（管理科学与工程专业论文）港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究.pdf

i | i irli 1l ll li l l i ii il y 18 9 6 4 3 6 r e s e a r c ho fo p t i m a la l l o c a t i o nf o rc o n t a i n e rb e r t ha n d q u a yc r a n er e s o u r c e s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y t a n g s h u a n g ( m a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nj i a m a y 2 0 1 1 t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 鲞旦篡苤笪泊僮丛崖援资速鳆笾化醒量硒究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：丝趣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密吖( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：幻a 乙导师签名： 彳新 日期：f 年6 月劣日 中文摘要 摘要 近年来全球经济一体化迅速发展，港口集装箱作为地区和全球航运的节点中 心的作用更为明显。伴随着经济的飞速发展，国内港口的集装箱吞吐量也经历着 突飞猛进的发展。但是与发达国家相比，我国的集装箱港口依然面临着许多有待 解决的问题，大部分的港口由于条件所限，往往处在满负荷和超负荷运转的状态， 这样船舶在港时间过长，作业效率低，严重影响港口的经济效益和竞争力。 在对港口的资源优化配置理论及港口的多目标和动态特征分析研究的基础 上，以所有在港船舶总在港时间最短和岸桥作业效率最大为目标，与单独的泊位 和岸桥分配相比，把泊位一岸桥作为一个整体进行分析，建立了泊位一岸桥资源优 化配置的数学模型，给出了该模型下的约束和限制条件，该泊位一岸桥联合资源优 化配置模型充分考虑了港口的动态特性和泊位的连续性的特性，较为真实和客观 地反映了港口的实际运行情况。 论文中提出了一种启发式算法，该算法对生活中的“真空收纳袋”所采用“抽 真空 的操作进行了类比模拟，并运用到港口调度工作中。利用该算法对建立的 泊位一岸桥资源优化配置的模型进行求解，与传统的泊位岸桥分配方法相比，该算 法以船舶的最大可用岸桥数作为初始计划量，这样就保证了船舶在港的时间最短， 另外通过执行算法，能够“抽取岸桥分配计划中存在的“空隙 ，实现岸桥作业 效率的最大化，使得岸桥的空闲时间最少。最后通过实际的船舶到港数据进行验 证发现，与传统调度计划相比，经过逐次优化后的调度计划使得船舶在港的时间 大大降低，同时岸桥的使用率也得到提高，从而证明了该算法的高效性。 本文以我国港口现存问题作为研究分析对象，提出了一种新的启发式算法， 并通过该智能算法实现了船舶最佳的分配岸桥数量以及泊位停靠位置和次序，从 而达到优化资源配置、提高港口作业效率的目的，最终提高其竞争力。对现实的 港口中泊位一岸桥资源的调度有实际的指导意义。 关键词：集装箱，w 泊位一岸桥资源优化配置；启发式算法；抽真空法 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m i ci n t e g r a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h ep o r t c o n t a i n e r i z a t i o ni sn o w p l a y i n ga m o r ei m p o r t a n tr o l eo fn o d ec e n t e rf o rr e g i o n a la n d g l o b a ls h i p p i n g t h ed o m e s t i cp o r tc o n t a i n e rh a n d l i n gc a p a c i t yi sa l s oe x p e r i e n c i n gt h e e x t r a o r d i n a r yd e v e l o p m e n ta l o n gw i t ht h es p e c t a c u l a re c o n o m i cp r o g r e s s h o w e v e r , c o m p a r i n gw i t hd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h en a t i o n a lc o n t a i n e rp o r tb u s i n e s si sf a c i n gm a n y u r g e n tp r o b l e m s m o s to ft h ep o r t sa r er u n n i n gf u l lo ro v e rl o a dd u et ol i m i t e dr e s o u r c e ， t h i sh a sc a u s e da n c h o r a g eo v e r t i m ea n do p e r a t i o ni n e f f i c i e n c yw h i c hs e r i o u s l yi m p a c t s t h ee c o n o m i cb e n e f i ta n dc o m p e t i t i v e n e s so ft h ec o n t a i n e rp o r tb u s i n e s s b a s e do np o r to p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nt h e o r ya n dm u l t i o b j e c t i v ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i sr e s e a r c h ，t a k i n g m i n i m u ma n c h o r a g ep e r i o da s o b j e c t i v e ， s e p a r a t i n gf r o mt h ei n d i v i d u a lb e r t ha n dq u a yc r a n ea l l o c a t i o nm e t h o d ，t h i st h e s i s a n a l y z e sb e r t h q u a yc r a n ea so n eu n i t ，b u i l d i n gu pt h eo p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o n m a t h e m a t i cp r o t o t y p eo fb e r t h q u a yc r a n ew i t hi t sw o r k i n gc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，w h i c h o b j e c t i v e l yr e f l e c t st h e a c t u a l p o r ts y s t e ms t a t u s w i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no np o r t f l e x i b i l i t ya n dq u a yc r a n ec o n t i n u i t yc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i sh a sp r o p o s e dak i n do fh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，w h i c ht a k e sa n a l o g u e s i m u l a t i o no f v a c u u m i z i n g u s e db y v a c u u ms t o r a g eb a g i nr e a ll i f ea n di m p l e m e n t s i ti np o r to p e r a t i o ns c h e d u l e c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lb e r t h - q u a yc r a n ea l l o c a t i o n m e t h o d ，t h em i n i m u ma n c h o r a g ep e r i o dc a nb ee n s u r e dw i t ht h em a x i m u ma m o u n to f a v a i l a b l eq u a yc r a n ea st h ei n i t i a lp l a n n e da m o u n tv i au s i n gt h i sa l g o r i t h mt os o l v et h e c r e a t e db e r t ha n dq u a yc r a n eo p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nm o d e l b e s i d e s ，i te x t r a c t st h e g a pi nq u a yc r a n ea l l o c a t i o np l a nv i aa l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o nt oa c h i e v em a x i m u m w o r ke f f i c i e n c ya n dm i n i m u mi d l ep e r i o do fq u a yc r a n e t h r o u g ht h ea c t u a l s h i p s a r r i v a ld a t av e r i f i c a t i o na tl a s t ，i ti sf o u n dt h a tc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lp l a n ，t h e a n c h o r a g ep e r i o di sh i g h l yr e d u c e dw i t hq u a yc r a n eu s a g ee f f i c i e n c ye n h a n c e dv i a m u l t i s t e po p t i m i z e da l l o c a t i o np l a n ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h eh i g he f f i c i e n c yo ft h e a l g o r i t h m t h et h e s i st a k e st h ee x i s t i n gp r o b l e m so fn a t i o n a lp o r ta st h er e s e a r c ha n da n a l y s i s o b j e c t ，p r o p o s e sab r a n dn e w h e u r i s t i ca l g o r i t h m ，a n di th a sa c h i e v e dt h eb e s ta l l o c a t e d 英文摘要 s h i pq u a yc r a n ea m o u n ta n db e r t hd o c kp o s i t i o na n do r d e r , w h i c hm e e t st h eg o a lo f r e s o u r c ea l l o c a t i o n o p t i m i z a t i o na n dp o r tw o r k i n ge f f i c i e n c y e n h a n c e m e n ta n d u l t i m a t e l yi m p r o v e st h ep o r tc o m p e t i t i v e n e s s i ti sp r a c t i c a l l yi n s t r u c t i v ei na c t u a lp o r t b e r t h - q u a yc t a n er e s o u r c es c h e d u l i n g k e yw o r d s ：c o n t a i n e rl o a dp l a n ：b e r t h q u a yc r a n er e s o u r c e a l l o c a t i o n c o n f i g u r a t i o n ：h e u r i s t i ca l g o r i t h m s ；v a c u u mm e t h o d ， 目录 目录 第1 章绪论：1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 研究意义一2 1 2 国内外研究现状。3 1 2 1 国外研究状况3 1 2 2 国内研究状况5 1 2 3 目前存在的问题6 1 3 本文的目标及组织结构7 1 3 1 研究目标7 1 3 2 组织结构7 第2 章泊位一岸桥资源优化配置思想9 2 1 资源的优化配置理论9 2 1 1 资源配置的内涵9 2 1 2 资源配置的判别标准9 2 2 多目标函数及动态调整1 l 2 2 1 多目标优化理论11 2 2 2 动态调整与静态调整1 2 2 2 3 动态调整的特征1 3 2 3 泊位分配算法研究1 4 2 3 1 泊位分配的概述1 4 2 3 2 常用的泊位分配算法及其各自的特点1 6 2 4 抽真空算法的基本理论2 2 2 4 1 抽真空算法的基本思想2 2 2 4 2 抽真空算法的特点。2 4 2 4 3 抽真空算法的基本步骤2 4 第3 章港口集装箱泊位一岸桥资源优化配置模型的建立2 7 3 1 问题的描述2 7 3 1 1 泊位分配问题2 8 3 1 2 岸桥调度问题3 0 3 1 3 泊位一岸桥联合优化配置问题3 2 目录 3 2 泊位一岸桥资源优化配置模型( b q p m ) 的构建一3 4 3 2 1 模型定义3 4 3 2 2 模型假设3 4 3 2 3 相关变量和符号3 5 3 2 4 目标函数的建立3 6 3 2 5 约束条件的确立。3 6 3 3 算法流程描述3 7 第4 章基于b q p m 模型的实例分析4 3 4 1 传统的调度方法4 3 4 2 采用“抽真空算法 分配及对比4 5 第5 章总结与展望5 6 5 1 总结5 6 5 2 展望5 6 参考文献一5 8 学位期间公开发表论文6 2 谢6 3 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 选题背景 近年来，全球经济的一体化发展趋势更为明显，发展速度更为迅速，而中国 作为经济全球化中重要的一员，对全球的经济贸易有着举足轻重的影响。可以预 见中国经济在未来较长时间内将继续保持较快增长、中国与世界经济联系将进一 步加深，以及随着全球经济一体化和产业结构的调整，中国将逐步形成世界制造 业中心，中国港i z l 面临难得的发展机遇【l 】。 作为国民经济发展和参与全球经济一体化进程的重要战略资源，国家制定了积 极的政策和措施，促进和加快港口产业发展。今后一个时期内中国港口发展的重 点是加快煤炭、石油、矿石和集装箱等大型专业化港口码头和进出港深水航道建 设，目前国内形成了华南地区以香港为国际航运中心的珠江三角洲港口群；华东 地区以上海为国际航运中心的长江三角洲港口群；北方以大连、天津、青岛为主 的环渤海湾港口群的三大区域港口群，各大港口都制定了建设成为区域或国际航 运中心的计划，港口间的竞争进一步加剧【2 】。 海运作为世界贸易运输的主要方式，完成了世界贸易货物总量的8 0 3 1 ，而我 国的对外贸易中，通过港口进行的比例更是占到了9 0 以上。与其它装载方式相 比，集装箱运输方式有着安全、高效和便捷等优点，是海运贸易中的主要运输方 式，2 0 0 9 年数据表明通过集装箱运输的货物量在占到港口贸易总量的1 4 以上。 我国港口集装箱吞吐量保持了连续7 年世界第一，近1 0 年年均增长率达3 0 左右 1 4 1 。2 0 1 0 年世界集装箱吞吐量前l o 位港口中，我国港1 2 1 占了一半以上，其中香港 ( 世界第一) 、上海港( 世界第二) 、深圳港( 世界第四) 、广州港( 世界第七) 、 宁波一舟山港( 世界第八) 、青岛港( 世界第十) 。因此集装箱港口在国际物流体系 与我国国民经济中的有着非常重要的地位【5 1 。 随着国际贸易全球化进程的加快与我国对外贸易量的持续快速高额增长，现 代航运技术的发展迅速，集装箱船舶向着大型化、高速化的趋势发展，数据表明 第1 章绪论 2 0 0 9 年底，我国运力规模排名前1 0 位的集装箱运输企业船舶平均统计载箱位为 1 9 3 8 t e u e 6 1 ，这些因素都对现代集装箱港口提出了更高的要求，但集装箱港口本身 受空间与资源所限，在港口有限的泊位数量和岸桥设备下要承担超额的箱量任务， 集装箱港口处在超负荷运营情况下。以天津港为例，其专用的集装箱泊位为7 个， 核定年通过能力1 0 0 万t e u ，2 0 1 0 吞吐量为1 0 0 0 万t e u ，泊位实际利用率达1 0 0 。 船舶在港时间增加，压港情况严重，影响港口的经济效益，同时影响港口的竞争 力。这样就形成了高的港口吞吐量与有限的港口资源的矛盾的局面，这样的客观 条件对港口的设计人员与管理运营人员在港口的物流生产调度与装卸效率提高的 管理等多方面提出了更高的要求 7 1 。我国2 0 0 4 至2 0 1 0 年的港口集装箱吞吐量如图 1 1 所示： 图1 1 我国0 4 1 0 年港口集装箱吞吐量 f i g 1 1h a v e nc o n t a i n e rh a n d l i n gc a p a c i t yo fc h i n ad u r i n g2 0 0 4 - - - 2 0 10 t 8 】 1 1 2 研究意义 集装箱港口的的物流水平很大程度上决定了该港口的发展程度，为满足现代 港口物流的发展，提升港口在业内的竞争力。改善港口的吞吐能力可以通过以下 两种方法实现： 改善集装箱港口的配置，通过直接增加港口泊位数量和岸桥装卸设备的配比 来提高物流运输的效率，从而提高吞吐能力。然而这种方法的局限性显而易见， 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 泊位资源受港口固有天然环境资源的限制，提升程度有限，而现代装卸设备的体 型巨大且价格昂贵。通过改善港口硬件有着工程周期时间长，而且成本投入巨大 的不足，另外若单方面改善港口硬件条件而港口的调度管理的能力没有得到提高， 作业量的提升反而会导致港口物流作业能力下降。另种方法是通过港口物流系 统的合理高效管理，对船舶进行泊位选取分配，并同时对现有集装箱装卸的岸桥 作业资源进行科学调度和优化配置来实现集装箱装卸的高效化、快速化，以减少 船舶的在港时间，降低运营成本，从而提升港口的核心竞争力。 集装箱港口装卸作业的资源按位置分布的远近可以分为三部分：岸边资源、 场内资源与连接设备【9 】。这里的岸边资源主要是指泊位与岸桥设备，泊位是船舶到 港后首先使用到的港口资源，船舶进入泊位后就由岸桥设备对集装箱进行装卸， 岸桥设备调度配置决定了船舶泊港的服务时间。由于泊位数量限制而集装箱港口 船舶吞吐量大，为了使得一定时间内船舶在港时间最短，港口的装卸效率的最大 化，港口管理人员会根据船舶到港信息安排泊位、停泊顺序和岸桥设备。实际情 况下，由于港口受多种不确定因素的影响，如：港口泊位分布、岸桥装卸能力、 入港船型的多样等，合理分配调度对港口调度工作人员而言依然是一个巨大的挑 战，目前对于港口资源的调度问题大多集中在单独研究泊位分配和岸桥调度上， 较少考虑两者的联合调度配置，实际上只有从全局把握港口的岸边资源实现泊位 停靠与岸桥装卸流程的协调，才能最终实现船舶在港时间减少，这样对泊位与岸 桥设备进行联合优化配置的研究的重要性就凸现出来。 本文针对泊位与岸桥的联合优化配置的问题，通过大量文献研究，受以往的 学者的思想启发，提出了一种新的启发式算法：抽真空法，并利用该算法对港口 的泊位一岸桥配置模型进行了研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 关于泊位的问题国内外学者们围绕着两个问题进行了深入的研究，一个是港 口泊位规模的设计安排，另外一个就是本文重点研究的泊位调度的问题。一般来 第1 章绪论 说泊位的问题可以分为以下几个方面来进行研究：静态泊位和动态泊位分配；另 外便是泊位离散和连续分布情况下的分布问题的研究。国外对港口的泊位调度问 题的相关研究起步较早，在1 9 7 8 年学者e d m o n d 1 0 便研究了通过排队模型来对港 口泊位安排与货物处理，l a i 和s h i h 提出 1 1 的启发式算法是针对泊位分配问题， 评估了不同的分配标准下的分配方案。学者b r o w n 1 2 对军用港口的泊位的调度进 行了研究，其研究中对泊位的分布做了假设( 泊位离散分布) ，采用了整数算法 与启发式算法，优化目标为舰船在港满意度最高【l3 1 。l e g a t o 等 1 4 建立的排队网络 模型是与船舶到港时间、离港时间、泊位作业相关的优化分配方法。学者i m a 1 5 1 6 】 对泊位的分配问题上研究比较深入全面，其对静态泊位分配( s b a p ) 与动态泊位 分配( d b a p ) 问题进行了研究，其研究的目标是船舶等待和作业的时间最短，通 过非线性整数规划模型方法进行了研究。其在静态泊位的研究时，假设在开始进 行作业前所有船舶均己进港等候，而实际的港口与该假设有出入，为了更真实的 对港口的调度进行模拟研究，又对动态泊位的分配进行了研究，并通过拉格朗日 松弛系数法对模型进行了求解，动态泊位分配的情况较静态而言更为接近真实的 港口情况，这里的静态是指对一个泊位，两条船都已到达等待停靠，这样依次停 靠间没有闲置时间，而动态是在一定时间内，两条船舶依次到达，这样就可能存 在闲置的时间。对现实港口的泊位分配问题有着重要的意义。在i m a 动态泊位研 究的基础上，学者n i s h i m u r a 1 7 禾l j 用遗传算法对加入其他物理约束条件( 泊位水 深条件不同) 下的模型进行了研究，得出该问题的近似解。学者i m a 在动态泊位 分配的问题上进行了更为深入细致的研究，其对研究模型加入更多的约束条件， 如：当入港船舶具有不同的优先级，船舶大型化和码头岸线有限等，采用遗传算 法来解决该问题【1 8 】。 以上对泊位进行研究中的模型都是建立在假设该港口的泊位是“离散分布 的，即码头岸线的被划分为若干个独立的泊位。另一些学者假设泊位“连续”分 布的模型，即认为码头岸线只要符合船舶停靠的物理要求，均可以在任意位置选 择停靠。学者l i m 1 9 把该问题转化为“背包”问题，并采用基于图论的启发式算 法进行了研究，把泊位看成一个可以处理多个工作的单处理机的问题，假设船舶 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 均已到港，优化目标为m a k es p a n ，采用t f i r s t f i t d e c r e a s i n g 启发式原则进行了求解 并把泊位看作是连续的，因此泊位分配问题是n p 难问题。同样对这方面的研究的 还有g u a n 2 0 - 2 1 ，p a r k & k i m 2 2 1 ，k i m & m o o n 2 3 ，l e g a t o & m a z z a 2 4 等等。 学者k i m 2 5 采用混合整数规划模型模拟船舶在岸线停靠位置和时间的问题，并利 用模拟退火算法对该模型进行求解得出最优解。以上的学者都采用的解析方法对 泊位分配问题进行研究，而另一些学者采用了计算机仿真的方法来研究泊位分配 的问题。 当为船舶分配了泊位后，船舶入泊停靠开始进行集装箱的装卸，进行装卸的 时候使用港口的装卸起重机，也称其为岸桥，船舶在港时间的长短很大程度取决 于岸桥的作业效率的高低，所以对岸桥设备调度的研究也很重要。 学者d a g a n z o 2 6 首先对岸桥的装卸调度问题进行了研究，其采用了混合整数 模型来进行模拟，最后得到分配的岸桥数量。a v r i e le ta l 2 7 在假设港口所需的集 装箱数量及信息已知，采用了0 1 线性规划的模型来模拟，并用g a m s 软件进行求 解，由于软件得出结果有限，作者又采用了启发式的过程得到了最优解。e b r u k b i s h 2 8 1 岸桥的调度进行了研究，其对每个岸桥的作业进行优化后使得一组集装 箱运输船在港周转时间最短。p e t e r k f s k y 2 9 研究了静态情景下的最小化船舶延迟 时间的岸桥调度模型，并采用多个启发式算法进行了求解。 1 2 2 国内研究状况 一些国外的学者对泊位、岸桥分配的算法研究颇有成效，提出了很多最优方 案的泊位、岸桥调度的模型。但是，国内的研究情况相比之下就比较落后。但是 随着国内集装箱港口的快速发展，针对港口的泊位分配、岸桥的调度等问题的研 究也逐渐的增多，并且取得了一定的成果【3 0 】。 主要的一些代表包括：徐小义使用了排队论的方法来计算最佳泊位的数量【3 1 1 。 鲁子爱建立计算机仿真系统用来模拟港口的运营，其中把港口的生产活动比作是 随机服务的系统。其中船舶的顺序都是依据“先来先服务”的原则进行的，然后 在此基础上再考虑其他的影响因素进行泊位的分配【3 2 1 。戈闻怡提出了基于遗传算 法的启发式算法对动态泊位d b a p 的配置模型进行了研究，同时建立了对面向整 第1 章绪论 个港口船舶装卸资源的配置模型【3 3 1 。张燕涛建立的模型是在离散的泊位基础上进 行的，运用了遗传算法进行求解船舶总在港时间最小 3 4 】。李平等在张燕的模型基 础上建立了混合遗传算法一遗传算法和禁忌搜索算法相结合【3 5 】。 近年来，泊位分配算法的研究已经从单独的泊位调度转向了泊位一岸桥联合调 度，这种联合调度是把泊位一岸桥看做是一个整体，他们相互制约相互影响，更能 反应码头的实际情况，目前这个领域的研究也成为众多学者追捧的热点。 如周鹏飞主要研究的是不确定环境对码头泊位分配问题的影响，船舶到港时 间、机械的装卸状况都是不确定性的，同时结合相关的理论进行分析应用，通过 使用多a g e n t 技术加强了整个港口的作业协调性【3 6 1 。蔡芸提出的模型和戈闻怡有 些类似，也是以最小化总体船舶的在港时间为目标的仿真优化模型，同样也是使 用了遗传算法进行的求解【3 7 1 。可以通过仿真模型得到能够满足泊位约束和岸桥数 量约束的最优解。韩骏等提出的目标是船舶的在港时间最短及岸桥调度最优，把 泊位和岸桥联合起来进行调度，运用免疫遗传算法对相应的问题建立模型【3 8 1 。 1 2 3 目前存在的问题 国内港口目前的形势就是实际需求的吞吐量远远超过了港口设计的吞吐量， 港口的泊位相对而言稀少，船只也越来越大并且对装卸效率要求也日益增高，码 头将会逐步进入超负荷的作业状态。然而，传统的泊位分配方案无法很好的利用 泊位资源，一定程度上造成了泊位资源的浪费。并且传统的一些泊位分配算法仅 仅是可虑了泊位的硬件条件比如：泊位的长度，吃水深度等等，并未考虑一些不 确定的因素对实际泊位分配的影响。或有些算法考虑了硬件条件和不确定性因素 的影响，但这些算法仅仅是考虑泊位自身的情况，并未把泊位和其息息相关的岸 桥联系起来。 上文中介绍的国内外现状中，大部分的分配算法都是把岸线分成独立的一个 个泊位段，形成了离散的状况。而这种离散的假设前提就造成了停靠的船舶间空 隙很多，无法利用，导致了很大程度的浪费。 大部分的学者研究的算法都仅仅是对泊位分配的研究，或是仅对岸桥调度的 研究，而将两者相结合的算法并不多。然而近年来，泊位算法的研究方向已经从 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 单独的泊位分配向泊位一岸桥联合分配转化。与泊位、岸桥单独分配相比，泊位一 岸桥的联合调度的研究更能反映码头的实际生产情况，更加注重这两者之间的制 约与联系的关系。 1 3 本文的目标及组织结构 1 3 1 研究目标 本文研究的目标是能为集装箱码头的泊位一岸桥联合调度提供一种提高效率 的参考模型。建立港口集装箱泊位及岸桥资源联合调度模型，对装箱模型进行研 究，同时在此基础上提出一种新的启发式算法一“抽真空算法”，即把生活中的 抽真空原理应用到港口的泊位一岸桥调度中。生活中用抽气装置抽走箱子内的“空 隙 ，这时箱内物体会变形，但同时使箱内多装了很多东西。把这种“抽真空”的 思想应用到泊位一岸桥调度中，就会使岸桥间的空隙得到填充，从而使得泊位、岸 桥的利用率得打很大的提高。 该算法是把港口的泊位和岸桥模型简化为二维“装箱 模型，通过平面二维 规划图的形式来调度泊位和岸桥资源分配给船舶。研究分析该模型和简化的二维 规划图的特点，利用提出的“抽真空算法 对泊位一岸桥资源的配置进行优化，从 而达到提高岸桥的作业效率和减少一定的时间内船舶的总在港时间的目的。 1 3 2 组织结构 本文的组织结构如下： 第1 章：主要阐述了课题背景及意义、国内外的研究现状及目前存在的问题、 提出了课题的研究目标及其组织结构。 第2 章：阐述了泊位一岸桥资源优化配置思想，介绍了资源优化的理论、多目 标理论及动态调整理论，并介绍了一些常用的泊位分配算法，最后介绍了本文所 用到的抽真空算法的基本理论。 第3 章：简单的介绍了一下课题的背景泊位、岸桥配置的现状。在此基 础上提出了泊位一岸桥资源优化配置模型( b - q p m - b e r t h q u a yp l a n n i n gm o d e l ) 。 最后详细的介绍了该算法的具体流程。 第1 章绪论 第4 章：阐述了基于b q p m 模型的实例研究。给出了该模型效率提高的详细 过程。及其与传统方法的对比结果。 第5 章：总结与展望。 下面以图的形式，更加形象的对本文结构框架进行说明，如图1 2 所示： 图1 2 论文的结构框架 f i g 1 2s t r u c t u r eo f t h e s i s 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 第2 章泊位一岸桥资源优化配置思想 2 1 资源的优化配置理论 2 1 1 资源配置的内涵 在一个国家，地区和单位部门，既定的时期内资源都是有限的，这便是资源 具有稀缺性，而存在的供需关系不平衡性，就进一步决定了进行资源配置的必要 性。资源配置问题分为两方面，一方面是在产出水平一定的情况下，就是通过一 定的方式和手段，把成本降到最低；另一方面为，是指在成本固定的情况下，使 得产出得到最大化。总体来说就是争取以最小的成本消耗带来最大的收益，实现 资源的的利用最大化。这里我们主要研究在有限成本( 资源) 下，如何得到最大 的产出( 资源利用率) 。 进行资源优化配置可以分为两个层次：一个是使得通过内部管理方法与提高 生产技术，使得有限的资源在一个生产单位部门的利用下，生产过程中没有产生 浪费，最终得到最大的产出效果，这样的可以成为“资源运用效率最大化 ；另一 个是通过设置制度的安排，调度资源配置的方向，当出现多个生产单位部门对有 限资源有需求时，选择最适宜的方向，这样便可以称为“资源配置效率最大化”。 港口资源的优化配置的问题，是指把港口有限的资源通过科学合理的调度方 法分配到港口生产的各个部分去，以期得到港口资源的最大程度的利用。目前港 口资源中，较为稀缺的是深水泊位和大型岸桥设备，如何通过科学合理的安排， 使得该有限的资源得到最为高效的利用，提升港口的服务效率和经济效益。 2 1 2 资源配置的判别标准 资源的优化配置问题涉及到经济体制、机制、方法等一系列的问题，是一个 复杂的系统工程。港口的资源优化配置具体涉及到管理学、港口工程、运筹学等 多个学科方向，在进行港口资源优化配置时，首先得确定一个判别标准或者说是 指标体系。 第2 章泊位一岸桥资源优化配置思想 ( 1 ) 帕累托最优标准 为了反映资源优化配置的程度，意大利经济学家帕累托认为：“当一种资源的 任何重新配置不能使任何一个人的处境变好，也不能使任何一个人的处境变坏； 换言之，社会已经达到这样一种情况，即任何变革都不可能使任何人的福利得到 增加，也不会使得其任何人的福利减少，这样就达到了最适度的资源配置境界 3 9 1 。 根据帕累托这一理论，那么港口的资源配置也有这么一个理想状态：即某一 时期内，港口资源确定情况下，该港口的资源的任何重新配置不会使得任何主体 的福利增加，也不会使得其他主体的福利减少。 那么在实现帕累托状态前，必定存在这么一个情况：即保持状态中的其他的 主体的福利不发生变化的情况下，通过重新资源优化配置，使得状态中的一个或 几个主体福利得到增加，这样的改进便成为“帕累托改进 4 0 l 。那么通过不断的 帕累托改进，使得整体中的其他主体福利不变，提升某些主体福利，最终达到帕 累托状态，即资源配置的最优化。 ( 2 ) 投入产出判别标准 若在资源配比量确定的情况下讨论资源的优化配置，可以从投入与效益的关 系中来判断优化的状态。在资源有限的情况下，实现最优配置由两种情况，也就 是在本节开头提到的两种情况： 可用资源量一定，使得产出最大化，取得效益最大化的的配置方案； 在产出期望一定，最小资源消耗量，同样的效益资源消耗最少的方案； 这样可以通过分析资源投入与产出的关系作出相对比较，在实际中人们常常 利用生产函数关系来分析，生产函数的关系表达式为： q = ( m ，鸠，m 。) ( 2 1 ) 在不同的投入量中，若产出一定，这样便可以求出最佳投入量；而在资源变 化时，要得到最佳的产出，由此便可以得到最优的资源配置方式。 ( 3 ) 边际成本与边际替代判别标准 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 2 2 多目标函数及动态调整 2 2 1 多目标优化理论 一般情况下，可以定义一个多目标优化函数如下【4 1 】： m i n f ( x ) = ( 石( x ) ，以( x ) ，六( x ) ) ( 2 2 ) s _ t g i ( x ) = 0 ；i = l ，2 ，m ；x q ( 2 3 ) 根据以上公式，该多目标问题的目的是使目标函数q r ”中的各个分量取得 最小值。其中，x 表示q r ”的1 1 维决策变量；1 1 表示决策变量的个数；m 表示约 束条件的个数；k 表示目标函数的组成个数。我们给出的是极小化问题，同样极大 化问题与之类似。 f r a n k l i n 4 2 在1 7 7 2 年最早提出多目标优化的协调问题。到目前为止经历了2 0 0 多年的发展，并且受到了人们的很大关注，其理论和方法也取得了很大的成果。 p a r e t o 4 3 在1 8 9 6 年提出的的多目标最优决策问题是在数学的角度出发的，并发展 提出了p m e t o 最优解的概念。k o o p m a n 4 4 在1 9 5 1 年提出了有效向量的概念应用 在生产和分配领域。k u h n 4 5 给出了向量极值问题上有效解存在的必要条件。计算 机智能算法得到了越来越广泛的应用，与此同时多目标优化求解方法就变成了研 究领域里的一个热点。 而在求解多目标优化问题时，实际上是求解一个均衡解，并不是单个的全局 最优解。本质上，在大多数情况下多目标优化问题中各优化子目标彼此之间是具 有矛盾性的，某个目标达到了最优，有可能导致其他目标的性能下降，多个目标 不可能都同时达到最优。各个子目标之间只能选择进行调节权衡或折中处理，以 使所有的目标函数尽可能的达到最优。因此，多目标优化的最优解和单目标优化 的最优解之间存在着本质的区别。 第2 章泊位一岸桥资源优化配置思想 图2 1 多目标优化方法的分类 f i g 2 1c l a s s i f i c a t i o no fm u l t i p u r p o s eo p t i m a lm e t h o d 2 2 2 动态调整与静态调整 以往的一些数学模型都是在一定的假设前提下进行的。但是，这种方式没有 考虑实际数据的变化从而对模型的可行性和质量造成一定的影响。 但在实际的应用中，到处都存在着不确定的数据，这些不确定的数据最后带 来的影响是各种各样的，而这些影响使得原来的优化模型求出的解无法满足约束 条件的要求。同样，优化模型的最优解也就不成立了。因此，对于这些含有不确 定数据的模型经典的优化方法是无法解决问题的，我们需要引进动态调整以便适 应实际情况中的那些不确定性的因素。泊位的调度需要满足一下的条件： ( 1 ) 一定的约束条件下； ( 2 ) 一定的时间内 ( 3 ) 合理船舶的靠 ( 4 ) 合理的靠泊顺 ( 5 ) 合理的岸桥数 港口集装箱泊位及岸桥资源的优化配置研究 最后的目的是到达船只的在港时间最少、装卸成本最低。而一般的泊位静态 调度是调度环境和任务都应经知道的前提下进行的。传统的静态泊位调度需 要一些假设条件： ( 1 ) 所有被调度的船舶到港时间已确定； ( 2 ) 被调度的船舶数量是确定的； ( 3 ) 调度过程中没有突发事件的干扰； ( 4 ) 作业的岸桥连续； ( 5 ) 码头泊位可用。 但在集装箱港口的实际泊位调度过程总会有突发事件发生而不是完全按计划 一层不变的。比如岸桥机械故障无法作业、恶劣的天气导致的无法作业、船舶到 港时间的不准确、岸桥的装卸时间不准确等等。这些因素都会使得原来的静态调 度方案不能满足实际