洋山深水港四期自动化码头自动配载理论与实践

洋山深水港四期自动化码头
自动配载理论与实践
范佳彬１㊀郑㊀重１㊀张传捷１㊀丁益华２㊀杨㊀奔３
１㊀上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司
２㊀上海海勃物流软件有限公司
３㊀华东师范大学
㊀㊀摘㊀要:针对洋山深水港四期全自动化集装箱码头的情况ꎬ以满足船方要求和码头作业要求为目的ꎬ阐述洋山深水港四期自动化码头的自动配载必要性和优势ꎬ结合其设施设备㊁堆场分布和业务逻辑ꎬ利用启发式算法㊁分枝搜索算法和贪心思想开发出了洋山深水港四期自动化码头的自动配载系统ꎮ该系统已经上线稳定运行一年多ꎬ配载结果稳定可靠ꎬ能够基本满足现场的生产需求ꎮ
㊀㊀关键词:自动配载系统ꎻ必要性ꎻ优势ꎻ实现方式
ＴｈｅｏｒｙａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｔｏｗａｇｅｏｆｔｈｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＴｅｒｍｉｎａｌ
ｉｎＹａｎｇｓｈａｎＰｏｒｔＰｈａｓｅＩＶ
ＦａｎＪｉａｂｉｎ１㊀ＺｈｅｎｇＺｈｏｎｇ１㊀ＺｈａｎｇＣｈｕａｎｊｉｅ１㊀ＤｉｎｇＹｉｈｕａ２㊀ＹａｎｇＢｅｎ３
１㊀ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｏｒｔ(Ｇｒｏｕｐ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ＳｈａｎｇｄｏｎｇＣｏｎｔａｉｎｅｒＴｅｒｍｉｎａｌＢｒａｎｃｈ
２㊀ＳｈａｎｇｈａｉＨａｒｂｏｒＬｏｇｉｓｔｉｃｓＳｏｆｔｗａｒｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.
３㊀ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
㊀㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙａｕｔｏｍａｔｅｄｃｏｎｔａｉｎｅｒｔｅｒｍｉｎａｌｉｎＹａｎｇｓｈａｎＰｏｒｔＰｈａｓｅＩＶꎬｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉ￣ｔｙａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｓｔｏｗａｇｅｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔｅｒｍｉｎａｌａｒｅｅｌａｂｏｒａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｈｉｐｏｗｎｅｒｓａｎｄｔｅｒｍｉｎａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ.ＣｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｉｔｓｆａｃｉｌｉｔｉｅｓꎬｙａｒｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｂｕｓｉｎｅｓｓｌｏｇｉｃꎬｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｔｏｗａｇｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｅｄｔｅｒｍｉｎａｌｉｎＹａｎｇｓｈａｎＰｏｒｔＰｈａｓｅＩＶｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｕｓｉｎｇｈｅｕｒｉｓｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍꎬｂｒａｎｃｈｓｅａｒｃｈａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｇｒｅｅｄｙｉｄｅａ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｒｕｎｎｉｎｇｓｔｅａｄｉｌｙｆｏｒｍｏｒｅｔｈａｎｏｎｅｙｅａｒａｎｄｉｔｓｓｔｏｗａｇｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅꎬｗｈｉｃｈｃａｎｂａｓｉｃａｌｌｙｍｅｅｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅｓｉｔｅ.
㊀㊀Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｔｏｗａｇｅｓｙｓｔｅｍꎻｎｅｃｅｓｓｉｔｙꎻａｄｖａｎｔａｇｅꎻｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｗａｙ
１㊀引言
配载是码头作业过程中的一个非常重要的组成部分ꎬ关系着码头和船方两方的利益ꎮ对于船方而言ꎬ配载需要以积载要求为基础ꎬ以满足船舶适航条件要求为前提ꎻ对于码头来说ꎬ配载需要达到码头的作业要求ꎬ保证作业的连续性ꎬ在船期内完工ꎮ配载的好坏很大程度上决定了船舶的作业是否顺利ꎮ汪圆圆等[１]针对挂靠多港口集装箱船的全航线预配问题ꎬ以倒箱量最少㊁船舶纵向强度最优为目标ꎬ提出０－１整数规划模型ꎬ并采用混合整数规划算法㊁蚁群算法和遗传算法等模拟计算得出８ＢＡＹ集装箱船全航线智能预配问题研究的最优结果ꎮ牛王强等[２]从船方和码头两方面总结了自动配载近十多年的研究进展ꎬ给出了数学规划方法的一般思路ꎮ王斌等[３]对集装箱优化配载的具体流程进行了研究ꎬ设计了一个可以搭载不同优化算法的配载软件ꎬ并进行了软件实现ꎮ黄桁[４]研究了确定性和不确定性的自动化码头配载问题ꎬ针对确定性问题ꎬ设计基于集装箱与船箱位编号排序的禁忌搜索算法ꎬ在此基础上设计具有轮盘赌选择交换算子的改进禁忌搜索算法ꎬ基于贪婪算法设计禁忌搜索的初
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始解ꎬ通过一个ＢＡＹ的数据算例证明了其鲁棒优化模型的正确性和算法搜索的高效性ꎮ但上述研究仅停留在理论阶段ꎬ未能在码头中推广使用ꎬ或是未能考虑到目前机械设备㊁码头布局的革新ꎮ目前在洋山深水港四期全自动化集装箱码头内ꎬ所有船舶均可使用自动配载ꎮ本文就洋山深水港四期自动化码头的自动配载系统进行分析和介绍ꎬ以便更好地推
广和改善自动配载系统ꎮ
２㊀洋山深水港四期自动化码头的自动配载
分析
如图１所示ꎬ洋山深水港四期自动化码头为了
提升自动化堆场的容量和优化堆场布局[５]ꎬ相对于传统码头ꎬ作出了５个方面的改变
:
图１　洋山深水港四期自动化码头堆场布局
㊀㊀(１)箱区采取了不同于传统码头的水平布置ꎬ转而变为垂直码头布置ꎬ箱区之间为维修通道ꎬ两端设置ＡＧＶ(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧｕｉｄｅｄＶｅｈｉｃｌｅꎬ自动导引车)和集卡的交换区ꎬ水平运输机械不进入箱区ꎬ减少场内道路ꎬ严格区分自动化和非自动化区域ꎬ在交通管控上有了很大的改善ꎮ
(２)堆场纵深依据地形实现了最大化ꎮ
(３)与传统码头使用轮胎吊不同ꎬ每个箱区配
置２台轨道吊同轨运行ꎮ无悬臂箱区有明显的海陆侧分工ꎬ也能通过接力互相支援ꎮ当一台轨道吊故障时ꎬ将其推至维修区ꎬ另外一台轨道吊能够顶替作业ꎮ悬臂箱区则主要负责中转与出口业务ꎬＡＧＶ可以驶入箱区内的２１ｍ通道ꎬ２台轨道吊可以同时进行海侧作业ꎬ而陆侧作业只能由陆侧轨道吊完成ꎮ(４)海侧ＡＧＶ交换区设置了支架ꎬ增加调度的冗余度ꎻ陆侧则是直接对集卡作业ꎮ(５)冷藏箱采用相对集中的布置ꎬ与普通箱一同堆放在自动化箱区中ꎮ
对于配载员来说ꎬ最重要的是在满足船公司要求的重量㊁港口分布㊁特种箱特定位置的基础上ꎬ保证船舶作业的连续性ꎬ即保证供给桥吊的箱区出箱顺畅ꎮ
在传统码头ꎬ通常１条靠泊船舶的出口箱与中转箱堆场计划会安排在靠泊泊位的２~３块箱区ꎬ可由多台轮胎吊同时进入箱区进行发箱作业ꎬ即１个箱区有多个出箱点ꎮ在洋山深水港四期自动化码头中ꎬ无悬臂箱区可认为１个出箱点ꎬ悬臂箱区最多为
２个出箱点ꎮ为了保证同样的出箱点数量来满足海侧供箱能力ꎬ堆场计划不得不将１条靠泊船舶的出口箱安排在了靠泊泊位附近的几个ꎬ甚至十几个箱区中ꎬ给配载员的判断造成了很大的困难ꎮ
传统码头配载员在配船时ꎬ通常会注意每条桥吊作业路的箱区分布ꎬ尽可能在保证每条作业路的作业效率的前提下ꎬ确保在同一作业时间段堆场轮胎吊发箱不会冲突ꎬ作业路之间干扰较少ꎮ传统码头箱区数量较少ꎬ箱子分布较为集中ꎬ同一箱区出箱点较多ꎬ配载判断较为容易ꎻ洋山深水港四期自动化码头箱区数量多ꎬ箱子的分布又较为分散ꎬ配载员很难保证各条作业路均顺畅运转㊁互不影响ꎬ因此自动配载的开发使用很有必要ꎮ
自动配载将配载员的经验通过计算机语言和程序的方式ꎬ展现到配载结果上ꎬ相较于人工配载有以下３点优势:
(１)简化配载员操作与思维ꎮ自动配载只需要制作预配船图ꎬ相当于只需要搭建一个框架ꎬ具体的填充内容无需人工操作ꎮ
(２)提升整体配载效果ꎮ自动配载整体结果快
捷可靠ꎬ在堆场使用正常的情况下ꎬ自动配载对于单船的首配重箱翻箱率低于１０％ꎬ拼车率低于２０％ꎬ清列率大于８０％ꎻ空箱翻箱率为０ꎬ拼车率低于２％ꎬ清列率大于８５％ꎮ通常在预配准确㊁放关率较好的情况下ꎬ设置好各类要求的参数后ꎬ只需要调整数箱至数十箱之内ꎬ出箱情况良好ꎮ
(３)充分利用ＥＤＩ船图ꎮ对于传统码头ꎬ船公
司提供的ＥＤＩ船图是无用的ꎮ但是在洋山深水港四期自动化码头ꎬ只要ＥＤＩ船图的信息与在场箱信息出入不大ꎬ即可直接使用完成配载ꎮ
８
２
３㊀洋山深水港四期自动化码头自动配载的实现方式
３.１㊀自动配载总体流程
洋山深水港四期自动化码头自动配载整体实现流程为:载入信息㊁数据校验赫尔格式化处理㊁预配的属性组检查㊁预配的重量组检查㊁重量组划分㊁重量填充㊁应用自动配载算法进行配载㊁自动检查交换㊁输出配载结果ꎮ
３.２㊀载入信息及格式化处理
系统自动读取航次信息㊁参数文件㊁箱分组信息㊁船舶重量要求信息㊁港口信息㊁ＣＷＰ工作计划㊁预配位信息㊁箱区信息㊁在场箱信息㊁箱作业时间信息㊁船舶结构信息㊁重量等级信息的数据文件ꎮ将读取的原始数据进行归类整理ꎬ按照不同的关键字进行分类ꎬ存放在不同的数据结构中ꎮ
３.３㊀合法性检查与重量划分、填充
配载时的重要选箱原则就是规则与重量ꎬ所以将其分为属性组和重量组方便后续选箱ꎮ属性组即码头中箱子对应的规则ꎬ包含尺寸㊁空重㊁冷冻标志㊁危险品标志㊁箱型㊁高平㊁港口等内容ꎮ重量组可由船舶结构的数据导入ꎬ也可重新进行人工输入设定ꎮ如０~５ｔ为一个重量组ꎬ范围越小ꎬ越容易满足船方要求ꎬ但是翻箱率越高ꎻ范围越大ꎬ则可能会偏离船方的要求ꎬ但是翻箱率会有所下降ꎮ
预配位是拥有预配规则的船箱位ꎮ合法性是数量与重量上处于可执行的状态为合法ꎬ如制作好规则和重量组ꎬ预配箱数量小于等于可配箱㊁预配箱的重量处于在场箱重量组范围内等ꎮ
(１)检查属性组ꎮ根据统计得到的预配位的属性组信息ꎬ对比每个属性组中预配位和在场箱的箱子数目是否一致ꎮ如果在场箱中找不到符合这种属性组信息的箱子ꎬ就会出现提示信息ꎬ要求人工干预ꎬ检查输入信息是否有误ꎻ如果在场箱中这种属性组的集装箱不足以将该种属性组的预配位全部配载ꎬ那么便会输出提示信息ꎬ对多出的预配位信息进行人工调整ꎮ
(２)检查重量组ꎮ如果每个预配位都有相应的重量ꎬ要检查这个重量是不是和该预配的重量组相匹配(一般这种情况出现在ＥＤＩ导入)ꎮ循环遍历整个预配集合ꎬ检查每个预配位重量是否在对应的重量组范围之内ꎮ如果不合法ꎬ需进行重量组的重新划分和重量填充ꎬ否则便直接进入配载过程ꎮ(３)重量组划分ꎮ重量组的划分逻辑见图２ꎬ其匹配划分流程见图３ꎮ为了实现整船重量的合理分布ꎬ在匹配划分中进行如下的设计:将每个属性组的预配位集合根据距离中心排㊁最小层(甲板上下的最小层不同)㊁中心排的位置偏差大小进行排序ꎬ得到以中心到偏离中心的顺序排序后的甲板上下的预配位集合ꎮ循环这个排序后的结构ꎬ将重量组按照从重到轻进行填充ꎬ并按照中心位置排序后的预配位集合ꎬ一次循环会填充甲板上下各一个预配位对应的重量组(如果甲板上下都还有预配位)ꎬ一直到某个属性组的某个重量组数目填完ꎬ再填下一个重量组ꎬ最终将全部预配位要求的重量组填完ꎬ结束填充
ꎮ
图２㊀
重量组划分逻辑
图３㊀重量组匹配划分流程(４)重量填充ꎮ每个预配位都有对应的重量组和预配的船箱位ꎬ结合重量组的重量范围和船箱位在船上的位置权重进行相应的重量填充ꎮ如果该预配位比较靠近中心位置ꎬ填充的重量应该接近重量组的上限ꎻ而越偏离中心位置的预配位ꎬ填充的重量应越接近重量组的下限ꎮ在该重量组的最小重量的基础上ꎬ加上和位置有关的增加重量偏差ꎬ即得到该位置的填充重量ꎮ
３.４㊀应用算法进行配载
在配载具体某一个预配位时ꎬ对于所有的候选预配箱ꎬ需要指定一个合理的评价策略ꎬ整个决策的过程会根据这个评价策略的指标来进行ꎮ每一个预配位的决策过程都希望能选到最优或者次优的解ꎬ进而获得整体的优解ꎬ因此ꎬ评价函数对预配箱选择
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的结果起到决定性作用ꎬ科学合理的评价函数才能获得好的配载效果ꎮ针对洋山深水港四期自动化码头ꎬ算法目前考虑如下因素:
(１)轨道吊相关因素ꎮ包括大车移动速度㊁距离㊁作业不同层数在场箱的时间㊁位于悬臂或无悬臂箱区等ꎮ
(２)翻箱因素ꎮ
(３)ＡＧＶ因素ꎮ
(４)重量因素ꎮ
(５)其他因素ꎮ主要包含洋山深水港四期自动化码头具体情况的因素:在１６ｍｉｎ内出过４箱以上的箱区加罚分ꎬ避免箱区冲突ꎻ选择尽量小于该预配位的填充重量的箱子ꎬ避免超过槽重限制ꎻ桥吊双箱吊作业的第２个箱子尽量与第１个箱子在同一箱区出箱ꎬ减少ＡＧＶ拼箱的行驶时间ꎻ悬臂轨道吊尽量选择前一个装船箱的同一在场贝位的箱子ꎬ减少大车的移动时间ꎻ轨道吊尽量选择前一个装船箱的同一在场列的箱子ꎬ增加清列率ꎬ减少因为桥吊作业快慢或突发情况造成的翻箱ꎬ同时提高堆场的利用率ꎻ候选箱集中的箱区优先选择出箱ꎬ避免作业最后该箱区箱子剩余过多ꎻ允许舱内或甲板同一列中同港口组的高平大箱的上下互换ꎬ减少翻箱ꎮ
因此ꎬ其中部分因素是直接的时间因素ꎬ可以将其统一为时间单位ꎮ而像重量因素并不是直接的时间因素ꎬ为了便于比较和调节不同因素之间的重要程度ꎬ需要将非时间因素转化为时间因素ꎬ便于评价值的比较ꎬ也便于在实践操作中根据码头的不同工作状态ꎬ甚至是不同码头的不同情况ꎬ调节各因素之间的权重ꎬ进而取得较好的配载效果ꎮ在确定了预配箱的评价函数之后ꎬ还要确定配载整体评价的流程ꎮ在出箱过程中ꎬ先后集装箱之间是会互相影响的ꎬ比如同一个列中的上方集装箱和下方集装箱在倒箱时间上就会有直接影响ꎬ或者同一箱区出箱量与附近箱区出箱量之间也会互相影响ꎮ因此ꎬ配载除了对单独的每一个预配位进行评价之外ꎬ还需要给整个过程设计一个整体的优化策略ꎮ由于一次配载通常需要处理几百到几千个预配位ꎬ要获得全局最优解是难以实现的ꎬ所以采取了分枝搜索的算法ꎬ分出Ｘ条链路ꎬ考虑Ｙ个预配位ꎬ选取综合最优ꎮ３.５㊀自动检查交换ꎬ输出配载结果
在执行完自动配载后会生成第一次的结果ꎬ针对配载员设置的参数进行检验ꎬ对于不满足的位置进行箱子之间的交换ꎬ得到符合要求的结果ꎮ(１)重压轻检验交换ꎮ当出现有甲板或舱内上层箱比下层箱重的情况ꎬ结合配载设置的参数检验是否在允许范围内ꎬ如果超出ꎬ则进行该列上下层箱的交换ꎮ
(２)槽重负荷检验交换ꎮ通过配载员输入的平均大小箱负荷ꎬ在结合预配㊁已配㊁过境的层数计算得出总负荷ꎬ减去已配和过境的重量得到该倍预配的单槽负荷值ꎬ根据得出的负荷值执行下一阶段过程ꎮ其计算公式为:平均负荷ˑ所有箱子的层数－(已配箱重量＋过境箱重量)＝预配箱负荷ꎮ
自动配载完成后检验槽重ꎬ记录超重的槽和超重的吨位ꎮ进行整船检索ꎬ优先交换舱内不同槽的箱子ꎬ解决超重的问题ꎬ同时根据重量允许的范围进行整船重压轻的重量组交换ꎮ记录交换后的整船重量分布ꎬ删除原先配载ꎬ重新生成配载ꎬ其目的是得到更好的配载效果ꎮ例如ꎬ交换后一个预配位记录了２４.５ｔ的重量ꎬ那么再次配载时给出一个２４~２５ｔ的重量组范围ꎮ多次重复上述步骤ꎬ将重量范围越缩越小ꎬ直至不出现超负荷的情况ꎮ如出现没有合适箱子可用交换时ꎬ完成自动配载ꎬ给出超重位置ꎬ让配载员人工介入ꎮ
４㊀结语
自动配载系统从开港运行至今表现良好ꎬ已经能够支持目前１６台桥吊同时作业的规模ꎬ对于船方的积载要求也能基本满足ꎬ同时也支持人工调整满足船方的特殊要求ꎮ但作为一个全新的系统ꎬ其中的部分决策因素仍需要不断进行优化ꎬ以适应自动化码头作业的需求ꎮ
参考文献
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范佳彬:２０１３０６ꎬ上海市浦东新区同汇路１号
收稿日期:２０１８￣１２￣２１
ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００－８９６９.２０１９.０１.００９
０３。