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集装箱堆场作业用轮胎式场桥的布置
理查德·林娜，吉银·柳布，叶华万布，楚迁章克，卡塔·G·穆尔特德(Katta G.Murtyd)
A佛罗里达国际大学工业与系统工程系，迈阿密，佛罗里达州33174，美国
B香港科技大学工业工程及工程管理系
中华人民共和国香港九龙清水湾
C马伦银集团，萨默塞特，NJ 08873，美国
D美国密歇根州安阿伯密歇根大学工业和操作工程系
摘要
集装箱码头的竞争力一般以船舶的卸货时间和装货时间来衡量。岸上起重机的运行吸引了大量的研究工作。然而，岸上吊车作业管理是以经验为基础的，直到最近十年才受到重视。本文给出了最优堆场起重机配置的算法和数学模型。通过从某大型集装箱码头提取的一组实际运行数据，验证了该模型在优化堆场起重机配置中的潜力。
关键词：集装箱起重机部署终端；网络模型
简介
海运集装箱运输业在国际市场全球化中发挥了重要作用。货物被集装箱化，并通过集装箱船舶从一个港口运到另一个港口。香港是华南地区的主要入境口岸，在一九八六年至一九九六年期间，港口(海洋及河流)的总吞吐量平均每年增长11%。1992年香港已被列为世界最繁忙的集装箱港口，1997的吞吐量达到1450万标准箱（TEU）。作为南部经济强劲增长一个地区，预计未来十年的货运量将大幅增长。到2016年，集装箱吞吐量估计会达到三千二百八十万标准TEU单位(香港港口发展局，1998年)。
由于堆场土地面积非常有限，集装箱码头的运作效率成为香港港口处置快速增长的吞吐量需求的主要挑战。
如图1所示，海港货柜码头由一个大型堆场组成，陆路侧设有多个闸，供地面车辆运送进出口集装箱。同时将进口集装箱和一个或多个泊位停靠在海轮可以停靠的海岸处，以交付进口货物集装箱并接上出口货物集装箱。集装箱有两种规格，一种是20英尺的，20，8 ，8.5，一种是40英尺的40，8 ，8.5。二十英尺长的集装箱曾经是最常用的集装箱，然而，四十英尺的集装箱开始占据主导地位。集装箱码头的吞吐量是以处理的TEU数量来衡量的。40英尺集装箱算作两箱。根据堆场的物理形状和大小，它通常被划分成大的区域，称为区域。每个区域被进一步划分为矩形存储区域，称为贝位。每个贝位都有几条车道，用于在堆场中存储集装箱，还有一条车道，供地面车辆接送集装箱。在每个堆栈中集装箱都堆放在其他堆栈上。最大堆垛高度由使用的堆场起重机决定。主要的集装箱码头经常使用多个泊位、多个区域和数百个储存区的区域。
在海边，集装箱由码头起重机卸下并装船(图2)。集装箱是通过内部卡车在海旁和仓库之间运输的， 只在终端内操作外部卡车运输集装箱之间的仓库堆叠和外部客户。每个堆栈中的集装箱的堆叠和挪动都是通过以下方式完成的，无论是轮胎式门式起重机（RTG）或轨道龙门吊（RMG）。每个起重机处于一个存储块空间，RMG处于两排车轮与车道之间的空间。RMG在固定在每个块上的轨道上移动。该建筑允许更多的中间储存通道(香港港口有13条通道)，提供更高的存储容量。RTGC在橡胶疲劳轮上移动 一个街区的空间。如图3所示。RTGC处于一个7车道的存储区。RTGC可以从一个块转移到另一个块，提供更高的灵活性，
因为它们有比较低的蓄电池容量。在这两种情况下，街区一侧的一条车道空间被预留给卡车的装卸和运送，其余的车道被指定用于集装箱储存。每个rtgc区域，或车道，均设有若干(通常在香港是26个)堆叠，或标准集装箱单位长。龙门起重机的高度决定每个堆稿，它因港而异。如果RTG的工作高度为5个集装箱单位，并跨越7车道空间，则每个堆叠最多可容纳30个集装箱(5个集装箱高度和6车道宽)。然而，如图4所示。如果底部的集装箱要移动，必须首先把顶部的三个集装箱清除或移动到相邻车道。因此，通常一个堆叠中最多有26个集装箱，因此在第五高度的4个空间经常保持开放，以方便集装箱起升和堆放。虽然RMG有较高的储存量(香港有6高12车道宽)，由于其机动性和操作灵活性，RTG仍然是堆场作业的首选设备。
集装箱码头的整体效率，是以船只平均卸货/装载时间来量度的。只有当堆场规划和控制功能，如起重机起升、集装箱堆放、起重机调度、车辆交通控制、集装箱重组等都经过精心的规划和协调，才能实现最大的效率。但是，当前的RTGC部署是手动完成的，没有采用自动化程序。通常情况下，空闲的RTGC被随机地从块中提取出来，并被移动到另一个块，以便在出现拥塞时进行工作。本文采用混合整数规划方法对RTGC部署过程进行建模，以香港一个主要集装箱码头的实际个案资料，证明该模型的表现。第2节论述了以往集装箱码头运营的相关工作，以及在部署作业方面研究工作的不足；第3节给出了RTGC部署建模的细节，第4节描述了模型的实现；第5节对从RTGC部署派生的两种不同部署策略的性能进行了数值比较；第6节总结了本文的工作。
- 文献综述
虽然早期的港口泊位系统工程是可行的，但没有人认识到在泊位的客户服务时间可能取决于岸上货物装卸设备的可用性(DaganZo，1989年)。有关集装箱码头规划与控制的文献始于20世纪80年代末。van Hee、Huitink和Leegwater(1988)讨论了散装码头规划决策支持系统中所使用的阵列模型及其集成问题。后来，Van Hee和Wijbrand(1988)描述了一个集装箱码头能力规划决策支持系统，该系统支持码头起重机的能力及其布局等战略决策和战术上的决定，比如在堆场里分配集装箱的规则的选择。然而，它并没有确定起重机的分配时间表或操作计划。Dagabzo等人利用高浓缩铀研究了岸上起重机的调度问题 RISTIC方法，目的是以最小的延迟来装卸所有船只。Peterkofsky和Daganzo(1990)利用分支定界法进一步尝试了调度问题的精确解，Tableb-Ibrahim himi、de Castilho和Daganzo(1993年)开发了根据船舶到达时间表为入境出口集装箱分配储存空间的方法。De Castilho和Daganzo(1993)研究了允许来自不同船舶的进口集装箱按船舶到达时间混合或分开存放所需的操作工作量(从移动的次数来看)。SHEN和Khoong(1995)提出了一个决策支持系统，用于解决航运公司空集装箱到需要的港口的配送规划问题。Kim和Bae(1998年)介绍了一份关于在韩国港口重新分割出口集装箱的研究报告。YunandChoi(1999)开发了一个面向对象的模拟，用于分析韩国釜山集装箱码头的简化版本。Kim和Kim(1999 a，b)考虑了如何为进口集装箱分配储存地点。他们(Kimamp;Kim，1999 a，b)还研究了出口集装箱装货作业中跨国界运输的路线。
结果显示，虽然有关集装箱码头长远规划的工作仍在进行，但有关营运管理问题的研究工作，直到最近才开始。码头运营是全球运输物流中的一个重要环节。为了提高效率和保持竞争力，我们应该在日常的堆场作业和控制问题上多下功夫。起重机的部署是堆场作业管理的一项重要功能，这是以往从未涉及过的。第3节将介绍正式起重机部署程序的发展情况。
RTG的调度算法
集装箱堆场一年昼夜不停地运转，每天三班。如前所述，在起重机部署中没有采用自动化程序。更好地管理部署 通过一天的工作量变化，每个班次可以进一步划分为若干规划期。在目前的研究中，使用了两个小时时间。一天按计划分为六段：00:00–4:00, 4:00–8:00, 8:00–12:00, 12:00–16:00, 16:00–20:00, and 20:00–24:00。每天晚上，收集第二天各街区的工作量预测数据，并为每个区块制定作业计划。 其中六个周期是确定的。出于作业安全的考虑，堆场作业通常为集装箱运输分配最多两个RTGCs，空闲rtgcs可以传输到另一个块，帮助处理集装箱运输。理论上，RTGCs可以在需要的情况下多次进出块。然而，为了减少交通堵塞，在这项工作中，进出一个街区的车辆最多只能有一个。
如果两个街区相邻，共用相同的车道，RTGC可以从一个街区转移到另一个街区，不需要任何转弯就可以将轮胎笔直地移动。如果RTGC从 一个街区到另一个车道上的另一个街区，它必须先从街区移到当前街区尽头的空地(道路)，在轮胎上转908圈，平行于街区宽度移动。 在相邻街区的正确车道上排队，再次对轮胎进行908转，然后进入块。这908个转弯需要额外的时间。因此，我们假设rtgc从一个块转移到相邻的块大约需要10分钟，如果传输需要908次，则需要额外的5分钟。
例如，如图4所示：如果将区块W1处的RTGC转移到块W2，则分配10分钟的传输时间。如果rtgc被转移到w4块，那么需要15分钟。如果RTGC要从W1块转移到W3块，则还需要15分钟。
3.1。部署算法
在每一天开始时，每个块中执行的预期移动数是已知的。通过将移动次数乘以每次移动的平均时间，可以很容易地转换起重机时间方面的预期工作量。RTGC部署的目的是将工作负载溢出从一段时间减少到下一段时间。如果一个存储块在一个时间段的开始时有一个完整的工作负载，那么这个RTGC应该继续留在它的块中。然后，这个块不需要另一个RTGC，它的RTGC也不必部署到另一个块。显然，在规划阶段开始时，一些块不需要或不能再使用RTGC，而一些RGTC根本无法部署。因此，可以通过将块排序为接收器块、源块来减少部署问题的大小。接收器块的工作负载不能由其当前的RTGC容量完成，并且它的RTGC不足两个(它需要支持，可以接受额外的支持)。在此期间，源块具有额外的块内起重机容量.非块既可以是总工作负载等于可用块内起重机容量(不需要帮助)的块，也可以是块。 其工作负载超过两个RTGCs的容量，但它已经有两个内置RTGCs(它需要支持，但不能再接受任何支持)。换句话说，源块具有额外的备用容量，而接收器块需要并且可能获得额外的容量。这两个区块不需要或不能获得任何额外的容量。因此，为了节省计算时间，将它们排除在模型中。理论上，在完成自己的工作后，源块中的起重机可以转移到下沉块。然而，转移确实需要时间。额外的起重机-在一个源块中可用的分钟必须足以覆盖源块和汇块之间的旅行时间。否则，源节点和接收器节点之间的弧无效。考虑到这些，本文描述了RTGC部署期间的算法。
给定以下可变定义：
Wi 第一阶段开始时的总工作量。
Ri 第一阶段开始时第一阶段的RTGCs数量。
Tc 总起重机-分钟/起重机/期间。TC 240为4小时的计划期.
Nc 在任何时候允许在每个街区内的起重机的最大数量。当前情况下的NC 为2。
- P离散步骤确定合格的RTGC和接收器块：
对于I=1,n
-
- 如果Wi大于等于TcRi且Ri=Nc，从进一步计算中删除块I及其rtgcs。
- 如果Wi等于TcRi，从进一步计算中删除第一项及其RTGCs
- 如果Wi大于TcRi且Ri小于Nc，使块I成为一个未完成工作负载的接收器块，wi *= wi -Tcri:；它的rtgc需要在整段内停留，因此不再进一步计算。
- 如果wi 小于Tcri然后从进一步考虑中去掉这个块，但它有vi =Tcri -Wi和过量的RTGC-时间可用。设置NA =INTEGER vi=Tc ACTION：使块中的NA RTGCs可用。
如果vi/Tc小于等于1；使该块中的一个RTGCs符合vi分钟的要求(即如果选择此RTGC转移到新的块j；它将在完成Wi=Tc-Vi分钟后立即开始其传输。
如果vi/Tc在1与2之间，使目前处于区块中的两个RTGCs符合要求。其中一个可以在完成oi分钟的工作之后传输，另一个可以在第一块完成pi分钟的工作之后进行；其中，oi pi=wi且oi,pi大于等于0.
如果vi/Tc在2与3之间，使区块中的三个RTGCs符合要求。第二台起重机可在完成第一台的oi分钟内工作；第二台起重机可在完成pi的时间后转到第三台起重机，其中的一台吊车可在完成qi后转到第一区；oi pi qi=wi,oi,pi,wi大于等于0，等等。
- RTGC部署步骤标识源块和接收器块的最佳部署计划。令：
N 符合条件的RTGCs数目。
M 接收器块数。
Ui 块I到下一阶段的工作量溢出量。
Ui- 第一区块到下一阶段的工作量。
Wi* 未完成的工作负载(以RTGC-分钟为单位)
VJ 起重机-可从符合条件的RTGC j.提供分钟：
Sj 可以将合格的RTGC j#传输到的一组接收器块
Ti 所有符合条件的RTGCs集合，可移动到接收器第一块：
Cij 从RTGC j区到I区的运行时间(分钟)：
gamma;i 如果接收器块I当前有一个RTGC，如果接收器块我有一个RTGC。
定义I =1；M和j =1；N，决策变量：
Yij= 1如果符合条件的RTGC j被转移到接收器块;
0 其他
最佳解决方案：
Y=(yij/y=1,m;j=1,n)
U =(u */y=1,m)
- =(u-*y=1,m)
RTGC部署模型编写为：
求出Y,u ,u-,
最小：U 1到m求和
限制
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