해치별 작업량 불균형에 강건한 단일 선박 안벽크레인 스케줄링 = Quay Crane Scheduling for a Single Vessel: A Robust Approach to Hatch Workload Imbalance

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실제 운영에서 관측되는 해치별 작업량 불균형과 롱 해치(Long Hatch)를 명시적으로 고려한 단일 선박 안벽크레인 스케줄링(Quay Crane Scheduling Problem; QCSP)을 다룬다. 실제 작업 로그로부터 해치별 컨테이너 작업량을 산정하고, 카이제곱 검정과 이를 기반으로 한 작업량 불균형 지수 를 사용하여 해치 작업량의 균등성을 평가한다. 선박별 해치 작업량의 중앙값을 초과하는 해치를 롱 해치로 정의하고, 해당 해치의 작업을 해치 내부 처리 순서를 보존하는 연속 구간 단위 클러스터로 분할한다. 분할 개수와 위치는 과도한 세분화를 억제하는 패널티를 포함한 진화적 탐색을 통해 결정한다. 이렇게 생성된 롱 해치 인지형 클러스터를 작업 단위로 사용하는 차량경로문제(VRP) 유형의 혼합정수계획 모형을 구성하여, 안전거리, 비간섭, 이동시간, 선후 관계 제약을 동시에 고려하면서 Makespan을 최소화한다.
국내 컨테이너 터미널의 실제 선박 1,748척 데이터를 대상으로 실험한 결과, 제안 방법은 모든 해치 수 구간에서 MCTS 기반 휴리스틱 대비 더 낮은 평균 Makespan을 달성하였으며, 표준편차 또한 낮게 나타나 결과 변동성을 완화하는 경향을 보였다. 또한 작업량 불균형 지수 의 임계값을 변화시키며 Even/Uneven 그룹을 구성한 비교에서도 제안 방법의 평균 Makespan 우위가 전반적으로 유지되어, 롱 해치와 작업량 불균형을 명시적으로 고려하는 클러스터 재정의 및 MIP 기반 스케줄링이 실제 단일 선박 QCSP 환경에서 효율성과 안정성 측면의 개선 가능성을 제공함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study addresses the single-vessel Quay Crane Scheduling Problem (QCSP) byexplicitly modeling hatch-level workload imbalance and Long Hatches observed inreal terminal operations. Hatch-level container workloads are computed fromoperational logs and their evenness is quantified using a chi-square test and aworkload imbalance index . Hatches whose workloads exceed the vessel-specificmedian are defined as Long Hatches, and their tasks are partitioned intocontiguous clusters while preserving the intra-hatch processing order. The numberand positions of splits are determined via an evolutionary search with a penaltyterm to discourage excessive fragmentation. Based on these long-hatch-awareclusters, we formulate a VRP-type mixed-integer programming (MIP) model thatminimizes makespan under safety clearance, non-interference, travel time, andprecedence constraints.
Experiments on 1,748 real vessel instances from a domestic container terminalshow that the proposed method achieves lower average makespan than an MCTS-based heuristic across all hatch-count ranges, with consistently smallerstandard deviations. The advantage is largely maintained under Even/Unevengroupings obtained by varying the threshold of , suggesting improved efficiencyand stability for practical single-vessel QCSP.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 1
• 1.2. 연구의 목적 및 기여 5
• 1.3. 논문의 구성 7
• 제 2 장 관련 연구 9
• 2.1. 안벽크레인 스케줄링 문제 9
• 2.2. 단일 선박 QCSP와 해치별 작업량 불균형 13
• 제 3 장 연구 방법론 16
• 3.1. 해치별 작업량 산정 18
• 3.2. 선박별 해치 작업량 균등성 판정 19
• 3.3. 롱 해치 정의 및 작업 클러스터링 규칙 21
• 3.4. 롱 해치 분할을 위한 진화적 탐색 모듈 23
• 3.5. 단일 선박 안벽크레인 스케줄링 25
• 제 4 장 분석 및 실험 결과 해석 32
• 4.1. 실험 데이터 32
• 4.2. 실험 설정 34
• 4.3. 실험결과 37
• 제 5 장 결론 및 향후 연구 43
• 참고문헌 47