量子计算用例详解：美国最大港口运营效率提升一倍

光子盒研究院出品

洛杉矶港是美国最繁忙的港口(吞吐量全美第一)，同时，洛杉矶港也是典型的低效率港口。在这个面临全球供应链挑战的时代，现在比以往任何时候都更需要港口以最高的效率发挥最大的能力。随着疫情引起的采购激增，全球各地的港口都在努力跟上快速运营的步伐。优化港口基础设施能力的技术至关重要。

因此，2022年1月，洛杉矶港首次采用了量子计算技术。近日，数据分析机构SavantX再次以报告形式对洛杉矶港的运营效率进行了分析。

目录1. 简介：SavantX和300号码头的HONE（超级优化节点效率）技术
2. 案例分析：300号码头和HONE的3年成效3. 最大化吞吐量：卸货、交货间取得平衡4. 数据分析5. 优化策略6. 基于Leap™量子云服务，HONE项目将改善全球供应链

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简介：SavantX和300号码头的HONE（超级优化节点效率）技术

洛杉矶港和邻近的长滩港每次停靠所处理的集装箱比世界上任何其他港口群都多：每年有超过1090万个TEU（二十英尺等量单位）通过，300号码头在这个门户中位列前四。自2019年7月以来，300号码头的运营商Fenix Marine Services与量子计算和数据优化公司SavantX合作，以提高码头的效率；主要侧重于提高从船到岸的集装箱卸货效率，以及当地进口堆场的交货效率。SavantX在300号码头实施的技术被称为HONE（超级优化节点效率）项目，它使用专有的数据科学和量子计算，为港口的使用提供实时优化解决方案。

什么是HONE？HONE是一个优化引擎。它不是简单的安装在云端或码头的一个软件，而是可定制的软件即服务（SaaS），利用主题专家（SME）、数据科学家和量子物理学家的知识，提供对优化全球供应链基础设施至关重要的尖端解决方案。

HONE的目标是通过与客户合作，确定关键绩效指标（KPI），然后对其进行优化，从而提高效率。优化关键绩效指标可以涵盖广泛的可能性......从简单的重新喷涂卡车停放区的线路，到复杂的利用量子计算来确定橡胶轮胎龙门架（RTG）应该采取的最佳路径来运送一连串的集装箱。

HONE擅长解决这些问题的原因是，SavantX利用专家与客户合作，产生了适合客户使用案例的独特解决方案。

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案例分析：300号码头和HONE的3年成效

2019年底，SavantX开始在洛杉矶港300号码头初步实施HONE。

SavantX的目标是实施一套流程系统，增加进口货场的吞吐量，同时减少卡车等待时间。几个关键的性能指标已经确定。为了衡量吞吐量，每天的卸货量和交货量被确定为关键的关键绩效指标；其他被确定为提高码头效率的关键绩效指标是：RTG移动距离、预留比率、生产性移动与非生产性移动以及卡车平均等待时间。

考虑到这些关键绩效指标，在3年多的时间里，为300号码头量身定做的HONE解决方案以分阶段的方式部署，验证每一个新的流程，同时赢得了运营部门的认可。可以说，知名度最高的KPI是卡车等待时间：HONE显著减少了卡车的等待时间，提高了生产率，同时使300号码头成为更理想的码头服务。

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最大化吞吐量：卸货、交货间取得平衡

300号码头设施的目的是把集装箱从船上卸下来（卸货）并储存起来直到货主派卡车把集装箱从进口货场运走、储存起来，直到货主派卡车把集装箱从进口货场运走（交付）。有几个限制因素可以控制。

第一个因素是卸船。平均而言，一艘船可以容纳超过4000个集装箱。由于从船上卸下一个集装箱需要3分钟，那么即使有多台船岸（STS）起重机，也需要几天的工作才能卸下一艘船。

第二个限制性因素是进口交货周期。交付工作依赖于300号码头工人在进口货场的协调，以及不受雇于码头的卡车司机。卡车司机为货主预约取走集装箱。有效地交付集装箱取决于堆场工人和卡车司机之间的坚实战略。

最后一个限制性因素是进口货场本身。集装箱可能会在堆场停留几个小时，或者几个星期后才会被交付。进口货场的空间极其有限。一个空的堆场意味着没有足够的集装箱从货船上卸下，堆场没有得到充分利用；而一个满的堆场意味着被接走的集装箱太少，因此堆场变得拥堵，难以操作。

因此，当务之急是在卸货和交货的集装箱之间找到一个平衡：为了最大限度地提高吞吐量，卸货和交货都应该最大化，同时保持货场的平衡。

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数据分析

为了确定300号码头的吞吐量随着时间的推移发生了什么变化，下图记录了2019年11月至2022年7月期间的每日卸货和交货的数量。

图1 300号码头的日卸货量与15天和120天移动平均趋势线

因为堆场的生产力每天都有很大的变化，所以确定了两种类型的趋势。第一种趋势是14天的滚动平均值（图1，实线），而第二种趋势是120天的滚动平均值（图1，虚线）。应该注意的是，2021年2月至4月期间发生了部分数据中断。

这次中断并没有影响到HONE的运作和码头效率。图1显示在整个HONE的实施过程中，日卸货随着时间的推移而增加。这种增长从2020年5月开始，在HONE最初的第一阶段开始后不久。到2021年秋季，日卸货数量趋势开始趋于平稳；目前，日卸货数量与2021年秋季的数字相似。在2020年5月至2021年10月的17个月期间，日卸货平均增加了一倍多。

图2 2019年10月至2022年7月期间，300号码头的每日交货量与15天（实线）和120天（虚线）的趋势线

每日交货量（图2）的表现与卸货量很相似。2020年初，一个积极的趋势开始出现，最终在2021年秋季趋于平缓。从这两个数字中很容易看到趋势，但为了捕捉交货和卸货的变化，最好是按月分解。

图3 各月交付量的脊线图

图3显示了自HONE开始以来的每月交付量的脊线图。该图采用每个月的日计数，然后从这些值中创建一个分布，以帮助捕捉整个月的计数分布情况。一个月的分布曲线上的最高点代表该月最可能发生的数值，而曲线尾部的数值则是不可能发生的。这使得各月之间的比较变得容易。使用图3，很明显，在2020年初实施HONE后，交付量明显增加。在第一年，HONE帮助300号码头的日均交货量翻了一番，这使得码头能够有效地处理那一时期超负荷的全球供应链所增加的需求。

长期的堆场稳定性是另一个重要因素。如果堆场不稳定，卸货和交货率就无法持续。这意味着两者都不能在较长时期内超过对方。如果卸货量远远大于交货量，那么堆场最终会达到容量，在有足够的集装箱交付之前，船舶无法卸载。如果情况相反，交货量占主导地位，那么堆场就会被清空，这导致进口堆场的低效利用。这两种情况都将不可避免地导致码头的潜在收入损失。出于这个原因，随着每日卸货和交货数量的增加，确保HONE公司保持货场的稳定是很重要的。

图4 300号码头卸货量和交货量的每日差异

稳定性可以通过简单地查看某一天的卸货和交货之间的差异来确定。这有效地显示了堆场增长或缩小的程度（图4）。如果二者之差为负数，则说明有更多的交付，堆场缩小；如果为正数，则说明有更多的卸货，堆场增长。一个稳定的货场会有一个平坦的长期趋势：120天的趋势（图4，红色虚线）就显示了这一点。

尽管卸货和交货随着时间的推移而增加，但它们的增长速度是相似的，这使堆场保持稳定。这表明，虽然交货和卸货率增加了一倍多，但HONE帮助保持了堆场的稳定状况。如果HONE的建议和优化保持不变，300号码头应该会继续看到比HONE之前高200%的吞吐量数字。

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优化策略

优化300号码头的过程包括优化集装箱的卸货和交货。由于到达码头的船只必须以一种使船只保持平衡的方式卸货，优化船只的卸货方式面临许多限制。为了优化卸货，HONE专注于使用历史数据，通过提供基于船舶以前访问的卸货模式来帮助计划者：这些模式为计划者提供了关于集装箱应该如何被卸载到码头的信息。

优化码头的交付包括两个过程。首先是开发一个预约系统，控制卡车何时可以进入码头大门取走他们的集装箱，为卡车何时能进入大门制定了具体规则：

1）除非码头和卡车公司之间有安排，否则所有卡车必须有预约才能进入大门。

2）卡车不得在预约时间前超过45分钟到达。

3）卡车不得在预约时间后超过180分钟到达。

这些规则确保卡车进入货场时，橡胶轮胎门架（RTG）在他们要取的集装箱附近。

执行这些规则对于最大限度地提高堆场的吞吐量是至关重要的：通过观察卡车到达时间和预约时间之间的差异，可以确定码头和卡车是否遵守了预约制度。

表1 预约差异的基本描述性统计

上表数据显示：

1）卡车平均迟到20分钟。

2）一半的卡车在70分钟的窗口内到达，从预约前19分钟开始到预约后50分钟结束。

这意味着，自从实施预约制度以来，大多数卡车都遵守了预约制度：最小和最大的到达差异确实表明，码头允许一些卡车违反规则。

图5 在2021年7月至2022年7月的一年时间内，预约时间和卡车实际到达时间的平均每日差异

与吞吐量一样，预约差异可能随着时间而改变。图5显示，在过去一年的大部分时间里，预约差异保持稳定，但最近开始出现更多晚到的卡车的趋势。晚到的卡车对码头效率的损害更大，因为RTG必须双倍返回来接走该卡车的集装箱。这给RTG带来了额外的压力，增加了其他卡车的等待时间，并减少了一天中可能的交货数量。

交付的第二个优化过程是优化RTG的移动。这有几个原因：RTG是码头交付过程中的骨干力量。如果RTG必须不断地重新定位，这是一项需要时间的任务，因为RTG不是灵活的机械，吞吐量会受到影响。像任何机械一样，使用越多，就越早需要维护。

如果RTG发生故障，不能迅速更换，码头的吞吐量就会受到很大影响；因此，在保持交货量的同时，尽量减少移动，意味着减少维修和保养的停工时间，有更多的时间在高负荷运转。在使用HONE之前，码头的设置方式是迫使RTG移动到卡车上进行交付：这意味着RTG将在半英里长的行中来回运送集装箱。这种低效的方法带来了一个预约系统，使RTG不再去找卡车，而是卡车去找RTG交货。这表明预约系统被用来减少RTG的移动。当卡车进入大门时，它们会移动到一个保留区，然后被一个算法跟踪，以确定它们排队交货的正确时间。

表2 每台RTG在一天内走过的平均英尺数

在实施HONE引擎之前，RTG每天平均移动近29,370英尺。这意味着，当预约系统被正确利用时，它大大减少了RTG在一天中的移动距离；预约系统和交付算法的实施显示了RTG移动的即时改善。

每行大约有2200英尺长。最佳的RTG运送模式是在一天的第一个班次中移动到该行的一端，然后在第二个班次中返回到该行。这意味着，在一个完美的情况下，RTG将在一天内移动大约4400英尺。在HONE之前，RTG的移动量是这个数字的7倍多。一旦实施HONE系统，RTG在一天内平均移动20460英尺。在最初实施后的两年里，港口在保持预约系统的同时，增加了更多的RTG排位。这使得每个RTG的平均距离进一步减少到16050英尺。这一距离没有进一步减少的最大原因是，RTG仍然经常回溯以取回它们经过的集装箱。

2022年1月，SavantX推出了一种名为Foresight的新算法：这种算法利用量子计算来确定RTG应该采取的最佳路径来运送一队集装箱。

图6 在队列中有2至5辆卡车的情况下，比较量子算法与经典算法。对于短的集装箱队列，使用经典算法，每次交货的平均距离（Ft.）较小。

图7 在队列中有6到9辆卡车的情况下，比较量子算法和经典算法。使用量子算法，每次运送的平均距离（英尺）较小。对长的集装箱队列来说，每次运送的平均距离（英尺）较小。

2022年初春对Foresight算法的初步测试表明，对于短队列，原始算法的表现比Foresight略好，但对于长队列，Foresight能够将每个集装箱所走的英尺数减少多达30%。这表明，在集装箱排队时间长的时期，应该使用Foresight算法。根据分析，如果2022年7月在300号码头使用Foresight，该月RTG的平均日移动距离可以减少到平均11400英尺。

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基于Leap™量子云服务，HONE项目将改善全球供应链

HONE是一个不断适应和发展的系统，寻求实施尖端技术来解决供应链问题。利用D-Wave公司的Leap™量子云服务，SavantX公司是开发和提供量子计算系统、软件和服务的领导者，提高了洛杉矶港的效率。D-Wave计算机是量子退火器，旨在解决复杂的优化问题，如本白皮书中描述的物流挑战。通过将手头的问题转换为所谓的二次无约束二元优化（QUBO），SavantX可以在运输应用中反复实时利用D-Wave量子计算机。

在300号码头使用的2年中，HONE将吞吐量提高了一倍，同时将RTG的移动量减少了近一半。卡车现在使用定制的预约系统，以有组织、有控制的方式进入300号码头。量子计算已经展示了它如何使码头比以前更有效率，在实施HONE之后，300号码头的价值增加到20多亿美元。

在未来，其他HONE项目将扩展量子计算和机器学习，以进一步改善全球供应链。

关于SavantX：

SavantX成立于2015年，SavantX的前身技术已在国防情报局成功部署了数年。在使用大量核电站数据构建优化的数据分析工具包后，申请了专利，公司的核心产品现在可通过各种服务获得。

SavantX的使命是通过量子计算、智能搜索、增强智能和数据可视化使数据易于访问和理解。

报告全文：

https://media-exp1.licdn.com/dms/document/C561FAQEn5VGU2gHUdQ/feedshare-document-pdf-analyzed/0/1668788500103?e=1670457600&v=beta&t=SrOyQOTROHHCIiHm1sWrpw9FIBtFpv2-fXUOzKwvHpw

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