自动化集装箱码头桥机资源策划系统
丁益华
桥机是集装箱码头重要的装卸设备，桥机利用率对码头装卸效率有重要影响。具备前瞻性的桥机资源策划方案能够使后续的装卸作业更加流畅，有助于实现降本增效的目标。随着自动化集装箱码头的蓬勃兴起以及船舶大型化趋势的持续发展，码头作业的不均衡性加剧，从而使桥机资源策划面临更大挑战和更高要求。本文针对自动化集装箱码头桥机资源配置问题，在综合考虑船舶装卸作业相关因素的条件下，建立以桥机利用率最高和桥机作业成本最低为目标的整数规划模型，并采用分支定界法求解和优化，据此构建自动化集装箱码头桥机资源策划系统。
1 研究背景
传统的桥机资源策划方案通常由船舶计划员根据经验编制完成，编制前需要掌握以下资料：（1）上个昼夜船舶作业进度和桥机作业状态;（2）船舶相关资料，包括船舶吃水、到港动态、进口箱量、出口预配箱量和船图、大件货物信息、危险货物信息、船期及其变更通知、修船要求、船舶靠泊方向等;（3）码头潮汛和气象信息;（4）码头设施设备维保计划;（5）支线船舶每日到港动态。船舶计划员根据上述资料，结合船舶靠离泊计划，并综合考虑码头作业能力、作业设备和人力资源等因素编制桥机资源策划方案。由于桥机资源策划方案的数据来源较多且编制工作量较大，加之需要在较短的时间内完成，船舶计划员难以实现精确计算，导致人工编制的桥机资源策划方案往往与现场实际作业情况存在较大差异，难以有效指导后续现场作业。
鉴于人工编制的桥机资源策划方案存在上述弊端，有必要研发和应用智能化的桥机资源策划系统，使其基于相应的模型和算法，在综合考虑相关因素的条件下，自动编制可行的桥机资源策划方案。桥机资源策划领域的研究成果包括：隋延清[1]通过建立联合调度模型和设计启发式算法求解船舶调度方案，并以船舶调度方案为仿真逻辑设计仿真實验，探究海侧作业资源配置与船舶在港时间的关系;王辉球[2]探讨桥机调度问题的计算复杂度，并证明该问题是完全多项式非确定性问题;郑红星等[3]针对集装箱码头泊位确定条件下的单船桥机分配和调度问题建立线性规划模型;范志强等[4]分析桥机支援对船舶装卸作业效率的影响，指出缩短桥机等待时间有利于加强桥机支援和提高码头整体运作效率，并建立以最大完工时间和桥机等待时间最短为优化目标的桥机作业调度双目标混合整数规划模型;乐美龙等[5]以单艘船舶的桥机作业时间最短为目标，建立单艘船舶桥机调度的混合整数线性模型。本文在现有研究成果的基础上，结合自动化集装箱码头的生产特点和船舶计划员的作业经验，在综合考虑船舶装卸作业相关因素的条件下，建立以桥机利用率最高和桥机作业成本最低为目标的整数规划模型，并采用分支定界法求解和优化，据此构建自动化集装箱码头桥机资源策划系统，实现桥机资源的自动分配。
2 桥机资源策划系统实现路径
2.1 方案设计
桥机资源策划系统的设计目标是：以桥机利用率最高和桥机作业成本最低为基本原则，为等待安排桥机作业计划的船舶统筹分配桥机，从而在1个计划周期（24 h或）内，使所有船舶均能在靠离泊作业计划时间内完成作业。桥机资源策划问题可以解析成将不同组合的桥机资源在不同时间段分配给待作业船舶，具体方案如下：首先，将作业相关因素折算成时间;然后，结合自动化集装箱码头生产特点，对桥机和时间进行组合;最后，筛选出部分可行的整数组合，以桥机利用率最高和桥机作业成本最低为目标建立模型并求解。桥机资源策划系统设有人机交互界面和人工干预机制，在算法结果不满足要求的情况下，允许人工介入调整。
2.2 算法流程
桥机资源策划算法的主要逻辑是：将需要安排桥机的船舶作业时间分割成时长为1 h的多个时段，并以需要安排桥机的最早时间为基准点，每隔1 h遍历计算1次，将桥机分配给满足作业条件的船舶，直至所有船舶均已分配桥机，最终得到当前时间段内所有船舶的桥机分配结果。在计算船舶桥机组合解的过程中，需要综合考虑桥机维保计划、驳船桥机资源策划方案（人工编制）、桥机移动的线序性、桥机电缆范围、后续靠泊船舶、同一桥机在相同时间段内不能作业不同船舶等约束条件。将所有船舶的桥机组合按照桥机物理位置线序性排列，作为1次桥机资源分配结果，即1个分支节点。在一段时间内，满足约束条件的桥机均能分配给对应船舶，从而产生多个分支节点。船舶桥机组合的核心是为每
艘待作业船舶安排完成作业所需的数量最少的桥机。结合自动化集装箱码头作业特点，在满足业务规则硬性约束条件的前提下，以桥机利用率最高和桥机作业成本最低为评价标准，对船舶桥机组合的每个分支节点进行评分，从中获得桥机利用率最高和桥机作业成本最低的解，其中：桥机利用率为已分配桥机数量与桥机总量的比值，桥机作业成本为所有作业桥机的移动距离之和。桥机资源策划算法流程见图1。
2.3 关键参数计算
船舶作业时间是桥机资源策划模型中的关键参数。要计算船舶作业时间，首先需要计算船舶贝位关数。
2.3.1 船舶贝位关数计算
计算船舶贝位关数需要装卸船箱量或计划装卸船箱量等数据。通常情况下，船公司会向码头提供船舶干路图，其中包括装卸船箱量等数据，此时按照船舶干路图计算贝位关数即可。有时船舶干路图仅包含部分数据，此时可按照以下步骤计算船舶贝位关数：（1）如果船舶干路图有卸船箱量数据而没有装船箱量数据，则把计划装船箱量平均分配至船舶干路图中的卸船贝位;（2）如果船舶干路图有装船箱量数据而没有卸船箱量数据，则把计划卸船箱量平均分配至船舶干路图中的装船贝位;（3）如果船舶干路图既没有装船箱量数据也没有卸船箱量数据，则把计划装船箱量和计划卸船箱量平均分配至船舶所有贝位。
2.3.2 船舶作业时间计算
得到船舶贝位关数后，需要通过计算将关数转换成贝位作业时间，从而为后续的模型计算提供有效的输入数据。
不同贝位相同箱型的桥机作业时间不同，相同贝位不同箱型的桥机作业时间也不同。首先，通过分析船舶历史作业数据，得到各贝位不同箱型所占比例及作业时间;其次，用船舶贝位关数乘以相应贝位不同箱型所占比例，得到相应贝位不同箱型关数;再次，根据相应贝位各箱型关数和作业时间，进行先相乘后累加的计算，得到贝位作业时间;最后，计算船舶每个贝位作业时间。
2.4 模型构建
2.4.1 模型算法
桥机资源策划问题可视为组合优化问题。分支定界法适用于解决纯整数规划问题和混合整数规划问题，并且便于计算机求解，故本文采用分支定界法来求解船舶待分配桥机的可行性组合解集，具体实现过程如下：用搜索树描述求解过程，计算搜索树上每个节点对应的可行解空间的下界或上界，利用界限选择分支节点，并在该节点的基础上分裂计算可行解组合，从而产生子节点，直至产生最优解。由此可见，分支定界法包含分支和定界：分支的目的是为求解整数规划问题创造条件;定界的目的是提高搜索效率。
自动化集装箱码头桥机资源策划需要综合考虑多方面因素，包括船舶靠离泊计划、设备和人员出勤计划、驳船作业计划、设备维保计划和船舶干路图等。据此，在算法模型生成船舶桥机组合解的过程中，主要考虑以下因素：（1）船期计划，包括开始作业时间和结束作业时间;（2）船舶作业时间;（3）桥机信息，包括桥机位置、桥机电缆范围、桥机维保计划和驳船作业计划;（4）算法配置参数。
2.4.2 符号说明
（1）c为桥机集合，ci∈c ，i∈（1，2，…，n）。
（2）s为计划周期内待作业船舶集合，sj∈s，j∈（1，2，…，m）。
（3）sjit为0-1变量：若船舶sj在t时刻选中桥机ci作业，则sjit=1;否则，sjit=0。
（4）cjit为0-1变量：若桥机ci在t时刻可以作业船舶sj，则cjit=1;否则，cjit=0。
（5）wtj為单台桥机作业船舶sj所需时长。
（6）T为计划周期，一般为24 h或48 h。
（7）t为计划周期T内的某一时刻，0≤t≤T。
（8） it为0-1变量：若桥机ci在t时刻被分配，则 it=1;否则， it=0。
（9）pit为桥机ci在t时刻所处的贝位位置。
（10）| g|为2个贝位之间的距离。
2.4.3 目标函数
目标函数为
F=min（ 1 + 2 ）（1）
F1=（2）
F2=（3）
式（1）～（3）中：F1为桥机利用率;F2为计划周期内桥机作业成本; 1 和 2分别为桥机利用率评价指标权重和桥机作业成本评价指标权重，满足 1+ 2=1，本模型取 1= 2=0.5，即桥机利用率评价指标权重与桥机作业成本评价指标权重相同。
约束条件为
sjit cjit≥wtj j∈（1，2，…，m）（4）
sjit=0 jt，sj（i 1）t+sj（i+1）t<2，1≤i≤n 1（5）
式（4）表示所有船舶在计划周期内作业完毕;式（5）表示同一时刻每艘船舶所分配的桥机满足线序性。
3 桥机资源策划系统功能及界面
3.1 系统功能
桥机资源策划系统具有以下功能：（1）通过数据接口从码头生产系统中获取算法模型所需数据，并通过图形化界面向用户呈现计算结果;（2）允许根据实际情况调整算法模型的输入参数和输出结果，如允许修改桥机分配时段等;（3）通用性功能，如导出和打印计算结果等。
3.2 系统界面
3.2.1 桥机资源策划主界面
桥机资源策划主界面（见图2）由船舶信息界面和桥机资源策划信息界面组成，其中：船舶信息界面显示下个昼夜即将靠泊码头的船舶信息，内容包含船名、航次、装船箱量、卸船箱量、离泊时间和船时箱量等;桥机资源策划信息界面以图形化方式显示桥机资源策划结果，内容包含桥机编号、行车范围、班组、时间和桥机安排等，并且允许以图形拖动的方式调整策划结果。
图2 桥机资源策划主界面
3.2.2 船舶干路图子界面
船舶干路图子界面（见图3）显示船名、航次、船舶贝位号、卸船箱量、装船箱量、卸船关数、装船关数和合计关数等信息。系统通过计算得到箱量和关数等数据，并且允许根据实际情况调整数据。
图3 船舶干路图子界面
4 结束语
桥机资源策划系统目前已在上海港洋山深水港区四期自动化集装箱码头投入使用。与传统的人工策划方式相比，桥机资源策划系统的运行效率更高，资源配置结果更符合码头实际生产作业情况，不仅能够降低人工成本，而且能够提高码头作业效率，从而为码头带来更高的经济效益。
参考文献：
[1] 隋延清. 集装箱码头海侧作业资源配置仿真优化[D]. 大连：大连海事大学，2020.
[2] 王辉球. 集装箱岸吊的调度模型和算法研究[D]. 北京：清华大学，2006.
[3] 郑红星，吴岳，涂闯，等. 单船岸桥分配与调度集成优化模型[J]. 计算机应用，2015，35（1）：247-251.
[4] 范志强，乐美龙. 最小化最大完工时间与等待时间的岸桥作业调度双目标优化及其遗传算法[J]. 系统管理学报，2013，22（1）：120-127.
[5] 乐美龙，赵彦营，刘秀玲. 时间窗下单船岸桥调度――基于数学规划和规则的启发式算法[J]. 计算机工程与应用，2014，50（9）：242-248.
（编辑：张敏 收稿日期：2021-11-30）
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