（机械设计及理论专业论文）自动化集装箱码头机械设备的优化配置及其仿真.pdf

摘要 摘要 集装箱码头机械设备的配置是为已建好的码头分配所用到的各种机械设 备，它是集装箱码头规划过程中极为重要的一环。机械设备数量配置过多、过 少或者不同类型设备之间匹配不合适，都可能导致有些设备出现瓶颈现象，而 另一些设备却被闲置，这样就使得整个码头的运输作业不能有序地进行，进而 直接影响到集装箱码头的效率和经营状况。 本文研究的目标就是为一个己建好的并绘定堆场数量的自动化集装箱码头 进行各种机械设备的最优化配置。针对目前国内有关集装箱码头规划的研究资 料零散、不及时的情况，本文分泊位分配、装船计划和码头工艺三个方面，对 国内外集装箱码头运输规划的研究现状进行综合分析，供相关研究者全面了解 和借鉴。另外，本文通过研究分析，建立了各种机械设备配置数量与码头总操 作时间( m a k e s p a nt i m e ) 、设备的总利用率和总成本之间关系的数学模型，并利 用遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 搜索全局优化配置方案，其目标是：1 最小化 船只靠岸后装卸作业的总时间( 尽早离岸) ；2 晟小化设备的总投资；3 最大 化各种设备的操作效率。并使用v c + + 和c + + 语言编写了友好的用户界面，使用 者只需将集装箱码头的各种相关参数输入，并对遗传算法进行设置，就可以方 便地得到优化的集装箱码头机械设备配置方案。最后，利用e m p l a n t 软件对集 装箱码头的装卸运输作业进行仿真，以便对本文所提出的机械设备优化配置的 数学模型和优化方案进行验证。 本文所建立的的集装箱码头机械设备优化配置的数学模型可以较有效地模 拟集装箱码头运输作业的情况，通过e m p l a n t 仿真，验证了所得出的集装箱机 械设备优化配置方案的有效性，研究成果可以供集装箱码头规划的参考，以节 约成本提高码头的效率。 关键词：自动化，集装箱码头、优化配置、数学模型、多目标优化、遗传算法、 e m p l a n t a b s t r a ( 了 a b s t r a c t d u r i n gt h ep l a n n i n gs t a g eo fc o n t a i n e rt e r r n i n a i ，i t sv e r yi m p o r t a n tt op r o p e r l y c o n f i g u r et h em e c h a n i c a ld e v i c e so p e r a t i n go nt h eh a r b o r o v e r p l u so rl a c ko fs o m e e q u i p m e n to rm i s s m a t e ho fe q u i p m e n tw o u l dr e s u l ti ns o m eb o t t l e n e c k s a n di d l e e q u i p m e n t ，w h i c hw o u l dh a sw o r s ee f f e c to nt h et e r m i n a l st r a n s p o r t a t i o no re v e ni t s e f f i c e n c y a n de c o n o m i cb e n e f i t t h et h e s i sd i s c u s s e sh o wt oo p t i m i z et h em e c h a n i c a ld e v i c e sc o n f i g u r a t i o nf o r a na u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a l ，w h i c hh a sb e e nb u i l tr e a d ya n dt h en u m b e ro fi t s s t a c k sa r ek n o w n s i n c et h ei n f o r m a t i o no nc u r r e n tr e s e a r c ha b o u tc o n f i g u r a t i o n so f c o n t a i n e rt e r m i n a l si sn o tc o m p r e h e n s i v ea n du pt od a t e ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n d r e v i e w st h ec u r r e n ts t a t e o f - t h e a r to nc o n t a i n e rt e r m i n a l st r a n s p o r t a t i o n t h er e v i e w i sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：b r e t ha l l o c a t i o n 、s t o w a g ep l a n n i n ga n ds t e v e d o r i n g t e c h n o l o g y r e l a t e dr e s e a r c h e rc o u l dc o n v e n i e n t l yu s et h e s ea s a sr e f e r e n c e s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a b o u tt h er e l a t i o no ft h en u m b e ro fm e c h a n i c a le q u i p m e n tw i t h t h et e r m i n a l st o t a lm a k e s p a nt i m e ，e q u i p m e n t st o t a lu t i l i z a t i o na n dt o t a lp r i c e ，a r e g i v e dt h r o u g ha n a l y s i s a n dg l o b a lo p t i m a lm e c h a n i c a le q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n sa r e s e a r c h e du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h eo b j e c t sa r e ：1 m i n i m i z et h em a k e s p a n t i m eo fc o n t a i n e rv e s s e l ss t a yi nt h et e r m i n a l ；2 m i n i m i z et h ee q u i p m e n t s i n v e s t m e n t ； 3 m a x i m i z eu t i l i z a t i o nr a t i oo fe a c hk i n do f e q u i p m e n t w e h a v e d e v e l o p e d a u s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c eb yu s i n gv c + + a n d c + + e n du s e r sc a ne a s i l yg e to p t i m a l m e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o n ，o n l yn e e dt o i m p u t r e l a t e dp a r a m e t e ra b o u tc o n t a i n e r t e r m i n a l sa n ds e tg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) p a r a m e t e r f i n a l l y , w eh a v es i m u l a t e dt h e c o n t a i n e rt e r m i n a l ss t e v e d o r i n gt r a n s p o r to p e r a t i o ni no r d e rt ov a l i d a t et h ep r o p o s e d m a t h e m a t i c a lm o d e la n d o p t i m a lm e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o ng i v e n i nt h et h e s i s i ti ss h o w nt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tm e c h a n i c a l c o n f i g u r a t i o n o p t i m i z a t i o n c a n p r o p e r l y d e s c r i b et h ec o n t a i n e rt e r m i n a l s t r a n s p o r t a t i o n s a n d o p e r a t i o n s ，w h i c ha r es i m u l a t e db ye m - p l a n ts o f t w a r ea n dt h e i rv a i l i d i t yi sp r o v e d t h er e s u l t sc a nb eu s e f u lr e f e r r e n c c sf o rc o n t a i n e rt e r m i n a l sl a y o u tp l a n n i n gt os a v e j i a b s t r a c t i t si t si n v e s t m e n ta n dt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f e q u i p m e n t k e yw o r d s ：a u t o m a t i c ，c o n t a i n e rt e r m i n a l ，o p t i m a lc o n f i g u r a t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，e m p l a n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及 提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名聂宦均 游圣月z 1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：夏童弓勺 第l 章绪论 1 1 背景介绍 第1 章绪论 随着经济全球化进程的加快，越来越多的生产经营活动和资源配置过程是在 整个世界范围内进行。现代港口在社会经济发展中的作用与地位由此也发生了 深刻的变化。它将原来各自独立、相互分隔的传统运输通过高效的信息处理达 到集散整合、综合平衡的运输效果。现代港口是一个国家经济能否有效地参与 经济全球纯并保持在国际竞争中主导地位的重要依托，它作为区域性经济发展 的强大推动力和国家经济的对外通道功能是永恒的。人们已经充分地认识到建 设高效、专业化港口的重要性。按照各个时期港口功能的发展程度，联合国贸 发会议对港口进行了划分：把以单纯货物装卸运输提供海路交界转运功能的港 口称为第一代港口；以临港工业为代表的港口腹地经济圈的形成和发展称为第 二代港口；以计算机信息技术为基础促进资本、技术、信息和商品等资源结构 获得重新配置的港口称为第三代港口。港口码头的建设除了自身的自然条件外， 港口的定位和规划设计也是非常重要的。 集装箱的出现，保证了大宗散杂货便捷装卸运输，及时供应和门对门服务。 这样，不仅改变了港口传统的装卸作业方式，大大降低了运输成本、空间和时 问，提高了劳动生产率，而且改变了港口的面貌。集装箱化进程开始于1 9 5 6 年 美国和澳大利亚沿海，中国的第一次集装箱运输是1 9 7 2 年在天津港。 表1 1 中国集装箱港口近况 1 9 8 1 - 2 0 0 2 年中田集装箱港口番吐董增长丰 第】章绪论 随着集装箱箱源的增长集装箱码头的规模在不断扩大，管理水平在不断提 高，码头建设也在不断地专业化。集装箱运输对中国经济作出了很大的贡献， 在8 0 0 0 亿吨的进出口中6 0 通过集装箱港口。仅2 0 0 4 年1 月份全国主要港口 完成集装箱吞吐量4 2 1 9 3 t e u ，同比增长了1 7 9 ，图1 1 为国内集装箱港口吞 吐量的近况。 集装箱码头的机械设备是指分配在码头前沿、堆场和货运站等区域，为满 足集装箱在码头的装卸、搬运等作业要求的设备。它主要分为三大类：岸边装 卸机械、水平运输机械和堆场装卸机械。 随着集装箱船舶的大型化、高速化，港口集装箱操作的箱数也飞速增长。 面临港口市场的激烈竞争，如何提高码头的吞吐量，降低码头运营成本，减少 船只的停泊时间，这些都是码头经营者急需解决问题。码头泊位和堆场数量跟 自然地理状况紧密联系、不易扩建，因此对港口机械设备进行合理有效的配置 和使用就显得尤为重要。 港口企业是以装卸作业为主，装卸成本是企业的主要生产成本。而在装卸 成本中机械设备的所占的比重将近装卸总成本的一半。目前国内出现港口装卸 机械拥有量大、利用率低的现象，这就无形的降低了企业的经济效益。因此， 需要科学地确定集装箱码头机械设备的拥有量，在保证完成生产任务的前提下， 尽可能地降低机械设各的投资。这对于充分发挥已有集装箱码头的生产潜力， 提高设备的利用率，降低装卸成本，提高港口企业的经济效益，适应市场竞争 的要求，都具有非常重要的意义。 本文将着重探讨集装箱码头机械设备的优化配置问题。 1 2 研究目的与内容 1 2 1 集装箱码头简介 集装箱码头的规划和设计在选址及水域规划、码头结构、陆域形成和基础处 理等方面仍然遵从常规码头的规划和设计原则，主要的区别在于陆域布局的规 划和设计。集装箱码头陆域规划阶段重点研究以下要点：集装箱运量预测：挂 靠船型预测：港口土地和岸线资源的利用；港1 3 集疏运系统；辅助配套设施。 完整的现代化集装箱码头陆域应包括以下设施和区域：前方作业区( 岸桥作 第】章绪论 业区、舱口区1 ，车辆调度区，集装箱堆场区，空箱区，冷藏箱区，集装箱货运 站( c f s ) ，大门设施，维修保养设施，供电、照明设施，加油设施，环保设施， 办公用房，停车场，进港道路等。集装箱码头使用的主要设备有：岸桥( q u a y s i d e c r a n e ，o c ) ，场地轮胎龙门吊( r u b b e r t y r e dg a n t r y ，r t g ) ，场地轨道龙门吊( r a i l m o u n t e dg a n t r y , r m g ) ，地面轨道( g r o u n dr a i l w a y ，g r ) ，高架轨道( e l e v a t e d r a i l w a y ，e r ) ，跨运车( s t r a d d l ec a r r i e r , s c ) ，正面吊( f r o n tc r a n e ，f g ) ，靠背吊 ( r e a rc r a n e ，r q ，叉车( f o r k l i f t ) 等。 国内外各有关港口正在加快规划和建设专业化的集装箱码头，以便更好地 在改善基础设施的巨额投资成本与一定时间内码头吞吐量的增加获得的收益之 间寻求平衡。这样，分析集装箱运输和装卸作业的发展趋势，努力提高集装箱 码头的作业效率，便成为港口工程技术人员普遍面临的重要课题，也是集装箱 码头规划和设计的主要内容。 1 2 2 研究内容 本文主要研究的内容是：如何对一个有确定码头堆场数量的、已建好的集 装箱码头，合理地分配和调度各种机械设备资源，包括：岸桥、a g v 、场桥， 研究目标是：既要充分挖掘码头的生产潜力和提高设备的使用效率，又要尽可 能的节约机械设备的成本。 1 3 论文构成 第一章简单介绍了集装箱码头的情况，引出本论文所研究的问题：集装箱 码头机械设备的优化配置及其重要性和实际工程意义；第二章分别从泊位的分 配、装船计划以及码头工艺三方面，给出了有关集装箱码头运输规划研究的详 细综述；第三章针对本文所要解决的问题建立数学模型，并定量地得出设备数 量和码头的效率、成本等的数学关系式；第四章利用遗传算法，通过计算机算 出在一定范围内，码头的机械设备最优配置方案，并实现v c + + 编程，通过视窗 对话框使计算变得直观方便：第五章利用面向对象的系统仿真软件e m p l a n t ， 按照得出的优化配置方案模拟典型的码头运作场景，以便于考察优化结果。 第2 章集装箱码头运输规划综述 2 1 引言 第2 章集装箱码头运输规划综述 自6 0 年代集装箱初次使用至今，集装箱、运输集装箱的船只以及集装箱码 头都得到了迅速的发展并且都趋于规范化。和传统的散装货运相比集装箱运输 体现了很大的优势：减免了物品包装的麻烦、减少了货物的损坏并大大地提高 了运输效率。集装箱以t e u ( t w e n t y f e e t e q u i v a l e n t u n i t ) 为标准箱，它表示的意思 是以长2 0 英尺的集装箱为标准，而4 0 英尺长的集装箱则被称为2 t e u 。每艘运 输船的装运量也从4 0 0 t e u 增至现在的4 0 0 0 t e u 甚至更多。图2 1 显示了多模 式( m u l t i m o d a l ) 集装箱码头的布局情况。 图2 1 集装箱码头布局圈 - 4 - 第2 章集装箱码头运输规划综述 为了节约码头成本，提高码头的运作效率和协调各集装箱的运输，防止瓶 颈现象是非常重要的。如2 1 图所示，当船只将要靠岸时，首先需要给其分配泊 位码头，然后通过岸桥装卸集装箱，再利用叉车等运输装置将集装箱从码头运 到堆场区，或者从堆场区运到码头，最后根据客户要求将集装箱通过铁路公路 等交通手段从堆场运走，船只将在完成装卸以后离岸。具体流程如图2 2 所示： 图2 2 集装箱码头操作流程图 人们非常关心的是如何确定一个码头运输能力，如何合理地调度、充分挖 掘码头的能力使得运输成本最小而吞吐量最大。集装箱码头基本上可以分为以 下三部分：船只靠岸后码头泊位的分配；集装箱的装船计划以及码头工艺。下 面将就这三部分作详细介绍： 2 2 泊位分配 第2 壹集裂箱码头运输规划综述 2 2 1 泊位简介及其关键问题概述 泊位( b e r t h ) 是码头非常重要的一个资源，在每条船靠岸之前都需要给它预先 安排一个泊船的时间和泊位。台理的安排泊位不仅可以提高服务质量让客户更 加满意，而且可以增加码头的吞吐量直接提高码头的效益。一般情况，船只会 在到达之前预先给码头工作人员相关信息。比如，船只会在什么时候到达、船 只预计在什么时候离岸等等，这样就可方便码头方面安排分配泊位。码头会根 据上述信息一般提前两、三个星期给船只安排泊位。 关键问题： 1 泊位分配的传统解决方案所考虑因素： 给靠岸的船只分配泊位主要考虑以下几个问题：船只的大小、到达的时间、 装卸集装箱的数量、规格以及该船将要运走的集装箱所在的位置( 因为将要装 上船的集装箱般会在船只到岸的前几天运到码头，如果船靠岸时的泊位离这 些集装箱比较近，则卡车和跨运车等的费用就会减小) 。 2 优先安排和合理安排问题：( p r i o r i t yc o n s i d e r a t i o na n dr e a s o n a b l ep l a n ) 码头很多时候都是按照先来先服务( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的原则 进行的，但是当需要靠岸的船只很多或者有什么突发的特殊事件时，码头就不 能按照客户的要求完成服务，这样必然导致部分船只延期离岸。这里就涉及到 一个优先级问题，码头操作者将对不同的船只考虑不同的优先级，其中船只的 吞吐量也是较为重要的考虑因素之一，这些优先级会体现在目标函数的罚系数 中。如果不管船只到达的先后，而只是考虑船只的优先级使码头的利用率达到 最大，那么有些客户就会因为等的时间太长而不满意。 如何协调两者之间的关系，既保证码头的效率尽量大，又让船只等的时间尽 量短，以减少由于船只延误离开所交的罚金，以及因为没有合理安排泊位所花 的额外费用，这些都是泊位安排者努力的目标。 2 2 2 泊位分配问题研究的现状 在泊位分配的问题上主要可以分为两种处理方式：静态和动态。所谓静态 分配是指所有需要分配泊位的船只都已经到达，或者在预知的时间内到达：动 态分配是给不断到来的但又无法预知到达时间的船只分配泊位。相对来说，静 态分配情况将问题简化了比较容易解决一些，大多数研究者都将泊位分配问题 第2 章集装箱码头运输规划综述 看成是静态的。 静态的泊位分配问题： 最初人们将泊位分配问题看成是静态的，解决的中心问题是：在一个安排时 间窗口( s c h e d u l i n gw i n d o w s ) 为已经到达并等候泊船和将要到达的船只进行泊 位分配计划。考虑到码头资源分配和船只的排队，可以将问题分为两个阶段： 1 不考虑具体的泊位分配，将船只分配到码头事先划分好的几个部分；2 为船只 决定具体的泊位，并为码头各个部分充分安排好相应的船只。 优化算法在泊位分配中的应用 最早，l a i 和s h i h 1 等人为了让香港h i t 码头得到更有效的利用，将启发式 算法应用到泊位分配问题。他们假定码头是连续的，能够分成几个部分，对于 每个部分在特定的时间里只允许一条船停泊。在泊位分配原则上他们考虑了阻 下几个因素：码头可用的部分：对于每个可用的码头部分，船只完成作业 所期望的停泊时间；船只的大小：到达的时间。另外他们是按照先来先服 务( f c f s ) 的原则来对到来的船只逐一进行泊位分配的。 l i m 3 等人把泊位分配问题看作是二维背包问题( p a c k i n gp r o b l e m ) ，并证明 其为n p h a r d 问题。他们提出一种有效的启发式算法，利用图的形式表示所要解 决的船只停泊问题，目的是最小化船只所占用的码头泊位岸线的总长度。这也 是图论在泊位分配方面应用的一个代表。此时，他们将泊位看成是连续而非离 散的，并考虑了船只停泊的时间( 假定所有船只的停泊时间都是确定的) 。 l i 4 等人把泊位分配问题当成是单机多工作问题，其中泊位看成是设备资 源，给各个船只分配泊位看成是工作内容。假定所有的船只都已经到岸了目 标是最小化完成所有任务所需的时间( m a k e s p a n ) 。他们提出了首要适度减小 ( f i r s t f i t d e c r e a s i n g ) 的启发式规则，允许船只泊位的重新安排，并且作了大量 实验，但是最后他们只是得到了近优解，并没有提出一个获取最优解的方法。 l i m 7 等人用蚁群优化方法( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ) 解决船的泊 位问题，他们主要研究的方向是：在假定停泊时间已知的情况下最小化所需码 头泊位的总长度。 k i m 1 0 等人应用一个混合的整数规划模型来描述泊位安排问题，但是其主 要目的是研究一种优化方法。他们用模拟退火法( s a ) 来寻找该问题的近优解， 以确定在各个码头泊位呈直线排列分布的情况下，船只停泊的时间和位置。通 过大量实验作者认为模拟退火法( s a ) 所提到的解近似于该模型的优化解。 第2 章集装箱码头运输规划综述 泊位分配问题的建模 b r o w n 2 等人考虑了各种可能存在约束，为一船只分配可能的泊位，并且建 立一个整数规划模型( i n t e g e r - p r o g r a m m i n g m o d e l ) 。然而，他们把泊位当成是一 系列离散的停泊船只的地方，并且已停好的船只也可以重新更换泊位，这样的 模型更适合军港的泊位安排，因为现实中当船只停泊好以后是不可能随意更改 的，否则会影响船只的离岸时间。 c h e n 和h s i e h 5 提出了一种可选择性的网络 ( n e t w o r kp a t t e r n ) ，并建立了 一个考虑到时间和地点的泊位分配网络模型；l e g a t o 和m a z z a 6 建立了排队网 络模型，用来仿真整个船只泊位过程：靠岸、停泊和离岸。 i m a i 8 9 等人也通过假定码头是一系列离散的泊船的地方，分析了静态和动 态两种情况下泊位的分配问题。他们试图最小化船只等待的时间，并为船只泊 位的分配建立了一个混合的整数规划模型( m i x e d i n t e g e rp r o g r a m m i n g m o d a l ) 。 他们也给出了一个基于原问题的拉格朗日松弛启发式程序。 泊位分配的优先级问题： 人们将码头看成是连续变量的比较少，因为这样做寻求最优解比较困难。并 且他们将所有的船只都是一视同仁，事实上船只是有一定的优先级的。以下是 人们对靠岸船只有关优先级的研究： i m a i 1 1 等人将码头看成是一种商业性码头，一般情况都是按照先来先服务 ( f c f s ) 的原则进行。但是他们认为为了码头取得更高的效率，不应该完全按 照先来先服务的原则，而应该得出一种只考虑船只和泊位( s h i p a n db e r t h ) 的优化 的泊位安排方式。然而这样的操作将引起一些船只的不满。为了解决码头泊位 的效率和客户对排队不满这对矛盾，他们应用一种启发式方法得到非劣 ( n o n i n f e r i o r ) 解，以便使前者最大后者最小。他们的研究假定是一种静态的 情况：船只都是在计划中进行服务的，即所有的船只都是在事先安排好泊位后 靠岸的。这样一来，他们的研究只能用于非常繁忙的码头。事实上，码头会因 为相互交换操作导致的长时间的延误，所以如此繁忙的码头是既不具备竞争力， 也是不现实的。 i m a i 1 2 等人后来又利用启发式遗传算法，解决考虑优先级的泊位分配这一 非线性问题，他们将问题看成是动态的。 动态的泊位分配问题： d a i 和l i n 1 3 等人，将泊位分配问题看成是动态的，并提出了一种有效的启 第2 章集装箱码头运输规划综述 发式算法作分配计划。在泊位压力适中的情况下，大量的仿真结果显示：9 0 的 船只分配到了泊位，而且8 0 分配了它们首选的泊位；在泊位压力很大的情况 下，首先尽量平衡码头的总效率和船只可接受的等待时间，并设计泊位算法， 用离散最大压力的政策，在每个选定的l 时间段里重新分配压力。不足之处就 是在给船分配泊位的时候没有考虑到比较重要的几个泊位限制问题，包括岸桥 的可用性和分配，他们还假定船只停泊的时间是确定的。 另外，g u a n 和c h e u n g 等a 1 4 将- - y 树和启发式算法结合起来解决泊位分 配这类大规模问题，目的是使完成任务所花的时间最小化。实验证明，这种方 法是具有一定效果的。也有将岸桥的调运能力和可用性综合考虑到泊位分配问 题的，如p a r k 和k i l l 3 等人 1 5 1 。 2 3 装船计划 2 3 1 装船计划简介及其关键问题概述 装船计划是指在靠岸船只开始装载集装箱之前，由码头调度人员事先制订好 的，关于为需要装船的集装箱按照某种类型分配相应舱位的计划。装船计划并 非具体考虑每个集装箱的情况，而是将集装箱按照其大小、类型、重量和其在 堆场中的位置来进行归类，因为集装箱运上船以后会根据这些特征放在不同的 舱位。对于船只来说，集装箱的装船计划非常重要，它直接影响到船只的离岸 时间和船只的利用率。 事实上，装船计划既涉及到船只又涉及到了堆场，因为集装箱或多或少的分 散在堆场的各个地方，丽且到岸桥的距离各不相同。为了提高岸桥的效率，集 装箱就必须在预定的时间内到达，并按照相应的顺序进行装船，这也与集装箱 的水平运输相互联系。 关键问题： 集装箱的装船计划一般会考虑以下几个因素：最大化岸桥的利用率、最小化 成本和最小化码头上集装箱的重置次数。从实践的角度考虑，最小化码头上集 装箱的重置次数是最重要的( 重置集装箱出现在当其需要运走时，它的上面还 有集装箱，所以不得不事先取走上面的集装箱) 。 现在装船计划一般都是手工进行。但因为它并不是独立的，只有将装船计 第2 章集装箱码头运输规划综述 划和各种相关因素综合起来考虑，才可以使集装箱有序地装上船，减少集装箱 的重置次数，提高岸桥的效率和船只的使用率，使船只停泊的时间最短。 2 3 2 装船计划研究的现状 1 9 8 8 年的时候，s c u l l i 和h u i 1 6 通过实验研究了包括集装箱类别在内的各 种影响装船计划的各种因素。其中堆场的规划由以下几方面决定：堆场容量的 利用率、无效操作率、集装箱堆放被拒绝率。结果显示，集装箱不同种类的数 量对装船计划的影响最大。 在研究装船计划诸多影响因素中，人们讨论最多的是如何解决集装箱的重置 问题。若集装箱所存放的位子不恰当，就必须对其进行无效的却必需的重置。 集装箱的重置问题： a v f i e l 1 7 集中地研究了如何最小化无效的集装箱的重置，他建立了一个二元 线性规划模型，并证明了这是一个n p h a r d 问题。他提出了一种所谓的 “s u s p e n e o r y ”启发算法来解决这种大规模的问题。但是他并没有考虑船只靠岸 以后是不动的，以及其他现实的约束因素。 h a g i l a n i 和k a i s a r 【2 0 】给装船计划问题建立了一个混合整数规划模型，目标 是最小化船只停泊的时间和集装箱重置所用费用( 对装船计划影响很大) 。他考 虑了船只的长度、不动性以及其他的约束因素，并给出了解决问题的方法和计 算实例。 d u b r o v s k y 2 1 用遗传算法解决装船计划中的最小化集装箱的重置问题。他 用简洁有效的解码方案减少了存放位置的搜索，并且船只的不动性也转化为约 束条件。各种需要解决的问题都可以染色体表示出来，这就显示了遗传算法的 有效性和灵活性。 其他： w i l s o n 和r o a c h 1 8 1 9 考虑到多个泊位制定装船计划的复杂性，并将该问 题在战略。战术层面上分为两个子问题：用分支定界法解决第一个问题将装 在同一条船上的集装箱存放在同一区域：用禁忌法解决第二个问题给同一 区域的所有类型的集装箱分配特定的位置，在合理的时间内这种方法得到了较 好的解。其后，作者又用遗传算法去解决这个问题，实验结果显示了这种方法 的有效性。 第2 章集装箱码头运输规划综述 w i n t e r 2 2 考虑到在装船过程中，岸桥的等待以及其下面的集装箱运输的瓶 颈，都会降低装船的效率，延误船只离岸的时间。对此，他提出了一种整数的 实时调度模型，将装船和水平运输结合起来考虑。经过实际数据的测试后证实 了这种模型适用于实时的调度，但是它会受到现实当中集装箱的延误以及信息 不全的影响。 另外，6 i e m s c h 2 3 等人对混合整数规划模型修改，并加了一些约束条件改 进了解决方法，结果显示解决方法得到了改进。 2 4 码头工艺 2 4 1 集装箱码头布局简介 我国集装箱码头工艺布置与国际上传统的专业集装箱港口装卸方式基本相 同。前方为：装卸船作业区域、布置集装箱装卸桥、装卸船作业通道、仓盖板 堆放及倒箱作业临时堆箱区域、以及泊位之间的联系通道。前方堆场为轮胎龙 门吊作业区，集装箱一般平行于码头岸线堆放，后方堆场为轮胎龙门吊或轨道 龙1 7 吊作业区。 码头前方装卸船作业区域宽度为4 5 6 0 m ，其中包括：集装箱装卸桥跨度下 用于跨运车走行和集装箱转接的场地、海侧轨至码头前沿线范围、陆侧轨至前 方堆场用于堆放舱盖板及布置泊位间的联系通道的区域。 典型的集装箱堆场由4 部分组成：装船准备区、卸船重箱堆放区、空籀堆存 区及装卸车作业区域。装船准备区放在泊位前方堆场，前方堆场堆箱方向与码 头岸线垂直，堆箱宽度约7 5 m ( 4 0 x 6 或2 0 1 2 1 ；卸船重箱堆场在前方装船准备堆 场之后，相隔2 0 m 的堆场道路，堆箱方向与前方堆场相同，也与码头岸线垂直， 堆场宽度约6 5 m ( 4 0 ) ( 5 或2 0 1 ，堆场行距1 5 1 6 m ，用于跨运车作业通道， 箱距0 4 m ，堆箱高度2 3 层；空箱及冷藏箱布置在后方堆场。 2 4 2 集装箱码头工艺简介 集装箱码头装卸工艺系统一般由：装卸船作业、堆场作业和水平作业三部 份组成。对于装卸船作业一般都采用装卸桥，堆场作业机械目前有轮胎式龙门 吊和轨道式龙门吊，两种水平搬运机械有跨运车和拖挂车等。表2 1 为一个完整 第2 章集装箱码头运输规划综述 的集装箱码头工艺流程 表。 由于集装箱运输自 身的大容量高效率的特 点，制定的集装箱装卸工 艺应满足以下要求： 有效地利用堆场区域； 能加快集装箱船舶的 周转：堆场和通道的布 置要合理；装卸机械操 作要简便作业要可靠应 表2 1 工艺流程表 蝴忡过靴 聚j 1 l 陛杆 姨、g 艇麸铺浆卸饼 水 码头托j 历 、r 玳场砷 般甜h ! 运 堆场戋非装蚓线 臻般 n 托_ _ 、 输 j m 场p f ，桃、修 “场 坻般棚j4 。 轮船- 豫然辅 场拆、蚋垛 肥起i r 帆 揖船浆$ n 装卸1 +m 。i ! , j - j - - 豢 拆淡4 ；i _ 踺4 - f f 1 内”j i ，义4 ：) 非4 l 瓤赞嗽丸l ；r - 艾毒 铁路证烬辅裴j 同f f l h i !1 1 二l 两一n j 耋、 他f 1 北浆辱乏莉义 j 尽量减少型箍作业的次数要减少和避免因故障或差错而延误作业时间；堆场 作业方式要利于记录便于存储和查询集装箱动态等有关资料；有效地减少人 力操作。 集装箱装卸工艺按照岸边设备和堆场设备来划分主要有以下几种：岸桥 跨运车方式；岸桥轮胎式场桥方式；岸桥轨道式场桥方式； 双小车岸桥a g v s 自动导引小车方式：多用途门机场桥( 正面吊) 方式。 国内、种方式用的比较少岸桥轮胎式场桥方式是目前被普遍采 用的方式，对场桥设各要求的灵活性是其他方式所不能取代的，但是它的故障 率较高；岸桥一一嘞。道式场桥方式是一种发展较缓慢的方案，它的机动灵活型 比前者要差，在设备投资上也要高，但是维修保养、可靠性和安全性方面都要 比前者高得多，而且具有环保性，可以在场区进行自动化无人管理方式。它是 经济技术上具有良好应用前景的集装箱装卸工艺之一。双小车岸桥一a g v s 自 动导引小车方式是一种具有革命性的自动运行模式的摄新采用的方案，它具有 很高的装卸效率，但这种方式有着很大的局限性：对环境条件很敏感，而且成 本偏高，这种系统目前在国内还不具备普及推广条件，但它是自动化作业发展 的方向，欧洲已经有多个全自动化港口投入了商业运营，如荷兰鹿特丹的e c t 和德国汉堡的a r a 。 如何进行集装箱码头装卸工艺的自动化作业，是人们现在非常关注的一个 问题，因为自动化作业可以大大提高效率。例如，巴西的班让码头采用专用岸 第2 章集装箱码头运输规划综述 桥，操作人员坐在舒适安静的地方，利用显示器和操作杆在堆场内移动集装箱， 并装卸公路拖车。这种方式新加坡也在采用，它可以大大减少投放在码头的人 力物力。准确定位是自动化作业的前提，现在已实施了的集装箱码头自动化作 业环节主要是在堆场作业与水平运输上。 下面我们将对堆场堆放规划和运输作业调度问题进行讨论。 2 4 3 堆场堆放规划 堆场堆放情况介绍 图2 3 堆场作业简图 随着集装箱量的迅速增长，码头的资源相对变得有限，对堆场的堆放进行 有效规划就显得尤为重要。一般情况，每个集装箱在堆场平均存放3 5 天。其中， 对于每个集装箱在堆场都会有几个可供选择的进行存放的位置，一般2 4 个。 集装箱按照去向可分为三种类型：从外面运进码头的集装箱，在堆场放置 一段时间后被客户取走；客户预先运到堆场，船只靠岸后被运走的集装箱： 从外面运来的集装箱，但是在码头放了几天后就被另外的船只运走，它们只 是在码头中转一下。船只停泊周转时间和集装箱的定位以及装卸集装箱的j 颐序 和数量有很大的关系。 有效地为卸下的集装箱分配空间是非常重要的，它会产生以下几个影响： 1 、直接影响到堆场的有效利用，以及堆场中场桥的工作量； 2 、小车所运行的路程的长短； 3 、间接影响到岸桥的效率 第2 章集装箱码头运输规划综述 选定存放位置的最终目标就是使船只停泊的时间最小化、岸桥的吞吐量最大 化。一般集装箱的定位可按照以下规则来进行的： 1 、不同类型的集装箱放在不同的堆位排，如果该排位不够需要给它们重新 分配新的空间； 2 、使总的船只停泊处和堆场集装箱位置之间的距离最小： 3 、对于需要装船的集装箱应放在离相应的船只最近的地方。 堆场会根据存放集装箱的不同类型分为以下几部分：需要装船的集装箱区 域、被卸船的集装箱区域、需要电源的制冷集装箱区域、其它危险或特殊的集 装箱区域。而集装箱的存储位置会包括以下信息：具体哪个堆场、相应的行数、 列数和层数。其中堆场层数的高低由堆场作业工具来决定：龙门起重机、跨运 车等。 关键问题： 进行堆场堆放规划时，在一条船只到来之前，会根据其装卸的集装箱的具体 情况给它们分配相应的堆位( 包括具体所在位置和大小) 。但是往往会出现集装 箱信息不足的现象，通常对于需要进行装船的集装箱有3 0 一4 0 会信息不足： 不知道多重、不清楚对应的码头泊位和将要运上哪条船。针对这种情况，可以 在装船计划确定后而船只有还没有开始装船之前，先将需要装船的集装箱堆放 在离船只比较近的一个区域，但是这样会占用码头资源，使得运输费用增大。 除非船只不得不在很短的时间内离岸，一般很少出考虑这样操作。 对于将要卸下船的集装箱信息就更难预见，对于这类集装箱的存放要么选择 一个允许存放卸箱区域，要么将其堆放在类型一致的集装箱上。另外，还可以 将一个堆场区域设置成是为一个泊位服务，而不是只是针对一条船只。只要是 在这个泊位停靠的船只，它都可以在相应的堆场区域选择合适的堆位。 因为码头的事件大多都是随机的难以预见的，因此很难做到使堆场的规划 真正吻合实际情况。堆场规划的好坏关键在于集装箱的信息是否准确、所有的 集装箱是否都是有序的堆放好，但是这两点都很难做到，结果就导致了相当高 比例的集装箱的重置。堆场作业规划的目的就是：最小化集装箱的重置、最大 化堆场利用率。 堆场堆放规划问题的研究现状 优化算法在堆场堆放问题中的应用 c a o 和u e b e 2 4 利用禁忌算法来解决堆场中最基本的问题：给集装箱分配一 第2 章集装箱码头运输规划综述 个堆位。要求满足最小化搜索次数和存取集装箱的费用，以及有效地利用有限 的堆场资源等约束条件。 p r e s t o n 和k o z a n 3 1 将堆场规划问题看成是一个n p h a r d 问题，目标是最小 化靠岸船只完成所有装卸任务的时间。他们基于遗传算法建立了一个混合整数 规划模型( m i x e d i n t c r g e rp r o g r a m m i n g ，m i p ) ，在各种调度服务方式( 随机、 先到先服务、后到先服务) 的情况下，确定一个优化的集装箱存放堆位的分配 方案。实验数据表明，只要堆场存储方案好，集装箱的调度服务方式并不影响 运输时间。并且堆场的利用率在1 0 5 0 中变化时，运输时间呈线性变化。 k i m 2 5 1 在假定将堆场中卸下来的集装箱通过卡车运出码头、只有一台场桥 服务的情况下，研究各种堆放方式对集装箱重置次数的影响，并给出了一个方 便估算的回归方程式。作者分别对需要装船的集装箱和卸船的集装箱的堆位分 配问题作了深入的研究。 装船集装箱的堆场堆放问题 在研究需要装船集装箱的堆放问题时，k i mf 2 6 1 最n 提出将集装箱在堆场中 的布局转化成放在同一排的布局，这样有利于装船操作。他给出了解决此问题 的数学模型( 与动态规划、运输问题有关) ，目标是：最小化需要寻找集装箱的 次数、最短运输路经，最终使得船只的停泊时问最短。因为该问题计算量大、 所花费的时间长，所以应用启发式算法，并给出了计算实例。接着，他又考虑 了堆场中集装箱的堆放情况、重量，以及将要运进堆场的集装箱的重量等因素， 为最小化需要装船的集装箱的重置次数建立了一个动态规划模型【2 7 l 。为了进行 实时的控制，从动态规划给出的优化方法中衍生出