CN101587571A - 集装箱码头堆场优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集装箱码头堆场优化系统，该系统由系统输入模块、系统控制模块、系统评价模块、统计输出模块4个模块组成；所述系统控制模块根据系统输入模块输入机械参数、各类分布、场地参数进行集装箱码头所有生产调度，并将产生的各种数据传输到系统评价模块中进行机械类评价、服务类评价以及效益类评价，同时这些数据由统计输出模块进行机械类统计、服务类统计以及效益类统计。本发明解决了作业冲突、造成机械设备忙闲不均，码头的效率无法上去等问题，实现了堆场中压箱个数最少、翻箱率最低、高的工作效率。

Description

集装箱码头堆场优化系统

技术领域：

本发明涉及一种集装箱码头的管理系统，特别涉及一种全自动高效率的集装箱码头堆场优化系统。

背景技术：

随着世界范围内集装箱业务量的逐年增长，许多集装箱码头都面对生产任务持续增加，但堆场面积和生产设备有限等困难。集装箱码头的各项现场作业都是以堆场放箱为基础。集装箱在堆场上的分布直接影响到船舶配载和装卸船作业等操作。集装箱码头堆场自动配位系统的开发正是基于这种状况，从集装箱码头作业最基础的部分着手，依据先进的放箱策略理顺堆场上集装箱的分布，由此提高堆场的出、收箱能力，从而在不增加生产成本的条件下提高码头作业的效率和质量。目前在集装箱码头行业中，几大成功的国际港口(如HIT、YICT、汉堡)已有自己的堆场自动配位系统，其均采用分散放箱策略。然而，由于不同码头所采用的生产管理系统，以及场地、设备等生产条件各异；使得港口根据自身条件开发的堆场自动配位系统在其它码头的应用比较困难。且码头生产对堆场自动配位系统的要求也会随着码头生产条件的变化而改变。

目前先进的码头软件有美国NAVIS、(应用有深圳蛇口集装箱码头和去年刚上的宁波港务局，)比利时COSMOS码头系统(应用有去年上的深圳赤湾集装箱码头和天津港集装箱码头)，在集装箱码头的实际应用中，虽然看起来是用上了电脑，但码头的作业指挥，装船配载、以及集装箱的位置处理还处在人工控制、逐一指定，堆位键盘字符输入的表层状态，还需要大量的码头地面理货人员协助，还要依赖中央控制室的调度人员看监视器进行指挥，还要靠对讲机进行作业。这些不仅耗费大量人力、物力，更主要的是整个码头的众多作业(装船、卸船，这艘船、那艘船，装车、卸车，堆场调整、场内调箱等等)只能分工去完成，无法实现全盘统一指挥。各自为阵的状况势必造成作业冲突、造成机械设备忙闲不均，码头的效率无法上去。

发明内容：

本发明针对上述现有技术所存在的不足，而提供一种能够解决此问题的集装箱码头堆场优化系统。

为了达到所述目的，本发明所涉及的集装箱码头堆场优化系统，该系统由系统输入模块、系统控制模块、系统评价模块、统计输出模块4个模块组成；所述系统控制模块根据系统输入模块输入机械参数、各类分布、场地参数进行集装箱码头所有生产调度，并将产生的各种数据传输到系统评价模块中进行机械类评价、服务类评价以及效益类评价，同时这些数据由统计输出模块进行机械类统计、服务类统计以及效益类统计。

所述系统控制模块中包括仿真数据初始化模块、船舶生成模块、泊位分配模块、岸桥分配模块、集装箱集港模块、出口箱进场计划模块、出口箱进场与选位模块、进口箱进场计划模块、进口箱进场选位模块、提箱模块、内卡调度模块、场桥调度模块、场桥作业模块、统计输出模块。

所述仿真数据初始化模块，根据码头实际的各类机械营运参数、船舶到达间隔分布、集卡到达分布、箱量箱型分布等，在系统可视化界面中直接输入，也可由本系统默认输入参数，该模块还可产生不同码头的初始化环境，以便对集装箱码头不同初始化情况下，进行堆场管理优化。

所述船舶生成模块，根据集装箱码头统计的船舶到达的类型统计比例，生成不同类型的船舶，每种类型按照平均分布生成该船舶箱量，然后根据船舶长度、挂靠港、吨位，生成船名并确定各种箱的比例，根据平均分布确定预靠泊位，进入船舶计划等待区，最后进入船舶靠泊模块；所述船舶产生的时间间隔分布服从负指数分布。

所述泊位分配模块，采用基于岸壁线长度的动态泊位分配法来进行泊位的分配，首先将岸壁线根据实际长度进行均匀分段，并按照顺序进行岸壁线编号，然后创建一张岸壁线分段占用表，以确定岸壁线的哪些段被占用，哪些段空闲；船舶根据预靠泊位选择泊位靠泊，先根据船舶的长度确定需要多少个连续段才可以停靠，然后搜索岸壁线分段占用表，1号和3号泊位沿岸壁线从左至右，2号和4号泊位从右至左，寻找n个连续的空闲段，如果找到，则船舶靠泊，将n个区段设为忙的状态，将当前停靠船舶的名称记入岸壁线分段占用表；若无法找到连续n个空闲段，则在其相邻泊位寻找，如2号泊位无法选到，则在1号泊位选择，1号泊位无法选到则在3号泊位选择，如果3号泊位仍然无法选择，则在整条岸壁线搜索，无法搜索到，则给该船舶新的泊位号，如果仍然无法找到，则进入锚地等待。

所述岸桥分配模块根据船舶类型来确定岸桥的数量，在船靠泊后先判断船的两边是否有船，进而确定可用的岸桥的数量，如果岸桥富余，则循环判断两端岸桥，判断哪一台距离中心位置较远则移走该岸桥，依次循环，直到岸桥数量和需求量一致；若岸桥数量不够，则根据左右侧岸桥工作剩余时间的不同选择合适的岸桥进行工作；若左边的岸桥的剩余工作量少于右侧，则选择左侧的岸桥，否则选择右侧的岸桥，同时再判断该岸桥剩余箱量的多少，如果剩余的箱量大于该岸桥将被分配的卸船量，则该岸桥只进行装船，不进行卸船；依次选择岸桥，直到可分配岸桥数满足需求。

所述集装箱集港模块，根据产生的船舶船型的进出口箱总量范围随机产生一个总箱量，再乘以出口箱所占比例，即为出口箱的数量，根据这个数量产生出口集装箱；设定每条船的集港天数为两天，将出口箱总箱量乘以每天的集港比例系数，得集港期间每天的箱量；再根据仿真数据初始化模块中输入的20呎箱、40呎箱的比例，空箱、重箱的比例以及普通箱、冷冻箱、危险品箱和超限箱的比例，将每天的箱量乘以这些比例，得到各种箱型的数量；根据仿真数据初始化模块中输入的挂靠港范围，按照平均分布生成挂靠港数量；然后根据初始表中输入的集装箱吨级数，产生一个随机数；最后根据统计规律，得出集装箱进场时间间隔服从负指数分布，按此规律进行集装箱进场。

所述出口箱进场计划模块中分为箱区计划、倍计划以及倍与箱组匹配计划，箱区计划是选择合适的箱区，倍计划是在箱区选定之后选择合适的倍；出口箱进场箱区的选择依据岸桥与箱区的比例为1∶2选择，若箱区不足，则选到多少就用多少箱区集港。

所述箱区计划通过以下几步来实现：

(1)根据每天集港集装箱的箱型、吨级、挂靠港数量，来确定需要的20呎、40呎的倍数；

(2)根据每天出口集装箱的数量来确定所需要的箱区数量；

(3)根据靠近船舶预靠泊位的原则和作业线分散的原则，搜索箱区，选择可用的箱区；

(4)搜索到一个箱区后，先判断该箱区是否正在进行装船作业，若是，则放弃该箱区，否则再判断该箱区和上次计划是否已经相差了八小时，若不是，则放弃该箱区，否则继续判断该箱区是否有足够的倍数，若没有，则放弃该箱区，否则就选择该箱区；

(5)判断选择的箱区数有没有达到所需的数量，达到了就进行倍计划，否则继续寻找下一个可用的箱区；

(6)判断是否还有可供选择的箱区，若没有，就进行倍计划，否则返回到第(4)步进行箱区的搜索判断。

所述倍计划通过以下几步来实现：

(1)根据箱区计划和出口箱的箱型数量等，来确定每个箱区应该分得的倍数；

(2)在每个要存放出口箱的箱区中搜索适宜计划的倍，如果该倍是空的，则选择该倍，否则，就放弃该倍；

(3)判断选择的倍数是否已经达到应有的倍数，若是，就集装箱进场，否则，进一步判断是不是还有可供选择的倍，若是，回到第(2)步继续搜索适宜的倍，否则，系统报错。

所述倍与箱组匹配计划通过以下几步来实现：

(1)根据同一尺寸、同一船舶、同一卸货港、同一吨级的集港箱为一个箱组；

(2)箱组排序：先按卸港先后顺序排序，后卸港排在前，先卸港排在后；再按同一卸港的吨级排序，重在前，轻在后，这样的箱组排序即为按装船的先后顺序排序；

(3)获取该船在各箱区计划的倍；

(4)将各箱组按排好的顺序分配到各箱区计划的倍。

所述倍与箱组匹配计划中为使倍内相邻排的箱组号之差的绝对值最小的倍内排分配策略包括以下几步：

(1)获得各倍内计划的箱组数；

(2)将计划在各倍内的箱组按箱组号从小到大的顺序排序；

(3)按箱组号从大到小的顺序将箱组计划在倍内远离车道的排到靠近车道的排。

所述出口箱进场与选位模块中的进场模块根据出口箱进场计划，将集装箱装到外卡上，然后进入道口排队，接着进行出口箱进场选位，进入停车场等待是否可以进入目标箱区，如果可以则集卡行驶到目标箱区，如果不可以则返回停车场继续等待；箱区内的集卡如果存在可以操作的场桥则进行场桥操作，如果没有则在箱区内等待，操作结束的集卡向出道口行驶，进行出道口处理。

所述出口箱选位模块通过以下步骤实现：

(1)确定当前集港箱所属的箱组；

(2)搜索该箱组的计划区、倍、排；

(3)判断该箱组计划排内是否已堆存满；如果没有堆存满，则执行第(4)步，否则执行第(5)步；

(4)在该箱组没堆存满的排内随机选择一排作为该集港箱的堆存排，其堆存位置在该排现有堆存箱最上层的上方；

(5)执行混堆策略的选位模型。

所述混堆策略的选位模型包括重新计划倍和混堆策略

所述进口箱进场计划模块与出口箱进场计划模块对应，且该模块计划靠近后场，不考虑挂靠港和轻重箱，一台岸桥对应一个箱区。

所述进口箱进场选位模块与出口箱进场选位模块对应。

所述提箱模块实现提箱时，在提箱前，确定该船进口箱所在的总的倍数，以及计划提箱的天数和每天的比例，将进口箱的总箱量乘以每天的比例，计算出每天需要提箱的数量，根据这个数量将进口箱随机分配到各天，然后计算每天提箱外卡的时间分布，按照时间分布的规律进行提箱；当船舶到达时要确定提箱计划。

所述提箱计划通过以下步骤实现：

(1)生成提箱外卡后，找到该天的箱倍表，判断其是否为空，若是，则结束提箱作业，否则随机选取箱倍表中的某一倍。

(2)找到与该倍相对应的箱区，判断箱区中该倍是否为空，如果是则删除提箱表中的该倍，并清除该箱区倍占用的状态，再判断提箱表中是否为空，如果是则结束提箱作业，否则返回重新随机选取某一个倍。

(3)如果箱区中该倍不为空，选取该倍中最顶层的箱子，信息写入提箱外卡中，集卡进场。

所述内卡调度模块通过以下步骤实现：

(1)按作业线分配箱量后，进行内卡的调度和用岸桥进行卸船作业，当内卡到达岸桥下并且进行好进口箱进场选位计划后，判断岸桥是否空闲，若不是，让内卡等待岸桥空闲，同时，判断是否有集卡等待，若不是，让岸桥等待集卡，如果两个判断都为是，则使岸桥将箱子落在内卡上；

(2)内卡行至堆场后，场桥根据指令进行作业，判断卸船是否完成，没有完成则返回第(1)步，否则就开始装船；

(3)调度内卡时，根据发箱顺序选择待装船箱箱位，内卡行至堆场通过场桥作业提箱后，到达岸桥下，判断岸桥是否空闲，是的话，岸桥装船，否则内卡等待岸桥空闲；

(4)岸桥装船后判断是否有集卡等待，若是，岸桥装船，否则判断装船是否完成，完成了就结束该装船作业，否则继续进行岸桥装船。

所述场桥作业模块包括以下工作步骤：

(1)根据集卡进场模块和装卸船模块的运行，场桥得到指令，判断该指令是集港、卸船还是提箱、装船；

(2)如果为集港、卸船指令，场桥大车向目标倍移动，小车向车道移动，吊具下降到集卡处提箱，吊具起升，小车向目标排移动，到达后吊具下降至目标层并着箱，最后吊具起升到初始位置。

(3)如果指令为提箱、装船，场桥大车向目标倍移动，小车向目标排移动，吊具下降到目标层将箱子提起来，吊具起升，小车向车道移动，到达后吊具下降至集卡处落箱，最后吊具起升到初始位置。

(4)完成后判断是否还有下一个位置，若有，返回判断下一条指令，否则结束场桥的作业。

所述场桥调度模块首先获取目标位置，并按照调度总时间最短为原则选择场桥。

根据上述技术方案得到的本发明，其具有以下优点：界面友好，用户能从界面中输入各种仿真需要的参数，如各类机械参数、各类分布参数；另外用户可通过该界面对码头进行各种定义，如堆场定义。拥有贴近实际的各类生产调度模型，如堆场计划模型、智能选位模型等。能对码头做出各种预测，如新建码头所需的设备配比。能对码头的运作方式做出定量的评估，如设备的效率、船舶的在港时间等。能对码头不同的生产调度方式进行比较，如不同的堆场计划模型进行比较；可与码头管理信息系统连接，进行实时仿真。泊位分配模型保证了船舶最佳的利用泊位，岸壁线上能同时靠的船舶最多；岸桥分配模型保证了每台岸桥作业量的均衡；堆场计划模型保证了每条船的水平运输距离最短、箱区作业量均衡、作业线分散，同时重点考虑了双四十装船的特点；智能选位模型保证了堆场中压箱个数最少、翻箱率最低，同时保证了双四十装船的比例最高。堆场计划模型和智能选位模型都是自动的，无须人工干预。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的示意图。

图2为船舶生成流程图。

图3为泊位分配流程图。

图4为岸桥分配流程图。

图5为集装箱集港流程图。

图6为出口箱进场箱区计划流程图。

图7为出口箱进场倍计划流程图。

图8为出口箱进场流程图。

图9为出口箱进场选位流程图。

图10为提箱计划流程图。

图11为提箱流程图。

图12为内卡调度流程图。

图13为场桥作业流程图。

图14为场桥调度流程图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明所提及的系统如图1所示，由系统输入、系统控制、系统评价、统计输出4个模块组成，其中系统控制是该系统的核心部分，系统中的集装箱码头所有生产调度均由系统控制模块完成。

所述系统控制模块根据系统输入模块输入机械参数、各类分布、场地参数进行集装箱码头所有生产调度，并将产生的各种数据传输到系统评价模块中进行机械类评价、服务类评价以及效益类评价，同时这些数据由统计输出模块进行机械类统计、服务类统计以及效益类统计。

系统控制模块中包括仿真数据初始化模块、船舶生成模块、泊位分配模块、岸桥分配模块、集装箱集港模块、出口箱进场计划模块、出口箱进场与选位模块、进口箱进场计划模块、进口箱进场选位模块、提箱模块、内卡调度模块、场桥调度模块、场桥作业模块、统计输出模块。

仿真数据初始化模块，根据码头实际的各类机械营运参数、船舶到达间隔分布、集卡到达分布、箱量箱型分布等，在系统可视化界面中直接输入，也可由本系统默认输入参数，该模块还可产生不同码头的初始化环境，以便对集装箱码头不同初始化情况下，进行堆场管理优化。

船舶生成模块：根据集装箱码头统计的船舶到达的类型统计比例，生成不同类型的船舶，每种类型按照平均分布生成该船舶箱量，然后根据船舶长度、挂靠港、吨位，生成船名并确定各种箱的比例，根据平均分布确定预靠泊位，进入船舶计划等待区，最后进入船舶靠泊模块。船舶产生的时间间隔分布服从负指数分布，其λ为SCT张华浜码头到港船舶的间隔分布×(集装箱码头岸壁线长度/SCT张华浜码头岸壁线长度)具体生成流程如图2所示。

泊位分配模块：当船舶到达后，要停靠在某一泊位，需要采取适当的泊位分配策略。本课题采用基于岸壁线长度的动态泊位分配法来进行泊位的分配，基本思路如下：首先将岸壁线以最小单位10m进行划分，集装箱码头岸壁线总长为372m，因此将岸壁线平均分为[372/10]＝37段，按照从左至右，从小到大为37段岸壁线编号，然后创建一张岸壁线分段占用表，以确定岸壁线的哪些段被占用，哪些段空闲。当船舶到达后，根据预靠泊位选择泊位靠泊，先根据船舶的长度确定需要多少个连续段才可以停靠(设为n)。然后搜索岸壁线分段占用表，1号和3号泊位沿岸壁线从左至右，2号和4号泊位从右至左，寻找n个连续的空闲段，如果找到，则船舶靠泊，将n个区段设为忙的状态，将当前停靠船舶的名称记入岸壁线分段占用表。如无法找到连续n个空闲段，则在其相邻泊位寻找，如2号泊位无法选到，则在1号泊位选择，1号泊位无法选到则在3号泊位选择，如果3号泊位仍然无法选择，则在整条岸壁线搜索，无法搜索到，则给该船舶新的泊位号，如果仍然无法找到，则进入锚地等待。泊位分配流程如图3所示。

岸桥分配模块：岸桥分配是根据船舶类型来确定岸桥的数量。在船靠泊后先判断船的两边是否有船，进而确定可用的岸桥的数量，如果岸桥富余，则循环判断两端岸桥，判断哪一台距离中心位置较远则移走该岸桥，依次循环，直到岸桥数量和需求量一致。如果岸桥数量不够，则根据左右侧岸桥工作剩余时间的不同选择合适的岸桥进行工作。如果左边的岸桥的剩余工作量少于右侧，则选择左侧的岸桥，否则选择右侧的岸桥，同时再判断该岸桥剩余箱量的多少，如果剩余的箱量大于该岸桥将被分配的卸船量，则该岸桥只进行装船，不进行卸船。依次选择岸桥，直到可分配岸桥数满足需求。工作流程如图4所示。

集装箱集港模块根据图5所示，得如下工作：

①根据产生的船舶船型的进出口箱总量范围随机产生一个总箱量，再乘以出口箱所占比例，即为出口箱的数量，根据这个数量产生出口集装箱。

②由于每条船的集港天数为两天，将出口箱总箱量乘以每天的集港比例系数，就得到集港期间每天的箱量。

③根据仿真系统初始表中输入的20呎箱、40呎箱的比例，空箱、重箱的比例以及普通箱、冷冻箱、危险品箱和超限箱的比例，将每天的箱量乘以这些比例，得到各种箱型的数量。根据挂靠港范围，按照平均分布生成挂靠港数量。根据初始表中输入的集装箱吨级数ctn_ton_num，产生一个3～ctn_ton_num之间的随机数。

④根据统计规律，得出集装箱进场时间间隔服从负指数分布，按此规律进行集装箱进场。

出口箱进场计划模块分为箱区计划和倍计划，箱区计划是选择合适的箱区，倍计划是在箱区选定之后选择合适的倍。出口箱进场箱区的选择依据岸桥与箱区的比例为1∶2选择，即分配n台岸桥，则分配2n个箱区。如果箱区不足，则选到多少就用多少箱区集港。

箱区计划：

出口箱箱区计划的目标：

保证船舶到各箱区水平运输距离最短；

保证每条船在各箱区的作业量均衡。

箱区计划的规则：

保证计划箱区内船舶的作业时间不能交叉；

保证计划箱区内的空箱位大于堆存该船的所有出口箱；

保证计划的所有箱区内的空箱位总数大于该船的所有40尺出口箱；

保证了计划的每一个箱区内的空箱位数量大于该船分配到该箱区的出口箱的堆存；

保证了该船时段所有20尺箱全部被分配到箱区；

保证了计划的每一个箱区内的空箱位数量满足该船分配到该箱区的40尺出口箱的堆存；

保证了该船所有40尺箱全部被分配；

实现流程如图6所示：

①根据每天集港集装箱的箱型、吨级、挂靠港数量，来确定需要的20呎、40呎的倍数。

②根据每天出口集装箱的数量来确定所需要的箱区数量n。

③根据靠近船舶预靠泊位的原则和作业线分散的原则，搜索箱区，选择可用的箱区。

④搜索到一个箱区后，先判断该箱区是否正在进行装船作业，如果是的话，则放弃该箱区，否则再判断该箱区和上次计划是否已经相差了八小时，如果不是的话，则放弃该箱区，否则继续判断该箱区是否有足够的倍数，没有的话，则放弃该箱区，否则就选择该箱区。

⑤判断选择的箱区数有没有达到所需的数量n，达到了就进行倍计划，否则继续寻找下一个可用的箱区。

⑥判断是否还有可供选择的箱区，没有的话，就进行倍计划，否则返回到第四步进行箱区的搜索判断。

倍计划：

出口箱倍分配目标：为集港时大车移动距离最短，即让各箱区中计划的倍与倍之间的距离最短；最小化同一箱区中两部分的倍数差；

出口箱倍分配规则：

保证了计划的倍数与船舶当天所需的倍数是一致；

保证了计划的箱区内分配的倍足够堆放该船计划在该箱区的出口箱；

箱区中分配的左右两部分倍中，左边部分的右边界和右边部分的左边界其倍号差值应大于或等于6，以便于2台场桥能同时为该船服务；

任意相邻倍如果属于不同作业线，其作业时间不能交叉，因为相邻倍不能有两台场桥同时作业；

大倍数可以足够堆存40尺的集装箱；

工作流程如图7所示：

①根据箱区计划和出口箱的箱型数量等，来确定每个箱区应该分得的倍数n。

②在每个要存放出口箱的箱区中搜索适宜计划的倍，如果该倍是空的，则选择该倍，否则，就放弃该倍。

③判断选择的倍数是否已经达到应有的倍数n，是的话，就集装箱进场，否则，进一步判断是不是还有可供选择的倍，是的话，回到第二步继续搜索适宜的倍，否则，系统报错。

倍与箱组匹配计划：

箱组概念：对同一尺寸、同一船舶、同一卸货港、同一吨级的集港箱为一个箱组；

倍与箱组匹配计划目标：装船时大车移动距离最短；一个箱组要跨越两个倍时，这两个倍的距离应该最短。

倍与箱组匹配计划规则：保证了整个倍只有一个尺寸；保证了40尺箱的箱组占用两个相邻倍。

实现流程：

第一步：划分箱组；

第二步：箱组排序：先按卸港先后顺序排序，后卸港排在前，先卸港排在后；再按同一卸港的吨级排序，重在前，轻在后，这样的箱组排序即为按装船的先后顺序排序。

第三步：获取该船在各箱区计划的倍；

第四步：将各箱组按排好的顺序分配到各箱区计划的倍。

倍内排分配策略：

倍内排分配目标：使倍内相邻排的箱组号之差的绝对值最小；

倍内排分配规则：箱组号小的应计划在靠近车道处，箱组号大的应计划在远离车道处，即小排的箱组号应大于大排的箱组号；一个倍中的一排只能计划给一个箱组；

实现流程

第一步：获得各倍内计划的箱组数；

第二步：将计划在各倍内的箱组按箱组号从小到大的顺序排序；

第三步：按箱组号从大到小的顺序将箱组计划在倍内远离车道的排到靠近车道的排。

如图8所示：出口箱进场与选位模块根据出口箱进场计划，将集装箱装到外卡上，然后进入道口排队，接着进行出口箱进场选位，进入停车场等待是否可以进入目标箱区，如果可以则集卡行驶到目标箱区，如果不可以则返回停车场继续等待。箱区内的集卡如果存在可以操作的场桥则进行场桥操作，如果没有则在箱区内等待，操作结束的集卡向出道口行驶，进行出道口处理。

出口箱进场选位规则：

①第1级：倍内的集港箱属同一尺寸，同一船舶，同一个卸货港(或同一作业线相邻卸货港)，排内只有一个重量级按照“尺寸-船名-卸货港-重量级”对集装箱进行分类，尺寸相同，同属一条船和一个卸货港(或相邻卸货港)的集装箱堆放在同一倍(或堆放在多个区段，每个区段内堆放在同一倍)，同一重量级堆放在倍内的同一排。

②第2级：倍内的集港箱属同一尺寸，同一船舶，同一个卸货港，排内允许有多个重量级

按照“尺寸-船名-卸货港”对集装箱进行分类，尺寸相同、同属一条船和一个卸货港的集装箱堆放在同一倍(或堆放在多个区段，每个区段内堆放在同一倍)，不同重量级按“重压轻”堆放。

③第3级：倍内的集港箱属同一尺寸，同一船舶，不同卸货港，排内箱只有一个卸货港

按照“尺寸-船名-卸货港”对集装箱进行分类，尺寸相同、同属一条船的集装箱堆放在同一倍(或堆放在多个区段，每个区段内堆放在同一倍)，不同卸货按排堆放。

④第4级：倍内的集港箱属同一尺寸，同一船舶，不同卸货港，排内箱允许有多个卸货港

按照“尺寸-船名”对集装箱进行分类，尺寸相同、同属一条船的集装箱堆放在同一倍(或堆放在多个区段，每个区段内堆放在同一倍)，不同港口“按远压近堆放”。

⑤第5级：倍内的集港箱属同一尺寸，不同船舶，排倍只有一个船舶的集港箱按照“尺寸-船名”对集装箱进行分类，尺寸相同的集港箱堆放在同一倍，倍内不同船舶的集港箱按排堆放。

⑥第6级：倍内的集港箱属同一尺寸，不同船舶，排内允许有多个船舶的集港箱按照“尺寸”对集装箱进行分类，尺寸相同的集港箱堆放在同一倍，不同船舶的集港箱按“先作业压后作业”方式堆放。

对于提高双四十装船的规则：

属于同一尺寸、同一船舶、同一港口及同一吨级的集装箱在一个倍中计划两排或偶数排(一般的大船出口箱属于同一尺寸、同一船舶、同一港口及同一吨级的集装箱都会超过一排)；

对于20尺的集装箱应按两个相邻倍为一个单位计划，以方便4个20尺的集装箱同时被存取；

为了便于两台场桥同时进行装船作业，在一个箱区中应将出口箱分两部分计划，这两部分应至少相隔一个大倍；

决策规则：

①优先该集港箱所属箱组的计划排未堆满的计划倍。

②在堆存倍确定后，优先选择已有该箱组堆存且仍有空箱位的排进行堆存；若该位内已有该组集装箱堆存的排已堆满或该位内还未有该箱组的集装箱堆存，则应随机选择一个空的该箱组的计划排作为其堆存排。

决策过程：

第一步：确定当前集港箱所属的箱组；

第二步：搜索该箱组的计划区、倍、排；

第三步：判断该箱组计划排内是否已堆存满；如果没有堆存满，则执行第四步，否则执行第五步；

第四步：在该箱组没堆存满的排内随机选择一排作为该集港箱的堆存排，其堆存位置在该排现有堆存箱最上层的上方。

第五步：执行混堆策略的选位模型。

具体如图9所示。

混堆策略的选位模型，该模型可分为两种情况，第一种情况为当前集港箱所属港口计划倍已全部堆满，但该港口集港箱根据预测还有较多(本课题以超过半个倍的箱子为基准)的箱子需要集港；第二种情况为当前集港箱所属港口计划倍已全部堆满，但该港口集港箱根据预测只有很少(本课题以少于半个倍的箱子为基准)的箱子需要集港。对于第一种情况，应重新计划倍，对于第二种情况，则应采用2～6级的混堆策略。

第一种情况模型

目标：新开倍与原计划倍之间的距离最小，新开倍只要和原计划倍中的某一个倍距离最短即可。

规则：

新开的倍应满足该倍是空倍，且没做任何计划；

新开的倍应满足尺寸要求；

新开的倍与相邻倍如果属于不同的作业线，则作业时间不能交叉；

第二种情况模型

目标：使压箱数最少(包括当前压箱数和对后续集港箱压箱数的估计)

规则：按分级策略，从第二级到第六级依次选择混堆策略。

进口箱进场计划模块，进口箱进场计划类似于出口箱进场计划，不同之处在于计划尽量靠近后场，不用考虑挂靠港和轻重箱，一台岸桥对应一个箱区。

进口箱进场选位模块，进口箱进场选位类似于出口箱进场选位，主要是将不同船舶的集装箱计划在不同的倍里，不同尺寸的集装箱也要计划在不同的倍里。一般情况下按箱区由小倍到大倍，在同一倍内，进箱顺序从小排到大排选择。

提箱模块：提箱前，要确定该船进口箱所在的总的倍数，以及计划提箱的天数和每天的比例，将进口箱的总箱量乘以每天的比例，计算出每天需要提箱的数量，根据这个数量将进口箱随机分配到各天，然后计算每天提箱外卡的时间分布，按照时间分布的规律进行提箱。当船舶到达时要确定提箱计划(实际系统中，提箱无须做计划，但是在仿真系统中，必须考虑每天提箱的比例)，否则无法进行提箱，提箱计划是当船舶离开时随机分配其每天的提箱比例(根据经验7天比例为1∶2∶3∶1∶1∶1∶1)，具体提箱流程图如图10所示。

提箱计划的步骤如下(如图11)：

①生成提箱外卡后，找到该天的箱倍表，判断其是否为空，如果是的话，则结束提箱作业，否则随机选取箱倍表中的某一倍。

②找到与该倍相对应的箱区，判断箱区中该倍是否为空，如果是则删除提箱表中的该倍，并清除该箱区倍占用的状态，再判断提箱表中是否为空，如果是则结束提箱作业，否则返回重新随机选取某一个倍。

③如果箱区中该倍不为空，选取该倍中最顶层的箱子，信息写入提箱外卡中，集卡进场。

如图12所示，内卡调度模块的内卡调度流程：

(1)按作业线分配箱量后，进行内卡的调度和用岸桥进行卸船作业，当内卡到达岸桥下并且进行好进口箱进场选位计划后，判断岸桥是否空闲，不是的话，让内卡等待岸桥空闲，同时，判断是否有集卡等待，不是的话，让岸桥等待集卡，如果两个判断都为是的话，则使岸桥将箱子落在内卡上。

(2)内卡行至堆场后，场桥根据指令进行作业，判断卸船是否完成，没有完成则返回第一步，否则就开始装船。

(3)调度内卡时，根据发箱顺序选择待装船箱箱位，内卡行至堆场通过场桥作业提箱后，到达岸桥下，判断岸桥是否空闲，是的话，岸桥装船，否则内卡等待岸桥空闲。

(4)岸桥装船后判断是否有集卡等待，是的话，岸桥装船，否则判断装船是否完成，完成了就结束该装船作业，否则继续进行岸桥装船。

如图13所示场桥作业模块的作业流程：

①根据集卡进场模块和装卸船模块的运行，场桥得到指令，判断该指令是集港、卸船还是提箱、装船。

②如果为集港、卸船指令，场桥大车向目标倍移动，小车向车道移动，吊具下降到集卡处提箱，吊具起升，小车向目标排移动，到达后吊具下降至目标层并着箱，最后吊具起升到初始位置。

③如果指令为提箱、装船，场桥大车向目标倍移动，小车向目标排移动，吊具下降到目标层将箱子提起来，吊具起升，小车向车道移动，到达后吊具下降至集卡处落箱，最后吊具起升到初始位置。

④完成后判断是否还有下一个位置，有的话，返回判断下一条指令，否则结束场桥的作业。

场桥调度模块工作时，集港、提箱时要根据目标位置，按照调度总时间最短为原则。当某箱区需要装船或卸船时，必须调度一台场桥，调度的规则为就近调度。场桥调度流程图见图14所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (22)

1、集装箱码头堆场优化系统，该系统由系统输入模块、系统控制模块、系统评价模块、统计输出模块4个模块组成；其特征在于，所述系统控制模块根据系统输入模块输入机械参数、各类分布、场地参数进行集装箱码头所有生产调度，并将产生的各种数据传输到系统评价模块中进行机械类评价、服务类评价以及效益类评价，同时这些数据由统计输出模块进行机械类统计、服务类统计以及效益类统计。

2、根据权利要求1所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述系统控制模块中包括仿真数据初始化模块、船舶生成模块、泊位分配模块、岸桥分配模块、集装箱集港模块、出口箱进场计划模块、出口箱进场与选位模块、进口箱进场计划模块、进口箱进场选位模块、提箱模块、内卡调度模块、场桥调度模块、场桥作业模块、统计输出模块。

3、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述仿真数据初始化模块，根据码头实际的各类机械营运参数、船舶到达间隔分布、集卡到达分布、箱量箱型分布等，在系统可视化界面中直接输入，也可由本系统默认输入参数，该模块还可产生不同码头的初始化环境，以便对集装箱码头不同初始化情况下，进行堆场管理优化。

4、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述船舶生成模块，根据集装箱码头统计的船舶到达的类型统计比例，生成不同类型的船舶，每种类型按照平均分布生成该船舶箱量，然后根据船舶长度、挂靠港、吨位，生成船名并确定各种箱的比例，根据平均分布确定预靠泊位，进入船舶计划等待区，最后进入船舶靠泊模块；所述船舶产生的时间间隔分布服从负指数分布。

5、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述泊位分配模块，采用基于岸壁线长度的动态泊位分配法来进行泊位的分配，首先将岸壁线根据实际长度进行均匀分段，并按照顺序进行岸壁线编号，然后创建一张岸壁线分段占用表，以确定岸壁线的哪些段被占用，哪些段空闲；船舶根据预靠泊位选择泊位靠泊，先根据船舶的长度确定需要多少个连续段才可以停靠，然后搜索岸壁线分段占用表，1号和3号泊位沿岸壁线从左至右，2号和4号泊位从右至左，寻找n个连续的空闲段，如果找到，则船舶靠泊，将n个区段设为忙的状态，将当前停靠船舶的名称记入岸壁线分段占用表；若无法找到连续n个空闲段，则在其相邻泊位寻找，如2号泊位无法选到，则在1号泊位选择，1号泊位无法选到则在3号泊位选择，如果3号泊位仍然无法选择，则在整条岸壁线搜索，无法搜索到，则给该船舶新的泊位号，如果仍然无法找到，则进入锚地等待。

6、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述岸桥分配模块根据船舶类型来确定岸桥的数量，在船靠泊后先判断船的两边是否有船，进而确定可用的岸桥的数量，如果岸桥富余，则循环判断两端岸桥，判断哪一台距离中心位置较远则移走该岸桥，依次循环，直到岸桥数量和需求量一致；若岸桥数量不够，则根据左右侧岸桥工作剩余时间的不同选择合适的岸桥进行工作；若左边的岸桥的剩余工作量少于右侧，则选择左侧的岸桥，否则选择右侧的岸桥，同时再判断该岸桥剩余箱量的多少，如果剩余的箱量大于该岸桥将被分配的卸船量，则该岸桥只进行装船，不进行卸船；依次选择岸桥，直到可分配岸桥数满足需求。

7、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述集装箱集港模块，根据产生的船舶船型的进出口箱总量范围随机产生一个总箱量，再乘以出口箱所占比例，即为出口箱的数量，根据这个数量产生出口集装箱；设定每条船的集港天数为两天，将出口箱总箱量乘以每天的集港比例系数，得集港期间每天的箱量；再根据仿真数据初始化模块中输入的20呎箱、40呎箱的比例，空箱、重箱的比例以及普通箱、冷冻箱、危险品箱和超限箱的比例，将每天的箱量乘以这些比例，得到各种箱型的数量；根据仿真数据初始化模块中输入的挂靠港范围，按照平均分布生成挂靠港数量；然后根据初始表中输入的集装箱吨级数，产生一个随机数；最后根据统计规律，得出集装箱进场时间间隔服从负指数分布，按此规律进行集装箱进场。

8、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述出口箱进场计划模块中分为箱区计划、倍计划以及倍与箱组匹配计划，箱区计划是选择合适的箱区，倍计划是在箱区选定之后选择合适的倍；出口箱进场箱区的选择依据岸桥与箱区的比例为1∶2选择，若箱区不足，则选到多少就用多少箱区集港。

9、根据权利要求8所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述箱区计划通过以下几步来实现：

(1)根据每天集港集装箱的箱型、吨级、挂靠港数量，来确定需要的20呎、40呎的倍数；

(2)根据每天出口集装箱的数量来确定所需要的箱区数量；

(3)根据靠近船舶预靠泊位的原则和作业线分散的原则，搜索箱区，选择可用的箱区；

(4)搜索到一个箱区后，先判断该箱区是否正在进行装船作业，若是，则放弃该箱区，否则再判断该箱区和上次计划是否已经相差了八小时，若不是，则放弃该箱区，否则继续判断该箱区是否有足够的倍数，若没有，则放弃该箱区，否则就选择该箱区；

(5)判断选择的箱区数有没有达到所需的数量，达到了就进行倍计划，否则继续寻找下一个可用的箱区；

(6)判断是否还有可供选择的箱区，若没有，就进行倍计划，否则返回到第(4)步进行箱区的搜索判断。

10、根据权利要求8所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述倍计划通过以下几步来实现：

(1)根据箱区计划和出口箱的箱型数量等，来确定每个箱区应该分得的倍数；

(2)在每个要存放出口箱的箱区中搜索适宜计划的倍，如果该倍是空的，则选择该倍，否则，就放弃该倍；

(3)判断选择的倍数是否已经达到应有的倍数，若是，就集装箱进场，否则，进一步判断是不是还有可供选择的倍，若是，回到第(2)步继续搜索适宜的倍，否则，系统报错。

11、根据权利要求8所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述倍与箱组匹配计划通过以下几步来实现：

(1)根据同一尺寸、同一船舶、同一卸货港、同一吨级的集港箱为一个箱组；

(2)箱组排序：先按卸港先后顺序排序，后卸港排在前，先卸港排在后；再按同一卸港的吨级排序，重在前，轻在后，这样的箱组排序即为按装船的先后顺序排序；

(3)获取该船在各箱区计划的倍；

(4)将各箱组按排好的顺序分配到各箱区计划的倍。

12、根据权利要求11所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述倍与箱组匹配计划中为使倍内相邻排的箱组号之差的绝对值最小的倍内排分配策略包括以下几步：

(1)获得各倍内计划的箱组数；

(2)将计划在各倍内的箱组按箱组号从小到大的顺序排序；

(3)按箱组号从大到小的顺序将箱组计划在倍内远离车道的排到靠近车道的排。

13、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述出口箱进场与选位模块中的进场模块根据出口箱进场计划，将集装箱装到外卡上，然后进入道口排队，接着进行出口箱进场选位，进入停车场等待是否可以进入目标箱区，如果可以则集卡行驶到目标箱区，如果不可以则返回停车场继续等待；箱区内的集卡如果存在可以操作的场桥则进行场桥操作，如果没有则在箱区内等待，操作结束的集卡向出道口行驶，进行出道口处理。

14、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述出口箱选位模块通过以下步骤实现：

(1)确定当前集港箱所属的箱组；

(2)搜索该箱组的计划区、倍、排；

(3)判断该箱组计划排内是否已堆存满；如果没有堆存满，则执行第(4)步，否则执行第(5)步；

(4)在该箱组没堆存满的排内随机选择一排作为该集港箱的堆存排，其堆存位置在该排现有堆存箱最上层的上方；

(5)执行混堆策略的选位模型。

15、根据权利要求14所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述混堆策略的选位模型包括重新计划倍和混堆策略。

16、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述进口箱进场计划模块与出口箱进场计划模块对应，且该模块计划靠近后场，不考虑挂靠港和轻重箱，一台岸桥对应一个箱区。

17、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述进口箱进场选位模块与出口箱进场选位模块对应。

18、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述提箱模块实现提箱时，在提箱前，确定该船进口箱所在的总的倍数，以及计划提箱的天数和每天的比例，将进口箱的总箱量乘以每天的比例，计算出每天需要提箱的数量，根据这个数量将进口箱随机分配到各天，然后计算每天提箱外卡的时间分布，按照时间分布的规律进行提箱；当船舶到达时要确定提箱计划。

19、根据权利要求18所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述提箱计划通过以下步骤实现：

(1)生成提箱外卡后，找到该天的箱倍表，判断其是否为空，若是，则结束提箱作业，否则随机选取箱倍表中的某一倍。

(2)找到与该倍相对应的箱区，判断箱区中该倍是否为空，如果是则删除提箱表中的该倍，并清除该箱区倍占用的状态，再判断提箱表中是否为空，如果是则结束提箱作业，否则返回重新随机选取某一个倍。

(3)如果箱区中该倍不为空，选取该倍中最顶层的箱子，信息写入提箱外卡中，集卡进场。

20、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述内卡调度模块通过以下步骤实现：

(1)按作业线分配箱量后，进行内卡的调度和用岸桥进行卸船作业，当内卡到达岸桥下并且进行好进口箱进场选位计划后，判断岸桥是否空闲，若不是，让内卡等待岸桥空闲，同时，判断是否有集卡等待，若不是，让岸桥等待集卡，如果两个判断都为是，则使岸桥将箱子落在内卡上；

(2)内卡行至堆场后，场桥根据指令进行作业，判断卸船是否完成，没有完成则返回第(1)步，否则就开始装船；

(3)调度内卡时，根据发箱顺序选择待装船箱箱位，内卡行至堆场通过场桥作业提箱后，到达岸桥下，判断岸桥是否空闲，是的话，岸桥装船，否则内卡等待岸桥空闲；

(4)岸桥装船后判断是否有集卡等待，若是，岸桥装船，否则判断装船是否完成，完成了就结束该装船作业，否则继续进行岸桥装船。

21、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述场桥作业模块包括以下工作步骤：

(1)根据集卡进场模块和装卸船模块的运行，场桥得到指令，判断该指令是集港、卸船还是提箱、装船；

(2)如果为集港、卸船指令，场桥大车向目标倍移动，小车向车道移动，吊具下降到集卡处提箱，吊具起升，小车向目标排移动，到达后吊具下降至目标层并着箱，最后吊具起升到初始位置。

(3)如果指令为提箱、装船，场桥大车向目标倍移动，小车向目标排移动，吊具下降到目标层将箱子提起来，吊具起升，小车向车道移动，到达后吊具下降至集卡处落箱，最后吊具起升到初始位置。

(4)完成后判断是否还有下一个位置，若有，返回判断下一条指令，否则结束场桥的作业。

22、根据权利要求2所述的集装箱码头堆场优化系统，其特征在于，所述场桥调度模块首先获取目标位置，并按照调度总时间最短为原则选择场桥。

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