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集装箱码头的空间分配
Chuqian Zhang a, Jiyin Liu a, Yat-wah Wan a, Katta G. Murty b,Richard J. Linn
摘要
集装箱码头是全球运输网络中必不可少的多式联运接口。码头高效率的集装箱装卸对于降低运输成本和保持航运时效性是很重要的。本文研究了终端堆场的存储空间分配问题。这个问题与码头作业的所有资源有关，包括码头起重机，堆场起重机， 储存空间和内部卡车。我们用滚动地平线的方法解决这个问题 。每人规划领域，将问题分解为两个层次，每个层次都被表述为一个编程模型的数学层次。在第一级，每个计划时间周期中，被放置在每一个储存块中的所有集装箱都被设定为平衡两种类型块之间的工作负载。第二级决定了在每一个阶段、每一个储存区和由所有集装箱构成的每一个船舶相关联的集装箱的数量，以便将集装箱之间的储存区和船只停泊位置运输的总距离降到最小。数据统计表明，该方法计算时间短，大大减少了堆场的工作量不平衡，避免了工作量的不平衡、终端运营中可能存在的瓶颈。
关键词：集装箱码头；仓储空间分配；层次化方法；数学规划
- 引言
集装箱码头是一个多式联运接口，通常连接海上集装箱船和陆地卡车之间的运输。除了提供集装箱载体装卸服务外，在两次载运途中，集装箱码头也是集装箱的临时储存空间。 对于枢纽港的集装箱码头，它们的集装箱吞吐量可能高于一个相当繁忙的贸易港口的总吞吐量。例如，在2000，香港的两家码头营运商，HIT和COSCO--HIT，处理了六百六十万标准箱。
如果从正确的角度来看，这些香港堆场码头经营者的成绩会更清楚。每年六百六十万标准箱的吞吐量意味着平均有不少于20000辆卡车通过总面积仅为122公顷的终端站大门。欧洲最繁忙的码头，荷兰的三角洲码头，面积仅280公顷，在2001年处理了2.5百万个标准箱，美国最繁忙的集装箱港口之一，长滩港，其终端站面积为295公顷，处理了四百六十万标准箱。与欧洲和美洲的每个地区的吞吐量同行相比，香港集装箱码头的数目显著增加。为在较小的空间内取得高生产力，香港码头使用的堆场起重机数目较其他码头为多。在两个香港码头营办商中，有167台起重机(橡胶门式起重机)。约有50架位于三角洲码头和长滩港口。这些统计数字显示，香港的码头经常在恶劣的、密集的环境下运作，因此运作效率至为重要。
根据集装箱装卸作业的类型，集装箱码头大致可分为码头和堆场两个主要区域。码头是船只停泊的地方。码头起重机放电入境和运输集装箱负载出境以及过境集装箱船。仓库通常由若干个集装箱组成。每个区域由大量集装箱组成，通常并排放置在六条车道上，每条车道包括20个或更多由四至五层集装箱组成的集装箱堆叠。集装箱堆垛的车道数和高度取决于用于堆放集装箱的起重机的高度和跨度。六车道，四层堆叠大小是RTGCs的典型尺寸，RTGCs的门架跨越储存区的车道。内部卡车(ITS)提供在QCS和存储块之间的集装箱运输。外部卡车 (XTS)把客户的O/B集装箱带到堆场里，从堆场里拿起I/B集装箱，然后把它们交付给客户。RTGCs，或一般的堆场起重机，是用来处理在储存区的集装箱。它们从卡车(ITS或XTS)装载集装箱，并将它们堆叠到储存区，然后从储存区中检索集装箱并将它们装载到卡车上。
集装箱在码头的运输是由船只到达过程触发的。每艘船在指定时间到达，在这个时间规定数量的集装箱在码头卸下和装载。船舶停泊处的泊位分配和积载计划、卸货和装载集装箱的顺序在船只到达前就已确定。在堆场内处理的集装箱，可按其在不同处理阶段的状况，分为以下四种类型：
- 船舶卸货(VSD)集装箱：船上的I/B和中转集装箱，在卸货和分配到堆场之前。
b.集装箱堆场皮卡(CYPI)集装箱：I/B集装箱已经在堆场等待由客户接货。
c.集装箱堆场接地(CYGD)集装箱：O/B集装箱，在进入和储存在堆场之前。
d.船舶装载(VSLD)集装箱：O/B和已在堆场等待装船的中转集装箱。
这些类型的集装箱是根据集装箱的数量来衡量的。当我们讨论集装箱的存储空间分配问题时，这个单元始终被使用。
由于VSDS集装箱的到达和VSLD集装箱的离开直接由船舶时间表触发，所以处理这些集装箱的时间（RTGC或QC）是事先已知的。 另一方面，我们只能从历史数据中确定处理CYGD和CYPI集装箱的时间分布。 这些集装箱有一个免费存放期，通常在抵达前和相应船只离开后持续数日。 这使得CYGD和CYPI集装箱的时间分布不准确。
集装箱码头有各种相互关联的绩效指标用来衡量生产力和各种资源的利用情况以及顾客的各方面情况。 一些绩效指标被视为目标，而香港终端的两个最普遍的目标是：
a.最小化（平均）船停泊时间，这是衡量码头运输船舶服务的指标
b.以最大化QC的（平均）吞吐量，这是衡量终端生产率的指标
这两个目标与香港集装箱码头的收入直接挂钩，香港集装箱码头每次搬运质量控制时都会收取船舶衬垫。 其他性能指标，如XT的周转时间，由集装箱码头注明。这些指标的价值反映了集装箱码头是否处于健康运行状态。一般而言，在合理的范围内，指标与两个最常见的目标相一致。 例如，由于码头面积较小，香港集装箱码头吞吐量较高，停泊时间短或QC吞吐量高，一般来说XT周转时间短。
运营集装箱码头涉及许多不同的决定，所有这些决定都会相互影响。例如，关于集装箱在仓内储存的决定直接影响到区块中的堆场起重机的工作量和IT的行驶距离，并间接影响QC的效率。所有这些决定也与船舶泊位分配有关。鉴于多标准性质，运营的复杂性以及整个运营管理问题的规模，要做出能够实现总体目标的最佳决策是不可能的。从逻辑上讲，采用分层方法将整个问题分解为更小的顺序问题。对问题的输入实际上是其前一个问题的输出，并且在解决前面的问题后将其视为已知量。
- 问题描述和解决方案
2.1 问题描述
从分层方法上讲，我们假设泊位分配问题和QC分配问题已经解决。 我们的问题是确定每个块中存储的每个集装箱的VSDS和CYGD的数量。 先决条件是确定场地每个时间段的工作量要求（按照CYGD，VSDS，VSLD和CYPI的数量）。
鉴于整个集装箱码头的总工作量需求，我们对RTGC，QC，XT和IT的需求有了更好的了解。 显然，考虑存储块的交互，IT的出行以及RTGC和QC的可用性，这仍然太复杂。 相反，我们将存储空间分配问题进一步分为两个层次。 对于每个级别，我们选择一个符合总体目标的目标函数，以尽量减少船舶停泊时间并最大化QC吞吐率。
在第一级，为了尽量减少船舶停泊时间，我们要平衡船舶RTGC和QC的工作量。 由于船舶的工作负荷分散在不同的区块中，区块中的堆场起重机作为船舶的并行服务器处理作业，而船舶的脱离时间是这些并行服务器的最大处理时间。 平衡并行服务器的工作量通常可以很好地减少船舶的完成时间。 RTGC部署问题的类似结果证实，平衡块的工作量可减少集装箱处理的延迟。
第一级有几个方面的平衡。 平衡不同区块间处理的集装箱总数是很自然的，这可以平衡RTGCs的工作量。 然而，纯粹这样做忽略了VSDS和VSLD集装箱与船舶准时出发有关的关键。 我们必须平衡它们，并且突出它们与总工作量相比的效果。
第二层次确定与每个船只相关的集装箱数量，该集装箱数量构成每个时段中每个区块的集装箱总数，以便最小化集装箱在其存储区块和船只靠泊位置之间的总运输距离。
在一个区块内，可以指定一个集装箱的确切位置，通过最小化重新洗牌来缩短处理时间。这是关于存储位置的决定，这是较低级别（层次结构）的问题，本文不讨论。 以类似的方式，我们没有明确考虑集装箱目的地的影响。 这些是关于船只配载计划的决定，这是更高层面的问题。
2.2解决方案方法的实施细节
集装箱码头每天24小时不间断运营，每天365天。 这迫使我们选择一个固定的计划范围，并采用滚动式方法运行我们的方法：在每个计划时期，我们计划在不久的将来有一个固定的时间范围，并相应地执行计划，直到下一个计划时期; 然后我们根据最新信息制定新计划。
短的计划范围意味着较少的计算负担，但对未来的预测能力也较低，而较长的计划范围可能在计算上不可行，并且可能包含太多不确定的信息。 通过判断计划范围对问题复杂性的影响，计算的可行性和数据的有效性，我们决定在三天的计划范围内，每天划分为六个4小时的时间段。 在第1天（开始时），在第1-3天形成18个时期的存储空间分配计划。 根据最新信息，只有计划的第一天执行，并在第一天结束时（第二天开始）形成新的三天计划。 这每天都会持续。
I / B和O / B集装箱的最大停留时间近似等于最大自由存储时间，超出计划范围。因此，在规划时间点或离开时间超出规划时间范围的集装箱时，有些集装箱的出发时间未知。他们的工作量不会发生在计划范围内，因此这些集装箱不会直接包含在存储分配模型中。为了在将来考虑它们的可能影响，这些集装箱按照其在计划时间段开始时的可用存储容量的比例分配给块，以平衡块密度。这种近似对整体性能有一个边际影响：船舶的大部分集装箱在规划范围内（在船舶靠泊之前或之后的三天内）累积和消散，并且在任何情况下，根据已知的信息，大部分集装箱都被分配，因为只执行三天计划的第一天。
图5总结了滚动时间方法和两级解决方法。对于每个规划范围，使用数学规划模型解决两个层次的子问题。 这两个模型的细节将分别在第4节和第5节中介绍。
- 将集装箱总数分配给块
在本节中，我们将第一级问题制定为整数规划模型。 基本上，我们希望确定每个计划周期内存储在每个块中的VSDS和CYGD集装箱的数量。 在我们的表述中，我们假设有足够的资源来处理工作量。 这对香港的码头来说非常接近现实，在这里通常有足够数量的码头起重机。 作为一种副产品，在香港，堆场起重机之间的移动通常是在重大工作转移之后进行的，这在一些海外的集装箱码头中可能不是实时的。 这样，我们忽略了我们模型中的堆场起重机的运动。
我们的模型假定集装箱是一个尺寸性的物体。 工作负载按集装箱数量计算。 为了一致性，存储容量也以集装箱的数量来测量。 虽然存在不同尺寸的集装箱（以及不同类型的集装箱，例如常规集装箱和冷藏集装箱），但我们的方法不会受到直接影响。 一般来说，不同大小的集装箱通常不会混合成块，并且存储在块中的集装箱的大小只会很少改变。 因此，不同尺寸的集装箱的存储可以分离成单独的问题。
4. 将船只的集装箱分配给块
第一级确定每个计划周期内可分配给每个区块的VSDS总数和CYGD容器总数。 第二级确定与每个船只相关的集装箱的数量，其构成每个区块的集装箱总数。 目标是最小化集装箱搬运总成本。 移动成本通过IT在船舶靠泊地点和存储块之间的总行程来衡量。
在解决第一级问题后，在每个计划周期内将放置在每个区块的VSDS和CYGD集装箱的数量Ditkthorn;Ritk和Gitk是固定的。 因此，可以在每个计划周期中分别对VSDS和CYGD集装箱做出第二级决策，以决定集装箱的船只标识。 由于CYGD和VSDS容器之间的分配问题相似，针对具有不同参数和决策变量的VSDS和CYGD容器，提出了一组符号和一个通用数学模型。
5.数值研究
在本节中，建议的储存模块分配方法模型（LIP）是使用香港典型集装箱码头产生的实际数据进行测试，共180天，每天6个周期。 拟议方法的分配结果与目前的做法进行比较。 鉴于第一级的结果，二级运输模型可以很容易解决。 由于终端不保留IT的行驶距离，因此我们的比较仅基于工作负载不平衡。
6.结论
在本文中，我们研究了集装箱码头堆场的存储空间分配问题。 这个问题与终端操作中的所有资源有关，包括QC，堆场起重机，存储空间和IT。 我们考虑了一个复杂的情况，即入库，出库和转运集装箱在堆场里的存储区块混合在一起。这与世界上最繁忙的货柜港香港的做法一致。我们提出了一种滚动视界方法来解决问题。对于每个规划层面，问题分解为两个层次，每个层次都被表述为一个数学规划模型。第一级解决方案确定每个时间段内每个存储块中要放置的集装箱总数，以平衡每个时间段内块之间的工作负载。第二层解决方案确定与每个船舶相关的集装箱数量，该集装箱数量构成每个时段内分配给每个区块的总数量，以便最小化集装箱在其存储区块和船只靠泊位置之间的总运输距离。我们的数值运算表明，在计算时间短的情况下，该方法大大减少了工作场所的工作量不平衡，避免了终端操作中可能出现的瓶颈。未来，我们可能尝试对空间分配问题进行不同的分层分解，以改进解决方案程序。解决这个问题后，我们将开始研究容器的位置分配问题，这是层次结构中较低级别的问题。
致谢
我们感谢三位推荐人的建设性意见，改进了论文的内容和介绍。 该研究部分得到了香港科技大学研究基础设施资助（RI95 / 96.EG04）和工业部服务支持基金（SSF / 066/96）的支持，香港政府 香港特区。
参考文献
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[3]Holguin-Veras, J., 1996. Priority systems for marine inter-modal containers. Ph.
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