摘要：在集装箱运输中，为减少集装箱装卸的倒箱和移箱问题，引入单元快概念，提出装载单元快配载思想，把集装箱船箱位分成具有优先等级的多个单元快，以一定的约束条件完成集装箱单元快配载。该方法能解决多港口集装箱配载中的港序问题，减少倒箱和移箱，提高船舶装卸效率。集装箱船的装载单元快配载为实现集装箱船自动配载提供一种新思路。
关键词：集装箱船；单元块；配载；港序
0 引言
集装箱船的配载是集装箱海上运输的一个重要环节，对保证船舶安全、货物安全以及保证船期有着重要作用。目前国外一些学者[1]对此进行了许多有益的探索，主要方法有随机模拟、决策支持系统、专家系统和数学规划模型等；在国内，刘世宁[2]用TURBOPROLOG语言完成了一个集装箱船自动配载专家系统，王照宁[3]采用信息管理系统和专家系统相结合的方法建立了一个集装箱船自动配载系统管理模型，邱文昌[4]用C语言编制了一套集装箱船的配载系统等。但是，集装箱船配载是一个比较复杂的组合优化问题，同时涉及众多的模糊和随机因素，所以迄今为止，还没有一个令业界普遍满意的解决集装箱船配载问题的有效方法，因此这方面进一步的研究有着重要的理论价值和现实意义。
集装箱船配载主要考虑两个方面的问题？即船舶安全性和运输经济性。[5]对于船舶安全性的问题，许多学者已有深入的研究和论述，本文仅就集装箱配载中港序问题、减少倒箱和移箱以及提高船舶装卸效率等问题进行探讨。根据集装箱船舱盖布置特点，引入单元块概念，把单元化的集装箱船分成多个容量比货舱小的单元块，特别是多港口装卸集装箱运输中，这种分块思想在满足船舶安全性要求的前提下，能很好地解决多港箱的港序安排问题，取得较佳的经济效益。
1 装载单元块配载思想的提出
集装箱船以舱为装载单元进行配载，很难满足单航次多港箱条件下的配载要求；如果以集装箱船的单个集装箱箱位为装载单元，那么，一艘大型的集装箱船，将有几千个装载单元，在进行选箱位配载时，运算量太大，实际上很难操作。为此，提出装载单元块的概念[6]。
1.1 航次装卸港次分析
设在集装箱船班轮运输中，遍历港口数为n，分别依次编号为1，2，3，…，n。
设Cij为第i港(装货港)装载第j港(目的港)集装箱货物，并称Cij(i≠j)为1个港类箱，则在整个航次中可能发生装卸的港类箱可用矩阵图1表示。
行元素中第i港装货港类箱数为：，1个Cij表示发生1次港类装箱。
列元素中第i港卸货港类箱数为：，1个Cij表示发生1次港类卸箱。
由图1可知，矩阵的左上角Cij表示航次出发航程发生的装卸港类箱次，矩阵的右下角表示返回航次发生的装卸港类箱次。这里仅考虑单航次情况，不考虑返回航程发生的装卸货情况，因此矩阵右下角数据可取为0；当i=j时，不发生港类箱的装卸，Cij也为0。
根据港类箱次矩阵可知，一个港类箱Cij的装货和卸货的顺序是不一致的，随着航次港口数目的增加，港类箱越多，装卸顺序交叉的个数也越多。即使按普通的装货原则，即后到港箱先配、先到港箱后配的原则配载，由于中途港的装卸箱，在装卸过程中也可能经常要倒箱或移箱，从而降低装卸效率，增加费用支出。因此，如何合理地配箱，合理地安排港序，减少倒箱，提高装卸效率，是非常关键和重要的。
1.2 装载方法分析
对于单元化的集装箱箱位，在不考虑个别特殊因素的情况下，其装卸模式有多种可能。
模式1：沿船长方向，从首到尾(或从尾到首)，以BAY为单元逐行顺序配箱。
模式2：沿船舶垂向，从舱内箱位最底层开始，逐层向上顺序配箱。
模式3：根据船体舱位布置?分舱式地进行模式1或2的配箱。
模式1或2，如果在单航次没有中途港加载，可以满足港序的单方面要求，但是不能保证航行中船舶的性能状态(如稳性、强度、吃水差等)满足规范的要求，也不能保证快速装卸箱的要求；而多目的港的航线中，中途港不加载的情况很少，因而模式1或2是不可取的。
在配载的实践中，应用比较多的是模式3，即分舱式的模式1或2，或模式1和2相结合的配载方式。由于船舶仅有几个舱室，而1个单航次中发生的装、卸港类箱次数最大可能为；若n=6，则发生的最大装、卸港类箱次数为15次之多；如果再考虑特殊集装箱的特定箱位的配载，仅仅靠少数几个舱室达到满足港序要求、中途港加载要求、尽量减少倒箱和快速装卸的要求是不现实的。因此提出装载单元块的构想，对船舶的舱室以舱盖为基准进行进一步划分，以满足船舶配载中众多约束因素的要求，取得较好的配载方案。
2 集装箱装载单元块划分
2.1 装载单元块概念
将集装箱船箱位按一定方法划分成若干装载区域，每一装载区域称为1个装载单元块。在某一装载单元块中的箱位，原则上只允许装载同一港类箱(但该单元未被某一港类箱占满时除外)。装载单元块内的集装箱配装以箱重作为主要参数。
2.2 装载单元块划分应考虑的因素
在集装箱装卸过程中，划分单元块应考虑如下因素：
(1)满足多目的港集装箱港序；
(2)为集装箱装卸提供方便，尽量满足快速装卸的要求；
(3)便于箱位安排，特别是特殊集装箱的箱位安排；
(4)满足中途港加载的需要，避免或尽量减少中途港倒箱的发生；
(5)集装箱重量组合。
(6)减少货差，提高装卸效率。
2.3 装载单元块划分方法
装载单元块的具体划分尚无确定和统一的标准，一般和船舶的总箱位数、舱室箱位分布、船体结构和舱盖的开启形式等因素有关，但是其划分的基本原则是一致的。在配载时，考虑到装卸货物的方便、装卸桥的使用效率、减少倒箱和移箱数量的要求以及避免同一港类箱配载时过于集中或过于分散，一般采取如图2所示的划分方法。
在港口数量及总箱量(箱重)确定的前提下，即航线确定、排水量一定的条件下1以下述原则划分装载单元块：
(1)纵向以2BAY(或4BAY)为间隔，且同一块纵向不能跨越舱壁(特殊位置以1BAY为间隔)1
(2)垂向以舱盖为间隔，分为舱内和甲板两部分，舱盖与甲板货相连
(3)横向以舱盖数为分隔，可分为1隔、2隔或3隔。
根据上述方法分块，1艘中型集装箱船大概有30~40个装载单元块，就能比较容易地满足单航次有54个港口、10~15种港类箱Cij的配载要求。
3 装载单元块配载
单元化的集装箱箱位分块处理为集装箱船的配载提供方便和思路。配载时，首先以单元块为单位进行分配，各个单元块配置完毕，再对每个单元块进行配载，在具体航次中对具体的集装箱安排具体的箱位。这里把以单元块为单位，粗略分配集装箱箱位的配载称为装载单元块配载。
3.1 装载单元块分级
由于集装箱船的多目的港(POD)配载问题(考虑中途港加载的装卸方案)具有集装箱装卸的先后顺序性和装卸操作的阶段性，考虑船舶实际营运情况及当前船舶的强度、稳性等船舶性能状态，特别是中途港的装卸载集装箱对船舶性能的影响，对装载单元块的利用具有选择性和顺序性，因此有必要对单元块进行分级。
3.1.1 单元块分级原则
以图2所示集装箱船①为例，根据舱型分布把装载单元块分成10段。可以采取如下分级原则。
(1)同一分割段的单元块处于同一级别，舱内单元块比甲板单元块的箱位优先装载；
(2)在纵向同一级别的每一分割段的单元块以4BAY为基准间隔，满足装卸桥的操作方便；
(3)同一级别的分割段纵向均匀分布，满足船舶总纵强度的要求；
(4)装载单元块的分级应与POD的CU的顺序相适应；
(5)无论有无中途港加载，船舶性能状态要保持良好；
(6)考虑不同POD特殊集装箱的箱位限制；
(7)考虑专用20英尺或40英尺箱位数的限制；
(8)适用具体船舶的可操作性要强；
(9)首尾装载单元块作为最末级别，用于调整个别集装箱箱位和船舶性能状态。
3.1.2 单元块分级
装载单元块的分割段，从船首到船尾依次命名为B1，B2，…，B9，B10，运用分级原则，设在同一单元块段内，舱内单元块为Bih(分为Bih1Bih2Bih3，上标代号1，2，3分别表示左、中、右侧单元块)，舱盖(或甲板)上单元块为Bid。
若根据的数量(一般取i=1时的港类箱数量为最初基准)和特征以及其他因素选出的第1级别单元块为：见B2，B5，B8，那么船舶的单元块就可这样划分：
划分为4个级别，当然(B3，B6，B9)和(B4，B7)哪一个作为第2级别，这要根据后续要装载的港类箱的数量和特点来确定。
若根据的数量，选出的第1级别单元块为B3，B5，B7，B9，那么船舶的单元块就可这样划分：
当然根据Cij的数量，选出的第1级别单元块也可能为B2，B4，B6。
3.2 单元块配载方法
单元块分级的等级与港类箱Cij的装载顺序相一致。等级最高的装载单元块最先配载。因此，最先考虑最末港类箱的装载单元块的选择。根据上述分级层次的优选方法进行选配单元块时，采取下述策略：
(1)第1等级的装载单元块的箱位应包含船舶漂心略前部位的装载单元块(因为船舶初始状态尾倾较大，中拱较大)；
(2)第1等级的装载单元块的箱位数量应略大于最末港类箱Cin的集装箱数量，20英尺(或40英尺)集装箱所占比例应与箱位比例相对应；
(3)第1等级的装载单元块的特殊集装箱箱位，应能满足最末港类箱Cin特殊集装箱的要求(特别是冷藏集装箱的要求)；
(4)最末港类箱Cin的装载单元块确定以后，进行Ci，n-1港类箱的装载单元块的安排，第2级别的单元块的选择原则与第1级别的方法相同；
(5)对于在上一级别中没有利用的装载单元块，则参与下一级别单元块的配载，然后依次进行下去，直到所有港类箱都安排完毕。
对于大型集装箱船，同一级别的单元块可能仍有20~30块，于是对于同一级别的单元块作如下规定(1)在船舶纵向上2BAY内的单元块是同一层次的；(2)配箱顺序为先舱内后甲板；(3)若其横向有2个舱盖，则左右单元块为友好单元块，一般同时配载；(4)若其横向有3块舱盖，则左右单元块为友好单元块，中部单元块则相对独立；(5)甲板单元块与舱盖连在一起。
3.3 单元块配载应注意的问题
集装箱单元块配载时应注意如下几点：
(1)集装箱配载时，箱重在纵向上的分布应合理，这是出于对船舶强度的考虑。在配载时应尽量将各行内各载荷重量左右对称分布以使转矩最小；对于局部强度，主要是使各部位集装箱的垂向累计重量不超过甲板或舱底的允许负荷。
(2)集装箱配载时，箱重在垂向上的分布应合理，这是出于对船舶稳心的考虑。在配载时重箱在下、轻箱在上，使船舶实际的初稳心高度尽可能接近根据船舶实际情况所设定的数值。
(3)集装箱装载单元块配载时，单元块的选择和分级方案是可行的，但不一定是最优的，符合生产的实际情况。
(4)装载单元块的配载，解决了港序问题，并没有涉及单元块内具体集装箱箱位的安排问题，单元块的选箱可以根据各个Cij的数量、类型和箱重以及特殊箱的信息，按照优先考虑特殊箱、再考虑普通箱的次序，完成每个单元块的集装箱配载。
(5)装载单元块的配载方法，比较适合于可拆卸式舱盖的全集装箱船。
4 结束语
本文引入单元块概念，运用装载单元块配载思想，解决集装箱配载的港序问题，以减少倒箱和移箱，提高船舶的装卸效率。特别是对多港口装卸集装箱运输，这种分块思想在满足船舶安全性要求的前提下，能很好地解决多港箱的港序安排问题，取得较佳的经济效益。
目前，以实验室的集装箱船配载系统(上海海事大学编制)为基础，装载单元块的配载方法应用于3届航海技术专业学生(共计378人)的实验教学，学生配载思路清晰、配载效率高，取得良好的教学效果。另外，装载单元块的配载方法多次应用于湛江、海口等地方的集装箱运输公司的配载实践中，取得好评。
集装箱船的装载单元块配载思想，为计算机辅助的集装箱配载提供方便，为将来实现自动配载提供一种新思路。
参考文献：
[1]WILSON I D, ROACH P A. Principles of combinatorial optimization applied to containership stowage planning[J].J.Heuristics,1994(4):403-418.
[2]刘世宁.集装箱船舶自动配载的实现[J].大连海运学院学报，1993(2)：24-27.
[3]王照宁.集装箱船舶自动配载系统管理模型的建立与研究[J].大连海运学院学报，1994(2)：70-74.
[4]邱文昌.集装箱在舱面堆装重量的限制[J].中国航海，1998(2)：1-7.
[5]徐邦祯.海上货物运输[M].大连：大连海事大学出版社，2002：258-285.
[6]王启友.集装箱船预配优化模型研究[D].大连：大连海事大学，2003：3-46
