集装箱自动化码头堆存管理模型、仿真与优化

集装箱自动化码头堆存管理模型、仿真与优化

摘 要： 张小茜 1， 王璐 2 ，周道远 2 (1 浙江大学经济学院, 2 浙江大学数学系 杭州 310027)

本文从三个方面对集装箱自动化码头堆存效率进行了仿真和优化：一是箱区划分方式，二是码头前沿至堆场的运输方式， 三是

集装箱在堆场中的堆存方式。为使集装箱自动化码头经济效益最大化，我们综合考虑了集装箱运输成本、取箱作业 的翻箱次

数以及堆场平面占用率等因素。仿真模拟的结果显示：箱区采用垂直划分方式比水平划分更有效，采用轨道运 输车运送集装

箱比全程通过起吊机吊运更省成本，在堆场中从远离车道处开始堆放集装箱具有更高的效率。 关键词：集装箱自动化码头；

堆存；仿真

1 背景介绍1 目前，世界集装箱港口吞吐量正以平均 9%的速

度增长，在整个运输中的市场份额越来越大。距统

计，亚洲区港口集装箱吞吐量占全球的 56.9%，欧

洲地区 16.7%，北美 9.4%。我国港口集装箱吞吐量

年均增长 30%，并已成为世界各大班轮公司的聚集

地。建立高效的集装箱自动化码头管理系统，对于

解决中国港口运输中的重大问题、使中国成为全球 集装箱运输中心具有重要的战略意义。

可以预见，到 2020 年每个重要港口的集装箱吞

吐量会增加一到两倍。新的大型集装箱货船和码头

占地面积的限制迫使码头当局寻找更有效的集装箱

管理系统。一种能够提高码头效率、增加码头吞吐

量、满足未来需求的方案就是使用先进的技术，实

现自动化码头 。自动化码头与传统码头的最大区别

是，码头前沿与堆场间运转的方式采用全电驱动的

立体装卸模式，不仅节能、二氧化碳排放少而且装

卸效率高。上海振华港机（ZPMC）自动化码头的统

计显示，在相同的装卸条件下，自动化码头的装卸

效率可提高至少 20%。

集装箱码头管理系统，又称水运集装箱终端 1 基金项目：本研究得到十一五 863 计划重点项目“集装

箱自动化码头装备及示范”（项目编号：2009AA043001）资

助。 （Marine Container Terminals）。虽然全世界各有 差异，但整个流程上是相同的：货轮停在系统指定

的泊位，集装箱装卸桥从货轮上吊起集装箱，之后

集装箱被运往堆场中指定的堆垛，如图 1 所示。终

端可以人为控制也可以自动化，大部分的终端是人

为控制的，比较著名的集装箱自动化终端是荷兰鹿

特丹港的 ECT 系统、德国汉堡港的 CTA 系统。本文

主要针对上海振华港机（ZPMC）自动化码头系统，

该系统的堆场起吊机(RMG)采用双箱吊，可以同时吊

起两个集装箱并放入相邻的两个箱区中。

集装箱堆存计划是集装箱自动化码头管理系统

中的一个重要组成部分。集装箱进入集装箱码头堆

场（Container Yard）后，由堆存计划进行系统决

策，在一定的优化目标下指派集装箱到指定位置进 行堆存。堆存区域由多个箱区组成，一个箱区包含

多个区段，每个区段内通常有 10 多个甚至 30 多个

倍位。每个倍位可堆垛 6 排，每排最高堆 4 层，如

图 2。每个集装箱堆存箱位可用“箱区－区段－倍

位－排－层”唯一标识。

张小茜（1977-），女，籍贯：江苏省南京市，运筹学与 控制论专业博士，浙江大学副教授。主要研究领域为企业战 略决策、随机控制与优化等，部分研究成果已在《经济研究》、 《金融研究》、《世界经济》、《系统工程理论与实践》等权威 和重要经济学杂志发表。email：*******************.cn，电 话：131****8320。地址：杭州市浙大路 38 号浙江大学经济 学院，邮编：310027。

图 1 自动化码头作业平面2

2 该图为采用双箱吊的自动化码头作业平面，具体过程为： 装卸桥处的小车将两个集装箱运至箱区，双箱吊一次吊起 这两个箱，移到指定位置后将两箱同时放入左右箱区。

图 2 集装箱堆存区域作业平面 最简单的堆

存计划把集装箱分为两类：进口箱 和出口箱。为合理有效地利用堆场空间，通常可进

一步将堆场分为进口重箱区、进口空箱区、特种箱

区、冷藏箱区、中转箱区、出口箱区等。箱区设计

主要有两种，一种是垂直划分，即在堆场内平行分

布各类型箱区，每个箱区对应不同类型的集装箱，

如图3。另一种是是水平划分，如图4所示，每一

垂 直的箱区内，实际存在着不同类型的集装箱，每

一 类型进一步用区段进行划分。

图3 箱区的垂直划分

图4 3箱区的水平划分 进口箱堆存模

式主要有两种：全场混堆和按船

名航次堆存。全场混堆方式能提高卸船作业的效率， 3 张艳伟等,《集装箱码头出口箱集港堆存模型研究》 但提箱时翻箱率较高。按船名航次堆存方式，可降

低提箱翻箱率，但箱区利用率略低。出口箱堆存计

划通常有两种策略：不考虑后续装船作业，随机为 出口箱划分可用堆存区域；考虑近期预到港各船舶

的综合情况，在保证利于装船作业的前提下，制定

详细周密的集港计划。

在集装箱自动化码头终端，有两种方式可以将

集装箱从装卸桥运往堆场：一种是全程通过起吊机

吊运，另一种是轨道运输车与堆场吊车配合。全程

通过起吊机吊运的好处是节省堆场空间，不用在箱

区与箱区间修建运输通道，而且运输的速度快。采

用该种方式设计的一个实验码头位于香港。然而，

这种方式最大的不足就是过高的时间成本。目前一

台起吊机一次最多能吊起两个集装箱，这种低运输

效率会导致较长的等待时间。使用轨道运输车的堆

存方案则需要在综合考虑集装箱的种类、重量，运

输车载重限制以及运输车序列等因素后确定集装箱

应装载到哪辆运输车上。采用这种方式运输的目的 是最小化堆场吊车的等待时间、运输工具空载路程

和翻箱次数。

集装箱码头管理系统使用的自动运输工具有两

种类型: 自动导航车辆(AGV)和自动起吊机(ALV)。

AGV 和 ALV 都是通过固定的路径运输集装箱。AGV

先从港岸起重机装载一个集装箱，运至堆场后由堆

场的起重机卸下集装箱，ALV 则可以自己从地面吊

起集装箱。在上海振华港机（ZPMC）自动化码头系

统中，集装箱装卸桥上的集装箱被 ALV 通过固定轨

道运往堆场中指定的倍位，堆场起吊机(RMG)再将集

装箱吊至目标箱位。

本文分别从箱区划分方式、码头与堆场间的运

输方式以及集装箱在堆场中的堆存方式这三个方面 对

集装箱码头堆存效率的影响进行研究。在集装箱 码头

中，两个重要指标与运营成本有关：一是将一 个集装

箱从码头运送到目标箱位平均所做的功或平 均运输距离，二是堆存集装箱后堆场的总占用面积。 在进口箱

一定的情况下，堆场平面占用面积越大表 明集装箱的

平均堆存高度越低，这样会减少取箱时 翻箱次数，但

会增加运输距离。由此看来，为了取 得集装箱码头经

济效益最大化，需要综合考虑集装 箱运输成本、箱区

的平均堆存高度以及堆场平面占 用率等因素。

在接下来的部分中，我们先比较了两种不同的

箱区划分方式对集装箱自动化码头堆存计划效率的 影

响，两种箱区划分方式分别为：基于全场混堆的 垂直

划分、基于到港时间的水平划分。仿真结果： 当一周

到港集装箱数量较小时，前者更有效；但当 一周到港

集装箱数量较大时，后者的效率显著提高。 然后，就

码头至堆场的两种运输方式，本文比较了 使用轨道运

输车运送集装箱与全程起吊机吊运的效 率差异。对一

个自动化双箱吊码头的仿真结果表明： 使用轨道运输车可以节约运输成本，而使用全程吊 运可以减小堆场平面的占用面积。最后，当集装箱

运至堆场后，我们又讨论了两种集装箱堆存模式的

效率。在实际操作中 RMG 有两种方式将集装箱吊至 指定的箱位：一是间接模式，即先将集装箱统一吊

至一定高度（通常比堆垛的最大高度要高），再放入

堆垛中；二是直接模式，即将集装箱逐层从远离车

道处向靠近车道处堆放，这样 RMG 只需将集装箱吊

至目标箱位所在层的高度即可。经仿真，我们发现

采用前种方式可以降低码头平面占用率，后一种方

式则更节省集装箱运至箱位的平均运输距离，综合

比较的结果表明从远离车道处开始堆放更有效。

2. 箱区划分的比较

2.1 基于全场混堆的垂直划分

2.1.1 变量符号：

zi :为集装箱 Ci 分配的箱区；

bi :为集装箱 Ci 分配的倍位；

ri :为集装箱 Ci 分配的排；

ti :为集装箱 Ci 分配的层；

O :集装箱统一卸港的位置；

Yi :集装箱 Ci 移动到指定箱位时在 OY 方向的位

移，且有 Yi 2bi ；

Zi :集装箱 Ci 移动到指定箱位时在 OZ 方向的位移,

且有 Zi 5 ti ；

Xi :集装箱 Ci 移动到指定箱位时在 OX 方向的位

移，这部分位移的确定需要对每个箱区单独讨论，

比如对图 4 所示加粗的箱位有 X 21；

N :一周到港的集装箱数量； 即每个箱区有 60 个倍，每个倍有 6 排(row)4 层

(tier)。

（3）以一周为周期，根据实际中码头一周吞吐的集 装箱

的种类和数量，设定一周到港的集装箱比例为： 重箱：空箱：冷藏箱：危险箱=11：5：1：1，一周

到港的集装箱数量为 N 。如图 5 所示。

图 5 基于全场混堆的垂直划分平面图

（4）设定集装箱长宽高分别为 2，1，1；两个箱区 间距

为 2。

（5）在全场混堆的情况下，可以不划分区段。这样 段堆

区里的每个箱位由(箱区，倍位，排，层 )= (z,b, r,t) 所唯一确定，如图 6 所示。

图 6 堆场箱位坐标图

disi : 将 集 装 箱 Ci 从 O 处 移 动 到 指 定 箱 位 2.1.3 目标函数 我们建立了一个为入站集装箱分配箱位的动态规 (zi ,bi , ri ,ti ) 时 所 需 移 动 的 总 距 离 ， 且 有 划：

disi Xi Yi Zi Xi 2bi 5 ti ； ：为减少未来翻箱次数所设权重。

2.1.2 模型假设 f (Ci ) f (Ci1) min(disi ti )

f (Ci1 ) min( Xi Yi Zi ti )

f (Ci1 ) min( Xi 2bi 5 ti ti )

（1）在我们模拟的码头中使用的集装箱运输工具为

全程起吊机。这样，集装箱在横向运输后，先被吊 ( i 1, 2,..., N )

因此，目标函数为： f (C ) f (C ) min( X

2b 5 t t ) (i 1,2,, N ) 至栈的顶端再向下放入指定的箱位中。因此，一个  i 集装箱在 OZ 方向的运输距离为 Zi 5 ti 。 i 1 i i i i f (C0 ) 0

（2）码头规模为：总共 6 个箱区(zone)，每个堆区

有 3 个区段(block), 每个区段有 20 个倍位(bay)， 约束条件为：