بحث في نموذج برمجة ضبابي وخوارزمية لتوزيع الأرصفة مع مراعاة تباين عمق المياه بمرور الوقت

لماذا توقيت المد والجزر مهم للسفن الكبيرة

تصبح سفن الحاويات الحديثة أكبر وأثقل، بينما تُبنى الموانئ في مواقع يرتفع فيها مستوى البحر وينخفض وفقًا للمد والجزر. هذا يعني أن سفينة قد تكون آمنة للدخول إلى الميناء في ساعة معيّنة قد تلامس قاع البحر بعد ساعات قليلة فقط. تطرح هذه الورقة سؤالاً عمليًا للغاية: كيف يمكن للموانئ أن تقرر أي سفينة ترسو في أي رصيف ومتى، بحيث تغادر السفن وتدخل بسرعة، على الرغم من أن عمق المياه وظروف التشغيل تتغير باستمرار وتتحمل درجة من عدم اليقين؟

أرصفة مزدحمة ومواقف محدودة

تعمل أرصفة محطة الحاويات كمواقع وقوف على طول الرصيف تربط بها السفن لتحميل وتفريغ البضائع. إذا استُخدمت الأرصفة بكفاءة، تقل مدة انتظار السفن خارِج الميناء، تتحرك البضائع أسرع، ويجني الميناء مزيدًا من العوائد. لكن في الواقع، تعترض التخطيط المثالي عدة عقبات: العواصف، وتعطل المعدات، والمعلومات غير الكاملة من شركات الشحن، وقبل كل شيء، تغير ارتفاع البحر. لا تستطيع السفن الكبيرة ذات الغاطس العميق التوقف بجانب الرصيف إلا عندما يكون الماء عميقًا بما يكفي على امتداد قطعة الرصيف المعنية، ويتغير غاطسها أثناء تحميل وتفريغ الحاويات. يركّز المؤلفون على هذا الإطار الواقعي جدًا: امتداد ساحلي مستمر يمكن أن ترسو عليه السفن في أي نقطة، تحت تأثير المد الذي يجعل عمق المياه يتغير طوال اليوم.

تحويل عالم معقّد إلى خطة قابلة للحل

لمواجهة هذه التعقيدات، يبني الباحثون نموذجًا رياضيًا يتعامل مع تخصيص الأرصفة كأنه لغز جدولة ضخم. تُقسّم الفترة الزمنية إلى خطوات قصيرة، وتكون كل تركيبة ممكنة من سفينة ومرسى ووقت بدء إما مستخدمة أو غير مستخدمة. الهدف هو تقليل الوقت الإجمالي الذي تقضيه السفن في الميناء، مع وزن ذلك بحسب أهميتها أو تكلفتها. التحريف الأساسي يتعلق بكيفية التعامل مع عدم اليقين. بدلًا من افتراض احتمالات دقيقة لعوامل مثل غاطس السفينة، يستخدمون تقنية تُسمى البرمجة الضبابية. في هذا النهج تُوصَف الكميات غير المؤكدة ليس بأرقام حادة بل بنطاقات ذات درجات مصداقية. يفرض النموذج بعد ذلك أن يُلبَّى متطلب غاطس كل سفينة بمستوى ثقة مُختار على الأقل، مع السعي في الوقت نفسه للحفاظ على أقل زمن إجمالي في الميناء.

بحث ذكي بدلًا من القوة الغاشمة

نظرًا لأن عدد التركيبات الممكنة من رصيف-زمن-سفينة يتضخم مع ازدياد انشغال الميناء، يصبح من المستحيل فحصها جميعًا. لذلك يلجأ الفريق إلى طريقتين بحثيتين مستوحاة من الطبيعة: خوارزمية جينية وخوارزمية تبريد محاكاة (محاكاة التلدين). يبدأ كلاهما من تخمين أولي لكيفية ترتيب السفن على كل رصيف، ثم يحسّنان ذلك التخمين تدريجيًا. تُحاكي الخوارزمية الجينية التطور عن طريق ترميز كل خطة كاملة كسلسلة، ثم اختيار وخلط وتحوير هذه السلاسل مرارًا لصالح الحلول الأفضل. على النقيض، تحاكي خوارزمية التلدين تبريد المعادن: تقبل أحيانًا حلولًا أسوأ في المراحل الأولى لتفادي الولوج إلى طرق مسدودة، لكنها تصبح أكثر تشددًا مع «تبريدها». يقارن المؤلفون أيضًا هذه الأساليب التحريفية مع محلِّلٍ دقيق تجاري (CPLEX) يمكنه إيجاد حلول رياضية مثلى للحالات الصغيرة.

ما تكشفه الاختبارات عن الأداء

ينشئ الباحثون مدى من السيناريوهات الواقعية المختلفة بعدد سفن وأرصفة متباين، ثم يطبقون الطُرق الثلاثة. في المشكلات الصغيرة، يجد المحلل الدقيق الحل الأفضل بسرعة، وتطابق كلٌّ من الطريقتين الجينية والتلدين هذا الحل. مع تزايد أعداد السفن والأرصفة، يتباطأ المحلل الدقيق أو يفشل في الإكمال ضمن وقت معقول، بينما تستمر الطرق التحريفية في إنتاج خطط عالية الجودة. في الحالات متوسطة الحجم، تكون حلولهم ضمن بضعة بالمئات من أفضل الإجابات المعروفة. في أكبر الحالات، غالبًا ما تعثر الخوارزمية الجينية على حلول أفضل مما يستطيع المحلل الدقيق الوصول إليه قبل نفاد الوقت، وتفعل ذلك في زمن أقصر من خوارزمية التلدين. تُظهر دراسة حساسية تشدّد تدريجيًا مستوى الثقة المطلوب في تلبية حدود الغاطس أن تكلفة الزمن الإجمالي تزيد قليلًا فقط وأن خطط الأرصفة التفصيلية تتغير بالكاد، ما يشير إلى أن النموذج مستقر وذو متانة.

ماذا يعني هذا للموانئ الحقيقية

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أنه بالإمكان تصميم جداول رسو تراعي صعود وهبوط المد والجزر وطبيعة البيانات غير المؤكدة، دون أن تعطل عملية التخطيط بالميناء. من خلال دمج نموذج واعٍ بالمد مع معالجة ضبابية لغير اليقين في الغواطس وخوارزميات بحث سريعة، يمكن للمشغّلين توليد خطط رسو تكون فعّالة واحتياطية بما يكفي لتُعتمد عندما تتغير الظروف. يشير هذا العمل نحو أدوات أكثر ذكاءً وأتمتة قد تساعد الموانئ على استيعاب سفن أكبر، وتقليل أوقات الانتظار واستهلاك الوقود، والانتقال في النهاية نحو لوجستيات بحرية أكثر موثوقية واستدامة.

الاستشهاد: Liu, D., Li, B., Li, M. et al. Research on a fuzzy programming model and algorithm for berth allocation considering time-varying water depth. Sci Rep 16, 9580 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-27537-1

الكلمات المفتاحية: توزيع الأرصفة, الموانئ المدية, التحسين الضبابي, الخوارزميات الجينية, لوجستيات بحرية