硕士学位论文-洋山深水港区堆场轮胎吊调度优化研究.doc

上海海事大学硕士论文 洋山深水港区堆场轮胎吊调度优化研究学校代码：10254密 级： 论文编号： 上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY硕 士 学 位 论 文MASTER DISSERTATION论文题目： 洋山深水港区堆场轮胎吊 调度优化研究 学科专业： 交通运输规划与管理 作者姓名： 陈 凯 指导教师： 沙 梅 副教授 完成日期： 二一年六月 摘 要随着集装箱运输的迅速发展，日益增长的集装箱吞吐量给港口规模和港口物流效率提出了新的挑战。但金融危机的出现使港口企业的目标重新定位，在保证效率的同时，使港口的能耗最小。集装箱堆场是供装卸船舶堆放集装箱的场所，同时也是临时保管和向货主交接集装箱的地方，是集装箱港口作业的重要环节，堆场的作业效率直接影响到港口整体物流作业水平。目前港口使用最多的堆场装卸机械为轮胎式龙门吊、轨道式龙门吊、堆高机、正面吊，虽然现在都有GPRS定位系统来确定他们的位置以便于控制作业，但控制过程都是人为的凭主观判断，缺乏一定的科学性。先前对集装箱码头轮胎吊调度优化研究，通常考虑箱区数量不超过25个，没有从能耗的角度来考虑轮胎吊调度问题。本文通过建立一个整数规划模型，以轮胎式龙门吊总的作业时间最短和总的能耗最少为目标函数，综合考虑了轮胎吊转弯时间及能耗、轮胎吊移动时间及能耗和实际操作规则等影响轮胎吊调度的关键因素，在预测一个时间段内各个箱区轮胎吊作业量的前提下，解决轮胎吊调度优化问题。首先，本文收集洋山深水港区一二期码头的历史数据，对其进行统计分析拟合出各种箱量规律，并测算不同时间段的箱量。其次，抽象集装箱码头的实际系统，建立合理的箱区分配规则，解决集装箱进入堆场的箱区分配问题，从而得到每个箱区总的作业量。最后，综合考虑轮胎吊的初始位置、转弯时间及能耗、移动时间及能耗、各箱区的作业量等关键因素，建立轮胎式龙门吊调度优化模型，应用洋山深水港一二期集装箱码头实际运营数据，代入模型求解。本文所构建的模型，通过实际运算验证，得出该模型的可行性，对中国其他集装箱码头具有参考作用。本文研究成果可为提高港口生产服务质量，增强堆场运营效率，降低能源的消耗提供决策之策；为中国集装箱在轮胎吊配置、节能降耗提供借鉴作用。关键词：堆场，集装箱，轮胎式龙门吊，箱量，调度ABSTRACTWith the rapid development of container transportation and the daily-growing of the container throughput, the size and the logistics efficiency of port are facing the new challenges. However, the financial crisis made the container port companies set new goal, which to minimize the ports power consumption while ensuring loading and unloading efficiency. As the container yard is of importance to the operation of container port, the area of which for loading and unloading the containers, and temporally custody and transferring the containers for the cargo owner. Thus the operation efficiency of yard has the direct influence for the overall level of logistics operations.Though having GPRS position system to control the machinery operation, the control process of the yard machinery, RTGC, RMGC, EC, RS, using popular in the port, is mainly judged by subjective idea, which are lacking of any scientific. Literatures quoted in this paper show that they usually give a simple calculation to optimize the container terminal scheduling calculations without consider the RTGC turning energy, mainly deeming the minimum of RTGC operation time as the aimed function, instead of energy consumption. The author was planning to build an integer programming model to solve the RTGC scheduling problem with the minimum objective function for the lest tire gantry total activity time and total energy consumption, and meanwhile considering the RTGC turning time, energy, and practical rules, which improve the logistic service quality and enhance the efficiency of the operation and also reduce the energy consumption. In this paper, the author first analyzes the historical data relating to the first and second part of Yangshan Deepwater Wharf in order to predict out the container quantity in the future certain time using variety of rules. Second, in order to get the total operation amount of each box and to solve the issue of distribution the entering containers, the author abstracts the actual system of container terminal and establishes the reasonable rules of distribution. In the end, the author considers the following key factors to establish the RTGC scheduling optimization model: the initial position, the turning time and energy consumption, the moving time and energy consumption as well as the operation volume of each box area. And then applying the actual operation data of the first and second project of Yangshan Deepwater Wharf to the above model and get the answer.Through the actual operation verification, we can get the model in this paper is available, and the model can be the reference for other container terminals in China. Thus, it is worthy of learning from the result of this research in RTGC configuration and energy saving.Chen Kai (Transportation Planning and Management)Directed by Associate Prof. Sha MeiKEYWORDS: yard, container, RTGC, container quantity, operation IV目 录摘 要IABSTRACTIII第一章 绪论11.1选题的背景及意义11.2国内外研究综述21.2.1国内外集装箱堆场装卸机械配置的研究现状21.2.2国内外集装箱堆场装卸机械的调度问题研究现状41.3研究方法71.3.1调研71.3.2运用SPSS统计分析81.3.3建立整数规划模型81.4研究的技术路线8第二章 集装箱堆场概况及调度优化的关键因素分析102.1集装箱堆场装卸工艺102.2集装箱堆场功能分区112.3洋山深水港区一二期码头概况122.4集装箱堆场轮胎吊调度优化的关键因素分析16第三章 集装箱码头堆场集装箱箱量统计分析173.1进出道口集装箱箱量统计分析173.1.1进道口集运进箱区箱量统计分析183.1.2出道口疏运提箱箱量统计分析233.2倒箱集装箱箱量统计分析273.3进出泊位集装箱箱量统计分析283.3.1进泊位卸船集装箱箱量统计分析293.3.2 出泊位装船集装箱箱量统计分析293.4集装箱翻箱箱量统计分析30第四章 建立集装箱箱区分配规则354.1建立进箱作业箱区分配规则354.1.1“道口堆场”作业进箱箱区分配方式354.1.2倒箱进箱作业箱区分配方式384.1.3“泊位堆场”作业的进箱箱区分配方式384.2建立提箱作业的箱区分配规则394.2.1“堆场道口”作业的提箱箱区分配方式394.2.2倒箱提箱作业箱区分配方式394.2.3“堆场泊位”作业的箱区分配方式39第五章 轮胎吊调度优化的整数规划模型构建与求解415.1模型假设条件415.2建立模型425.3模型求解45第六章 结论与展望506.1结论506.2展望51参考文献52致 谢56附录一 洋山深水港区一二期码头堆场箱区具体情况测算与整理56附录二 09年9月1日至23日各时间段出道口集装箱箱量61附录三 09年9月7日至27日船舶靠泊信息62附录四 8:00-8:59各个箱区由各种作业方式产生的作业量68第一章 绪论1.1选题的背景及意义自1961年出现集装箱运输服务以来，集装箱运输已经成为重要的运输方式，世界范围内集装箱吞吐总量逐年递增。据统计，2001-2005年之间世界范围内集装箱吞吐量以5%的速度逐年增长，预计到2020年增长率将达到6%以上。1986-2006年的20年里，我国大陆集装箱港口吞吐量年均增长率接近30%，吞吐量已跃居世界第一位。集装箱运输业的快速发展，集装箱吞吐量迅猛增长，给港口规模和港口作业能力提出了严峻挑战。2007年上海港集装箱吞吐量达到2615万标准箱；2008年上海港集装箱吞吐量达到2800.6万标准箱；但在2009年，上海港集装箱吞吐量只达到2500万标准箱，位居世界第二。由于金融危机使集装箱箱量急剧下降，这给港口带来巨大的冲击。为了能使港口企业更具有竞争力、获取更大的盈利，很多港口都实行节能降耗，在保证效率的同时，也使能耗最少。现港口使用最多的堆场装卸机械为轮胎式龙门吊、轨道式龙门吊、堆高机、正面吊，虽然现在都有GPRS定位系统来确定他们的位置以便于控制作业，但控制过程都是人为的凭主观判断，缺乏一定的科学性。文献表明，对集装箱码头轮胎吊调度优化计算，通常使用简单的算例，未考虑轮胎吊转弯能耗。本文通过建立一个整数规划模型，以轮胎式龙门吊总的作业时间最短和总的能耗最少为目标函数，考虑了轮胎吊转弯时间及能耗、轮胎吊移动转弯时间和实际操作规则等方面，解决轮胎吊调度优化问题。控制堆场装卸机械的合理作业，必然能提高物流服务质量，增强堆场物流作业效率，降低能源的消耗。配备合理的堆场装卸机械也有利于降低港口的成本，节省空间。鉴于装卸机械的作业特点和我国大多数港口堆场使用的是轮胎式龙门起重机，本文只考虑轮胎式龙门起重机的调度优化。集装箱堆场是供装卸船舶堆放集装箱的场所，同时也是临时保管和向货主交接集装箱的地方，是集装箱港口作业的重要环节，堆场的作业效率直接影响到港口整体物流作业水平。集装箱堆场根据集装箱的类型把它分为空箱箱区、危险品箱区、冷藏箱区、进口重箱箱区、出口重箱箱区、进口中转箱箱区、出口中转箱箱区和特种箱箱区。各种类型的箱区的作业要求都会有所不同，所以合理开辟集装箱堆场的箱区对合理利用港口有限的空间资源，使集装箱运输更加高效，减少翻箱率，降低物流成本都会起到极大的促进作用。本文收集洋山深水港区一二期码头的历史数据，对其进行统计分析拟合出各种箱量规律，并测算不同时间段进出道口集装箱箱量、倒箱箱量、进出泊位集装箱箱量和翻箱箱量，对洋山深水港区一二期码头未来一段时间内各种箱量的预测起指导性作用。其次，根据洋山深水港区一二期码头的实际情况进行综合分析后建立箱区分配方式，这对中国其他集装箱码头能起到技术上的指导作用。计算得到的各个箱区的作业量，使中控室操作人员对整个堆场各个箱区的作业量有一个清晰地认识，有利于其更好的调度轮胎式龙门吊。本文通过建立一个整数规划模型，以轮胎式龙门吊总的作业时间最短和总的能耗最少为目标函数，综合考虑了轮胎吊转弯时间及能耗、轮胎吊移动时间及能耗和实际操作规则等影响轮胎吊调度的关键因素，在预测一个时间段内各个箱区轮胎吊作业量的前提下，解决轮胎吊调度优化问题。应用了洋山深水港区一二期码头集装箱堆场的运营数据，求解在一段时间内的轮胎吊调度优化问题。研究成果可为提高港口生产服务质量，增强堆场运营效率，降低能源的消耗提供决策之策；为中国集装箱在轮胎吊配置、节能降耗提供借鉴作用。1.2国内外研究综述1.2.1国内外集装箱堆场装卸机械配置的研究现状u 国外集装箱堆场装卸机械配置的研究现状Lai和Lam运用模拟方法比较了不同配置策略下龙门吊的使用效率、作业量及等待时间的问题1。Gambardella et al.讨论了仿真模型在港口资源配置中的应用，并采用网络流的思想，运用混合整数规划模型对桥吊、龙门吊等港口资源进行配置2。BenacchioM et al.使用了集装箱码头管理的仿真方法，提出了不同环境下的运营分析，如需求水平和配置的选择。符合传统集装箱码头的运营特点3。 Kozan and Prseton建立整数规划模型，决定优化的堆放策略和相应的堆场起重机分配，以减少用于一艘船的所有起重机的最大工作时间4。Murty et al.在文中讨论了几个工班内的龙门吊的配置问题。文中假定，在每一个工班内都有一定的工作量，龙门吊可以在箱区之间相互移动，但是在每个工班之内的移动次数不能超过1次，因为过多的龙门吊在箱区间的移动会造成堆场交通堵塞5。L. M Gambardella et al.通过对码头的离散事件仿真，研究装卸桥和堆场龙门吊的配置问题，通过对装卸集装箱的分配来调度装卸桥和堆场龙门吊。通过仿真和优化，可降低成本，减少机械数量和集卡在码头的平均等待时间6。Kim Hwan-Senog et al.提出垂直型集装箱堆场的分配模型，预先给定自动化集装箱的堆场布局、码头设备特征和基本假设，在此基础上，建立分配模型使自动化的集装箱码头工作时间最少，效率最高7。Chuqian Zhang et al.通过建立一个整数规划模型研究了龙门吊的工作任务分配问题。在假设己知若干个计划期的工作任务量的条件下，通过合理地安排龙门吊在某工班内的工作任务和不同箱区之间的移动顺序对龙门吊配置进行优化8。Wei Yan et al.运用整数规划建立吊车动态分配模型，用了两个启发式算法来解决吊车的调度，即爬山算法和最佳优先算法，并比较了两个算法得到的结果9。u 国内集装箱堆场装卸机械配置的研究现状林郭清和陶其竣给出了桥吊数量的“量能”配备法，即根据码头岸线长度，确定码头能够停靠的各种船型组合，然后分析确定每种船型允许开工的作业线，从而得到码头的集装箱桥吊配备数量确定码头的通过量，最后以码头通过量分别计算出龙门吊、集卡的操作量，从而得到龙门吊、集卡的配备数量10。李冠声、丁以中等以上海外高桥港区为背景，研究集装箱码头的吞吐能力与装卸设备优化问题。采用系统的思想和计算机仿真技术，建立相应的数学模型对2001-2005年集装箱以每年10%-30%速度递增所需要的设备条件、吞吐能力、瓶颈问题、管理问题等进行探索11。李建忠以集装箱港口堆场资源的配置为研究内容，运用系统的观点，对集装箱港口堆场资源配置的理论和方法进行了研究和探讨12。韩晓龙讨论集装箱港口装卸过程中的龙门吊数量配置问题，建立龙门吊的数量配置网络流模型。给出模型的最小流算法13。杨静蕾和丁以中将集装箱码头龙门吊装卸工艺抽象为闭排队网络模型，采用估算均值法计算了顾客到达和服务时间分布为一般情况的闭排队网络系统性能指标。仿真结果表明，闭排队网络模型计算结果可以为集装箱码头设备配置提供一定的决策支持14。郭媚在其硕士论文中对堆场堆存空间和作业机械进行了配置优化研究。提出了一个综合成本模型，考虑了堆场存贮空间成本，龙门吊的固定成本，龙门吊的可变成本和集卡的运输成本之间的平衡，来决策堆场中每一行所存放的最优箱量，以及所需配置的龙门吊的台数。并进一步建立了针对龙门吊的作业顺序建立SAM模型，充分考虑堆场、岸吊及船舶配载情况，根据箱子的预计提箱时间，进行龙门吊作业顺序的安排，运用遗传算法(GA)求得最优解15。何军良、宓为建和严伟用一种基于整数规划模型和启发式算法(爬山算法)的场桥调度混合策略，将场桥调度和堆存空间分配作为整体构建场桥动态调度模型16。 张涛、苗明和金淳运用仿真优化方法对集装箱堆场资源配置问题进行了研究。首先,建立了堆场资源配置问题的数学模型,优化目标是堆场的资源利用率最大化的前提下,资源配置成本最小；然后,根据系统作业中存在的不确定性、随机性等活动特点,建立了堆场作业系统的离散事件仿真模型,并运用仿真模型与组合优化相融合的仿真优化方法对模型进行求解17。韩晓龙、丁以中讨论了集装箱港口装卸过程中的龙门吊配置优化问题,建立了龙门吊配置优化的两阶段规划模型。第1阶段模型中将龙门吊配置问题抽象为网络最小流问题,建立了用于确定按时完成任务计划所需要的龙门吊最小配置数量的规划模型,第2阶段模型在第1阶段模型的基础上对龙门吊的任务分配进行优化,使龙门吊的行走时间最短.对模型求解可以得到龙门吊的配置数量以及各龙门吊的任务分配18。沙梅集装箱码头物流运营系统通用性建模与仿真，通过对集装箱码头运营的离散事件仿真，得出最合理的机械配比。论文分析了码头堆场每日机械配备的情况和资源状况19。1.2.2国内外集装箱堆场装卸机械的调度问题研究现状u 国外集装箱堆场装卸机械的调度问题研究现状Chung et al.最早提出了龙门吊路径选择问题，目的是减少龙门吊的不必要移动，提高龙门吊的工作效率。该文章提出了一个利用缓冲区空间的方法来提高装卸设备的利用率，从而减少总的集装箱装卸时间。用了图形仿真系统模拟波兰港，使其减少了平均4%的装卸时间20。Kim 和 Kim研究了龙门吊在集装箱码头出口集装箱装箱活动中的路径选择，属于单个龙门吊的最优路径问题，建立混合整数规划模型，使龙门吊的箱区间总处理时间最小。由于实际堆场作业中同时有多台龙门吊工作，这些龙门吊之间互相影响，所以此文中建立的模型适用性不大21。Chuqian Zhang et al.建立了混合整数规划模型和利用拉格朗日松弛方法解决。为了改进算法，在拉格朗日松弛算法模型中加了一些限制条件和结果的改进程序。通过预测一天中一段时间内每个箱区的工作量来确定轮胎吊运行的时间和规则，从而使总的装卸等待时间最少。改进后的拉格朗日松弛算法能在短期内得到较优的结果22。Chuqian Zhang et al.通过建立一个整数规划模型研究了龙门吊的工作任务分配问题。在假设己知若干个计划期的工作任务量的条件下，通过合理地安排龙门吊在某工班内的工作任务和不同箱区之间的移动顺序对龙门吊配置进行优化8。Ng, W.C et al.运用遗传算法来安排轮胎吊的作业，通过给定已知集装箱的不同作业时间来安排一部轮胎吊的调度问题，从而减少集卡总的等待时间。结果表明遗传算法能有效的解决调度问题23。Wei Yan et al.运用整数规划建立吊车动态分配模型，用了两个启发式算法来解决吊车的调度，即爬山算法和最佳优先算法，并比较了两个算法得到的结果9。Junliang He et al.运用目标规划建立吊车动态调度模型，运用了启发式规则和并行遗传算法来解决非线性吊车调度问题24。PeteringMatthew E. H. 和 MurtyKatta G.通过仿真得出装卸桥的装卸效率取决于箱区的长度和堆场装卸机械在各个箱区的运作。该文的结果表明堆场起重机运营系统通过规范其装卸操作使桥吊的工作效率高于侧重于加强起重机灵活性的系统25。u 国内集装箱堆场装卸机械的调度问题研究现状韩晓龙讨论了集装箱码头在出口装船过程中龙门吊的最优路径问题,使作业过程中龙门吊的行走时间最短,以提高其作业效率.首先建立一个混合整数规划模型,然后用lingo 8.0对模型进行求解,通过比较优化前后的结果,优化后龙门吊的作业效率得到显著提高26。张维英、林焰等对集装箱堆场中出口箱取箱作业进行优化研究，建立了龙门式起重机取箱作业优化模型，以龙门式起重机取箱作业时倒箱数量最少为目标，以各个取箱阶段为节点、以取箱代价为边的权数，应用最小生成树和启发式算法对优化模型进行求解，获得倒箱数最少的优化装船顺序，提高装卸作业的效率27。郭媚在其硕士论文中对堆场堆存空间和作业机械进行了配置优化研究。提出了一个综合成本模型，考虑了堆场存贮空间成本，龙门吊的固定成本，龙门吊的可变成本和集卡的运输成本之间的平衡，来决策堆场中每一行所存放的最优箱量，以及所需配置的龙门吊的台数。并进一步建立了针对龙门吊的作业顺序建立SAM模型，充分考虑堆场、岸吊及船舶配载情况，根据箱子的预计提箱时间，进行龙门吊作业顺序的安排，运用遗传算法(GA)求得最优解15。魏众等提出了轮胎式龙门吊优化调度混合整数规划模型,研究了定量作业条件下的龙门吊优化调度问题,通过实际案例分析为码头管理者提供决策支持28。该文只研究了轮胎吊作业时间最短，没有考虑轮胎吊转弯时间，且案例数据简单。何军良、宓为建和严伟为提高集装箱码头的运作效率，采用一种基于整数规划模型和启发式算法(爬山算法)的场桥调度混合策略，将场桥调度和堆存空间分配作为整体构建场桥动态调度模型。以上海某集装箱码头堆场为例通过仿真验证该系统,结果表明该模型和算法的有效性和实用性29。严伟、宓为建、苌道方和何军良在以提供一种新颖的场桥调度策略为目标的情况下,构建了一种基于整数规划的场桥动态调度模型,该模型以各箱区各时段预测的工作量为前提,以达到各时段中剩余的总工作量最小的目标. 该模型的求解属于NP(nondeterministic polynomial)难问题,所以采用了一种启发式算法:最佳优先搜索算法,来作为求解该模型的算法。最后,通过对某集装箱码头堆场的仿真来说明该系统30。该文中假设了轮胎吊作业一个箱子的平均作业时间，和平均移动速度，没有考虑轮胎吊转弯的因素，这个因素在场桥调度里是至关重要的，所花时间和能耗巨大；且轮胎吊作业时间相差巨大，应考虑移动时间的因素。王锡淮、肖健梅和于晶通过动态地调整信息素更新方式、限制信息表的范围来克服蚁群算法容易停滞的缺点。利用改进的蚁群算法对场桥的任务调度问题进行了探讨，并实现了求解。仿真结果表明,蚁群算法求解场桥调度问题时,得到了较好的结果，提高了场桥的工作效率31。该文以简单算例求解，初始数据不够合理，没有考虑轮胎吊转弯移动时间。1.2.3总结国内外关于堆场装卸机械调度优化的研究还比较少，在已有的那些调度模型中可以发现，文章一般都以在某一时间段内轮胎吊在场作业时间最短为目标函数，没有考虑轮胎吊能耗；算例中考虑的箱区数量都没有超过25个，所建模型通用性不高，且基本没有运用港口的真实数据，主要在理论上进行探讨研究，对现实指导作用较低。由于港口系统的复杂性和箱区数量大，所建立的模型一般都是NP(nondeterministic polynomial)难问题，求解效率相对较低，之前的相关文献主要在求解方法上进行研究。1.3研究方法1.3.1调研1.3.1.1技术调研 国内外集装箱码头堆场装卸主要机械调度优化研究、堆场物流运营系统的技术调研，通过广泛阅读并深入研究国内外有关文献资料，为技术思路提供参考。1.3.1.2真实系统调研模型的构建必须逼近现实的真实的系统。为了深刻了解真实系统，通过深入洋山深水港区一二期集装箱码头广泛调研，研究并高度归纳实际生产物流运营原则，堆场作业规律，从而为洋山深水港区一二期集装箱码头堆场轮胎式龙门吊优化调度奠定基础。1.3.1.3数据采集通过三个月的洋山深水港区一二期码头中控室和计划室的现场实习，采集05年以来至09年9月份洋山深水港区一二期码头数据库中生产日报、外集卡作业汇总、船舶档案、装卸机械作业汇总和船舶计划等，整理了每天船舶靠泊数据（船舶档案、停靠泊位信息、装卸量）、集卡进出堆场数据（集卡何时进出场、所装集装箱信息）、每天轮胎吊作业信息（翻箱数量、提箱量、堆存量）、港口每天吞吐量、进出道口集卡数量等大量数据。为进出道口集装箱箱量、倒箱箱量、进出泊位集装箱箱量和翻箱箱量的规律研究和轮胎式龙门吊调度优化做准备。1.3.2运用SPSS统计分析本文采用SPSS做各泊位船舶装卸量、进出道口集装箱箱量、倒箱箱量、翻箱量分析，输入了07年1月至09年9月样本，对8:00-19:00各个时间段进出道口集装箱箱量、倒箱箱量、各泊位装卸量和翻箱量进行拟合，预测未来这一时间段箱量，为箱区分配和模型求解提供有效的数据。1.3.3建立整数规划模型通过对集装箱码头运营的深入研究，掌握其运营规律，特别是轮胎吊调度，根据港口的实际运营情况，提炼轮胎吊调度原则，建立整数规划模型，来解决洋山深水港区一二期码头轮胎吊调度问题。1.4研究的技术路线本文研究的技术路线见图1-1；72第二章 集装箱堆场概况及调度优化的关键因素分析轮胎式龙门吊作业范围主要包括进口重箱箱区、出口重箱箱区、国际中转箱箱区、出口中转箱箱区、进口中转箱箱区、冷藏箱箱区，这些箱区有一个共同点就是位于码头前沿。本章主要研究的是堆场装卸机械的介绍，确定本文研究的装卸机械为轮胎式龙门吊（简称轮胎吊），以及堆场各种属性的箱区，并确定轮胎吊的作业箱区；再研究洋山深水港区一二期码头堆场的具体情况，并确定本文轮胎吊调度的一些关键因素。2.1集装箱堆场装卸工艺所谓装卸工艺，是指堆场装卸和搬运货物的方法和程序，按照一定的操作过程，根据堆场的条件，针对不同的货物、运输工具和装卸设备，以合理和经济的原则来安排装卸和搬运作业。集装箱装卸工艺决定堆场装卸机械配备、堆场的装卸生产作业组织、劳动定额和劳动生产率。装卸方式的选择，必须根据集装箱堆场的高效利用、装卸作业的省力化、设备投资及管理维护费等情况综合分析确定。集装箱码头堆场装卸机械主要用于集装箱装卸和堆高作业。按照码头堆场作业的种类，其装卸机械可分为重箱作业机械、空箱堆场作业机械两种类型。重箱堆场作业机械当前国际上普遍采用轮胎式集装箱龙门起重机、轨道式集装箱龙门起重机和集装箱拖挂车(简称集卡)。而集装箱叉车和集装箱正面吊运车多用于配合以上主要作业机械，进行倒箱、拆装箱或装卸车的辅助作业。由于危险品箱区需要特殊的管理，并且作业量和作业时间的不确定性，一般是由正面吊来处理集装箱的装卸。轮胎式集装箱龙门起重机具有装卸效率高、操作简单、作业面大、故障率低、堆场面积利用率高的特点，特别适合于大中型专业化集装箱堆场及装卸车作业。受港口地质条件、设备投资、作业环境的影响，轮胎式龙门吊(RTGC)是大多数集装箱码头的首选32。但由于轮压大引起场地建设费用高，堆层高引起倒箱量增大，且大多采用柴油发动机驱动，维护及维修能力要求较高。在亚洲和中东地区的港口流行使用，国内港口也基本采用该种方式46。空箱堆场作业机械一般采用空箱集装箱叉车和空箱正面吊运机。国内港口普遍采用空箱集装箱叉车。其集装箱堆码高度通常为3层至6层，最大可达7至9层。但是随着专业化水平的不断提高，近几年来国内港口对空箱正面吊运机的应用量也明显增大。它对集装箱空箱堆高能力更强，一般可以堆码至8层，最高至10层，且可跨箱作业，增加堆场利用率，灵活方便34。影响船舶在港时间，准班率的主要作业机械为重箱堆场作业机械，结合我国的实际状况，所以本文主要研究轮胎式龙门吊的调度优化。2.2集装箱堆场功能分区集装箱堆场需要具备集装箱交接功能、集装箱检验和修理、集装箱堆存、危险品箱的堆存与管理、集装箱拆装箱、集装箱运输、信息处理和设备检修等八大功能。为了满足集装箱堆场功能需求，场内应设有重箱堆存区、危险品箱堆存区、空箱堆存区、拆装箱区、查验区、维修保养区、停车区共7个功能区。本文主要涉及的是重箱堆存区与轮胎式龙门吊停车区，这两个区域为轮胎式龙门吊作业区域。（1）重箱堆存区专门堆存集装箱重箱的场所。在场地用白线或黄线画“箱位”并编“箱位号”，一般单号为6.096m(20ft)集装箱，双号为 12.192m(40ft)集装箱，箱间距0.3m。集装箱在场地上的排列方式为“并排方式”，六排为一箱位，堆场内作业通道13-15m。堆场区可以按目的地、进口或出口、重量等级，有时还可按航线或疏运安排，分门别类地堆放。重箱一般堆4层高35。（2）空箱堆存区专门堆存集装箱空箱的场所。空箱一般堆高5-6层34。（3）拆装箱区港口从生产需要考虑，应具备一定的拆装箱能力，一般拆装箱所占重箱比例为5%-15%。拆箱箱区作业主要由叉车作业完成。（4）查验区检验集装箱箱体，进行集装箱交接；审核有关集装箱单证，磅出出口箱实际重量；配合堆场作业，指定收箱或提箱堆场箱位；进场、出场集装箱的信息汇总处理。（5）维修保养区具体包括修箱区、洗箱区、机修车间。（6）停车区停放集卡和轮胎式龙门吊区域，本文只考虑轮胎式龙门吊停车区。由于本文主要研究的是轮胎吊调度优化，所以研究重箱箱区和轮胎吊停车区为本文的重点，但危险品箱区除外（危险品箱区一般是正面吊作业）。空箱箱区、拆装箱区主要是叉车作业；查验区为正面吊作业。2.3洋山深水港区一二期码头概况洋山深水港区一期工程建成开港、保税港区封关启用，标志着上海国际航运中心建设取得重大突破，为加快确立东北亚国际航运中心地位，推进我国由航运大国迈向航运强国创造了更好的基础条件。洋山深水港区距离上海南汇芦潮港27.5公里，是离上海最近的具备15米以上水深的合理港址。规划至2012年，可形成10多公里深水岸线，布置30多个泊位，年通过能力1500万标准箱以上。l 码头主要设施本文主要研究洋山深水港区一二期码头轮胎式龙门吊调度优化。洋山深水港区一二期码头岸线全长3000米，配备9个深水泊位。一期码头前沿水深-16米，而二期码头前沿水深可达-18米，可接纳目前世界上最大的集装箱船舶靠泊作业。港区陆域面积240万平方米，其中堆场面积139平方米，堆箱量为15万标准箱，包括冷藏箱容量2556标准箱，危险品箱容量1000标准箱.本文研究的堆场箱区长为3000米，宽为600米。箱区堆场的结构如图2-1所示从图2-1，可以看出洋山深水港一二期码头箱区的命名方式：如箱区（表示列，表示行）；道路的命名方式：行为经路，列为纬路；箱区间距离有两种，一种为一个model里箱区间的距离，在图中表示为a，这个道路只为轮胎吊行驶，a为6.5-7.5米；另一种为model之间的距离，在图中表示为b，这个道路可为轮胎吊及集卡行驶，b一般为13-15米。港口设置进场智能道口20道，出场道口13道。l 主要设备桥吊：34台（其中13台为双起升双40英尺桥吊），吊具下额定载荷60吨，如双桥吊改用为单桥吊后额定载荷65吨，海侧轨面以上提升高度43米，海侧轨道中心起前伸距65米，大车轨距30米。轮胎式龙门吊：108台，吊具下额定起重量40吨，起升高度18.2米，跨距23.47米。根据洋山深水港区一二期码头堆场09年9月24日的堆场箱区情况，设定洋山深水港区一二期码头箱区的列行分别为。箱区的利用率阀值根据图2-1设定，箱区利用率其中：为第列第行箱区的利用率；第列第行个箱区的集装箱量；为第列第行个箱区总的能容纳的集装箱量。码头第一个靠海的箱区为单独存在的。设计以码头纬一路最左边靠海侧为坐标原点，码头沿线向右为x轴，向陆侧方向为y轴，并以箱区的左上角点为箱区坐标。为计算堆场箱区之间的距离和合理的安排集装箱的堆存位置，需要获得运营的箱区坐标（保留整数，单位为米）、属性、利用率（%）、利用率阀值（%）等数据，取21个箱区为例，数据见表2-1（整个堆场箱区的完整情况的测算与整理见附录一）。表2-1 洋山深水港区一二期码头堆场箱区具体情况测算与整理箱区名称箱区性质ARE_ISUSE箱区利用率X轴坐标Y轴坐标箱区总箱位箱区预警值10IF / 进口重箱Y53.04%338655871%11OF / 出口重箱Y39.56%3311859473%12OF / 出口重箱Y21.84%3314359573%13OF / 出口重箱Y9.523%3317658871%14OF / 出口重箱Y14.96%3320058873%15OF / 出口重箱Y36.56%3323358873%16OF / 出口重箱Y5.272%3325858870%17OF / 出口重箱Y21.76%3329058873%18IE / 进口空箱Y3333419IE / 进口空箱Y333661AIE / 进口空箱Y333871BIF / 进口重箱Y38.67%3342563671%1CIF / 进口重箱Y0%3344940472%1DIF / 进口重箱Y0%3348646272%1EIE / 进口空箱Y335321FIE / 进口空箱Y3356620T / 国际中转Y74.21%3268638471%21T / 国际中转Y16.98%28111863671%22OF / 出口重箱Y25.78%28114363671%23OF / 出口重箱Y45.32%28117664271%24OF / 出口重箱Y41.35%28120063671%注：以上数据是根据洋山深水港区一二期码头数据库中箱区利用率与现场实际箱区位置整理测算得出。表2-1为洋山深水港区一二期集装箱码头2009年09月24号的具体情况，由于箱区不是标准的矩形，并且本文只考虑轮胎式龙门吊作业的箱区，所以在表2-1中没有整理空箱箱区，并且轮胎式龙门吊的作业矩阵取M=15，N=11；其中9以上的数字用字母表示，表中A,B,C,D,E,F分别表示10,11,12,13,14,15。如果不能构成矩形的地方，在此给予了其虚拟箱区，不产生任何作业，只为计算的方便。箱区的直观情况见图2-2 图2-2为09年9月24日八点洋山深水港区一二期码头堆场的真实状况，图中各种形状表示堆场各个箱区的属性，由于轮胎吊主要在重箱箱区（冷藏箱箱区、出口重箱箱区、进口重箱箱区、各种中转箱箱区）作业，本文研究只这些箱区的轮胎吊作业。凡下文提及的堆场，都只限于轮胎吊作业的范围。表2-1和图2-2是下文箱区分配及其轮胎吊调度了基础，表2-1为下文提供了每个箱区的坐标位置用以计算箱区间的距离，每个箱区的箱区性质、利用率、具体位置是第四章箱区分配的考虑因素。2.4集装箱堆场轮胎吊调度优化的关键因素分析影响集装箱堆场轮胎吊调度优化的关键因素具有复杂、数量多等特征，结合本章上述分析，总结影响轮胎吊调度优化的关键因素如下：首先，从轮胎吊机械自身来考虑，轮胎吊的作业效率和在堆场中已有的轮胎吊数量，对调度优化的影响较大。当轮胎吊的作业效率较高且堆场中已有充足的轮胎吊数量，在这种情况下轮胎吊的调度就相对简单，基本上本箱区的作业量由在本箱区的轮胎吊来完成。反之亦然。其次，从轮胎吊调度的原因来考虑，轮胎吊调度是完成堆场箱区集装箱的装卸作业。所以测算各个箱区的作业量是轮胎吊调度的最为关键的因素，它直接影响到轮胎吊的具体安排。关于箱区作业量的测算由三、四章来完成。最后，从轮胎吊调度模型的目标函数上来考虑，一般港口会以轮胎吊在场作业时间最短为目标函数，经过金融危机后现在很多港口以轮胎吊能耗最少和在场作业时间最短相结合为目标函数。所以轮胎吊移动时间及能耗，轮胎吊转弯时间及能耗为轮胎吊调度优化的关键因素。一般来讲轮胎吊转弯时间和转弯能耗相对较大。第三章 集装箱码头堆场集装箱箱量统计分析集装箱码头堆场集装箱箱量的计算是轮胎式龙门吊调度优化的重要组成部分。通过本章的统计分析，来预测一天内一段时间进出道口集装箱箱量、倒箱集装箱箱量、进出泊位集装箱箱量以及集装箱翻箱箱量，为第四章各个箱区的作业量计算做铺垫。翻箱工作是港口集装箱船舶装船作业和提箱、移箱作业中的一个环节。翻箱量由于受数据采集技术的限制，一直未能形成有效统计，降低翻箱量可以直接降低码头的装卸成本，并能在稳定效率、提高计划精度的基础上同步提高船舶的准班率，进而提高码头的竞争能力，因而一直是集装箱码头公司的共同呼声。降低翻箱量的前提是对翻箱量有完整的统计。有效的翻箱量统计还能充分发挥翻箱量统计的重要分析价值。本文通过现场调研与通过采集05-09年洋山深水港区一二期码头数据库中生产日报、外集卡作业汇总、船舶档案、装卸机械作业汇总和船舶计划等，整理了06年1月至09年9月进出道口集装箱信息、船舶靠泊信息、轮胎吊翻箱箱量、倒箱量、吞吐量、装卸机械作业汇总，利用SPSS对每天各个时间段内的进出道口箱量、进出泊位箱量、倒箱箱量、集装箱翻箱箱量进行分析，得出相应的规律，从而来确定每个时间段进出港口堆场的箱量以及由提箱取箱产生的翻箱量。3.1进出道口集装箱箱量统计分析集装箱码头道口是集装箱卡车进入和离开集装箱码头堆场的接口,由多个车道和对应的检查点组成。集卡进出闸口时,要在道口检查点进行箱检、过磅和数据交换。道口分为进道口和出闸口,分别用于集卡进入和离开堆场。道口是进入集装箱堆场的唯一通道，从道口集装箱卡车的进出效率可以得到在这一时间内进堆场箱区总的集装箱箱量。本文计算的进出道口集装箱箱量只包括各种重箱（除直装直卸集装箱、拆箱后的货物、危险品箱）。分成两部分分别计算是因为提箱会产生翻箱量，两部分之后即计算有很大差别。基于其影响因素的复杂性，本文取当前洋山深水港区一二期码头某一时间段内的进出道口集装箱箱量