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摘 要：为降低集装箱堆场的翻箱率，研究在船舶到港前已经获知出口箱属性的情况下随机集港的出口箱堆存策略.在分析出口箱已有堆存策略的基础上，提出一种以平面箱位为分配单元的改进型堆存策略.对该策略的步骤进行详细阐述，给出模型的假设条件、评价指标和组成模块，利用仿真软件Flexsim建立集装箱堆场仿真模型，分析不同堆存策略的效果.以某集装箱码头为例进行仿真分析，结果表明：在堆场利用率相同且高于70%的情况下，采用改进型堆存策略所带来的翻箱率远远低于其他已有堆存策略.
关键词：随机集港；集装箱堆场；翻箱率；堆存策略；出口箱；仿真
中图分类号：U693.35；U653.7；N945.13 文献标志码：A
Stackingstrategydesignandsimulationforexportcontainers arrivingatportinrandomsequence
ZHONGHuiling，OUXianqun，ZHANGGuanxiang，CAIWenxue
（SchoolofEconomicsandCommerce，SouthChinaUniv.ofTechnology，Guangzhou510006，China）
Abstract：Toreducethereshufflerateforthecontaineryard，astackingstrategyisstudiedfortheexport containerswhicharriveatportinarandomsequenceundertheconditionthatthecontainers’attributes areknownbeforetheshiparrives.Onthebasisofanalyzingtheexistingstackingstrategiesforexportcon�tainers，animprovedstackingstrategyisproposedwhichtakesthegroundslotasallocationunit，andthe stepsofthestrategyareelaborated.Theassumptions，evaluationindicesandcomponentsaregiven，and thesimulationmodelofthecontaineryardisbuilttoanalyzetheeffectofdifferentstackingstrategiesby thesimulationsoftwareFlesxsim.Acontainerterminalistakenasanexampleforthesimulationanalysis. Theresultsshowthatthereshuffleratebroughtbytheimprovedstackingstrategyismuchlowerthanthat broughtbyanyotherexistingstackingstrategyunderthesamecontaineryardutilizationwhichishigher than70%.
Keywords：arrivingatportinrandomsequence；containeryard；reshufflerate；stackingstrategy；ex�portcontainer；simulation
在堆场作业中，由于集装箱的堆存位置与提取顺序不匹配造成翻箱.翻箱问题会导致集卡排队等待时间延长、场吊取箱时间增加，是影响堆场作业效率的主要原因.如何有效避免或减少翻箱已成为提高堆场作业效率的关键问题之一.一般情况下，码头会根据预期到达的进出口箱量预先为船舶分配堆场区域.［1］出口箱通常在某个时间段内单独、随机地进入堆场，在某一时刻批量、有计划地离开堆场；而进口箱则是在某一时刻批量、有计划地进入堆场，在某个时间段内单独、随机地离开堆场.由于前者进入堆场的时间段较进口箱跨度更大、随机性更强，故箱位安排的难度更大、造成的翻箱更多，是码头翻箱问题的主要诱因.［2］不合理的出口箱堆存策略会降低装船效率，造成船舶压港现象.因此，本文将出口箱的翻箱问题作为主要研究对象.所提及的集装箱一词若没有特殊说明，均指出口箱.
目前，降低出口箱翻箱率的研究主要有两个方向：一是预翻箱问题的研究［3�5］，即已知堆场初始布局和装船顺序，通过移动较少的集装箱来满足装船顺序，降低装船翻箱次数.由于集装箱堆放至堆场后，是否需要翻箱已经确定，预翻箱作业只是针对已产生的翻箱问题，降低装船时的翻箱率，并不能从根本上减少翻箱.二是集装箱堆存策略的研究［6�10］，即根据集装箱航次、重量和目的港等属性为即将到达堆场的集装箱安排堆存位置.根据是否已知集装箱的进港顺序可以把堆存策略的研究细分为已知进港顺序的堆存策略研究和未知进港顺序的堆存策略研究两类.在已知集装箱进港顺序的堆存策略研究方面，杨淑芹等［6］以单个贝位为研究对象，仅考虑重量属性，以最少化翻箱数为目标构建数学模型；计三有等［7］仅考虑重量特征，运用隐式图启发式搜索技术与模式识别技术为同一目的港的集装箱安排箱位；陈庆伟等［8］同时考虑集装箱目的港、箱重和作业难度等3个因素，以单个贝位为研究对象，运用启发式算法为集装箱安排箱位，以满足装船作业翻箱次数最少的要求.但因受港外的交通情况、天气原因等因素的影响，集装箱实际到港顺序一般都是随机的，故上述研究与实际情况不大吻合.针对集装箱以随机顺序到港的实际情况，KIM等［9］基于轻压重的装船要求，以最少化装船时的翻箱率为目标，应用动态规划与决策树方法安排箱位；郝聚民等［10］则运用图搜索技术与模式识别理论提出混合顺序作业堆场贝内优化模型，产生不倒箱的配载图.但是上述堆存策略只研究单贝位的箱位安排，没有考虑贝位间的影响.实际情况下，一艘船舶的集装箱量可能分配至多个贝位，堆码前如何分配到各个贝位将影响到每个贝位内的集装箱属性，故贝位间的影响不容忽视.
系统离散事件仿真可模拟状态变量在一系列离散时间点上的变化.因其具有描述随机事件、逼真地再现研究对象运作流程的优势，目前已有学者运用系统仿真技术研究集装箱码头系统，如装卸工艺流程方案［11］、岸桥选型方案［12］、船舶服务系统［13］、堆场闸口规划［14］、堆场资源分配［15�16］等.由于出口箱的堆存策略需要考虑集装箱的进港顺序、装船顺序、船舶配载计划、场吊调度等因素，同时还要兼顾贝位内与贝位间的影响，具有复杂性和随机性的特点，不适宜应用数学建模的方法进行求解验证.离散仿真技术能依据参数变化为堆存策略设计仿真场景，并多次重复运行仿真模型，获取堆存策略的评价指标值，对堆存策略的优劣进行评价.因此，仿真技术可为堆存策略的验证与分析提供一种有效的研究手段.
综上，本文采用仿真优化方法研究基于随机进港顺序的出口箱堆存策略.首先确定出口箱的堆场作业中翻箱出现的环节；然后，在分析出口箱已有堆存策略的基础上，提出以平面箱位为分配单元的改进型堆存策略，并详细阐述改进型策略的步骤；最后，构建仿真模型，通过实例分析，以翻箱率为评价指标，对比分析已有策略与改进型策略的仿真结果，验证本文提出的改进型策略的有效性.
1 堆存策略的设计
在出口箱的放箱、装船作业中，导致翻箱出现的环节包括：进闸时的箱位分配环节，依赖于集装箱的堆存策略；装船时的取箱环节，依赖于装船顺序；装船时的翻箱环节，依赖于集装箱的翻箱策略.本文为出口箱设计堆存策略，进闸时为其合理分配箱位，使得出口箱的堆放位置与装船顺序尽量一致，进而在源头处降低翻箱率.
1.1 现有堆存策略的分析
根据堆场计划，出口箱大多遵循PSCW准则［9］在堆场堆放，即同一目的港、同一尺寸、同一种类和同一重量级别的箱子堆放在同一贝中.当进行出口箱装船时，为确保船舶的稳定性并减少途中翻箱，需要在堆场码垛时重压轻、远压近.目前，集装箱码头常用的6种出口箱堆存策略［17］见表1.
因出口箱进港时间随机性较强、进港顺序无法事先确定，这些策略要么因提高堆场利用率而增加翻箱率，如策略1和2；要么因减少堆场翻箱率而降低堆场利用率，如策略3～6.随着世界集装箱运输的急剧增长，一些主要的国际集装箱港口，如香港港、宁波北仑港、深圳港、黄埔老港以及其他一些亚洲港口的码头箱量急剧增长，而堆场面积有限.［18�20］当这些港口遇到堆场资源相对紧缺的情况时，策略3～6的中低水平堆场的利用率就较难满足码头对堆场空间的需求.而策略1和2虽能充分利用堆场的利用率，但由于只对集装箱进行粗略分类，翻箱率较高.本文基于策略1和2同等的堆场利用率，利用策略5和6中考虑的因素，对集装箱进行精细分类，提出改进型堆存策略.
目前的堆存策略以贝位为分配单元对集装箱分配箱位，但随着轨道式龙门吊的应用，堆场贝位内的列数增多，可堆放的集装箱量增大，势必出现不同箱组同贝堆放的情况.由于堆放在一个贝位的同一批集装箱，按照不同的组合分配至贝内各个平面箱位，其产生的翻箱次数差异很大，所以平面箱位对翻箱率的高低产生直接影响.［21］基于此，本文摒弃以贝位为分配单元的传统思路，改用以平面箱位为分配单元来设计堆存策略.这是区分于策略5和6的主要特点，也是本文的创新之处.
1.2 改进型堆存策略的设计
改进型策略是以平面箱位为分配单元的堆存策略.首先统计出不同尺寸的箱量，以分配堆场区域；然后，根据集装箱船舶编号、尺寸、目的港、重量等级等属性信息配置分类等级及优先级；最后，统计出不同分类等级的箱量，同一分类等级的箱量根据能否被层高整除划分为能被整除箱量和不能被整除箱量两部分，前者单独占用若干个平面箱位，后者根据剩
2 仿真模型的建立
基于策略1和2同样的堆场利用率，对集装箱进行精细分类，提出改进型堆存策略.为验证改进型堆存策略的有效性，运用Flexsim软件构建仿真模型，对比策略1和2与改进型策略的仿真结果，评价三者的优劣.
2.1 假设条件
根据集装箱堆场的实际运行情况提出以下假设：（1）码头装卸工艺系统选用岸吊―集卡―轨道
通过对广州某集装箱码头2009年6月至2010年6月的出口箱船舶到港数据以及堆场堆存数据统计可知：20英尺集装箱为203000箱，40英尺集装箱为69156箱，20英尺箱与40英尺箱的比例约为3∶1.到港船舶分为驳船和班轮两种类型，其中：驳船5512艘，共140093个自然箱，平均船箱量约为25，驳船的到港时间受大船影响，随机性大，较难预报；班轮522艘，共132063个自然箱，平均船箱量约为253个自然箱，班轮的到港时间可预报，且能精确到天.考虑到仿真模型的假设条件（2），选择出口箱班轮作为研究对象.每天出口箱船舶数量为2～4艘，根据挂靠该港的班轮内贸航线，可知从该港出发的船舶途经港口为1～2个.码头根据箱重把集装箱划分为轻、中、重3个等级，轨道式龙门吊堆场的列数为16，堆码高度为堆4过5，层高为4，堆场的利用率高达70%以上.
3.1 输入数据的设计
根据每天到港的船舶数，用仿真模型研究2～4艘船舶共用堆场的情况.共产生n艘船（n＝2，3，4），每艘船有253个自然箱，目的港数为2个，重量等级分为轻、中、重3个等级，集装箱的箱型包括20英尺箱和40英尺箱，其比例为3∶1，即20英尺箱为190个，40英尺箱为63个.根据“改进型堆存策略的设计”的“步骤2”，2艘船舶共用堆场情况下有24个分类等级，3艘有36个分类等级，4艘有48个分类等级.在港口实际运营中，对于分类等级的箱量，可通过船舶到港前的预报信息获知，而本文则采用离散随机数发生器预先模拟出各分类等级的箱量，作为仿真模型的确定性输入数据.离散随机数发生器的基本原理：集装箱生成时，它去哪个目的港或属于哪个重量等级的概率是均等的，因此假设其目的港编号和重量等级属性服从均匀分布，目的港编号属性分布为duniform（1，2），重量等级的属性分布为duniform（1，3）.以堆场利用率（ρ＝70%，75%，80%，85%，90%，95%）和每天进港船量（n＝2，3，4）为参数变量，分别使用策略1和2，出口箱改进型策略模拟仿真场景.根据中心极限定理［23］，当样本数N充分大时（N≥30时），其分布近似服从均值的正态分布，统计结果趋于稳定，故为了使结果具有稳定性和说服力，设样本数N＝30，对每个仿真场景均重复运行30次.
3.2 仿真结果及其分析
实例的仿真模型整体布局见图1.
由表2可知：在船舶数量不变的情况下，堆场利用率越高，各种策略的翻箱率越高；在堆场利用率不变的情况下，船舶数量越多，各种策略的翻箱率越高.当在船舶数量和堆场利用率都不变的情况下执行策略1时，由于预报较早到港船舶的部分出口箱较其他船舶的集装箱早到达堆场，其出口箱占据大部分的地面箱位，而较迟到港的其他船舶的集装箱找不到地面箱位后，会堆放在其他集装箱上，但处于底层的集装箱往往较早离开堆场，故策略1的翻箱率最高，翻箱率在44.10%～78.47%之间；实施策略2时，由于较早到港船舶的出口箱按平面箱位垂直堆放，相比策略1占用较少的地面箱位，故不同船舶的出口箱混放在一个平面箱位的概率较策略1少，其翻箱率低于策略1，但由于同一船舶没有考虑目的港、重量属性，其翻箱率在39.16%～62.62%之间；实施改进型策略时，由于翻箱只发生在混放的少量平面箱位中，特别当堆场可提供足够的平面箱位给集装箱时，堆场的翻箱率为零.例如在该仿真模型中，当堆场利用率为70%和75%时，翻箱率为零.当然，随着堆场利用率的增高，执行该策略的翻箱率也会增高，但其翻箱率在0～6.96%之间.可见，出口箱堆场实施改进型策略远远优于策略1和2，能确保堆场利用率得到充分利用的同时降低翻箱率.
4 结束语
合理的堆存策略能有效降低翻箱率，提高码头装卸效率，降低码头运营成本.针对码头资源紧缺的现状，本文提出随机进港顺序下的出口箱改进型策略，经仿真建模与实例分析，证实改进型策略能在堆场利用率高于70%的情况下，维持较低的翻箱率，优于相同堆场利用率条件下的其他堆存策略.该策略对集装箱信息的依赖性较高，只有在船舶到港前集装箱信息准确无误地被码头获取时，才能发挥效用，否则将事倍功半.因此，必须加强码头的信息化建设，加强码头与船公司和客户的沟通，确保集装箱信息共享，为改进型策略奠定坚实的基础.未来的研究中，可考虑应用本文提出的分类等级方法并结合集装箱预约离港信息研究进口箱的堆存策略.
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（编辑 廖粤新）
