集装箱码头课程设计陈迪0632100004集装箱码头集卡调度与数量配置优化姓名学号专业上海海事大学二。九年六月摘要随着集装箱运输和集装箱码头的迅速发展，在集装箱码头对装卸效率的要求越来越高的 前提下，探讨了在集装箱码头集卡传统调度的基础上，考虑了集卡的装卸时间及运输时间等 问题，提出在数字化技术环境下的集卡数量配置的优化方案，通过SPSS软件和EXCEL进 行数值仿真实验。并在实验数据的基础上，提出提高集卡和桥吊配合作业效率的可行性建议。关键字：集卡，调度优化，数量配置1 选题背景及文献综述随着集装箱运输的迅速发展，集装箱船舶的日趋大型化、高速化，迫切要求集装箱码头 配备与之相应的集装箱码头装卸系统和运输体系，也要求集装箱码头实现作业高效化、自动 化、现代化和标准化，加速车、船、箱的运转，以降低运输成本，提高集装箱码头的整体运 营效益。集卡是集装箱堆场中灵活、数量大、工况复杂的水平运输机械，因此要想完成堆场机械 的高效运行必须合理解决堆场集卡调度问题。在装卸过程中，通常根据岸边装卸桥的作业顺 序分配调度集卡，完成集装箱在船边和堆场间的水平运输。集卡调度就是为每台装卸桥分配 集卡，并且决定为其服务顺序，其目的是降低装卸桥等待时间，提高集装箱码头装卸效率。为了提高码头的吞吐量和客户服务水平，世界各地的集装箱码头都已经加大了新的技术 投入，新型决策支持系统被广泛采用。目前针对集装箱码头内车辆调度问题，许多码头采用 了 AGV自动导航集卡，ASC自动场桥，GPS等技术i,以获得更精确的信息，降低人力投 入成本以及资源浪费。国际上对于集卡的研究，大多是关于AGV自动导航集卡的研究，如 Bishii提出AGVs动态调动模型，采用启发式算法进行求解，减少船舶在港时间；Visiii建立 了具有时间窗约束的车辆调度模型，以最小化AGVs的需求数量等。在集卡运输方面,Kozaniv 等运用启发式算法研究集装箱码头集卡运输问题，讨论了影响集装箱码头作业效率的因素； Kimv讨论在装船时叉车和场桥取箱路径优化问题，采用了整数规划方法进行建模和求解。 在中国，杨静蕾Vi研究了码头物流路径的优化问题，吕显强vii等建立了集装箱码头分派车辆 的整数规划模型，严政和陶德馨Viii分析了基于动态优化组合的集装箱码头集卡调度问题。本文将采用 EXCEL 的仿真模式对集装箱码头集卡调度系统与模型仿真研究，对集卡的 运行和作业效率的数据进行比较，提出集装箱码头集卡调度的优化方案。2 目前集卡调度研究中存在的问题目前国际上对集卡调度的研究大都集中在AGV调度，因为AGV系统一般配有密集的 传感器网络，位置信息较详细，运行也比较稳定。但是国内港口目前尚未使用AGV系统， 而是采用有人驾驶的集卡，这种情况下控制室可以获得的有关集卡的信息量是有限的，同时 有人驾驶的人为因素也增加了控制的码头不确定性。目前已有的研究大多更偏重于理论方面，并且选取的验证模型的普遍性不强，过于特殊， 规模也比较小，造成了验证过程偏离实际，存在着逻辑上的不完善等问题。另外，目前的研究核心依然是同船调度问题，虽然已有学者对两船一装一卸情况下的集 卡调度问题进行了研究，但研究对于实际的全场集卡调度问题还是缺乏针对性的解决办法。 这是因为全场调度的规模大，不确定性强，很难建立有效的数学模型。3 集装箱码头集卡调度的优化我国国内的集装箱码头大多采用“作业线”生产方式进行船舶装卸作业，这是指集装箱 码头为到港船舶配备装卸设备时，首先根据船舶资料和箱量情况为船舶配备装卸桥，然后再 为每个工作桥吊配备固定台数的固定集卡。当某一辆集卡配备给某“作业线”后，这辆集卡 只能运输此作业线上的集装箱，而不能承载其他作业线的运输任务。我国的集装箱码头一条 作业线上机械的配置大约为一台岸桥对两台场桥，六至七辆集卡固定为一台岸桥服务。在这 种情况下，不论岸桥多么空闲，这些集卡都不会脱离该岸桥去执行其他任务，也不论岸桥多 忙碌，即使出现岸桥等待集卡的现象，也不会有新的集卡加入来加速完成任务。这样，就需要采取措施，对集装箱码头集卡配置进行优化，合理安排集卡的数量，同时增加集卡和岸桥 的利用率和作业效率。4.1 优化集卡调度的原则方案对集卡配置和调度的优化可以从以岸边起重机为本的集卡调度系统和以集卡为本的集 卡调度系统入手进行分析。4.1.1 以岸边起重机为本的运行模式 以岸边起重机为本的集卡调度系统模式是把提高岸边起重机的效率放在第一位的，其计 算机实现原理如下图所示。!fc*+*A弭用責理 林 卡 勒鱼柞业卷弄柔卡阿彌用霽嚣倉聚卡秦卡亶堂(#S)t-ro*f图 岸边起重机为本的集卡调度系统的计算机实现原理图在这种模式中，对集卡的调度原则是，宁可让集卡拥挤在岸边起重机下排队，决不出现 集卡脱档而让岸边起重机等待集卡。通过这种方式，有利于集卡在不同作业效率的岸边起重 机之间的再分配，以及集卡行驶路线的最大可能的优化，同时最大限度地提高集卡重进重出 的可能性。其运行结果是：当岸边起重机作业路相对效率高时，能够调用到更多的集卡；当岸边起 重机作业路相对效率持平时，保持本身设定数量的集卡；当岸边起重机作业路相对效率低 则让出部分集卡，并且装卸循环比例高，集卡行驶路线优化。其优点在于能够充分体现岸边 起重机对集卡运驶能力的需求，并尽可能得到解决，最大限度地减少岸边起重机等待集卡现 象的发生概率，从而有效地提高整体作业效率，并且有利于最大限度地提高集卡重进重出的 可能性，有利于集卡行驶路线的最大可能的优化。但是，这种模式同样存在着缺点，集卡经常而且轮流出现短暂的等待指令现象，同时， 也可能出现集卡由于较长时间接收不到指令而盲目行驶的现象。当部分集卡的通讯中断或者 擅自退出作业，以致集卡供给总数小于岸边起重机对作业路对集卡的需求总数时，部分岸边 起重机长时间调用不到足够数量的集卡，直至集卡供需总量平衡，或者其他岸边起重机作业 路相对效率降低时，才可能解决。4.1.2 以集卡为本的运行模式集卡为本的集卡调度系统的运行模式下把提高集卡的效率放在第一位，其计算机实现原 理如下图所示。图 集卡为本的集卡调度系统的计算机实现原理图在这种模式下，集卡的调度原则是，对集卡来说，系统只考虑无条件满足集卡全部收到 的作业指令，不判断岸边起重机作业路对集卡的需求，也不判断岸边起重机作业路集卡是否 富余；而对岸边起重机来说，系统首先无条件满足发出岸边起重机所设定集卡数量值的作业 指令。其运行结果是：当岸边起重机作业路作业均衡时，集卡不会被调用也不会被多调用；当 岸边起重机作业路作业不均衡时，无作业任务的作业路让出空闲集卡，供有作业任务的岸边 起重机作业路调用；当岸边起重机作业路作业均衡时，集卡长时间固定在某一岸边起重机作 业路下单卸、单装，只有在岸边起重机作业路的任务不均衡时，才会有装卸循环出现；集卡 行驶路线同样缺乏优化的条件。其优点在于能最大限度地满足集卡及时获得作业指令，因而集卡行驶方向明确；岸边起 重机作业路调用集卡的保证度高；集卡等待指令现象发生的概率比较低。其缺点在于发生岸边起重机等待集卡现象的概率相对较高；通常集卡没有条件实现重进 重出装卸循环，固定在某一岸边起重机作业路下单卸、单装的可能性较高；集卡行驶路线的 优化通常不具备条件；当部分集卡通讯中断或者自动退出作业，以致集卡供给总数小于岸边 起重机作业路对集卡的需求总数时，部分岸边起重机长时间调用不到足够数量的集卡，直至 集卡供需总量平衡， 或者其他岸边起重机作业路无作业任务时，才可能解决。4.2 调度优化模型4.2.1 ATM 模型在简单的单桥吊配备集卡数量的模拟中，采用EXCEL进行ATM模型的数值模拟。通过一些在前人研究的基础上已得出的数据或观察测量出的数据，利用 SPSS 软件算出 使用时间呈正态分布，并可以算出客户使用时间的均值和标准差。同样，通过已得出的数据 或观察测量出的数据，利用SPSS测出间隔时间为均匀分布，设定顾客到达间隔时间的区间 下限为 0，区间上限为5。再用随机数RAND设定每个顾客的到达的间隔时间，公式为：(区间上限一区间下限)*RAND根据使用时间的均值和标准差运用函数算出每个顾客的使用时间，公式为：NORMINV(RAND()，均值标准差)设定到达时刻时，第一个人的到达时刻即为其间隔时刻，第二个人至最后一个人的到达 时刻都为间隔时刻加上前一个人的到达时刻。设定开始使用时刻，第一个人的开始使用时刻即为到达时刻，其余的开始使用时刻是在前一个人的完成时刻和本人的到达时刻中取大者。用的是max函数。 等待时刻为开始使用时刻减去到达时刻。 完成时刻为开始使用时刻加上使用时刻。停留总时刻为完成时刻减去到达时刻。 由以上各项的数据，就可以算出等待人数、等待概率、平均等待时间、最长等待时间 及其利用率、等待超过一分钟的人数和概率等各项指标，从而评定单ATM机的使用程度以 及可以根据这些指标判断是否应该增加机器。4.2.2 配置一台集卡的集装箱运输模拟 应用该模型研究的是在船舶靠港时间均衡、集装箱装卸效率均衡的情况下，一台桥吊应 配置的集卡数，使得工作效率最高。假设目前只配备一台集卡，考虑是否应该增加集卡的配备。以下数据为 100 次的集装箱装卸时间：12345618910开始时间0173455.16.76.88.48.510.1结束时间1.83.55.26.86.98.59.210.210.9117811121314151617181920开始时间10.211.811.913.513.615.216.316.3216.917.02结束时间1214.213.5815.315.41717.71718718.721222324262627282930开始时间18.618.7220.0920.32222.1223.4923.725.425.52结束时间20.420.422.122.123.823.825.526.127.227.231323334353637383940开始时间26.8927.128.5928.830.530.6231.9932.233.934.02结束时间28.928.930.631.232.932.33434.635.735.741424344454647484950开始时间35.635.7237.337.4238.793940.740.8242.442.52结束时间37.437.439.139.140.841.443.142.544.244.251525354555657585960开始时间44.144.2245.845.9247.547.6248.994