集装箱港口作业系统仿真建模与优化

第1章 集装箱港口作业系统决策优化问题 集装箱港口（container port）包括水域、陆域两部分，陆域部分由集装箱码头及其后方的集疏运网络系统构成。集装箱码头（container terminal）是供船舶停靠及集装箱装卸和堆存作业的区域。尽管广义上集装箱港口作业系统包括集装箱码头作业系统、港口集疏运网络系统，但考虑到所涉及问题的复杂性和研究的关注度，一般而言，集装箱港口作业系统指集装箱码头作业系统，它是包括海侧作业（seaside operation）、陆侧作业（landside operation）、水平运输作业（transportoperation）的复杂物流系统，其资源配置和作业调度优化问题一直是学术界和企业界关注的热点问题。本章作为全书的开篇，主要介绍集装箱码头作业系统的构成及特点，梳理作业系统中的决策优化问题及其求解特点，为后面各章的仿真建模（simulation modeling）及仿真优化（simulation optimization，或称simulation-basedoptimization）专题做好铺垫。 1.1 集装箱码头作业系统 1.1.1 集装箱码头作业系统的分类 典型的集装箱码头作业系统的构成如图1.1 所示。从空间构成看，集装箱码头包括泊位（berth）、岸边（quay）、水平运输（transport）、堆场（yard）、闸口（gate）五个主要区域。从作业视角看，集装箱码头作业分为海侧作业，包括泊位和岸边装卸作业；陆侧作业，包括堆场作业和闸口作业；水平运输作业，连接海侧作业和陆侧作业。 图1.1 典型的集装箱码头作业系统的构成 1）集卡：集装箱卡车的简称；内部集卡简称内卡，外部集卡简称外卡集装箱码头作业系统是由基础设施、设备、人员、控制系统构成的作业系统，该系统中使用特定的装卸设备装卸和搬运集装箱货物的操作过程和作业方法称为装卸工艺。在集装箱码头的海侧作业、陆侧作业、水平运输作业三大类作业中，一般地，海侧作业的岸边装卸工艺均采用吊装工艺方法，又称“垂直作业方式”，即在码头前沿设置集装箱起重机（quay crane，QC），即集装箱装卸桥（也称岸桥），用吊上/吊下的方式来装卸船上集装箱，再配以其他机械进行水平搬运和堆场作业完成集装箱的装卸。水平运输作业主要采用各类集装箱拖挂车（简称集卡）、跨运车等进行运输作业。陆侧的堆场作业所采用的设备各有不同，因而呈现不同的工艺方式。按集装箱堆存作业方式划分作业系统，主要有两种类型：跨运车作业系统和场桥起重机作业系统[1~3]。根据堆场中使用的水平搬运机械类型的不同，集装箱码头装卸工艺方式可分为4 种类型：底盘车（trailer）装卸工艺、跨运车（straddlecarriers）装卸工艺、轮胎式集装箱门式起重机（rubber tired gantry crane，RTG）装卸工艺、轨道式集装箱门式起重机（rail mounted gantry crane，RMG）装卸工艺。各类装卸工艺的特点如表 1.1 所示[1，2]。 表1.1 集装箱码头装卸工艺的分类及特点 1.1.2 自动化集装箱码头作业系统 近年来，自动化集装箱码头发展迅速。传统集装箱码头与自动化集装箱码头作业系统的作业方式特点及转换方式比较，如表1.2 所示[1]。由表1.2 可以看出，在技术手段方面，实施码头作业自动化的关键技术包含两类：一是ICT（informationand communication technology，信息和通信技术），如网络技术、无人化技术、定位技术、实时通信技术；二是系统协调优化决策技术。另外，作业标准化技术也是十分重要的保障措施。在设备升级方面采用自动化设备，如自动化岸边装卸桥（automated quay crane，AQC）、自动引导车（automated guided vehicle，AGV）、自动跨运车（automated straddle carrier，ASC）、自动化轮胎式/轨道式集装箱门式起重机（automated RTG/RMG，ARTG/ARMG）等。 表1.2 传统集装箱码头与自动化集装箱码头作业系统的作业方式特点及转换方式比较 自动化集装箱码头自20 世纪90 年代发展以来，目前已形成多种装卸工艺方案。本书介绍我国目前新建或在建的典型的“双小车岸桥+AGV+ARMG”全自动化码头装卸工艺方案，其作业系统的典型构成如图1.2 所示。其主要特点如下[1]。 （1）海侧作业设备采用双小车岸桥，由中控室远程操作控制，作业效率为35~40 箱/小时。 图1.2 自动化集装箱码头“双小车岸桥+AGV+ARMG”装卸工艺示意 （2）自动化堆场布局采用与码头岸线垂直方式。堆场作业设备采用ARMG配置，一般每个街区配有一高一低两台不同轨距的ARMG，低ARMG 可以从高ARMG 下方穿越，二者均能够覆盖整个街区，极大地提高了堆场的装卸效率和装卸灵活性。 （3）自动化集装箱码头与传统集装箱码头、半自动化集装箱码头相比，一个重要区别在于水平运输设备。由于AGV 是集装箱码头水平运输设备中自动化技术和节能环保技术*完善的，已成为全自动化码头水平运输设备的首选。AGV 行驶路径灵活，不受作业路线约束，可在任何无障碍物的地方转弯行驶，适用于各种大小及形状的集装箱码头。 （4）自动化集装箱码头作业控制系统包括智能岸边装卸系统、智能水平运输系统、智能堆场作业系统、智能调箱门系统、智能设备管理系统和远程监控系统等子系统。 1.2 作业系统决策优化问题分类及概述 1.2.1 决策优化问题的分类 与前所述的集装箱码头三种作业相对应，集装箱码头作业系统的优化问题包括海侧作业优化（包含泊位作业、岸桥作业）、陆侧作业优化（主要是堆场作业）、水平运输作业优化（车辆分配及路径问题）及集成作业优化问题[2]。另外，有学者从功能要素视角出发对集装箱码头作业系统的构成进行分类，如Stahlbock 和Voss将作业系统分为物料搬运设备（硬件）、人力资源（人）、辅助系统和作业模式（软件）[3]；Angeloudis 和Bell 则将其分为基础设施（岸边/堆场）、作业设备、人力资源、作业流程、控制系统五类[4]。对于自动化集装箱码头，可将人力资源归结在控制系统中，因为在自动化作业系统中，涉及人的相关作业已经被计算机系统替代。 本书从系统仿真建模的角度研究集装箱码头作业系统的决策优化问题。仿真建模分析方法属于系统活动分析方法，是以系统中要素间的相互作用为主线推进系统活动，从而达到分析系统运作效果的目的。因此，从建模方法、活动特点和应用目的出发，可以将系统要素与作业类型相结合，将集装箱码头作业系统决策优化问题归结为以下几类。 （1）基础设施优化问题，是针对作业系统中作业资源的构成规模和空间布局的优化，如泊位、堆场、闸口、港区道路等基础设施的静态物理参数的优化。 （2）作业设备优化问题，是针对作业系统中物料搬运设备的配置及其相互匹配关系的优化，如作业方式、作业策略、设备的种类、数量规模、作业效率等。 （3）作业流程优化问题，是针对作业系统中集装箱装卸的流动和存储作业活动计划的优化，如设备的分配、数量、作业顺序、作业路径、作业时间等。 （4）作业控制优化问题，是针对集装箱作业过程的状态进行信息采集、状态控制以协调集装箱—设备之间的关系，如实时状态监控、分析、控制指令、协调优化等。 上述每类优化问题，又可分为海侧作业、陆侧作业、水平运输作业，以及集成作业的优化。于是，基于仿真建模视角的集装箱码头作业系统主要的决策优化问题归纳如表1.3 所示。需要指出的是，仿真建模方法强调系统中各要素之间的相互作业和联系，因此，常将上述各类问题综合考虑来构建集成模型，给出优化解决方案。例如，集装箱码头作业系统的装卸工艺系统的优化问题虽然归属于上述第（2）类作业设备优化问题，但也往往与第（1）类、第（3）类问题联合考虑进行建模及优化。 表1.3 主要的决策优化问题 下面对作业系统优化问题按海侧作业、陆侧作业、水平运输作业、集成作业优化问题进行介绍。篇幅所限，本书主要对上述第（1）类、第（2）类、第（3）类问题进行介绍，对第（4）类的作业控制优化问题，由于研究领域有所不同，不列入本书讨论的范围内，特此说明。 1.2.2 海侧作业优化问题 集装箱码头海侧作业（又称岸边作业、前沿作业）涉及的主要问题主要存在于船舶靠泊、在泊作业两个阶段。前者主要是泊位分配问题（berth allocation problem，BAP），后者主要是岸桥调度问题（quay crane scheduling problem，QCSP）[5~7]。 1. 泊位分配问题 BAP 是在满足既定泊位窗口的前提下为到港的船舶分配靠泊位置、配置作业资源并安排靠泊和离港时间，其核心问题是保证船舶之间在靠泊位置与在泊时间不同时重叠的前提下，满足作业效率要求。 BAP 主要考虑空间要素（包括连续、离散泊位空间，船舶尺寸和吃水深度）、时间要素（包括船舶到达时间）、作业要素（包括作业箱量，作业位置及堆场间往返时间，分配作业的岸桥数量）和性能指标要素（问题的输出指标，包括船舶在泊时间、船舶等待时间）等。BAP 连带有两个关联问题：岸桥分配问题（quay craneassignment problem，QCAP）、QCSP。QCAP 解决将不同数量的岸桥分配给不同船舶的问题，这时船舶作业效率与所分配的岸桥性能有关。 BAP/QCAP 一般可归结为单目标或多目标混合整数规划（mixed integerprogramming，MIP）或混合整数非线性规划（mixed integer non-linear programming，MINLP）问题，问题的求解多采用启发式（heuristic）算法或精确算法，部分问题采用基于离散事件仿真的仿真优化方法或基于Agent 的方法求解。