Вертикальная укладка контейнеров в терминалах на основе нечеткого C-среднего кластеризации

Почему умная укладка контейнеров важна

Каждый год почти миллиард стандартизированных металлических ящиков — контейнеров — проходит через морские порты по всему миру. Быстрая погрузка и разгрузка этих ящиков жизненно важна для поддержания потока грузов и снижения издержек. Тем не менее одну, на первый взгляд простую, проблему недооценивают: если нужный контейнер находится под неправильными соседями, крану приходится переставлять грузы, тратя время и топливо. В этой работе предложен новый, основанный на данных способ укладки контейнеров по весу, который сокращает дорогостоящие перестановки, делая работу портов быстрее и надежнее без увеличения площади или оборудования.

Скрытая проблема беспорядочных штабелей

Складские площадки контейнерных терминалов кажутся аккуратными издалека, но последовательность загрузки и выгрузки контейнеров сильно неопределенна. Выходящие контейнеры поступают на терминал до прихода судна, а точный порядок загрузки определяется правилами остойчивости судна и изменяющимися планами размещения. Тяжелые контейнеры обычно располагаются ниже в трюме, легкие — выше. Однако при поступлении операторы часто не знают, будет ли конкретный бокс считаться «тяжелым» или «легким» относительно окончательной загрузки. Традиционные стратегии пытаются приоритизировать тяжелые контейнеры или назначать фиксированные весовые категории, но это может сыграть злую шутку: контейнер, классифицированный как тяжелый сегодня, может оказаться средним завтра, что вынудит дополнительные перестановки при загрузке судна.

Вертикальные стеки и почему важен весовой баланс

Порты используют разные способы расположения контейнеров: рядом в строках (горизонтально), сложенными по похожим характеристикам в колонны (вертикально) или гибридно. В исследовании внимание сосредоточено на вертикальной укладке, где контейнеры со схожими характеристиками размещаются в одном столбовом стеке. Вертикальная укладка привлекательна тем, что облегчает доступ к контейнеру примерно нужного весового диапазона без сильного беспокойства соседей. Но на практике число контейнеров в каждом весовом диапазоне меняется от рейса к рейсу. Если группы по весу определять жесткими порогами — например, каждые 5 тонн — многие контейнеры, находящиеся рядом с границей, окажутся в разных стеках, хотя по сути почти одинаковы по весу. Это увеличивает внутристековую вариативность веса и уменьшает выгоды от вертикальной укладки.

Дать данным самим очертить границы

Авторы предлагают новую стратегию, названную Вертикальная последовательная укладка на основе нечеткого C-среднего (FVSS). Вместо предопределения границ весовых групп метод анализирует исторические данные о весе контейнеров для рейсов по тому же маршруту и позволяет алгоритму нечеткого кластеризования находить естественные кластеры. «Нечеткость» здесь означает, что вес контейнера может частично принадлежать нескольким группам, отражая отсутствие резкой границы между, например, средним и тяжелым. Алгоритм выбирает оптимальное число кластеров для прошлых данных каждого судна и определяет центры веса для каждого кластера. Площадка затем предварительно делится на число стеков, пропорциональное типичному количеству контейнеров в каждой весовой группе, и каждому стеку присваивается эталонный вес, основанный на этих центрах.

Простые правила для оперативных решений

После такой подготовки площадки повседневные операции следуют простому правилу. По мере прибытия каждого контейнера его приближенный весовой класс определяется с помощью нечетких кластеров. Если в стеках, зарезервированных для этого класса, есть свободное место, контейнер помещают туда. Если эти стеки заполнены или доступно несколько вариантов, система выбирает стек с эталонным весом, наиболее близким к фактическому весу контейнера. Со временем это мягко направляет контейнеры схожего веса в одни и те же стеки без применения сложной оптимизации или постоянного обучения машин. Авторы протестировали подход на десяти месяцах реальных данных терминала Бусан в Корее, сравнивая его с несколькими известными методами, включая случайную укладку, гибридную горизонтально-вертикальную стратегию и ранее предложенные техники на основе гауссовских смесей и онлайн-обучения.

Что результаты значат для портов

Ключевой мерой в исследовании является вариативность весов внутри каждого стека — меньшая дисперсия означает, что при погрузке судна легче найти подходящие контейнеры с меньшим количеством перестановок. Для множества судов и двух конфигураций площадки (5 и 10 стеков) стратегия FVSS значительно сократила дисперсию веса по сравнению с конкурентными подходами, с улучшениями до 78% по отношению к случайной укладке и существенными выигрышами по сравнению с другими современными методами. Важно, что производительность оставалась высокой даже когда исследователи намеренно искажали веса контейнеров, чтобы имитировать ошибки и изменения в последний момент. Для операторов терминалов это означает возможность более плавной работы кранов и сокращения времени оборота судов, опираясь на автоматизированный, но прозрачный набор правил, который легко обновлять по мере завершения новых рейсов, без значительных вложений в вычислительную инфраструктуру или сложные системы обучения.

Цитирование: Lee, S., Lee, SH., Choi, S.C. et al. Fuzzy C-means clustering based vertical container stacking in container terminals. Sci Rep 16, 6891 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37994-x

Ключевые слова: контейнерные терминалы, укладка на площадке, нечеткое кластеризование, морская логистика, операционная эффективность