集装箱堆场出口箱堆存问题学习
1综述
集装箱在堆场位置的分配是集装箱堆场管理的重要环节，对缩短集装箱船在港停泊时间，提高集装箱码头作业效率有着重要意义。目前，国际上关于集装箱的对方问题一般遵循PSCW原则，即将对应的同一目的港（port），同一尺寸（size），同一种类（category）以及同一重量级（weight）的集装箱堆放在同一bay中。集装箱堆场出口箱位置的分配就是为每个到达堆场的出口集装箱确定最佳的堆放位置以便于装船。
出口集装箱有“随机抵达，整批离港”的鲜明特点。堆场出口箱堆存优化可以降低集装箱堆场翻箱次数，提高堆场机械设备的作业效率，节约堆场管理成本。同时可以缩短出口箱装船时间和船舶在港停泊时间，避免给船公司和港口企业造成较大的时间损失。堆场出口箱的堆存问题一直以来都是各国物流方面专家学者们的研究热点。郝聚民，纪卓尚等（2000）[1]提出了混合顺序堆场作业的概念，并且基于图搜索技术及模式识别理论提出了混合顺序作业贝位优化模型。张维英，林焰等（2006）[2]建立了龙门式起重机小车取箱作业优化模型，以龙门式起重机取箱作业时倒箱数量最少为目标对出口箱堆场取箱作业进行了优化。李建中，丁以中等（2007）[3]运用数学规划的方法，从平衡箱区贝位箱量和最小化集卡行驶距离入手，在滚动计划的基础上，建立了集装箱堆场空间资源动态配置模型。卫家骏（2010）[4]提出了一种优化出口集装箱堆场位置的启发式优化算法，在保证装船质量的同时，有效提高集装箱码头装船效率。Wenbin Hu，Huan Wang 等（2014）[5]提出了一种基于内外混合细胞自动机的出口集装箱存储分配算法。与通常的两阶段法不同，他们把贝位分配和具体箱位选择作为一个整体目标进行优化，求取全局最优解。
2基本概念
2.1集装箱堆场
集装箱堆场即用于临时堆存进出口集装箱的场地，它给出口箱装船作业和收货人提箱作业提供了一个可以缓冲的时间段，同时可以实现集装箱重箱(内部装有货物)及空箱(内部无货物)的交接、货运、检验和修理、承揽货源等功能。
2.2堆场集装箱种类
堆场的集装箱按照不同状态可分为4种类型：进口箱（D）型，尚在船上的
进口箱，等待卸船，被运到堆场进行堆存；提箱（P）型，已经在堆场上等待客户提走的进口箱；进箱（G）型，尚未分配到堆场的出口箱，等待被运进堆场堆存；出口箱（L）型，已经在堆场上等待装船的出口箱。这4中状态集装箱的堆存情况都会影响集装箱码头作业效率。但是这里我们只考虑出口箱（L）型在堆场的堆存问题。
2.3集装箱出口流程
集装箱出口流程为：集装箱进港——堆场堆存——场桥装载——拖车运输——岸桥装载——船舶离港。
2.4堆场箱位表示方法
堆场箱位是指集装箱在堆场的物理位置。集装箱堆场划分为不同的区（block），每个区由多个bay组成，每个bay由若干排或列（row）和层（tier）组成。所以场箱位由箱区、贝位、排和层组成。如A10111表示该箱在：A1区01贝位第一排第一层；A10133表示该箱在A1箱区01贝位第三排第三层。
Bay中排和层的数量由堆场大小及其所采用堆场机械的类型所决定的。而贝位内在竖直方向堆放的一个或多个集装箱称为栈（stack）。在我国，大多数集装箱码头中使用轮胎龙门吊，一般情况下最常见的每个bay由6排、4层组成，即一个bay中能堆装24个集装箱，如图1所示。
2.5堆场集装箱常用堆存方案
不同的集装箱装卸工艺会影响集装箱的堆放。目前国内外用得较多的装卸工艺是龙门起重机-牵引车-岸桥方案。这种方案具有单位面积堆存量大、堆场面积利用率高、营运及维护费用低、易于实现自动化操作和管理等优点。按照取箱方式，目前常用的堆存方案有：水平顺序作业堆场、垂直顺序作业堆场，如图2中（a）、（b）所示。但事实证明，混合顺序作业方式相对于水平顺序作业和垂直
顺序作业方式而言可以提高集装箱的装船效率。目前，中国许多集装箱堆场采取混合顺序作业方式，如图3。其中每一格代表一个集装箱，格中的数字表示集装箱的理想装船顺序。数字越小表示越早被移出贝位进行装船。为了保证船舶的稳性，堆场集装箱的堆放应该遵循“重箱在上，轻箱在下”的原则。水平顺序作业是指按照bay中层的顺序自近车道一侧向远离车道一侧依次取箱装船；垂直顺序作业是指按照bay中列的顺序自上向下取箱装船。在堆场中某一bay的装箱顺序已知，集装箱装船是按照配载图进行的，一旦配载图确定后，集装箱的装船顺序也就确定了。
2.6装船前预翻箱和装船时翻箱操作
装船前预翻箱是指在集装箱船舶未到港口的情况下，对集装箱码头堆场集装箱堆存状态不符合发箱顺序的箱子进行预先翻动操作的过程，使得整理后的集装箱堆放顺序与发箱顺序一致，以尽可能地降低或者消除装船时翻箱操作的出现次数，从而达到提高装船时作业效率的目的。预翻箱作业发生在配载计划结束之后及装船之前的一段时间内。
装船时翻箱操作是一个动态过程，即翻箱过程中，bay内集装箱是逐渐从贝位移动到船舶上的，贝内集装箱的总数量逐渐减小。在翻箱的过程中不断的有集装箱被集卡运走。
装船时翻箱和装船前预翻箱的不同在于装船前进行预翻箱操作时堆场贝位中的集装箱总数是不变的，而装船翻箱操作时堆场贝位中的集装箱是不断移动到靠泊的船上的。由于大多数集装箱码头通常在船舶到港前数小时就结束集港，且大部分集港的集装箱在结港前一段时间均己到港。因此，可以充分利用结港后至装船前的时间段，甚至可以在尚未结港但大部分集港箱己到港、多数计划贝位已经堆满的情况下，对已结束集港的贝位进行预翻箱整理操作。预翻箱和翻箱操作的区别如表1。而装船前预翻箱和装船时翻箱操作都要考虑堆场龙门吊在翻箱操作过程中的移动距离，以提高堆场作业机械设备利用效率。
表1、预翻箱和翻箱操作区别
3具体问题分析
3.1装船前预翻箱问题（不考虑龙门吊移动距离）
3.1.1基本假设
根据集装箱堆场现实运作过程知，出口箱装船作业流程是从收箱作业开始进行的。由于出口箱到达堆场的时间和数量等信息具有很大的随机性，一般是未知的。而堆场出口箱要装载到哪个船上，此船舶到港时间以及相应的船上集装箱配载图是提前已知的。为了便于建立模型，结合实际情况先对预翻箱操作进行以下
