卡 （ 拖 车） 调 度 问 题 及 集 卡 （ 拖 车） 的路径规划问题 、堆场的码放问题等等。 集卡（ 拖车） 调度和堆场码放优化是集装箱 码头智 能 化 调 度 的 核 心 问 题，尤 其 是 集 卡 （ 拖 车） 运输作为港口内唯一交通运输方式，其运作 效率将直接影响堆场码放的效率，进而影响到港 口整体作业的运作效率。为了缩短船舶停留时 间，调整港 内 运 输 是 一 条 重 要 途 径。 因 此，对 于
港内集卡（ 拖车） 运输方面的研究成为了近期研 究的热点之一。由于篇幅原因，本文 仅 对 集 卡 （ 拖车） 调度问题进行综述，关于堆场码放优化 问题笔者将另文撰写。
（ 一） 国外集卡调度研究综述 集卡（ 拖车） 调度算法是集卡（ 拖车） 调度策 略研究中的焦点。集卡（ 拖车） 调度的关键是打 破前面所描述的传统的“作业线”（ 专署型） 操作 模式，实现全船范围，甚至是全场范围的拖车共 享（ pool） ，实现按需分配，同时降低集卡（ 拖车） 空驶率，提高利用率，节约成本。 研究者常将港内集卡（ 拖车） 调度问题和生 产系统的叉车调度问题类比，但由于港口问题规 模更大，不确定性更强，同时由于缓存区的设置 没有被广泛采用（ 会带来额外设备投入和空间利 用率的降低） ，使得港内集卡（ 拖车） 问题与一般 生产调度问题产生分叉，带有自己的独特性。 从现有研究文 献 看，国 外 学 者 对 港 内 集 卡 （ 主要为 AGV） 调度的研究可分为以下四类： 1． 集卡调派问题（ Vehicle Dispatching Problem，VDP） 及相关研究综述 在此类问题研究中，考虑在装卸船的过程中，
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确定集卡不同分派计划对船舶停留时间的影响。 是没有解决多船多 QC 同时作业问题，文中虽然
主要解决方法是把整个港口系统方面的信息作为 对 2 个 QC 同时作业做了一些修改，但仍然缺乏
已知输入，包括装卸船箱分配的堆场位置、集卡行 严谨的理论依据，所以存在一定的局限性。
驶路线及交通状况等，目标是在一系列条件与假 设下，使船舶停留时间最短进行集卡调派。
集港内的运作信息。
系统。
多数港口采用了全球定位系统（ GPS） 、无线 多数港 口 缺 乏 一 系 列 先 进 技 术 的
射频（ RFID） 等先进技术
支持
从表 1 中可以看出，国内外港口主要差别表 现在信息化和自动化程度上。国外港口信息化 和自动化 程 度 较 高，很 多 港 口 运 用 了 自 动 场 吊 （ ASC） 、自动导引车（ AGV） 等设备，并且由于有 许多相关高新技术支持，信息系统能对港内信息 进行实时采集，自动生成堆场计划、设备资源的 调度方案，对整个港口运作进行实时调度。而在 国内，除了上海羊山港和深圳盐田港外，其它多 数港口仍比较落后。在这些不同的实际港口背 景下，国内 外 学 者 进 行 了 一 系 列 不 同 层 面 上 的 研究。
港口内信息管理系统
港口相关技术支持
表 1 国内外港口差别对比情况
国外港口
大多是人工操作的岸吊，很多港口在岸吊下 设有集装箱的缓存区。
国内港口
基本为人 工 操 作 的 岸 吊，岸 吊 下 不 设缓存区
许多港口都开始使用自动化场吊 （ ASC） 来 仅 有 上 海 港 拥 有 自 动 化 场 吊
代替龙门吊（ RTG） 。
的策略调度也是最优的。随后，该文献又考虑了 离为 0、不考虑拖车缓冲设置及固定交通路线设
装卸混合作业序列的情况，并提出了组合贪婪算 定、港口中各堆场之间以及堆场与泊位之间的行
法（ 贪婪算法与逆贪婪算法的组合） ，并且证明了 驶距离为定长并已知、集卡数量足够多，可以确保
用组合贪婪算法对一个装卸船作业的集卡调度是 QC 的等待时间为 0； 目标函数是以在最短时间内
堆场 中 不 设 缓 存 区，且 多 数 港 口 stack 的高度超过 5 层
多为作业线或作业路模式 多数港 口 仍 凭 借 员 工 的 经 验 制 定 计划。
调度计划一般由决策支持系统进行辅助决 策，协助制定。
多数港口仍进行人工调度。
港口信息管理系统普遍比较完善，能实时采 多数 港 口 缺 乏 必 要 的 信 息 管 理
最优的。但如果同一船舶有若干个任务序列同时 完成任务为主要目标，以集卡总行驶距离最短为
作业时，贪婪算法的策略明显不是最优的。Chen． 次要目标。模型以船舶的装卸箱任务序列作为输
Y，et al． 利用仿真模型模拟了在 2 个 QC 同时作 入（ 每个任务的信息包括集装箱的装卸属性，以及
业时运用贪婪算法进行调度，完成的总时间比最 在堆场对应位置的属性） ，对整个模型运用整数规
Bish． E． K 在 Chen． Y，et al． 的研究基础上 做了进一步拓展［2］，他对多船、多岸吊同时作业情
对港内集卡调派问题研究较早的是 Chen． Y，Leong． Y． T． et al 等人［1］，他们首次提出用贪
况进行更深入的研究，提出了变种贪婪算法作为 两条船同时作业时集卡的调度策略，仿真结果也
略为，当首次所有集卡接到运输任务后，以后集卡 的调派策略就是把任务序列中最前面的任务分派 给先回到岸吊下的集卡。该文献也首次提出了逆
Qiu L 基础上，对 AGV 系统的路径流量进行详细 设计［4］。Kaspi M 在前两者基础上，进一步应用混 合整数规划模型设计了 AGV 的调度路径［5］，Goetz
集装箱码头集卡调度研究现状与分析
陶经辉1 ，张锦惠2
（ 1． 南京财经大学 营销与物流管理学院，江苏 南京 210046； 2． 成都工业职业技术学校 物流系，四川 成都 610081）
摘要：集装箱港口的现有运作状况表明： 人工调度和静态调度为主的传统调度方法与提高港口服务效率 之间存在着矛盾和冲突，在此背景下出现了一些集装箱港口智能化的研究理论。文章从分析国内外集装箱 港口布局和运作差异着手，对现有国内外港口集卡调度问题的研究成果进行了分析和整理，把现有研究成果 归纳为四类并总结了每一类问题的研究进展。在比较我国港口集卡调度问题研究现状的基础上，分析了诸 如缺乏对全场调度问题研究等国内外现有研究中存在的一系列主要问题，提出了集卡调度研究需要解决的 关键问题，最后对集装箱港口智能化调度研究发展做出了展望。
优结果高了 7% 。他们把这个现象称为“近视”， 划方法进行优化。该文献进一步研究了装卸同时
因为集卡到达岸边时自动寻找了一个可执行的任 作业的情况，建立了整数规划的模型（ MVSL） ，并
务，而没有考虑到各个 QC 之间剩余任务系列的长 证明了 MVSL 是 NP － HARD 问题，设计了一种启
短，容易形成一个 QC 任务完成后长时间等待另一 发式算法对模型进行求解，使得在问题规模很大
choco J MA 借鉴港口中的 AGV 路径算法，在物料 流系 统 中 应 用 整 数 规 划 模 型 进 行 了 设 计［7］，
……Jim，最后就再次颠倒任务顺序，i 号车由逆贪 Grunow M，Günther H － O 和 Martin Grunow 等讨
婪算法调度策略分派的运输任务序列 就 该 为： Jim，Jim － 1……Ji1。文献证明了当只有一个卸船
绍国内 外学者研究进展前，本文首先对国内外集装箱港
口设施设备及运作实际情况进行比较（ 见表 1） 。
岸吊（ Quay Crane，QC） 场吊（ Yard Crane） 港内运输工具
堆场（ Yard） 车队与岸吊的搭配工作模式 堆场计划 （ Yard Planning） 设备资源调度
一、国 内 外 集 装 箱 港 口 设 施 设 备 及 运 作 差异
国内外集装箱港口设施设备及运作差异对
收稿日期：2011-06-28 基金项目：南京财经大学基金资助项目“基于全场调度的集装箱港口智能化调度策略研究”（ 项目编号： A2010031） ； 中国博士后科 学基金资助项目“基于全场调度的集装箱港口调度模型研究”（ 项目编号： 20080430397） 。 作者简介：陶经辉（ 1970— ） ，男，安徽马鞍山人，南京财经大学营销与物流管理学院副教授，博士，主要研究方向为物流系统规 划与运作管理； 张锦惠（ 1970— ） ，女，四川崇州人，成都工业职业技术学校高级讲师，硕士，主要研究方向为现代物流与供应链管理。
关键词：集装箱港口； 集卡； 智能化； 全场调度 中图分类号：F252 文献标识码：A 文章编号：1672-6049（2011）05-0074-08
在全球范围内集装箱港口吞吐量急速增长 的背景下，通过提高港口的服务水平和投资回报 率来提高自身的市场竞争力已成为世界各集装 箱港口最关心的问题。随着集装箱港口业务的 扩充，竞争日益激烈。要提高集装箱 港 口 竞 争 力，必须改变传统模式，引入智能化管理技术和 方法，提高节能降耗能力，这方面我国港口与国 外先进港口存在很大差距。集装箱港口智能化 调度策略是集装箱港口管理系统的核心技术，是 解决合理调度港口资源问题，提高节能降耗能力 的有效方法。集装箱港口智能化调度策略研究 可为我国自主开发集装箱港口调度管理系统和 港口仿真分析系统提供强有力技术支持，促进我 国集装箱港口企业逐步掌握自主核心技术，不断 提高我国集装箱港口在国际竞争中的优势。