基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究.pdf

中文摘要 摘要 随着经济的发展，现代化的集装箱运输方式已经遍及全世界。各国都把集装 箱运输的发展水平作为衡量该国现代化运输进程的重要指标。集装箱堆场作为集 装箱运输中非常重要的一部分，在海运事业的发展中发挥着越来越重要的作用， 但是在出口集装箱堆场中，存在着大量的翻倒箱作业，这种作业不仅增加了堆场 作业的操作量，而且还会对集装箱堆场的作业效率产生极大的影响。因此各个码 头堆场都把重点放在了如何减少堆场倒箱率，从而提高堆场的竞争优势。 本文结合集装箱码头实际作业状况深入分析了堆场集装箱产生倒箱的主要原 因以及控制方法。文中在给定集装箱装船配载图的情况下，基于已知的堆场堆存 状态，建立了以最小倒箱量为目标的提箱装船顺序模型，并分别在最矮栈、邻近 栈和优化栈倒箱原则下，设计了启发式算法对集装箱提箱装船顺序进行优化，最 后用算例验证了算法的可行性和有效性。 本文研究结果表明：基于已知的集装箱船舶配载图，启发式算法能够在分别 遵循最矮栈、邻近栈以及优化栈倒箱原则下，求得优化的装船顺序，使得集装箱 倒箱量最小，而通过比较分析发现，按优化栈倒箱原则可以获得比另外两个倒箱 原则更优化的装船顺序，同时按最矮栈倒箱原则往往比按邻近栈倒箱原则下得到 的结果更优。本文的研究成果能够为集装箱码头装船作业提供决策依据，从而在 提高码头堆场利用率和降低码头生产成本的前提下实现快速、高效装船。 关键词：集装箱；配载图：装船顺序；倒箱量 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t h em o d e r n i z e dc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nh a s b e e nt h r o u g h o u tt h ew o r l d m a n yc o u n t r i e sr e g a r dt h el e v e lo fc o n t a i n e rt r a n 巾o r ta sa l l i m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h em o d e m i z a t i o no ft r a n s p o r td e v e l o p m e n tp r o c e s s a sav e r y i m p o r t a n tp a r to f t h ec o n t a i n e r t r a n s p o r t ，c o m a i n e ry a r dp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r e l ei nt h ed e v e b p m e mo ft h em a r i t i m ei n d u s t r y h o w e v e r , t h e r ea r el o t so fo v e r t u r n e d b o x e so p e r a t i n gi nt h ee x p o r tc o n t a i n e ry a r d ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s e st h eo p e r a t i o n l o a d ，b u ta l s oh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h ec o n t a i n e ry a r d i no r d e rt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v ea d v a n t a g eo ft h ey a r d ，e v e r yp o r ti sf o c u s i n go n h o wt or e d u c et h en u m b e ro fe o m a i n e rr e h a n d l e so nt h ey a r d t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i nr e a s o n sa n das i m p l ec o n t r o lm e t h o do fy a r dc o n t a i n e r d o w nr a t eb a s e do nt h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h ep o it s a c c o r d i n gt ot h eg i v e n c o n t a i n e rs t o w a g ep l a na n dt h ey a r dd e p o s i tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s m a t h e m a t i c a lm o d e l sa i m i n ga tm i n i m i z i n gt h en u m b e ro fc o n t a i n e r r e h a n d l e sb a s e do n t h es h e r t e s ts t a c kd o w np r i n c i p l e ，t h en e a r e s ts t a c kd o w np r i n c i p l ea n dt h eo p t i m i a t i o n p r i n c i p l es e p a r a t e i y ，t h e no b t a i n sae f f e c t i v el o a d i n gs e q u e n c er e s u l t w h a t sm o r e ，t h i s p a p e rd e s i g n sah e u r i s t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ec o n t a i n e r s s e q u e n c e ，a n df i n a l l y u s e st h ec a s et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h ea l g o r i t h m t h cr e s u k so ft h i ss t u d ys h o wt h a t ：b a s e do nt h ek n o w ns t o w a g ep l a n , h e u r i s t i e a l g o r i t h mi se f f e c t i v ef o ro b t a i n i n gt h eo p t i m a ll o a d i n gs e q u e n c ea n dm i n i m i z i n gt h e r e l o c a t i o nw h i c hf o l l o w st h es h o r t e s ts t a c kd o w np r i n c i p l et h en e a r e s ts t a c kd o w n p r i n c i p l ea n dt h eo p t i m i z a t i o np r i n c i p l e t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp a p e rp r o v i d e st h e p o r t sad e c i s i o nm a k i n go p t i o a sa i m i n ga tr e d u c i n gt h et e r m i n a ic o s to fp r o d u c t i o na n d a c h i e v i n gt h ef a s ta n d e f f i c i e n ts h i p p i n gp l a n k e yw b 砌：c o n t a i n e r ；c o n t a i n e rs t o w a g ep l a n ；l o a d i n gs e q u e n c e lt h en u m b e r o f c o n m i n e rr e h a n d l e s 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 研究背景i 1 2 国内外研究综述2 1 3 研究目的及研究意义4 1 4 研究内容及思路6 第2 章堆场集装箱的倒箱操作分析8 2 1 集装箱码头堆场概述8 2 1 1 集装箱码头堆场的空间资源8 2 1 2 集装箱码头堆场的机械资源9 2 1 3 集装箱码头堆场的作业流程9 2 1 4 集装箱码头堆场堆存状态及其定位描述10 2 2 集装箱船配载概述1 1 2 2 1 集装箱船舶配载原则1 l 2 2 2 集装箱船舶配载中的倒箱操作1 2 2 2 3 船舶坐标系及箱位表示方法1 3 2 2 4 集装箱船配载状态及其定位描述1 4 2 3 堆场倒箱作业过程15 2 3 1 集装箱倒箱操作概念1 5 2 3 2 集装箱堆场产生倒箱的原因1 6 2 3 3 集装箱翻箱操作对堆场操作作业和船舶停泊作业的影响1 7 2 4 集装箱倒箱控制方法2 0 2 4 1 贝内倒箱的控制方法2 0 2 4 2 装船倒箱的控制方法2 0 2 4 3 提箱倒箱的控制方法2 0 第3 章集装箱提箱装船顺序优化模型研究2 2 3 1 集装箱提箱装船顺序问题描述2 2 3 1 1 问题描述2 2 3 1 2 问题分析2 2 3 2 集装箱提箱装船顺序优化模型构建2 5 3 2 1 模型假设2 5 3 2 2 模型符号与决策变量2 5 目录 3 2 3 模型建立2 6 第4 章集装箱提箱装船顺序优化算法设计2 8 4 1 遗传算法基本思想及运作流程2 8 4 1 1 遗传算法基本思想2 8 4 1 2 遗传算法的运作流程2 8 4 2 算法设计3 l 4 2 1 染色体的编码方式及初始解的产生3 l 4 2 2 选择3 2 4 2 3 变异3 3 4 2 4 适应度函数及迭代终止规则的设定3 4 第5 章算例分析3 6 5 1 算例。3 6 5 2 不同倒箱原则下的算例求解3 7 5 3 算例分析与比较3 8 第6 章结论4 5 参考文献4 6 附录集装箱的配载及对应的堆场堆存状态5 0 致谢6 4 也随之增加了，取箱时为了尽量避免少翻箱甚至是不翻箱，堆场业务的操作难度 明显加大。调查结果表明，港口的平面布局，设备配备，船舶属性都是固定的， 所以“倒箱次数的多少成为影响集装箱装卸服务时间的决定性因素。 影响倒箱操作的因素主要包括到场集装箱的先后顺序、堆放位置、提箱顺序 以及翻倒集装箱的落箱位置。首先，集装箱到达堆场的顺序是随机的，不可避免 存在不同重量级、不同船次的集装箱混合堆放；其次，在堆场的任一栈中，集装 箱的操作只能是自上而下的，这是由集装箱码头作业的特征决定的；再次，码头作 业人员根据经验确定发箱顺序，往往缺乏对整个装船作业的全局考虑，不能从根 本上减少倒箱操作；最后，在倒箱操作过程中，翻倒集装箱的落箱位置往往有多 个选择，不合理的落箱位置对后续操作可能造成二次倒箱、甚至三次倒箱等。例 如，如果要提的目标箱上有阻塞箱，就需要把阻塞箱移开到其他栈上，而如果移 动过程中把该阻塞箱放在了下次需要提的集装箱的上面时，则会增加后续提箱作 业的倒箱操作量，从而降低码头堆场的工作效率。 由此可见，装船顺序与倒箱量存在着内在联系，装船顺序的优化会直接影响 第1 章绪论 整个集装箱码头的作业效率的高低，所以本论文就是研究如何确定一个优化的 箱装船顺序，从而最大限度地减少集装箱的翻倒次数，最终减少集装箱装卸时间 加快装船速度。 1 2 国内外研究综述 随着经济的发展，现代化的集装箱运输方式已经遍及全世界。各国都把集 箱运输的发展水平作为衡量该国现代化运输进程的重要指标，同时，国际航运中 心也把集装箱装卸中转量的多少作为衡量港口实力强弱的主要标志。作为集装箱 运输中非常重要的一部分，集装箱堆场在海运事业的发展中发挥着越来越重要的 作用，因此各个码头堆场都把重点放在了如何提高堆场的竞争优势。由于意识到 集装箱的倒箱操作以及提箱装船顺序对堆场的作业效率有重要影响，所以企业界 和各国航运学者开始把最大化减少堆场集装箱的倒箱量和优化集装箱提箱装船顺 序作为研究重点。 大部分学者是从在确定的集装箱装船顺序的前提下，研究如何来确定出口集 装箱在堆场中的堆放位置以及集装箱翻倒箱的落箱位置来减少倒箱量。 k i m 等【1 2 1 基于集装箱码头的出口堆场中通常重箱先于轻箱装船这样的一种假 设，以最小化装船时的倒箱量为优化目标，利用动态规划和决策树方法研究了到 来集装箱堆放位置的确定问题。并且利用分支定界和启发式方法研究提箱过程中 集装箱落箱位置的确定问题，发现随着问题规模的增大，分支定界法的求解时间 成指数规模上升，而启发式方法解的质量也明显下降，所以得出结论：为了提高 装船效率，在装船前需要对出口箱进行预倒作业。l e e 等【3 】以最小化预倒过程中的 倒箱量为目标，提出了相应的整数规划模型和启发式方法，对倒箱路径进行优化。 李斌【4 1 通过对影响贝位内集装箱翻箱率的因素进行分析，对翻倒箱箱位进行合理选 择来确定下一阶段的堆存状态，然后将状态按先后顺序连接起来，抽象成为一幅 有向附权图，最后通过动态规划原理对此有向附权图进行优化，求出有向附权图 的最短路径，从而得出了在既定堆存状态下贝位内的提箱顺序。金鹏等1 5 1 在既定的 初始堆存状态下，以位内总翻箱次数最小为优化目标，通过制定可等价替换抽象 约束的箱位选取规则，建立装船提箱时位内翻箱问题的优化模型。最后用启发式 性等重要因素分解为评估策略，按优先级将各种评估策略划分等级，尤其将稳性 问题具体到船的每行及每个载位，以寻找最优解。在实验中确定遗传算法的参数， 实验表明，可以得到优化的结果。张新艳【1 0 】首先对港口集装箱码头的结构及其装 船作业过程进行分析，针对集装箱装船作业排序问题，建立了考虑位置约束和设 备约束等条件的优化目标函数，给出了目标解的染色体表达方式和基于混合变异 的进化机制，并通过实例计算和分析验证了算法的实用性。使用一种进化策略算 法对港口集装箱装船作业顺序进行优化。 由于意识到船舶协调配载的重要性，也有越来越多的学者侧重于研究在结合 集装箱船舶配载图的现实约束下，研究如何合理地对堆场集装箱进行提取，来获 得一个优化的提箱装船顺序。 靳志宏等1 结合集装箱船先下( 舱内) 后上( 甲板) 的现实约束，设计如下启发 式算法：构筑堆场箱区矩阵a 以及集装箱船各个贝位内的配载矩阵，把装船过程 转化成确定a ixj 与b p xq 的匹配过程，即通过确定b 的最底层元素与a 的最表层 元素的对应关系，从而基于配载图确定装船顺序。朱明华等n 羽结合装船配载图， 第l 章绪论 提出了一种以最少倒箱量为目标求解集装箱装船顺序的启发式算法。同时在启发 式算法的基础上提出了基于规则的改进策略。仿真实例表明，所提出的启发式算 法是可行的，改进策略相对于启发式算法有较好的效果。王晓等n 3 1 研究如何在给 出箱区图和配载图的情况下，根据不同的装船方式，运用计算机程序确定合理的 发箱和装箱顺序。主要依据实际数据，通过对两种在码头实际装船作业中应用性 较强的装船方式进行研究，分别对其做了建立数学矩阵模型，制定合理算法，编 写m a t l a b 程序等工作，并论证了它们在实际操作中的可行性。b o r t f e l d t 等劬在已 知的集装箱船舶配载状态的条件下，为寻求最优的集装箱装船顺序，构造了平行 禁忌搜索算法，建立禁忌表，避免重复寻找最优解，以所给点的禁忌长度来求得 全局最优解。 目前关于提箱装船的研究还存在不足：( 1 ) 一部分学者仅仅从经验方面来对 装船顺序问题进行分析，而没有从优化角度对装船问题进行研究。( 2 ) 多数学者 仅仅从码头堆场的角度进行研究，没有考虑到船舶上的现实约束，或者侧重于船 舶上的硬性约束研究，而没有考虑到堆场的提箱倒箱过程，导致得出的算法无法 完全满足实际操作需求。( 3 ) 遗传算法是一种实用、高效、鲁棒性强的优化技术， 应用很广泛。然而却没有学者能在结合集装箱船舶配载图的前提下，将目标函数 与现实约束转化为程序代码应用于遗传算法中，以取得优化结果。 本文的研究主要是基于己知的配载图，结合集装箱在堆场的堆存状态，找出 一个优化的提箱顺序；其次本文将提箱倒箱操作过程及倒箱控制原则抽象为具体 的可以操作的数学模型；最后本文得出了一种研究集装箱装船顺序问题的新算法， 并且将其程序化，使其形成一种可在电脑系统上运行，成为一种具体提箱装船计 划的优化技术。 1 3 研究目的及研究意义 在集装箱装船的实际操作中，单纯地依靠调度人员的经验来确定提箱顺序往 往不能同时兼顾装船速度以及船舶稳性、吃水差等硬性要求，尤其是对于大量的、 随机出现的此类情况。如何确定合理的集装箱装船顺序，实现准舱、高效地完成 集装箱装船作业，成为集装箱堆场共同追求的目标n7 1 。所以，本文也正是从这个 - 4 - 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 角度考虑，研究在给定堆场集装箱堆存状态和集装箱装船配载图的情况下，如何 确定合理的集装箱装船顺序，最大程度地减少倒箱操作，实现快速、高效装船， 从而提高码头堆场利用率和码头通过能力，降低码头生产成本。 集装箱装船效率的提高对提高集装箱堆场的规模经济效益有巨大的推动作用， 对其发展机理的研究不但具有一定的理论意义，更对海运集装箱港口的集装箱装 卸有着重要的实践意义： ( 1 ) 理论意义 集装箱堆场的高效率运行是提高码头作业效率、缩短船舶在港时间、提高船 公司及港口企业经济效益的关键因素。假如堆场的占用面积过大，不仅影响堆场 的作业效率还会影响进口集装箱的堆存。所以，提高堆场的作业效率是提高码头 作业效率的关键因素。本文研究的问题就在于如何依据尽量减少集装箱翻倒箱操 作次数来对集装箱装船顺序进行优化，从而加快船舶的装船速度，减少集装箱在 岸壁前沿的堆存时间，加快堆场向岸壁前沿的集港速度，以加快堆场作业效率， 对堆场的发展具有深远的理论意义。 ( 2 ) 实践意义 国内外港口发展实践表明，提高堆场的作业效率及集装箱装船作业效率对提 高港口企业和航运企业的经济效益具有巨大的推动作用。堆场集装箱翻箱操作时 间的减少可以大大地减少集装箱船舶在港停泊时间，停泊时间的减少可以减少停 泊费用，如租船费用、租箱费用、港口驶费、装卸费用、船员费用等，以为船公 司节省大量的费用开支，从而可以吸引更多的船公司选择靠泊此港口进行集装箱 的装卸，这样港口企业的客户就会增多，提高了港口企业的规模经济效益。对于 港口企业而言，堆场翻箱倒箱操作的次数减少，不仅缩短了装船时间，而且减少 了龙门起重机的无用做功次数，提高了机械的作业效率，同时员工单位时间内的 工作量也会提高，从而使整个码头的作业效率得到提升。通过减少堆场集装箱翻 的箱操作来优化集装箱的装船顺序，可以极大地提高集装箱装船效率和码头堆场 作业效率，对促进我国各港口堆场的发展具有重要的实践意义n 引。 第1 章绪论 1 4 研究内容及思路 本文主要研究在给定集装箱船舶配载图以及堆场堆存状态的情况 定一个合理的集装箱提箱装船顺序，从而在集装箱翻倒箱量最小的目 快速、高效地装船。本文首先介绍了集装箱码头堆场的空间资源情况 方堆场和后方堆场进行描述，然后结合堆场机械资源，从堆场外部的 内部的业务活动两方面详细介绍了一下集装箱堆场的业务流程，从而 况从宏观上进行了简单描述。接着从微观角度对集装箱码头堆场的堆 定位作了详细描述。然后简单介绍了一下集装箱船的配载状态及其定 于装船顺序与倒箱量存在着内在联系，接着又详细阐述了集装箱堆场 作的原因以及翻倒箱操作对堆场作业效率及船舶停泊时间的影响，并 常见的集装箱倒箱原则及控制方法。最后结合集装箱船舶配载图以及 态图，建立了集装箱提箱装船顺序的模型，并分别在不同的倒箱原则 式算法对问题进行求解，最后用案例验证了算法的可行性和有效性， 倒箱落箱位置的选择对待装集装箱的装船顺序有重要的影响，本文又 规则下的集装箱优化顺序进行了运算比较。 结果表明：启发式算法在考虑集装箱装船配载图的情况下能够在使得倒箱数 最小的目标下求得优化的提箱顺序，而通过比较分析发现，按优化栈倒箱原则可 以获得比另外两个倒箱原则更优化的装船顺序，同时按最矮栈倒箱原则往往比按 邻近栈倒箱原则下得到的结果更优。本文的研究成果能够为集装箱码头装船作业 提供决策依据，从而在提高码头堆场利用率和降低码头生产成本的前提下实现快 速、高效装船。 本文研究思路如下图所示： 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 图1 1 文章结构框架图 f i g 1 1t h e s i ss t r u c t u r a lt 宙a m eg r a p h - 7 - 第2 章堆场集装箱的倒箱操作概述 第2 章堆场集装箱的倒箱操作分析 2 1 集装箱码头堆场概述 2 1 1 集装箱码头堆场的空间资源 作为集装箱港口的一个重要组成部分，集装箱堆场是为等待装船的集装箱和 从船舶上卸载下来的集装箱提供堆放的场地，当然也同时担任集装箱交接和临时 保管的职责。集装箱堆场的主要功能就是，在集装箱运输过程中起到缓冲的作用， 主要体现在进口和出口两种情况下。首先对于出口来说，堆场的主要作用就是把 所有等待出口装船的集装箱都集中到一起来，包括通关的和未通关的集装箱。等 到通关时间截止之后，港口不会再接收新的集装箱，这时已经通关的集装箱就等 待船舶停靠后进行装船。对于进口来说，堆场的作用就是从船舶上卸载下来的集 装箱的临时存放地，这些卸载下来的集装箱会堆放在最靠近船舶的堆场，以便加 快集装箱船舶的卸载速度。等所有集装箱卸载完毕以后，就开始进行集装箱的疏 港工作。总的来说，堆场的主要功能就是集装箱在通关上船前的统一集结地和集 装箱到港后卸载的临时存放地，这样有利于船舶公司、港口码头和海关等进行管 理。 集装箱堆场的空间资源主要是指前方堆场和后方堆场。其中前方堆场是位于 集装箱码头前方，是暂时存放集装箱的场地，主要作用是加速船舶装卸速度。其 作业流程为：在集装箱船舶到港前，将出口集装箱有计划有次序地集中堆放，卸 船时将进口集装箱暂时堆放在码头前方，以加速船舶装卸作业。前方堆场占堆场 总面积的比例一般比较大，它的大小根据集装箱码头所采用的装卸系统来决定， 当然也会由于堆放层数不同而不同。它最靠近码头前沿，其设计的面积应该大于 泊位上停靠的最大集装箱船装载量的两倍。 集装箱的后方堆场是集装箱重箱或空箱进行交接、保管和堆存的场所。作为 集装箱装卸区域的主要组成部分，集装箱后方堆场是集装箱运输“场到场”交接 方式办理整箱货交接的场所。其实，后方堆场和前方堆场只是一种地理位置上的 相对概念，并没有非常明显的分界线。后方集装箱堆场，作为码头港口集装箱装 卸系统的补充部分，在集装箱码头的集疏港、集装箱中转运输、拆装箱作业等业 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 务中发挥了重要的作用2 2 1 。 2 1 2 集装箱码头堆场的机械资源 集装箱堆场机械资源主要承担集装箱在堆场的装卸作业和堆码作业等，根据 港口码头不同的装卸工艺，堆场机械也各不相同。一般来说，可以分为水平运输 机械和场地装卸机械。水平运输机械主要是指集装箱牵引车，也称为拖车或者拖 头。场地装卸机械主要包括场桥、正面吊和空箱叉等，集装箱牵引车主要用来完 成集装箱在堆场内的水平运输任务，包括从后方堆场运送集装箱到口岸等待装船 和从口岸将卸载下来的集装箱运送到堆场指定的位置堆放。一般来说，一辆拖车 一趟运输可以装载一个4 0 尺的集装箱或者是两个2 0 尺的集装箱。拖车按照规划 好的场地路线行驶，完成集装箱在泊位与场地之间的基于启发式算法的集装箱堆 场优化研究空间位移。 场桥又称为龙门吊，由底梁和前后两片门框组成的门架，并通过梯形架连接 的前后拉杆进行悬挂，支撑在车轮上。运行小车通过起升钢丝绳悬挂专用集装箱 吊具沿门框上横梁上的轨道运行，配合底盘车进行集装箱的堆码和装卸作业。场 桥又分为轨道式场桥和轮胎式场桥。轨道式场桥作业效率略高于轮胎式场桥，一 般采用电力驱动，故障率低，作业能耗少，但由于场桥的底盘移动依赖于轨道所 以难以进行跨场机动，购置成本也高于轮胎式场桥。轮胎式场桥采用柴油机动力， ， 故障率较高，作业能耗较大，但便于机动，购置成本较低。场桥是码头场地作业 的主力机械。正面吊和空箱又也是码头常用机械，具有机动灵活、造价低廉等优 点，但作业回旋半径大、堆场面积利用率低、故障率较高且维修复杂，作业效率 低于场桥。一般用于完成场内短距离搬运和现场临时作业，是码头场地作业的辅 助机械【2 1 1 。 2 1 3 集装箱码头堆场的作业流程 由于涉及到众多的人员、机械设备以及其他的港口资源，所以集装箱堆场的 作业流程很复杂，需要对各种资源进行合理的安排和调度。港口工作人员的素质 的高低、设备设施的性能好坏、港口硬件软件设施以及信息化的程度的高低都会 影响该流程的运行效率。集装箱堆场的业务流程大体上可以分为两部分，即堆场 外部的作业和堆场内部的业务活动。 第2 章堆场集装箱的倒箱操作概述 堆场外部的作业主要包括船公司向港口码头发送船舱位置布局结构图、舱单 信息、船舶集装箱积载图、船舶航行日期以及航线等，在船舶到港前，船舶公司 需要将这些信息通过e d i 发送给港口码头。港口码头可以根据船公司传过来的船 舶预计到达期安排船舶的停靠泊位以及码头的作业计划安排，然后根据船舱位置 布局结构图、舱单信息和船舶积载图制定集装箱的卸船计划和堆存计划。待船舶 靠泊后，就需要按照之前制定好的卸船计划和集装箱堆存计划安排岸桥、场桥、 集卡、拖车以及相应的人力等资源进行卸船作业，并由码头理货员和港口作业指 挥员进行监督管理。待卸船完成以后，码头会根据货主的预约取货方式和时间， 安排提箱计划。 堆场内部的作业流程可以分为三个阶段：进场阶段、验货阶段和提箱阶段。 其中进场阶段指如何安排集装箱进入堆场，首先根据货主的委托单要求，业务员 会制作申请表，然后经过报批、审核、报关计划、车队调度、安排场地等环节， 在进场卡口阶段，业务员会核对进场的车队信息，包括集装箱的外表铅封等，如 果确认无误，才把箱号和车号录入系统，正面吊叉车司机接到中控系统传过来的 信息，首先通过核对车号和箱号进行卸箱，然后对箱位落箱后进行手持确认。验 货阶段主要包括商检验货和海关验货，集装箱进场以后，港口会根据货主的委托 信息安排验货区，然后把箱位信息发给正面吊司机，正面吊司机根据需要验货的 排号和箱号进行摆箱；海关验货需要提取需要海关检验的集装箱号，并将箱号信 息发送给正面吊司机，进行摆箱；摆箱完毕以后，报检员会到具体的箱位上进行 验货，然后形成商检验货记录和海关验货记录，最后堆场现场调度员再与报关员 和海关进行报检。提箱阶段主要根据检验的结果由客户办理提箱的一系列手续， 然后进场提走货物的操作【2 3 1 。 2 1 4 集装箱码头堆场堆存状态及其定位描述 集装箱堆场一般按照p s c w 原则进行布局，即同一目的港( p o r t ) 、同一尺寸 ( s i z e ) 、同一种类( c a t e g o r y ) 的集装箱按照重量( w e i g h t ) 级别堆放在堆场的 同一贝位上。集装箱堆场的最小组成单位为箱位，它是指堆场的场地上用白色或 是黄色的线条画成的长方形格子，用于表示集装箱在堆场中的具体位置。堆场由 若干箱区组成，每个箱区由若干个贝位组成，其中每个贝位又包括若干栈和层， 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 这些要素就构成了箱位，所以箱位号也是由箱区、贝位、栈号和层号来表示2 4 1 。 堆场中每个箱位都可以通过其所在的箱区、贝位、栈号和层号的编码来唯一确定， 如给定一个堆场编码( a 0 2 0 0 9 0 6 0 2 ) ，则表示该箱位的位置是a 0 2 街0 0 9 贝0 6 栈0 2 层，某贝位的堆存定位描述如图2 1 所示。 j 墓 磊 3 2 重 拽 1 2 ：l 456 图2 1 某贝位堆存状态的定位描述 f i g2 1t h el o c a t i o nd e s c r i p t i o nb a ys t a c k i n g 2 2 集装箱船配载概述 2 2 1 集装箱船舶配载原则 ( 1 ) 保证船舶良好的稳性 1 ： 集装箱船航行于汪洋大海之中，必须保证其安全性，而稳性则是衡量航行安 全的最重要指标。所谓稳性，是指船舶受外力( 如风力、浪涌) 作用而发生倾斜，当 外力消失后自动回到原来平衡位置的能力。集装箱船甲板上装有大量的集装箱， 甲板箱容量通常占全船总箱容量3 0 以上。现代集装箱船，尤其是大型船的比例 更高，几乎为一半。 ( 2 ) 保持船舶适当的吃水差 吃水差是指船舶艉艏吃水的差值，适当的吃水差可以使船舶具有良好的航行 性能，节省燃油，充分发挥主机功率。在配载中应注意集装箱箱量和箱重的纵向 分布，以满足船方的吃水要求。不同的港口、码头配载时在吃水差方面的要求不 同，例如上海港是潮汐港，加上长江口航道水深不足进出港船舶吃水水深受到很 大限制，为减少船舶候潮出港时间，争取船期，码头通常配载时应尽量接近平吃 水。 ( 3 ) 满足船体强度要求 第2 章堆场集装箱的倒箱操作概述 配载人员通常要注意2 点：一是不超过船舶允许的堆积负荷。集装箱船的舱 内和舱面，均按设计规定了堆积负荷，在配载时要做到每列集装箱的总重量不能 超过其允许的堆积负荷，否则将影响船舶的强度结构，危及安全航行，这在配载 超重箱时尤要加以注意。二是防止船体中拱。集装箱船为最大限度地多装运集装 箱，舱口均设计为大开口，加上集装箱船都为艉机型，空船的重量集中在船后部， 这对船体的纵向强度不利，如配载不当会造成船体中拱。为防止这一现象，配载 人员应将最后港的箱子较多配于船中，以免中途港卸箱后因中拱而影响船舶的纵 向强度。 ( 4 ) 避免配载不当造成沿线挂港作业困难 配载时除考虑本港装卸外，还应考虑沿线挂靠港作业的要求，特别是始发港 更应注意。一般来说，要尽量避免以下的情况： 避免中途倒箱 通常集装箱船沿线有较多挂港，尤其是远洋航线船舶，因此配载时要有全航 线整体观念，按集装箱船挂靠港顺序配箱，前港要为后港提供方便，起始港要为 全线打好基础，特别要力戒后港箱压前港箱，以免中途倒箱，降低装卸速度，增 加费用，造成损失。 避免同卸港箱子过分集中 由于装卸桥的结构特点，2 台不能并在一起作业，一般须相隔2 3 个b a y 才能 同时装卸。当某一卸港的箱量较大，超过一个舱容量而必须分舱时，不可在2 个 相邻舱中配置，而应至少相隔1 个舱( 2 个b a y ) 配置，这样2 台装卸桥才能同时作 业，避免形成“重点”舱以保证装卸效率和船期。 避免“一边倒“ 配箱 所谓“一边倒“ 配箱，是指将某港或数港的箱子同时配于船的左侧或右侧。 “一边倒配箱，无论对装船或是卸船妨碍都很大，特别是在中途港卸船时，会 造成船舶在短时间内出现横倾，使装卸作业困难，影响装卸速度，因此，配载时 要力求避免一边倒配箱，将同港或数港的箱子对称地配于船舶左右两侧。 ( 5 ) 满足特种箱配载要求 特种箱由于结构特点、尺寸特点或重量特点，对配载均有一定的特殊要求， 如冷藏箱必须配于冷藏箱区；危险品箱必须满足相互间距要求和船舶对危险品箱 的限制要求；超高箱必须配于舱内或舱面的最上层等。此外，对选港箱应保证该 箱子能在所有的选港中均能顺利卸船，配载人员必须掌握各类特种箱对配载的特 殊要求，以免配载不当造成作业困难或损失。 2 2 2 集装箱船舶配载中的倒箱操作 集装箱是集装箱船舶的基本装载单元，集装箱在船舱内是垂直堆放并且由垂 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 直方向的箱格导轨固定，这就决定了集装箱的装卸只能是垂直方向的吊入和吊出， 因此，如果后到港箱堆放在先到港箱的上面，则到达先到港后，必须把压在上面 的集装箱卸下，完成正常卸箱后再把集装箱重新装载到船上，这种现象被称作倒 箱。倒箱导致了船舶在港停留时间增长，增加了装卸费用，而且不产生任何效益， 尤其对于压舱盖倒箱( 即先到港箱在舱内而后到港箱在相应的舱盖上) ，需要将舱 盖上的全部集装箱卸下再重新装载，大大增加了运输成本。因此，倒箱操作应该 尽量避免 3 0 l 。倒箱产生的原因主要有三个： ( 1 ) 船舶装箱量大、中途挂靠港多，极大的增加了全航线综合考虑倒箱问题 的难度，往往会因为要减少某一挂靠港的倒箱而使其他挂靠港的倒箱增加； ( 2 ) 配载人员为了减少后续港口的倒箱，而在某一中途挂靠港口做适当调整， 也会产生倒箱操作； ( 3 ) 为了满足船舶安全航行即保证船舶稳性、强度、吃水在合理的范围内而 产生的不可避免的倒箱。 2 2 3 船舶坐标系及箱位表示方法 为了便于箱位表示及船舶性能计算，船舶坐标系定义如图2 2 a 所示。集装箱 船上的贝( b a y ) 、列( r o w ) 和层( t i c r ) 分别与船舶坐标轴相对应贝位是船上具有相 同x 坐标的箱位的集合；r o w 是船上具有相同y 坐标箱位的集合；t i e r 是船上具 有相同z 坐标的所有箱位的集合，如图2 2 b 所示。 x a 船舶坐标系 b 船舶行列层的坐标轴表示 as h i p sc o o r d i n a t es y s t e mbt h ed e n o t a t i o no f t h eb a y , t h er o wa n dt h et i e r 图2 2 船舶坐标系及贝、列、层与坐标轴的关系 f i g2 2s h i p sc o o r d i n a t es y s t e ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb a y , t h er o w , t h et i e ra n dt h e c o o r d i n a t ea x e s 第2 章堆场集装箱的倒箱操作概述 2 2 4 集装箱船配载状态及其定位描述 集装箱船配载图主要用来表示所装货物的重量、性质、装载位置以及装卸港 等。首先由集装箱配载中心或船上大副根据接收到的订舱单，制定本航次集装箱 的预配图；然后由船公司将预配图交给港口码头的集装箱装卸公司；集装箱码头 装卸公司在接到预配图后会把该图交给集装箱配载员，配载员就根据预配图和码 头的实际进箱情况，编制出集装箱实配图；到集装箱船舶靠泊后，码头配载员持 实配图上船，交由大副审查，船方同意后会由船方签字认可；码头会依据大副签 字认可的实配图进行装船作业；集装箱装船完毕后，理货公司的理货员就依照船 舶的实际装箱情况，来编制最终的积载图。 集装箱在船上装载后，按贝、列和层的序列来定位，通常用6 位数字表示， 具体如下：贝号是指在纵剖面图上船舶横剖面的序列号，用2 位阿拉伯数字表示， 编号的方法为从船首到船尾依此标明：0 1 ，0 2 ，0 3 ，。通常情况下2 0 t t 箱所在 位置以奇数表示，4 0 t t 箱所在位置以偶数表示。列号是指从船舶横剖面上排列的序 号，用2 位阿拉伯数字表示。主要有两种标号方法：一种是自左舷端向右舷端依 次编号：o l ，0 2 ，以此类推；另一种方法是自船舶中间向左右分标，中间号 为o o ，由中线向右舷编单号，编为：0 l ，0 3 ，0 5 ，由中线向左舷为双号，编 为：0 2 ，0 4 ，0 6 ，( 如图2 3 a ) ；层号是指船舶横剖面图上上下方向排列的序号， 一般也有两种表示方法，一种方法是从舱内底层开始算，一直往上推到甲板顶层， 例如舱底第一层为o l ，往上依次为0 2 ，0 3 ，：另一种方法是对舱内和甲板进行 分别编号，舱内层号数前加“h “ ，从舱底算起为h l ，h 2 ，h 3 ，；甲板上层号数 前加“d ”，从甲板底层算起为d i ，d 2 ，d 3 ，( 如图2 3 b ) 。箱位号也就是集装箱 在船舶上的具体位置旧1 。共有六个数字：前两个数字是排号，中间两个数字是行 号，后两个数字是层号。例如箱位0 1 0 3 0 6 是表示这个集装箱在船上的具体位置为 第l 贝位、右舷第3 列第6 层。 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 1 0 吨陀0 t 晒盯1 2l l1 0 0 t 巧叭吃0 l 汐驴” 掰7t 雕一e ”矽甥 莨lj 阪l 勿 k、囊 髟v t 17 ： 妒f 2 豹 e ，1 阪翻 包a 弧陀0 l 皓叮 叮惦0 t 陀0 l a 集装箱船列号表示法 at h ed e n o t a t i o no f r o wn u m b e r 1 2 l l1 0 0 t 0 40 3 吆0 l 1 0 叭吆0 1 晒0 7 髟耄 张： r ， 罗爹砌 l i 缓l l _ 阪，力 够￥ ”绷 髟i 阮l 。l k，翻 叮呻以陀0 l肌陀0 10 3 0 50 “ f b 集装箱船层号表示法 bt h ed e n o t a t i o no f t i e rn u m b e r 图2 3 列号与层号表示方法 f i g 2 3d e n o t a t i o no f r o w n u m b e ra n dt i e rn u m b e r 2 3 堆场倒箱作业过程 2 3 1 集装箱倒箱操作概念 在集装箱堆场中，一个栈是指垂直堆放的- - n 集装箱，其中并排堆放的若干 个栈就组成了一个贝。那么在提取集装箱时，如果要提取的集装箱并非处于所在 栈的最上层，那么就必须先将堆放在其上的所有集装箱移动到其他栈上，这种将 阻塞箱移走而提取目标箱的行为就称为倒箱操作。图2 4 为对堆场一个贝位的集装 箱进行提箱倒箱操作的示意图，如果某集装箱的提取顺序为k ，称之为“集装箱k ”， 并以数字k 标在集装箱上。如在第3 栈中，当集装箱3 为目标箱时，由于其正上 方的集装箱5 阻碍了该操作，集装箱5 则被称为阻塞箱，那么就需要先将集装箱5 移动到其他栈再提取目标箱集装箱3 ，这样对集装箱5 的操作就称为一次倒箱操作。 第2 章堆场集装箱的倒箱操作概述 图2 4 堆场提箱操作图 f i g2 4y a r dp i c k - u po p e r a t i o n 2 3 2 集装箱堆场产生倒箱的原因 造成集装箱翻箱的原因涉及集装箱运输的诸多环节。综合起来主要包括三 方面：( 1 ) 港口装卸部门及港口堆场的原因；( 2 ) 船公司及其代理的原因；( 3 其它方面的原因。 ( 1 ) 港口装卸部门及港口堆场的原因 集装箱港口堆场箱位紧张，不得不将集装箱混堆而产生的翻箱作业。 在集装箱进口业务中，港口集装箱堆场不能按照船公司的要求将租用箱与 自各箱分开或者对进口重箱在卸船前没有进行必要的整拼箱查找处理以及分票处 理工作，从而造成集装箱混堆，c f s 或托运人拆箱提箱时就会产生翻箱倒箱作业。 码头装卸部门或船代在配载或托运人提取进口重箱时，可能没有考虑到箱 子在堆场的堆放顺序而造成翻倒箱。 在集装箱出口业务中，码头堆场没有全面、合理、详细地安排堆场用地， 致使编制的堆放计划不能适应货物特点、提箱作业及装船配载等要求，从而造成 集装箱在装船作业过程中的翻箱倒箱作业。 ( 2 ) 船公司及其代理的原因 船公司、各个港口与相关部门之间缺乏必要的交流与沟通，在船舶舱位安 基于船舶配载图的集装箱装船顺序优化模型与算法研究 排上也没有计划组织性，不能合理地平衡船舶订舱与其运载能力之间的关系，从 而造成集装箱在各个集装箱港口临时加载或退载而产生堆场翻箱倒箱作业。 船公司过于频繁地更换班轮、班期提前或滞后、增减挂靠港，从而增加了 港口在集装箱堆场箱位安排、船舶装卸作业上的难度才产生倒箱操作。一般来说， 空箱与重箱共存的集装箱港口在这种情况下翻箱倒箱更加的严重。 船公司或者船代没有及时地按照规定向集装箱港口的堆场部门提供如进口