港口集装箱码头集卡优化调度研究

李华　吴强　张栋栋　窦亚君

摘 要：集装箱运输模式目前已经相对成熟，也在一定程度上改变了当前的物流体系。由于集装箱成本较低，且具备国际化与标准化特征，因此受到了诸多国家的认可，基于集装箱的运输方式和应用模式逐渐成型。在现代物流运输行业中，集装箱运输几乎已成为海上运输的主体模式，在未来，集装箱产业将会朝着更为理想、更为现代化的方向发展，发展前景一片光明。但实际上，各港口的集装箱码头在作业时，集卡调度并未达到最优配置，集卡空驶距离较长、码头装卸成本居高不下等问题均未得到有效解决。因此，根据各港口集装箱码头的集卡调度现状，制定相应的优化策略十分有必要。

关键词：港口；集装箱码头；集卡调度；优化策略

中图分类号：F259.21；U653文献标志码：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.14.029

Abstract： The container transportation model is currently relatively mature and has changed the current logistics system to some extent. Due to the low cost of containers and their internationalization and standardization characteristics， they have been recognized by many countries. Container-based transportation methods and their application models are gradually taking shape. In the modern logistics transportation industry， container transportation has almost become the main mode of maritime transportation. In the future， the container industry will develop towards a more ideal and modern direction， with excellent development prospects. However， in reality， the container terminals of various ports have not achieved optimal configuration for container truck scheduling during operation， and problems such as long empty distance of container trucks and high loading and unloading costs at the terminals have not been effectively solved. Therefore， it is extremely necessary to develop corresponding optimization strategies based on the current situation of container terminal scheduling in various ports.

Key words： port; container terminal; truck scheduling; optimization strategy

在港口集裝箱码头中，含有集卡搬运、闸口控制、岸桥装卸等多类型设施，通常情况下企业会按照预设的配载方案和堆场方案，合理配置岸桥、集卡等各项设施的资源，完善集装箱码头的运作系统。该系统中各类要素应互相衔接，互为助力，构成完整的集装箱码头工作流程。在实际工作中，集装箱码头应对该系统内的各类要素进行优化、调节，并结合目前市场需求，确保各项配置与调度工作达到最优。装箱码头的生产运作流程与普通项目的运作流程不同，其复杂度较高。而集卡则是集装箱码头运作过程中必不可少的水平运输设备，集卡调度是否最优、是否合理，直接关系到集装箱码头的运转效率。因此，相关工作人员必须针对当前港口集装箱码头集卡调度及配置进行系统分析，并提出优化策略，从整体上提升集卡作业率，完善目前的集卡作业模式。

1    传统集卡调度模式

传统集卡调度多为作业线调度模式，各集装码头根据装卸货物的实际作业量，为不同岸桥分配相应的集卡资源，确保在每一次货运卸载作业中，均为每一岸桥配置相应数量的集卡，以辅助装卸任务并运输岸桥的进出口集装箱，直至该岸桥完成装卸任务。作业线调度模式示意图如图1所示。

整体而言，在作业线调度模式下，岸桥和集卡互为绑定状态，集卡始终往返于堆场和泊位之间，运输路径相对固定，以单向行驶运输作业路线为主。此类集卡模式相对来说比较简便、直观，易于根据装卸作业量的不同分配集卡任务，便于港口集装箱码头的管理。但集卡在往返于堆场和泊位间时，只有半程为载重状态。各集卡在堆场卸货后，将以空载状态返回岸桥，导致港口集装箱码头的集卡空载率较高。此外，岸桥装卸作业中所需集卡数量，均由相关工作人员基于该码头此前作业效率计算得出，此类计算结果模糊度较高，且由于不同批次集装箱箱距不同，在实际作业时，集卡的运输距离不等，可能会导致某一作业线路集卡数量不足，或出现集卡数量过剩等问题，从而致使岸桥和集卡在执行装卸任务时，存在闲置或等待问题，严重降低了岸桥装卸工作效率，这是一种码头资源的浪费。

2    传统集卡调度模式面临的主要问题

集卡作为港口集装箱码头的水平运输工具，直接关系到集装箱码头的工作效率。目前，大部分港口集装箱码头的桥吊工作效率相对稳定，因此，常出现桥吊司机等待集卡等问题。若集卡能跟得上桥吊作业的速度，将会有效提高港口装卸作业效率[1]。

通常情况下，各港口集装箱码头，使用的是岸边桥式起重机或场地轮胎式起重机两种设备，并借助集卡将各集装箱在码头桥岸与堆场间进行运输。集卡调度会根据岸桥和码头整体工作效率，配置相应数量的集卡，形成作业线调度模式。各集卡分配给岸桥后，其行进路线和路径便固定了下来，此时集卡在岸桥与堆场间进行循环运输时，一半路程为重载，一半路程为空载，这也是作业线调度模式存在的主要问题。

此时，若对船舶甲板上的集装箱进行装卸，桥吊起吊高度较低，司机视野良好，则工作效率相对较高，而此时集卡的运输速度往往难以跟上桥吊装卸作业的速度，经常会出现桥吊等待集卡、或桥吊闲置等现象。若装卸对象为船舶深舱处的货物，则桥吊工作效率会大幅度降低，就会出现大量集卡在岸桥旁排队等候装卸等现象。由此可见，对集卡调度模式进行优化，应从平衡集卡和岸桥的工作效率这一点入手。

3    港口集装箱码头集卡日常管理优化策略

集装箱码头作业效率，是整个生产、经营、装卸等诸多工作的综合反映，此时单个系统的工作效率提升，未必会带动整个集装箱码头的工作效率上涨。但若某一子系统在作业时，其工作效率相对低下，则会拖累整个码头的工作进度。为了进一步提高集装箱码头的工作效率，优化港口的服务质量，必须认真分析当前码头内各子系统的实际运行效率，并针对各系统的现存问题制定优化策略，完善集装箱码头的整体调度，进一步提高工作效率。上文提到，集卡是码头集装箱的主要水平运输系统，其运输效率和调度水平直接关系到码头的运作能力，因此相关工作人员应当从码头的装卸能力出发，优化集卡日常管理策略，进一步提高其现有工作能力[2]。

整体而言，集卡空耗率可直接反映出码头内集卡系统的运作效率，对此，工作人员需认真分析码头集卡在日常工作中存在的各项问题并制定相应的改善策略。根据码头运行效率，合理优化并预报集卡资源投入，制定全新的集卡派工、派车章程，完善生产运作环节中的沟通协调策略，加强集卡内部管理，并加大主控室对集卡运行工作的监督管理力度。组织工作人员成立集卡监督和改善技术小组，在全面、系统的监督下，积极协调并处理集卡在日常工作中遇到的各项问题，进一步提高工作效率，设立跨岗位、跨部门的沟通监督机制，并制定相应的处理计划。优化集装箱码头集卡日常管理工作的具体措施如下。

重新拟定集卡派车章程，合理预报并使用集卡，加强对集卡安排调度的标准化监督，杜绝突发或盲目调用集卡。在码头生产系统中，加设集卡超时等待系统，严格控制集卡在装卸作业中的等待时间，以降低集卡空耗率。

设置集卡资源总控岗，针对码头内的集卡制定统一化管理标准，并严格落实统一调配。确保所有作业集卡均由相关作业人员统一进行处理，不同作业线下的集卡资源可在统一管理下正常运作，既提高了资源配置的灵活度，也能提高码头内集卡的实际利用率。

构建并升级集装箱码头监控系统、主操控系统，加大对各集卡工作状态的监督管理力度。目前，部分集装箱码头存在集卡监督力度不严、监控手段不足、监管人员工作状态不佳或工作态度不正确等问题，无法有效监督并及时处理集卡在工作中出现的突发问题。因此，各集装箱码头应升级当前的监控系统，积极引入现代化信息技术，如5G通信技术、AI识别系统等先进科技，及时搭载完善的主控操作系统，升级现有监控体系，加大对集卡的監控管理力度，确保每辆作业集卡均设有预警装置。

优化码头集卡调度系统。作业线集卡调度模式严重限制了码头作业效率，在传统集卡调度模式下，大部分调度人员会在船舶靠岸后，根据当前的船舶配载计划和进出口数量，配置大型机械设备，岸桥与集卡按照固定作业线路完成集装箱运输、堆放等作业。此类调度模式的资源浪费率较高，且在集卡排队等待桥吊作业或等待集卡的过程中，时常会出现排队拥堵等情况，造成港口交通堵塞。为解决此问题工作人员必须设立相应的现代化集卡调度系统，加强对集卡调度的优化管理，进一步提高码头作业效率。

4    港口集装箱码头集卡优化策略

4.1    作业面调度模式

作业面调度模式详细分析了作业线调度模式存在的弊端，如果在原有的调度方法上加以改正，就能进一步提高码头各机械设备的利用率，也能有效减少港口集装箱码头的资源浪费情况，可以在一定程度上提高集装货物装卸工作效率，并提升码头整体服务质量。作业面调度模式下，一定范围内的多个岸桥共享一定规模或数量的集卡组，该集卡组下的多台集卡同时服务于区域范围内的多个岸桥，且集卡将根据集装箱在堆场中的具体摆放位置和目前岸桥的装卸效率，实时调整最佳运输路线。实时进行调度，以达到集卡与岸桥间的最佳配置。作业面调度模式可按其作业范围分为船舶作业面（见图2）和港区作业面（见图3）。

船舶作业面模式主要面向单艘船舶的小作业。集卡调度的作业单元为单艘船舶，作业范围较小，调度针对性较高。在单艘船舶的装卸作业中，一个作业岸桥下将共享多个集卡资源，且集卡仅服务于该船舶，不参与其他岸桥或其他船只的装卸工作。船舶作业面调度模式下，将根据该船舶的配载计划和当前装卸集装箱货物堆放点位，规划出最佳路径，并为集卡指派定向任务，达到岸桥装卸效率的最大化。船舶作业面调度模式能够降低作业线调度模式中集卡运输距离对其的影响，并适当平衡多个岸桥间的整体性装卸效率，能够有效提升集卡使用率，并减少集装箱码头的资源浪费情况。

港区作业面模式的作业单元为整个港区，调度范围较广。港口各集卡应统一被投放入集卡池内，在港区作业下，作业船舶可选择集卡池内的任意集卡，完成集装箱装卸。港区作业面调度模式复杂度更高，岸桥与集卡间的配合难度较大，十分考验港区对集卡的实时调度能力和码头的信息控制水平。另外，港区作业面模式下，集卡多为重进重出，能够有效增加集卡载重里程，降低集卡的空载率，可以确保港内多艘船舶的岸桥装卸作业的平衡，适用于多船同步装卸。

4.2    基于最小等待时间的动态集卡调度

传统的作业线集卡调动模式下，线路固定化严重，严重影响了集卡的工作效率，且集卡空载率过高。因此，工作人员可基于最小等待时间优化集卡调度策略，根据目前集装箱码头与卡刀工作流程，综合规划装船、卸船、移箱等一系列集卡运输作业后，执行统一动态化调度，确保集卡可与岸桥共享信息及调度指令，不再单独局限于某条固定作业线，打破传统的作业线调度模式，便可有效解决目前的调度问题。

基于最小等待时间的集卡动态调度，可确保在集卡装卸作业时，岸桥与集卡的相对等待时间最短，从而减少单一岸桥或单一船舶的集卡配置数量，避免集装箱码头出现资源浪费。基于最小等待时间的动态集卡调度优先顺序如下。

集卡空闲状态下，优先为其选择人为干预路线执行装卸任务；空闲集卡选择装卸对象时，应优先选择各重点船只和重点作业路线；在码头前等待的空闲集卡，具备优先选择卸船作业路线的权限；码头前集卡装船作业路线完成后，应优先选择卸船路线；在堆场等待的空闲集卡，应优先选择装船作业路线；于堆场完成卸船作业任务的集卡，应优先选择装船作业路线[3]；装船作业路线与卸船作业路线等待时间接近时，优先选择最短作业线。

基于最小等待时间的动态集卡调度，以目前集卡在某條作业线中的等待时间为核心依据，优化集卡调度配置策略，能够有效降低集卡的闲置率，缩短集卡在作业现场的等待时间，进一步提高码头装卸工作效率。集卡执行完一轮装卸任务后，则应立即进入下一轮调度中，以达到等待时间最短的目的。基于最小等待时间的动态调度流程如图4所示。

在港口集装码头工作中，各机械设备的调度均以岸桥为主导，集卡与码头场地中的其他机械设备，应通过人工控制及合理调度为岸桥服务，以达到最优配置。通常情况下，码头在执行装卸任务时，重点作业线的实际作业时间及其作业量，直接决定了整船的装卸作业时间，而其他作业线路也可直接影响着重点作业线路的作业时间从而影响整船作业效率。因此，以重点线路为核心的码头生产管理模式，应根据码头当前的装卸任务进度，完善集卡的实时动态化调度，确保各重点作业线路的集卡服务的稳定、高效，并根据目前可分配的集卡与可执行的指令，使用最优匹配算法，得到最优匹配的集卡指令[4]。

4.3    现代化集卡调度系统

现代化集卡调度系统（即TPS系统），基于终端指挥中心，将集卡上搭载的各无线终端作为主要通信手段和信息传递载体，借助无线集群传递各类控制信号，并下达相应指令。该系统可借助计算机系统内搭载的人工智能处理器，结合此前预设的集卡动态调度管理系统，根据集卡当前的工作状态与现实需求，在短时间内自动计算出最佳路径，并向集卡发布作业指令。集卡调度系统可分析此时的港口集装箱码头中，码头前沿及箱区的集卡行驶路线，并从中发现当前的集卡行径规律，随后根据不同作业线中集卡的装卸转接比例，利用各类数学模型和特殊算法规划最佳路径，并下达相应指令集卡，在完成卸船任务后，根据其行进路径，基于就近原则寻找处于路径上的作业任务。

TPS系统打破了原有的静态化作业路径安排，以动态实时的调度管理方式，有效提高了集装箱码头的装卸工作效率。在此系统下，每辆集卡可同时对应多条作业路径和多个装卸任务，可以确保集卡在每一次完成装卸任务后，遵循系统发布的指令，沿最佳路径行驶时，根据就近原则及时寻找下一任务，投入其他有需求的作业线中，从而降低集卡的空闲率，该系统可以在不调整集卡数量的前提下，有效提高集装箱码头的工作效率[5]。

TPS系统在实际应用时的优势极大，该系统的信息传输速率极高，能够确保信息在码头的集卡团队中实时传播。TPS系统的指令分配也十分合理，在计算每一条指令前，该系统都要对当前箱区的整体情况进行全面分析，若现场存在某处交通堵塞或机械故障等问题，系统可第一时间察觉，并暂停向该区域下发指令，同时将该处交通堵塞或故障问题可能影响到的其他作业线路整理出来，对其及时制定优化策略，确保其他作业线路通畅。当该处交通堵塞状况解除或故障维修完毕后，TPS系统也会在第一时间收到相应指令，在重新计算后，下达关于该区域的装卸指令，确保该区域可在第一时间投入装卸作业。

TPS系统的有效应用可将码头的装卸、转堆作业线路集结成一个整体，确保集卡的行进路径达到最优，且该系统的智能化程度较高，可有效减少集装箱码头调度工作中的人工作业量，从而有效提高工作效率，节约集卡调度成本。此类先进科学技术的合理引用，为集装箱码头的创新发展提供了更多可能。

5    结    语

目前集装箱港口业务量日益剧增，市场的竞争状况也相对激烈，为进一步增强港口集装箱码头在市场环境下的竞争力，应积极引入先进的技术手段和成熟的调度算法，采用作业面调动模式、最小等待时间的动态化集卡调度及先进的现代集卡调度系统，打破传统集卡调度方式的局限，进一步提高集装箱码头的装卸工作效率，从而提升其服务质量，使港口在市场环境中占据更有利的地位。

参考文献：

[1] 窦菲菲．基于海铁联运的港口铁路集装箱装卸设备调度优化研究[D]．大连：大连海事大学，2022.

[2] 张馨月．港口集装箱海铁联运疏港作业流程仿真优化[D]．北京：北京交通大学，2022.

[3] 李想．集装箱码头海铁共堆场下的“堆场-铁路”作业调度优化研究[D]．北京：北京交通大学，2021.

[4] 黄金虎．港口装卸协同下多目标两阶段集卡路径优化研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2020.

[5] 吴勇智．港口集装箱码头岸桥与场桥联合调度优化研究[D]．厦门：集美大学，2018.

收稿日期：2023-05-19

作者简介：李    华（1974—），男，河北河间人，高级工程师，硕士，研究方向：港口设备管理；吴    强（1971—），男，天津人，正高级工程师，硕士，研究方向：港口设备管理；张栋栋（1987—），男，山东临沂人，高级工程师，硕士，研究方向：港口设备管理；窦亚君（1981—），男，天津人，高级工程师，硕士，研究方向：港口信息化。

引文格式：李华，吴强，张栋栋，等．港口集装箱码头集卡优化调度研究[J]．物流科技，2023，46（14）：101-104.