（机械工程专业论文）港口装卸生产线设备配置优化软件研究.pdf

武汉理r = 大学硕十学位论文 中又 两要 在调查和分析国内、外的有关资料和现状的基础上，本文以天津港为洲， 初步分析了影响港口装卸生产作业线设备优化配置的相关因素，应用基于整数 规划的设备优化配置数学模型，提出了港口装卸生产作业线设备优化配置软件 的设计研究思路和概要。主要进行了以下一些研究工作： l 、介绍了港口目前的装卸生产作业线设备配置模式，结合天津港的设备配 置流程，指出了存在的弊端和不足；在调查研究了国内、外与港口装卸设备配 置相关的一些设备生产管理信息系统、码头管理系统的基础上，详细分析了船 型、货类、装卸设备、装卸工艺方案、工属具等因素对装卸生产作业效率的影 响； 2 、考虑以上因素，并结合港口装卸的实际情况，将整个码头全部作业船舶 的生产作业效率之和作为优化目标，并提出了一个效率指标；在此前提下，建 立了一个既结合实际情况、又相对容易的数学模型，并运用动态规划算法，提 出了该模型的解法； 3 、在软件设计方面，运用软件工程的基本原理，结合天津港的现有资源和 实际工作的需求，初步进行了功能设计、软件结构和流程设计、用户界面设计 的研究，并尝试用d e l p h i 和o r a c l e 等软件进行了部分程序的设计、编写；同时， 也考虑了软件实现后的网络化应用、软硬件规划和人员配置等环境规划等工作。 关键词：港口装卸，生产作业线，设备优化配置，软件设计 茎墨里l ：= ! = ；兰堕主兰! 翌笙茎 a b s t r a c t t h i sp a p e ru s et i e n t s i np o r ta sa ne x a m p l e t oa n a l y z et h er e l a t i v ef a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h eo p t i m u ma l l o c a t i o no fe q u i p m e n t so np o r ta f t e rh a v i n gr e s e a r c h e da n d a n a l y z e dn a t i o n a l a n df o r e i g nd a t a t h em a t hm o d e lo ft h eo p t i m u ma l l o c a t i o n o f e q u i p m e n t sb a s e do ni n t e g r a ll a y o u tt h e o r yh a s b e e ns e tu pa n dt h eb r i e fd e s i g n m e t h o do fs o f t w a r ea b o u tt h eo p t i m u ma l l o c a t i o n o f e q u i p m e n t s o np o r t t h e f o l l o w i n ga r ea b r i e fi n t r o d u c t i o no fm yw o r ki nt h i sp a p c r 1 i n t r o d u c et h ea l l o c a t i o n m o d e l so ft h e l o a d i n g a n d u n l o a d i n g e q u i p m e n t si np o r t sa tp r e s e n t o nt h eb a s i so f t h ea l l o c a t i o nf l o wo ft i e n t s i np o r t a n dt h em a n a g e m e n ts y s t e ma b o u tp o r t su s e do no t h e rn a t i o n a la n do v e r s e ap o n s ， t h ee f f e c t so nl o a d i n ga n du n l o a d i n ge f f i c i e n c yo ft h et y p e so fs h i p p i n g ，f r e i g h t s ， e q u i p m e n t s ，a r t sa n d c r a f t sp r e c e p t sa n dt h es u s p e n ds e t s8 1 ea n a l y z e d 2 c o n s i d e r i n g t h ea b o v ef a c t o r sa n dc o m b i n i n gt h ef a c t so ft h ep o r t l o a d i n g a n du n l o a d i n g ，t h es u m m a r ye f f i c i e n c yo fa l l p o r t i sl o o k e da st h e o p t i m i z e dg o a l a n da ne f f i c i e n c yi n d e xi s p u tf o r w a r dt o o a n dt h e n ，t h em a t h m o d e l sa b o u ti tc o m e u pw i t ha n d u s et h ed y n a m i cl a y o u ta r i t h m e t i ct ow o r ko u t t h i sm o d e l 3 a b o u ts o f t w a r ed e s i g n ，ih a v ee l e m e n t a r i l yf i n i s h e dt h es t r u c t u r ed e s i g n ， t h eu s e ri n t e r f a c ed e s i g na n dt h ef u n c t i o nm o d u l e sd e s i g n a d d i t i o n a l l y , ih a v e f i n i s h e dap a r to fc o d i n gw o r ko i ld e l p h ia n do r a c l et o o a l lt h i sw o r ki sb a s e do n t h et h e o r yo fs o f t w a r ep r o j e c ta n dc o n s i d e r st h er u n n i n gc o n d i t i o no fs o f t w a r et o o k e yw o r d s ：l o a d i n g a n du n l o a d i n g ，p r o d u c el i n e ，t h eo p t i m u ma l l o c a t i o no f e q u i p m e n t s ，s o f t w a r ed e s i g n 武汉理工人学硕七学位论文 第1 章概述 1 1 港口装卸生产作业线设备配置研究的现状 1 1 1 提高港口装卸生产作业线作业效率的重要性 伴随着我国经济持续高速地增长以及加入w t o 带来的巨大商机，港口的生 产建设规模和吞吐能力迅速增长，由于港口生产线作业效率的高低将直接影响 到船舶的在港停泊时间和泊位的吞吐能力，进而反映出港口企业的综合服务水 平，关系到港口企业的经济效益和设备效益，这就对港口的作业效率提出了更 高的要求。 增加装卸设备数量，加大装卸设备负荷，提高装卸设备速度等方式虽然可 以提高作业效率，但同时也增加了企业的资金投入。另外，受到现有码头承载 能力和泊位长度的限制，不可能无限制地增加装卸设备的数量和提高装卸设备 的配置水平。 港口装卸作业涉及船舶、各类港口装卸设备、装卸工艺方案、装卸工属具 以及泊位、堆场、人员等等诸多因素，尤其是件杂货装卸，作业环节多而且各 种因素之间的关系就更加错综复杂，研究如何使装卸作业线上不同装卸设备的 作业效率尽可能相互匹配，可以在不增加企业投入的前提下提高装卸公司的整 体作业效率，从而为企业创造更多的经济效益。 1 1 2 港口当前装卸生产作业线的设备配置模式 传统的装卸生产线的设备配置，都是由各装卸公司生产调度部门的计划人 员，依据长年积累的个人工作经验并综合装卸生产的各种统计数据，通过人工 来完成不同装卸作业线的设备配置。通常的配备过程如下： 首先，各装卸公司的生产调度部门依据局、公司对生产的要求和各条船舶 的作业进度分别对在本公司作业的船舶制定开工作业线计划并配置装卸设备， 一般根据几个原则进行配置。第一要保证船舶动态，即对有准确离港时间的船 舶优先配备装卸设备，尽可能多开作业线。第二要优先考虑重点货类作业，对 公司的支柱性货类要在配备装卸设备时给予优先安排。第三要考虑大吨位船舶， 大吨位船舶一般装载货物多船舱多，多条作业线可同时作业，合理安排好大吨 位船舶可以缩短泊位占用时间提高泊位的利用率。第四要计划协调好船舶的重 点船舱，由于同一船舶各个船舱的载货量不等，造成作业时间长短不同，而整 条船舶只有在全部货物都装卸完工以后才能开航，故协调好同一船舶的各舱作 武汉理j 大学硕士学位论文 业进度也是相当重要的。 其次，各机械队要根据设备的完好情况向生产调度部门提供可供使用的装 卸设备数量，调度计划人员针对需要装卸的船舶、货类和库场情况初步选定装 卸流程和工艺方案并确定具体的装卸设备组合作业方案，然后再根据船舶动态 计划、选定的装卸工艺方案、设备组合和可供作业的装卸设备数量，初步确定 具体的开工作业线数量，即在港船舶总计开多少条作业线，然后再对每一条作 业线根据需要分别配置门机、牵引车、吊车、叉车或其他装卸设备的型号、数 量。 最后，根据初步配置设备的情况验算每条作业线的作业效率。在装卸船作 业中一般以门机的最高作业效率确定与其配套的水平运输机械和堆场作业机械 的设备数量，如果在港船舶较多，流动机械无法满足船边机械的需求，可以按 照优先满足重点船舶、重点货类等配机原则进行调整，减少非重点作业线的设 备数量，也可以调整装卸工艺方案，如非重点作业线可以用装卸效率较低且数 量较多的装卸设备替代装卸效率高但数量不足的装卸设备，如果设备数量还是 不能满足需要还可以减少部分船舶的开工作业线数量。这样经过多次反复调整， 最终完成设备配置计划。 1 1 3 国内、外港口装卸生产作业线的研究发展水平 随着货物集装箱化发展趋势的不断加快，国外一些软件公司如美国的 n a v i s 、比利时的c o s m o s 和韩国的t s b 公司对集装箱装卸设备、集装箱装卸 工艺、集装箱码头管理等方面进行了大量的深入研究，运用计算机和信息网络 技术开发了功能强大的码头管理软件，从而提高了集装箱码头的装卸效率。 韩国t s b 公司( t o t a ls o f tb a n kl t d ) 开发的用于集装箱码头管理的c a t o s 软件( c o m p u t e r a u t o m a t e d t e r m i n a lo p e r a t i o ns y s t e m ) 通过安装在集装箱装卸桥、 场桥、牵引车上的无线传输装置，将装卸机械的状态、效率、等候状况等各类 设备及生产的相关信息实时地反馈到中央控制服务器，该系统软件可以自动地 根据码头的作业情况调整作业机械的配鼋，并及时将调整指令通知设备操作人 员，有效地减少了设备作业时的等候时间、提高了作业系统的整体效率。此外 该软件还支持全自动无人操作的集装箱自动化码头功能。美国的n a v i s 和比利 时的c o s m o s 公司开发的集装箔码头管理软件功能也非常强大，但是都是测重 集装箱码头的生产管理而不是针对装卸设备的效搴匹配和优化配置，主要是通 过实时检测设备操作? 吠态来调整空闲设各( 汉仅针对牵引车) 。对整个码头系统 的机械设备进行优化配置方面并未涉及。另外，对散杂货码头的装卸作业线的 机械优化配置软件还未见公开报道。 天津港早在1 9 9 7 年就建立了生产业务管理信息系统，分为局调度子系统、 局货运子系统和公司生产子系统，这套软件主要侧重于天津港船舶信息查询、 船舶调度计划和各装卸公司生产数据的统计，如船舶动态计划、昼夜作业计划、 作业完成情况以及船舶管理、统计、查询和输出打印功能，并没有具体涉及到 每条作业线的设备配备问题。如天津港二公司等一些装卸公司也根据自己的需 要开发了相应的生产调度业务系统，其目的是通过创建以生产信息数据统计为 基础的控制系统来提高生产组织水平，主要的功能有生产计划管理、车船动态 管理、生产作业管理、舱单管理、库场管理、装卸作业票管理以及各种统计报 表，但因技术水平方面的局限性还是没有进行装卸设备优化配置方面软件功能 的开发和研究。 天津港各装卸企业的设备管理部门普遍开发、使用了设备管理信息，使用 较多的是天津港一公司和广州f 泰商业数据有限公司联合开发的设备管理信息 系统；另外一些装卸公司以及青岛港、大连港等国内港口企业也分别自行开发 了一些设备管理信息系统，这类的设备管理信息系统都主要侧重于设备的资产 管理、维修管理、备件管理、统计分析等设备技术、经济管理方面，对于设备 的采购、报废、维修保养间隔期等具备一定的辅助决策功能，有效地提高了设 备管理的水平，但是并未涉及到装卸生产设备的效率匹配问题，不具备设备资 源优化配置功能。 国外一些大型电气公司如德国的西门子公司、a b b 公司、日本的安川公司 在大型港口装卸设备( 集装箱装卸桥、场桥、门机) 的驱动和自动控制方面进 行了很多研究，如y a s k a w as i e m e n sa u t o m a t i o n & d r i v e sc o r p 开发的c r a n e m a n a g e m e n ts y s t e m 软件可以通过i s d n 、d d n 等网络和w e b 浏览器实现本地 和远程的装卸设备的维护、故障管理等功能。a b b 公司同样可以通过无线网络 和中央控制计算机实时地显示装卸机械的工作状态、故障诊断、报警和工效统 计功能，这类软件侧重于设备的实时管理而不是优化配置。 综上所述，无论是国外软件公司开发的集装箱码头管理系统、大型电器公 司开发的设备远程管理系统、还是国内公司开发的设备管理信息系统、生产管 理信息系统都是从不同的方面为提高港口装卸设备的作业效率做出了许多研究 和努力，但在对港口企业装卸系统整体资源进行优化配置方面还缺乏深入的研 3 武汉理r 人学硕士学位论文 究，目前还没有开发出成熟的装卸设备优化配置软件。 1 1 4 设计港口装卸生产作业线设备配置优化软件的意义 目前我国港口企业在生产组织过程中，对装卸设备的配置和装卸工艺方案 的选择仍然普遍停留在经验管理的阶段上，依靠的是长期从事生产调度计划和 装卸工艺指导人员的经验，随意性大、缺乏一定的科学决策依据。此外我国港 d 企业的生产组织部门和设备管理部门尽管大都使用了管理信息系统，但长舸 以来各自为政，缺乏信息沟通的渠道和机制，造成生产组织部门因不能完整地 了解装卸设备的性能，而无法合理地配置设备资源的弊端。同时设备管理部门 因过于注重保证设备的技术状态，而忽视了设备在生产中的效率匹配和优化配 置问题。这就造成了在企业生产过程中生产管理部门和设备管理部门都是凭借 直观的表面现象来进行主观的调整配置，缺乏对系统进行深入的研究和分析， 没有科学的、标准的决策手段，导致在机械系统作业效率匹配和装卸设备资源 优化配置方面至今还没有一个简单、实用的计算机软件系统。 本课题的研究在于建立一种根据货类、船舶情况进行机械效率匹配分析和 装卸设备优化配置的计算机软件系统，从而改变传统的依靠经验进行装卸工艺 调整和装卸机械配置的方式，提高生产决策的科学性、合理性。这对港口企业 提高效率、降低成本、创造更好的经济、社会效益有着深远的意义。 1 2 影晌港口装卸生产作业线效率的主要因素 1 2 1 船型对装卸生产作业效率的影响 船舶吨位等级的不同、船舶舱d 大小的差异、船舱数量的多少、船舶结构 型式的变化( 通舱、二层柜、三层柜) 对装卸效率都有很大的影响。一般来讲， 在货类、作业线数量、装卸工艺、工属具、装卸设备型号和配备数量等其他方 面条件都相同的情况下，大吨位船舶的作业效率要高于小吨位船舶的作业效率， 大舱i z l 、小腰窝( 腰窝为船舱内非舱d 正对，门机无法直接作业的部位) 船舶 的作业效率要高于小舱口、大腰窝船舶的作业效率，通舱船舶的怍业效率要高 于带二层柜、三层柜船舶的作业效率。此外，由于船舶的配载问题造成不同船 舱装卸的货物量不同，要求重点舱的作业效率必须要高于其它船舱的作业效率 才能保证整船的最短作业时间。 1 2 2 货类对装卸生产作业效率的影响 不同的货类由于物理特性的差异导致作业效率有极大的不同如散货和杂 货的作业方式、工艺方案和作业效率相差甚远。同样是救货由f 比重、粒度和 武汉理工人学硕士学位论文 流动性的不同导致装卸效率有很大不同。件杂货因包装形式、单件重量、外形 尺寸等差异，其配备的工属具、装卸设备和装卸工艺更是干差万别，作业效率 相差很大。可以说，货类自身的性质对装卸效率的影响最大。 1 2 3 装卸设备对装卸生产作业效率的影晌 装卸设备由于结构形式和工作原理的差别有着不同的作业效率，同类型的 装卸设备由于型号不同，其额定负荷、工作机构的速度、作业的范围都不相同， 所以其作业效率也不相同。如1 6 吨门机的作业效率高于1 0 吨门机的作业效率， 4 0 吨石川岛轮胎吊车的作业效率高于2 5 吨轮胎吊车的作业效率，6 0 吨西索牵 引车的作业效率要高于2 5 吨丰田3 t d 4 5 牵引车的作业效率。同样负荷的叉车由 于作业速度和操作性能的区别，林德叉车的作业效率要高于合肥叉车的作业效 率，这些单台装卸设备作业效率的差别就会影响整条装卸作业线的生产效率。 1 2 4 工艺方案对装卸生产作业效率的影响 相同的货类也会有不同的装卸工艺，一方面是工艺流程的不同，如装船作 业，既有车船直取工艺方案，即货物直接用汽车从港外拉至船边，用门机直接 装船作业，也有提前备货至港口堆场，再采用堆场- - - 吊车- - - 牵引车- - - ) 门 机一 船的装卸工艺流程，他们的装卸效率是不同的。另一方面相同的流程也 有不同的设备工艺方案，如同样是卸船作业，流程为船- - - 堆场，可以有两种 配车工艺，一种是：船- - - 门机- - - 牵引车- - - 吊车- - - 堆场，另外一种工艺 方案是：船 门机一 牵引车- - - ) 叉车一 堆场，由于吊车的作业效率要高 于叉车的作业效率，这两种工艺方案的作业效率也是不同的。 1 2 5 工属具对装卸生产作业效率的影响 装卸作业离不开装卸工属具，工属具对货物装卸效率的影响也很大，设计 合理的工属具可以充分发挥装卸设备的作业能力，减轻装卸工人的劳动强度， 从而提高装卸生产的作业效率。如大桶吊具，常见的有六桶吊具和九桶吊具两 种，九桶吊具一次可以吊装九个桶，虽然摘挂钩的时间要比六桶吊具长，但一 次吊运重量高，更能发挥机械的效能，所以总的装卸效率高。如集装袋作业， 如果用集装袋专用吊具，一次可以吊八个集装袋，而用四钩吊具作业，最多只 能吊四个集装袋，显而易见两者的作业效率不同。 1 3 课题研究的可行性分析 1 3 1 现有数据资源 作为货物吞吐量较大、货类较多、历史较长的大型港口，天津港务局下的 武汉理i ：人学硕十学位论文 各装卸公司都有大量可用的统计数据资源，包括货类、船型、装卸作业的机械 设备、工属具设备、水平运输机械、货场和仓库等等。大部分数据都已经输入 微机并建立数据库，在设汁软件时，可以直接通过接1 2 1 程序调用。另外技术人 员对货源、货类的装卸作业经验非常丰富。 1 3 2 现有硬件、设备 天津港务局2 0 0 2 年底已经建成覆盖全港范围的光纤网络，并与各装卸公司 已有的局域网相连，同时各装卸公司的生产管理部分和设备管理部门都配备了 数量充足的计算机，这些都为优化配置软件将来投入使用提供了有利条件。其 他一些现代化通信设备和计算机外部设备也配备齐全，如i n t e m e t 接入、传真、 电话、激光打印机等。 1 3 3 技术可行性分析 本课题研究的是港口机械系统作业效率匹配及设备资源优化配置问题，即 在各类相关约束条件确定的前提下合理地配置装卸作业各个环节的机械设备， 所要建立的数学模型属于规划模型，即用尽可能少的资源去完成给定的任务。 数学规划实质上是用数学模型来研究系统的优化决策问题，把给定条件定义为 约束方程，把目标函数看作是目标方程，把目标函数中的自变量看作优化变量， 这三者就构成了规划数学模型。本课题首先需要根据船型、货类、单机效率、 成本等影响装卸工艺方案选择的主要因素建立超各种约束条件，再对追求系统 的最高效率、最低成本和最少数量等需求建立多个目标方程，本课题要进行系 统的效率匹配和优化配置港口装卸设备，需要考虑的因素多、涉及环节多，属 于多目标优化问题，最终需要建立一个线性目标规划的数学模型。 ( 1 ) 数据库软件 本课题的选用的数据库软件是o r a c l e 公司出品的o r a c l e8 。要实现本课题的 功能需要统计分析港口吞吐量、货类、作业效率、船型、工艺方案等大量的数 据，必然离不开数据库系统。o r a c l e 是一个功能极其强大和灵活的关系型数据库 系统，也是天津港现有的管理信息系统采用的数据库，为了充分利用已有的各类 数据信息，本课题的数据库系统使用o r a c l e8 。 ( 2 ) 编程软件 ， 本课题的编程软件选用i n p r i s e 公司( 前b o r l a n d 公司) 的d e l p h i6 0 ，它是 一个m i c r o s o f tw i n d o w s 、w i n d o w sn t 以及l i n u x 下的r a d ( r a p i da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t ，快速应用程序开发环境) 和强大的数据库开发工具。它综合了可视 武汉理i 大学硕七学f 市论文 化开发环境的易用性、3 2 位优化编辑技术的快速、强大以及数据库引擎的可伸 缩性等特点。 直到目前为止，计算机软件的开发分为两个不同的体系，其中一个体系是 使用传统的程序设计语言( b a s i c 和c 等) 开发数值控制、数值运算等软件，围 绕它们的重点是算术、数据结构以及近年产生的面向对象技术。另一个体系则 是通用的数据库管理软件领域( 数据库应用程序的开发) 。这两个体系的发展都 极为迅猛，但是二者并没出现混合渗透迹象。如果使用数据库语言进行传统的 算术编程，虽然也能完成相应的功能，但是其编程过程可能极为复杂。如果使 用传统的编程语言进行数据库编程，通过调用专用的数据库应用程序接口函数 和过程，利用这些函数和过程提供的功能，可能【乜能做得比较完善，但这做起 来大多是极其困难的。而d e l p h i 结合了两个体系的优点，它结合了传统的编程 语言o b j e c tp a s c a l 和数据库语言的强大功能，它即可以用于传统的算术编程又 可以用于数据库编程，特别是d e l p h i 具有强大的数据库功能，利用d e l p h i 的数 据库工具，我们甚至只需要编写几行代码便可以创建个简单的数据库应用程 序。 ， d e l p h i 可以访问多种数据库管理系统的数据库，凭借窗体( f o 珊s ) 和报表 ( r e p o r t s ) ，b d e ( b o r l a n dd a t a b a s ee n g i n e ) 可以访问诸如p a r a d o x 、d b a s e 、本地 i n t e r b a s e 服务器的数据库，也可以访问远程数据库服务器上的数据库( 如 o r a c l e 、s y b a s e 、s q ls e r v e r 等客户h e 务器数据库中的数据库) ，或任何经 o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i c i t y ) 可访问的数据库管理系统中的数据库。 本课题采用d e l p h i6 0 编写程序来实现输入、输出、流程控制、人机交互以 及各种应用功能，并实现计算机数学建模和求解的功能，采用o r a c l e 数据库 实现数据的存储、统计与分析功能，最终将他们集成起来建立能实现目标功能 的计算机程序。 1 3 4 经济可行性分析 本软件的设计与编写所需费用不多，经济上有足够的保证。 1 3 5 法律可行性分析 本软件的设计与编写只涉及到天津港务局内部的一些部门和相关数据资 料，不会引起法律纠纷。 丛坚翌：盔兰堕! 主! 皇堡茎 第2 章数学模型的建立和求解 2 1 数学模型的建立 2 1 1 整数规划 在线性规划中，对于变量只能取一些离散的整数值的设备的数量及类型 选择这种问题，若按一般线性规划模型求解，再把所得非整数解进行圆整， 其结果并不能保证就是最优解，甚至是不可行解。因此，对于设备的选择与 配备等问题，应采用整数规划方法求解。其一股数学模型如下： “j 筹 这样一类全部变量或其中部分变量取整数值的线性规划问题就是整数 2 1 2 模型假设 高的整体效率。在实际操作中，每一台门机( 船机) 配置上装卸机械设备称 8 武汉理一人学颐十学声论文 具体的假设条件如下： ( 1 ) 每次优化配置之前，已知确定的待作业单元数量为，2 ( 2 ) 配置计划内的作业单元不允许出现排队：状况，即不允许出现生产作业 线效率为0 的状况； ( 3 ) 因本模型主要针对港口大宗货物的生产作业，可考虑假设每个作业单 元只装载一类货物； ( 4 ) 己知每个作业单元待作业的货物量为z 。，f _ 1 , 2 ，n ： ( 5 ) 装卸作业过程中，每个作业单元作业所采用的装卸工艺由生产调度人 员选择确定； ( 6 ) 每个作业单元所使用门机数量( 即每个作业单元所开设作业线数量) 由生产调度人员决定； ( 7 ) 装卸作业中可供使用的机械设备总数量为已知条件。从港口实际生产 经验中可知，目前在作业机械的分配上发生短缺的往往是吊车这样的 单价高，拥有数量较少的机械。其它设备由于单价相对较低，数量比 较充足，不易发生短缺。为便于模型的说明，假设除吊车外，其他设 备均能满足要求； ( 8 ) 作业过程中，重点作业单元需保证其作业时间不能超过许可时间，许 可装卸时间由船舶动态计划确定。 2 1 3 作业效率的评价指标 港口装卸生产作业效率通常用单位时间内完成的装卸作业量来衡量。但是 对于不同的生产作业线来说，使用常规的衡量指标并不能够客观的反映装卸作 业线之间生产作业效率的差别。 例如一台u c 一2 5 轮胎起重机，在以钢锭为作业对象的生产线a 上作业时， 每小时能装卸2 0 0 吨；而在作业对象为成组网络的作业线b 时，起重机每小时 能完成作业量为1 0 0 吨。但是这一环节反映出来的差别不能代表整条生产线的 情况，不能客观的反应实际生产作业的效率。 同样的道理，现有的机械设备生产率评价指标均不能满足建立模型的要求。 因此我们提出了一个新的作业效率评价指标相对怍业效率。假设在怍业过 程中所有货物均需要通过门机处理，则整条装卸作业线的生产能力已经被门机 作业能力限定，此时理想工作状态f 的作业线最大装卸效率等f 1 饥的作业效 率。作业线上其它机械的作业效率可用其单位时间完成工怍量与门机单位时间 内完成工作量之比来衡量。 2 1 4 模型的建立 以下以吊车作为短缺机械为例，说明模型的建立 设每个作业单元装卸作业线上一种机械的相对作业效率为a ，则有： a = 兰 g( 2 1 ) l i 一第i 条分配的吊车单位时间完成作业总量； c i - - 第i 条分配的门机单位时间完成作业总量； i - - 待配置作业单元数。 则有 a - 协1 ，鬟i = 1 , 2 , 3 - - , 1 z z ， 其中 l - x 。a 。 ( 2 3 ) 墨一第i 个作业单元配置的吊车数量； q r _ 单台吊车在第i 个作业单元作业时单位时间内完成的作业量。 c f 。否最 川2 3 ( 2 - 4 ) p t 一第i 个作业单元的作业线上第女台门机单位时间完成作业量； y f 第i 个作业单元配置的门机数量。 系统优化目标函数可以规划为求解： 一善4 ( 2 - 5 ) s t 0 a l ； x ，= s 其中： 一可调度吊车总台数。 考虑到在实际作业中存在重点作业单元的问题，即重点作业单元的作业时 间不能超过许可时间。则有： 武汉理f 人学硕十学f 市论文 i 瓦， l2 6 ) 一第i 个作业单元实际作业时间： 0 厂第i 个作业单元许可作业时间。 实际作业中，并不是所有作业船舶都是重点船。故并非每一作业单元都有 对应的瓦和如，这两个参数只重点作业单元具有。其它作业单元可认为t 厘小 于乃。 其中i2 南 7 ) z 第i 个作业单元需作业货物总量。 将式2 - 3 ，2 - 4 代入式2 - 5 ，得出模型为求解蜀，使得： m a 。争型堕( 2 8 ) 一h 9 1 只 各参数意义见前， 将上述目标函数改写为： m a x _ q x ( 2 9 ) 其中舻粤( 2 - i o ) 最 约束条件可转换为： 虬t x 。= s 0 o ，整数 2 2 模型求解方法 整数线性规划问题的难度较相应的线性规划问题大得多，现在求解几千个 变量的线性规划模型已经毫无问题，可是同样觇模的整数线性规划问题依然是 个难题。选择一种合适的算法进行模型求解是非常重要的。 目前解决整数舰划问题的主要方法有：分技定界法、割平面法、隐枚举 武汉理工大学硕士学位论文 法和应用动态规划的方法等。 2 2 1 分枝定界法 该方法的般思想是：先不考虑整数约束条件求出相应线性规划问题最 优解。若最优解不符合整数条件，则将原问题分为几个部分，每部分都增加 约束条件，因而逐步缩小了可行域，在逐步缩小的可行域中检查整数解的情 况，直到找到最优的整数解或证明整数解不存在。 2 2 2 割平面法 割平面法可用于求解一般的整数规划问题。割平面法的解题思路是：先 求解整数线性规划相应的松弛问题，然后不断增加适当的约束条件( 称为割 平面) ，将原可行域中切割掉不含整数可行解的一部分，使切割后最终得到 这样的可行域，其一个具有整数坐标的极点恰好是原整数规划问题的最优 解。割平面法的关键在于如何寻求适当的切割平面，以缩短整个求解过程。 2 2 3 隐枚举法 隐枚举法一般是用于每个变量取值为0 或l 这种特殊情况。其基本思想 是：从所有变量等于零出发，然后依次指定一些变量为l ，直到获得一个可 行解。于是可以认为这第一个可行解是迄今为止最好的可行解。既然是试探 地选择变量，那么第一个可行解完全可能不是最优解。所以还需要进一步检 查变量集等于0 或l 的某些组合，对迄今为止的最好解加以改进，直到获得 最优解。由于此法在检查变量值的各种组合时，对于不可能得到较好解的组 合作了舍弃，所以称为隐枚举法。 2 2 4 动态规划 动态规划是美国数学家贝尔曼( r b e l l m e n ) 于5 0 年代提出来的解决多 阶段决策过程的最优化问题的方法。动态规划的核心是“最优性原理” 在解决多阶段序列决策问题时，作为整个过程的最优策略具有如下性质：不 论原来的状态及策略如何，对于由前面的决策所形成的状态来 兑，余下的决 策总会构成一个最优策略。也就是说构成整个过程的最优策略中的每一阶段 的策略也是最优的。 动态规划解题的思路是：把问题分成几个阶段，即几个部分，从一个部 分开始，求它的最优解，以后逐步扩大问题，并找出直接相连的已解决的部 1 2 武汉理l 人学硕七学伉论= ： 分的最优解为基础的当前问题的最优解，直至扩大到原来问题并全部得到解 决。 由上可知动态规划可以解决多阶段决策问题。然而有些问题通过适当的 变换也可以归约为多阶段决策问题，从而应用动态舰划的方法来求解。例如 一个包准备装n 件物品，第i 件货物重量为w ，价值为c 。，i 为整数。包的最 大载重量为w ，物品必须整件装载。要求设计出装载物品价值最大的方案。 这虽然不是明显的多阶段决策问题，但是我们可以把装东西的过程看作是n 个连续阶段，每一阶段对应一件物品装载，这样该问题就被纳入多阶段决策 框架。 2 2 5 求解方法选择 易知前文所建立模型求解属于整数线性规划问题。 在上述若干解法中，割平面法是整数规划研究的一种重要方法，但是其实 际求解效率较低，还有待发展。 分枝界定法的本质是穷举法，其思想极为简单，具有一定的实际使用效果。 但是算法在实现时有很大的灵活性，计算能否成功以及计算的效率在很大程度 上取决于对问题的处理方式。特别是分枝变量的选择顺序对工作量的影响极大。 针对本模型的具体情况，该算法的实施存在一定困难。 隐枚举法和分枝界定的方法存在类似之处，且一般是用于每个变量取值为 0 或1 这种特殊情况。 因此，在本例中选用动态规划算法中的最佳原理法来解该模型。 2 3 模型求解实例 下面结合港口生作业的具体情况来举例说明模型的求解过程。为了便于问 题说明，仍然设吊车为配置瓶颈。假设现在将7 台吊车分配给三个作业单元。 则具体数据如下。 n = 3 ，s = 7 ，a l = o 2 4 ，a 2 = 0 3 2 ，a 3 = 0 2 8 最合理的吊车配置问题为： m a xz = n i x l + a 2 x 2 + a 3 x 3( 2 一l1 ) s t 厂工i + 工2 b = s lo o ，整数 利用最佳原理将其转化为多段判决问题，假, k i l mv ) 为吊4 ：配置给j i l lk 个待作 武汉理+ j 火学硕士学应论文 业单元，能得到的最大相对作业效翠。 l ( 5 ) = m ，a ，x ，a i ( 2 12 ) f - _ ( s ) = 。m 。鉴忙：工：+ f l ( s 一! ) ) ( 2 13 ) f 3 ( s ) = 。m a x a ，与+ f ：( s 一- ) ) ( 2 一l j ) 将7 台吊车配置到3 个待作业单元，其相对作业效率a 。( = a x ，) 如下表。 表2 1 吊车数 颤 l234567 ao 2 40 4 8o 7 20 9 6l1i bo 3 20 6 4o 9 6llll c0 2 80 5 60 8 4llll 假设其中b 为重点单元，限定2 4 小时卸完，即t o b = 2 4 ： 调度人员为其配备2 台门机，效率之和为c l ；b 单元待作业货物总量为z i ； 只考虑门机作业，则门机可在吾时间内完成全部作业量，设这一时间为2 1 小时， 即充分发挥门机效率时，门机2 l 小时可完成作业。但实际生产中的作业线生产 效率应为c a ，需要注意的是此时c a ， 则实际作业完成时间 z ：土( 2 一l5 ) c 一。a ， 要使i 瓦。，只需满足下式： a 土( 2 一l6 ) 1 瓦。c ， 将b 单元相关数据带入式2 一1 6 ，可知b 单元相对作业效率应满足 a r 0 8 7 5 。 以下为具体解算步骤： ( 1 ) 仅考虑a 单元，吊车配置数s 与相对作业效率 ( s ) 的关系见表2 2 武汉理t 人学硕十学位论文 表2 - 2 人 l ， 34567 一 f l ( s ) 0 2 40 4 8o 7 20 9 6l1l 因为只考虑a 单元，工l _ s 。 z l 为a 单元配置的吊车数。 ( 2 ) 考虑a 、b 两单元，吊车配置数s 与相对作业效率j ( 5 ) 关系如下 正( s ) = o m ，a x ，( 2 x 2 + f 1 ( s x 2 ) 其中，x 2 为b 单元配置的吊车数。 其相对作业效率f 2 ( s ) 表如表2 3 ： 武汉理工大学顶士学位沦文 表2 3 、2 一 | i j 一! l i l 三蕞 茜寸 型一 1 1l i l i 目 0 葛 ；翌 王掣 詈一 o 一 o 、 童高 蕞驾- i -叫 _ 裂甫善百 一 r il l寸| l o 寸 嗡一 i i 口耋嚣 兰l 萋鲁 r 口 葛篷 芸可 拿。 c 未有雩可 c ； o c 、lll 1 善暹 耄幕 薹葛 妻萼 g 嗣嗣嗣 置。置。 葛百 6 掣百 s _ o - 卜1 o o 形 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 考虑a 、b 、c 三单元，吊车配置数s 与相对作业效率f 2 ( s ) 关系如下 j ( 5 ) = o m 。、a ，：x ，仁，3 + l ( s 一b ) 其中，勘为c 单元配置的吊车数。 其相对作业效率正( j ) 如表2 - 4 ： 表2 4 1 3 ol234567 “3 而 o o oo 2 80 ，5 60 8 4llll 厶( 7 一与) 1 9 61 6 81 4 41 2 0o 9 60 6 40 3 2o 口3 t + ，2 ( 7 屯) 1 9 61 8 81 9 62 0 4 +1 9 61 6 41 3 2l 所以，局( 7 ) = ：懋如，x 3 + ( 7 一屯) = 2 0 4 从上面的表格中可知， f x 。= l x 。= 3 时， 【。 l x 3 = 3 目标函数m a xz = n l j l + a 2 x 2 + a 3 x 3 取得最大值2 0 4 。 此时 f a 。= o 2 4 a ：= 0 9 6 【a3 = o 8 4 此方案中如= 0 9 6 o 8 7 5 ，重点单元作业要求已得到满足，故此方案为最 优方案。若效率最大的配置方案不能满足重点单元的作业时间要求，则选取次 优解进行验算，以此类推，直至分配方案满足重点单元作业要求。 当确定了z l = l ，x 2 = 3 ，x 3 = 3 之后，再对门机的配置数量进行校验，以确定 门机配置数量是否合理。在本例中，b 、c 单元配置的吊车数为3 ，达到满负荷 工作，门机数量按先前的预定不变，但a 单元的吊车数为l ，门机未达到较高负 荷，可根据a l x l = o 2 4 ，酌情减少( 具体数量由调度人员根据实际情况确定) 。 在本算例中，假设引起瓶颈的设备为吊车。实际使用中引起瓶颈的设备是 根据实际情况演算得出的，只需将本算例中的吊车换成其它设备即可。因此本 模型对港1 2 1 作业的设备配置具有较好的通用性。 武汉理 大学硕七学肛论又 在生产过程中，当作业情况发生变化时例如有一个作业单元作业完毕， 或有新船到港，可利用本模型进行再次配罱。相应的每个作业单元待作业货物 量发生变化，按新情况给定。通过对本模型的多次使用实现港口设备分配的动 态优化，从而实现生产作业效率的最大化。 武汉理】：人学硕士学位论支 第3 章需求分析 3 1 功能需求 3 1 1 设备优化配置的功能 本软件的设计要求是能辅助生产业务部门的调度计划人员对码头生产作业 线进行设备优化配置。其使用对象定位于装卸公司的生产组织部门的调度计划 人员，可以使他们根据局业务处下达的生产计划，针对本装卸公司所需装卸所 有船舶的生产作业线，按照标准的设备配置原则，依据货类、船型、计划作业 数量、装卸工艺方案、设备出勤数量和配备工属具的相关情况，命令软件系统 通过已建立的优化模型，对当天可供使用的所有装卸设备进行优化组合，初步 形成一套码头各生产作业线的设备预配方案以及各作业线的预测作业量；然后 调度计划人员根据船舶动态计划、预测的各生产线作业量、设备的配置状况以 及其它模型无法完全反映的复杂工况，通过软件对作业线数量、装卸设备型号 和数量进行调整，在经过调整并确认后，软件系统可以再次形成一份设备的配 置计划以及各生产作业线的预测作业量。计划人员通过几轮的调整就可以确定 最终的生产作业线装卸设备最佳配置计划，包括实际的开工的作业线数量、岸 边机械的型号、数量，与之配合作业的水平运输机械或堆场装卸机城的型号和 数量，并较为准确地提供每条生产作业线的预测作业量和有确定船舶动态计划 的船舶预计完工时间。 3 1 2 实时查询、共享资源功能 本软件系统所实现的装卸生产线设备优化配置虽然是由生产业务部门的调 度计划人员来完成的，但其最终的装卸设备配置计划信息应能实现实时查询和 信息共享的功能。 本软件形成的数据信息主要提供给以下几个部门使用： 设备操作部门：( 机械队) 各机械队可以及时按照装卸设备的配置计划所要 求的出车数量和作业货类、地点，安排当班的司机按计划作业。 设备管理部f - i ：( 机电科、技术部) 设备管理部门可以及时地根据装卸设备+ 的配置计划和使用情况合理地安排或者调整设备保养、维修计划，从而更好地 满足公司生产的需要。 货运部门：( 货运科、仓库) 可以根据装卸设备的配置计划、预测作业量， 合理地安排仓库、堆场计划，进行货物的理货交接工作以及货垛的苫盖工作。 工艺部门：( 工艺科) 可以根据装卸设备的配置计划和装卸工艺方案，及时 准备各类装卸工属具，尤其是抓斗、漏斗等大型工属具，从而缩短辅助作业时 间，提高船舶的整体作业效率。 由于各装卸公司内部大多已经建立了局域网，只是各个业务部门的计算机 系统之间一直未能形成有效的数据信息交换和共享，而本软件的实现可以为生 产相关的各个部门实时提供重要的信息，起到了促进了公司内部各业务部门的 计算机系统之间的数据共享的作用。 3 1 3 数据修改保存功能 由于本软件实现的是码头生产作业线装卸设备优化配置的功能，而装卸设 备经常会发生一些变化，比如当出现设备采购、更新、报废、转让、出租和封 存等情况时，设备管理部门会随时修改设备管理信息系统的数据库设备台帐和 技术参数表。鉴于天津港各装卸公司的设备管理信息系统和业务管理信息系统 大多统一使用了o r a c l e 数据库，