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在转运枢纽港口提高土地利用率和运营效率的集装箱堆场存储策略

摘要

本文研究了转运中心的仓储堆场管理问题，在该问题中必须同时考虑大量的装卸活动。处理大量集装箱运输的需求以及集装箱港口区域土地的稀缺给港口运营商提供高效服务带来了严峻的挑战。带有静态堆场模板堆存策略已用于减少堆场中的倒箱水平，但由于预留了专用存储空间，因此牺牲了土地利用率。为了提高土地利用率，提出了两种空间共享的方法，即在不同轮班期间动态预留不同船舶的存储空间。与此同时，预留空间之间的工作量分配也将满足高低工作负载平衡协议，以减少堆场里的交通拥堵。整合空间预留和工作量分配的框架被提出。实验结果表明，该框架能够在更少的存储空间内为集装箱装卸提供解决方案，同时确保最少的场桥部署。

关键字：物流，港口经营，共享空间模板，堆存策略，高低工作负载平衡协议。

1引言

随着国际贸易的发展，集装箱码头在世界海上货物运输系统中发挥着越来越重要的作用。根据Drewry Shipping Consultants的统计，每年的集装箱运输量增加了五倍多，从1990年的879.47亿标准箱增加到2009年的4636.34亿标准箱。年中转量的增长甚至更快，从1990年的154.79亿标准箱增加了8.4倍。2009年为1,305.72亿标准箱。这种趋势有望继续。大型集装箱船的到来，加上土地的稀缺，对提供高效服务，特别是为转运港口提供高效服务构成了巨大挑战。码头运营商已将许多注意力集中在提高码头效率上，以缩短转船的处理时间。然而，如果没有有效的集装箱堆场策略来管理集装箱的存放和取回，整个码头的整体生产率将无法从更快的码头操作中受益匪浅。集装箱码头的堆场规划的重要性在 Vis和de Koster (2003), Steenken等(2004), Stahlbock和Vobeta; (2008), 和 Ku等(2010)中被提及强调。

每个集装箱用于堆场规划的处理工作包括两个部分：也就是说，由运输商在货场和码头之间移动，并由货场起重机在堆垛中重新定位。当集装箱交通繁忙且可用土地稀少时，多层堆垛是仓储堆场计划中的常见做法。这种存储策略不仅是造成集装箱无用的倒箱的潜在原因，而且还导致活动集中在一个小区域内，如果场内的活动未得到适当协调，可能会导致运输车的交通拥堵。据报道，许多研究都针对这两种不利影响进行了补救，这两种影响都极大地影响了堆场和整个码头的运营效率。

为了研究倒箱的水平，De Castilho和Daganzo (1993)提出了测量所需处理量的方法，这些方法取决于堆叠高度和采用的进口集装箱存储策略。Kim（1997）提出了一种方法，用于估计在给定的初始堆叠配置下，提取任意集装箱所需的倒箱次数和提取所有集装箱所需的倒箱次数。Kim 和 Bae（1998）提出了出口集装箱的改组方法。Kim等（2000）得出一些决策规则，用于定位出口集装箱，以减少装载过程中的倒箱次数。Dekker等。（2006年）使用仿真比较随机堆叠和类别堆叠。已经发现，根据集装箱的预期离开时间进行类别堆叠可以减少倒箱的次数。Wan等（2009年）提出了出口集装箱的存储位置分配方法，旨在最大程度地减少倒箱次数。Zhang等(2010)指出 Kim等(2000)的错误作为反例。

为了平衡活动的高度集中并控制堆场中运输的交通拥堵，已经有了许多相关研究。Kim和Kim（1999）研究了将分离策略应用于集装箱码头时进口集装箱的空间分配模型。Preston和Kozan（2001）开发了一个模型来确定存储位置，以最小化所有集装箱船的周转时间。Kim和Kim（2002）提出了一种确定最佳存储空间量和转移起重机以处理进口集装箱的最佳数量的方法。张等（2003年）通过滚动视角方法研究存储分配问题。该问题分两个阶段解决，其中每个阶段都使用数学编程方法解决问题。Kim and Park（2003）研究了出口集装箱的存储空间分配，以有效利用空间并促进装载操作。Kozan和Preston（2006）提出了一种迭代搜索算法，该算法集成集装箱转移模型和集装箱位置模型，以确定最佳的存储策略和处理计划。Vis和Roodbergen（2009）通过安排集装箱的存放和取回工作来提高堆场的效率。Cordeau等（2011年）在汽车转运站中研究汽车分配问题，以最大程度地减少总处理时间。

Lee等（2006）和Han等（2008）特别研究了非生产性倒箱的不利影响和交通拥堵，特别是对于转运中心的需求。对于转运枢纽，装卸活动通常集中并且不可避免地同时发生。与一般码头的港口规划相比，这使堆场规划问题更具挑战性，在一般港口，可以通过为进出口活动设置不同的专用存储区域来独立考虑装卸活动。Lee等（2006年）提出一种堆存策略，通过根据目的船的目的地将出口和转运集装箱存储在专用位置，将倒箱减少到最低水平。高低工作负载平衡协议用于减少原动机的潜在流量拥塞。开发了一个混合整数规划模型，以确定每次轮班中要部署的入港集装箱数量和最少的场桥数量。他们的研究在Han等。（2008年）中得到了扩展以同时考虑每艘船的空间保留。

随着转运集装箱处理量的增加，在转运港口的复杂需求下，存储空间的稀缺性促使人们进行新的研究以提高土地利用率。尽管使用的堆存策略是减少倒箱的有效方法，但由于大多数集装箱通常在接近出发日期的时间内进港，因此事先为每个目的地船只保留存储空间会导致土地利用不足。在本文中，我们提出了一种空间共享的堆场模板概念，旨在确保堆场操作效率的同时，提高存储空间的利用率。在整个计划期间，将不再为所有船只完全保留存储区域。取而代之的是，部分空间将由停留不同时间的集装箱共享。

本文的其余部分安排如下。第2节提供了对该问题的详细描述。第3节演示了求解算法。数值实验和计算结果在第4节中介绍。第5节给出结论和一些未来的研究主题。

2问题描述

为了在操作过程中提供更大的灵活性，我们研究的码头分为多个区段，将船只分配到各个区段，每个区段对应几个泊位，而不是确切的泊位位置。因此，当我们在一个区段内进行堆场存储分配时，无需考虑特定的计划泊位。此外，本文不考虑进口集装箱，因为它们具有不同的特性，通常与出口集装箱和转运集装箱分开存放。

为了更有效地管理堆场分配过程，港口运营商将堆场的每个部分分成几个区块，如图1所示。堆场的所有不同部分均由一些通用的基本模块组成：“子模块”和“模块”。为了减少倒箱的水平，使用了一种堆存策略，将去往同一目的地船只的出口和转运集装箱一起存储在堆场中。堆场存储分配过程中堆存策略的最小单位是“子块”。每个子块的深度为6行集装箱，每个子块的长度为8个箱位（每个箱位可纵向容纳一个20英尺的集装箱）。堆高为5个集装箱（称为层）。行中一定数量的子块形成一个更大的单元，称为“块”。 有一条供原动机行驶的专用车道（“卡车道”）和一个单独的“超车道”，严格允许卡车在需要时互相通过。 通行车道仅足以容纳一个卡车，并且在两个相邻的集装箱区块之间共享。

图1 堆场配置

图2 船舶的工作量堆积模式

根据港口经营商提供的工作量模式，进港集装箱有两个重要特征。其特点是，较高的进货工作量总是在离港日期附近发生，而非常少的活动发生在船舶离港后。因此，对于他们来说，使用三角形工作量配置文件进行规划是一种常见的做法。

对于静态堆场模板（如Lee等，2006；Han等，2008），每个区块中的所有子区块都具有固定的空间容量，如图3所示。这意味着在整个计划范围内，高峰时段所需的最大空间量将专门分配给每艘船。由于仅在短时间内占用了很多空间，因此显然会导致空间利用不足。为了在提高土地利用率的同时享受堆存的好处，我们提出了一种空间共享方法，该方法允许相邻块之间共享一些空间。从本质上讲，它将有助于减少给定工作量所需的原始空间。如图3所示的对于共享空间堆场模板，每个子块都有一定数量的存储空间以供共享。例如，s12是可以在子块1和2之间共享的部分。

图3 静态堆场模板和空间共享堆场模板的一个模块的示意图

由于在装货过程刚结束的这段时间内几乎不需要空间，因此一个子块的共享空间可以借给其相邻子块。然后，它将在主要工作负载进入此子块之前从相邻子块中返回。由于不同船舶的主要工作量在不同时期到达，因此他们在不同的班次中也需要共享空间。我们可以以子块2为例，演示其空间如何随时间变化。假设已将子块1、2和3分配给了不同的离港船，并且其装载操作的开始时间分别是班次14、2和5。然后，假设装载操作持续2个班次，则对于子块1、2和3与相邻者共享空间的开始时间分别是班次16、4和7。由于子块2具有相邻的子块1和3，因此其空间容量在21班次上的变化可以如图4所示。类似地，一个块中所有子块的存储空间在21班次之后变化，如图5所示。换句话说，一个子区块的空间容量将在子区块的装载过程之后减少，而在其相邻子块完成装载后会增加。但是，非共享空间及其相邻共享空间的总和应不大于港口运营商指定的子块的标准大小。

图4 子块的空间容量示意图

图5 块中每个子块的空间容量的示意图

为了实施这种空间共享的概念，应该解决三个关键问题；即堆场模板，共享空间的大小和工作量分配。

由于场桥和运输车一次只处理一个集装箱，因此每个子区块中装卸集装箱的数量可用于指示潜在的交通量。为了确保交通顺畅，我们采用了Lee等（2006）和Han等（2008）的高低工作量平衡协议和邻近矩阵邻域矩阵用于获取子块之间的邻域关系，而实施高低工作负载平衡协议可避免潜在的交通拥堵并确保场桥的高利用率。

总之，对于这个问题，我们需要首先确定用于存储空间的堆场模板。给定堆场模板，我们将确定每对相邻子区块之间的共享空间量，以提高土地利用率。同时，还应为每个班次确定分配给每个子块的集装箱数量。根据韩等（2008年），港口运营商没有任何正式的规划模型来确定堆场模板，共享空间和集装箱分配。这些决定是基于造船厂规划师的独创性和过去的经验。作为补救措施，下一部分将开发一个包含上述概念的框架。

3解决方法

在这项研究中，有两个主要目标需要关注，即运营效率和土地生产率。作业效率由一个班次中部署的场桥的数量来衡量。土地生产率衡量的是处理一定数量工作量所需的空间量，其定义为“集装箱处理所需的进港集装箱/土地总体积”。 场地生产力可以反映场地利用状况。由于作业效率在堆场规划中更为关键，因此我们旨在找到处理给定工作量所需的最小空间，同时确保每个班次仅使用最少数量的场桥。由于此问题太复杂而无法在集成模型中解决，因此在本节中提出了一个结合了空间预留和工作负载分配的框架。框架的总体图可以在图6中显示。

图6 解决方案的框架

第一步是“模板生成”，它确定每个船只的子块预留。根据输入的工作量的信息，我们可以得到堆场模板的要求，例如每艘船所需的最小子区块数。然后将生成一个满足要求的堆场模板。

第二步是“空间分配和工作负载分配”，它决定每个班次中每个子块的共享空间的大小和到达集装箱数，以最小化所需的空间。可以使用两种不同的方法来完成此步骤中的任务。第一种方法是使用共享空间的通用大小来简化问题。然后，将工作量分配给每个子块，以最大程度地共享空间，同时确保每个班次中部署的场桥数量最少。详细信息将在本节的后面部分介绍。第二种方法是可变共享空间方法，其中共享空间的大小在子块之间可以不同。在这种方法中，我们首先分配到来的工作负载而不共享空间。由于在分配工作负载之后，所有子块每个移位所需的空间都是已知的，因此可以通过合并持续不同时间段的空间请求，来确定相邻子块之间共享空间的适当大小以最小化所需的空间。

为了保证运行效率，Han（2008年）等的堆场起重机数量最少可以用来控制每个班次部署的堆场起重机。如果所有集装箱都可以在空间共享堆场模板中处理，同时又能保证操作效率，那么我们将获得最终解决方案。否则，只要迭代限制允许，搜索将返回到第一步并生成一个新的堆场模板。

3.1模板生成

堆场模板是不同船舶的堆场空间保留计划。这将严重影响工作量分配和场桥部署的最终结果。为了开发更好的模板，Han等（2008年）提供了一种通过迭代生成，修复和改进模板的算法。在他们的算法中，基于船泊的关系生成初始模板。然后，通过交换为不同集装箱保留的子块来改进和修复模板。他们的方法的要旨是研究瓶颈，以便在每个班次中为每个船舶提供更多可用空间。从它们的算法中可以观察到一些重要的基本标准：

bull;在任何班次中，每个块中的装载子块的数量应不超过一个，以防止流量拥塞。

bull;相邻子块不可在同一班次中执行装载。

bull;子块仅在其所有相邻均未在同一班次中装载时才可按特定班次接收到达的集装箱。

bull;一个子块只能分配给一艘船（即无混合堆放）。lt;

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