（机械工程专业论文）集装箱码头调度问题研究.pdf

摘要 由于近年来集装箱物流的发展，集装箱运输已经形成了海运、陆运、 空运的相互紧密衔接配合，而这种衔接配合越来越多需要无缝连接的运输 链作为支撑。集装箱港口作为集装箱物流链上的一个枢纽环节，不仅要有 足够的装卸设备和堆存空间以适应快速增加的货源需求，而且要求港口的 管理者按照现代物流的要求，合理调度集装箱堆场的物流资源，优化物流 资源，完善物流信息系统，降低作业成本，以不断提高港口运作效率，以 快速响应现代物流发展的要求。 集装箱港口堆场是港口中用于堆存集装箱的专设区域，其作为集装箱 港口的主要组成部分，在集装箱港口作业物流流程中起着集装箱的缓冲作 用，所以堆场资源调度的优劣将直接影响到港口的作业效率。 本文以集装箱港口堆场资源的调度特别是机械设备为研究内容，对集 装箱港口堆场资源调度的理论和方法进行了研究和探讨。 首先，提出混堆情况下堆场空间资源动态调度优化模型与方法，针对 当前堆场空间资源调度的研究中都是分别对进口箱区或者出口箱区的堆 存情况进行研究，运用数学规划方法，构建混堆的集装箱动态堆存调度模 型。 第二，论文运用局部优化服从整体优化的思想来研究集装箱港口堆场 的资源调度问题。从系统的角度出发，研究了集装箱港口堆场空间资源调 度和堆场设备资源调度问题，为集装箱港口优化堆场作业资源调度提供一 个科学的视角。 第三，建立多目标情况下堆场设备资源调度的动态调度优化模型，并 提出有效的启发式方法求解该模型。本文综合考虑了在多目标情况下堆场 设备的动态调度问题，建立了堆场设备资源调度的动态调度优化模型，该 模型可以同时制定出集装箱港口堆场设备调度数量及其行走路径，为了求 解该规划模型，论文提出了基于启发式方法的拉格朗日松弛算法，并根据 模型特点，对算法进行了进一步改进，提高了模型收敛速度，同时还探讨 了模型参数的特点。 最后，论文研究了集装箱港口堆场资源调度的理论和方法在厦门港的 应用论文分析了厦门港集装箱码头现有堆场资源调度的现状，并将堆场 设备资源调度模型及其算法运用到港v i 的实际操作中去，比较了优化前后 资源调度的结果，给出了关于优化厦门港堆场资源调度的若干结论和建 议。 本文采用优化技术以及启发式方法等理论和方法对集装箱港口堆场 资源的调度问题进行了详细研究，希望能为我国集装箱港口资源调度的理 论和实际运作提供一定的指导和决策依据。 关键词：集装箱码头，堆场，资源调度，优化，系统 a b s t r a c t t h ec o n t a i n e rt e r m i n a l ss e r v ea sh u b sf o rt h et r a n s s h i p m e n to f c o n t a i n e r sf r o ms h i pt os h i po rt oo t h e rm o d e so ft r a n s p o r t a t i o n t oc o p e w i t hi n c r e a s i n gt r a f f i cd e m a n d sa n dd e c r e a s i n gp r o f i tm a r g i n st h e t e r m i n a lm a n a g e m e n tn e e d st oi m p r o v et h e r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，t o r e d u c eo p e r a t i o nc o s t s t h e r e b yt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft e r m i n a l o p e r a t i o n a ll o g i s t i c s a st h em a i np a r to ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a l ，t e r m i n a ly a r di saz o n e s p e c i a l l yf o rs t o r i n gc o n t a i n e r s ，w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h e w h o l ec o n t a i n e rt e r m i n a lo p e r a t i o n a ll o g i s t i c s ，i nt h i st h e s i s 。a p p l y i n g t h e i n t e g r a lv i e w , s t u d i e so n t h er e s o u r c ea l l o c a t i o no fc o n t a i n e r t e r m i n a ly a r d f i r s t l y , t h ey a r ds p a c er e s o u r c ed y n a m i ca l l o c a t i o n m o d e la n d m e t h o do fc o n t a i n e rt e r m i n a li nm i x i n gs t o r ec o n d i t i o n ，i ss t u d i e da n d p r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h i st h e s i ss t u d i e s t h ep r o b l e mo ft e r m i n a ly a r ds p a c e r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dm a c h i n e r yr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nas y s t e m a t i c w a yt h a ti si n t e g r a t e dw i t hs y s t e mc o n c e p t t h i r d l y , ad y n a m i cl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l o fy a r dm a c h i n e a l l o c a t i o ni sp r e s e n t e d t h eh ab a s e dl a g r a n g e a nr e l a x a t i o na l g o r i t h m a n di t sf u r t h e ra l g o r i t h ma sw e l la st h ea n a l y s i so fi t sp e r f o r m a n c ea r e g i v e n t h em o d e li se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h em u l t i p l eo b j e c t s f i n a l l y ，ac a s ei sg i v e nt os h o wt h ea p p l i c a t i o no ft h et h e o r ya n d m e t h o d si n t ot h ex i a m e nc o n t a i n e rs t o r a g el o g i s t i c sl t d t h et h e s i s a n a l y z e st h ey a r dm a c h i n er e s o u r c ea l l o c a t i o no ft h ec o n t a i n e ry a r do f x i a m e nc o n t a i n e rt e r m i n a l s o m ec o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n sa r ea l s o p r o p o s e df o rt h ey a r dr e s o u r c ea l l o c a t i o n t h i st h e s i sa p p l i e st h eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em a t h e m a t i c t h e o r ya sw e l la sm e t h o d o l o g i e sl i k e h e u r i s t i ca l g o r i t h mt os t u d yt h e r e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mo fc o n t a i n e rt e r m i n a ly a r d i tp r o v i d e ss o m e h i v a l u a b l es u g g e s t i o n sa n dh e l pf o rc o n t a i n e rt e r m i n a l s l i n gy i m i n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o rm iw e i j i a n k e y w o r d s ：c o n t a i n e r t e r m i n a l 。y a r d ， 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 n ，s y s t e m 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：- 二乒够日期：- 2 竺2 二业 论文使用授权性声明 本人同意上海海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者擀触师签字：品如期：毕! 纠 圭童壅! 查兰壁主兰垡堡塞 叁鍪丝受苎堡堑塑堡旦墨里竺三- 1 1 论文的背景 第一章概论 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也由此发生了深刻的变 化，成为一个国家经济能否有效地参与经济全球化并保持在国际竞争中主导地位的 重要依托。各国为了更好的融入全球化进程，都在都大力发展国际贸易，以充分发 挥各国的相对优势和绝对优势，加剧了国际贸易的不断攀升。目前，世界上9 5 的 货物都是通过水路运输完成，集装箱运输便成为日益重要的运输方式，目前已经有 超过一半的货物运输采用集装箱运输。随着集装箱运输的迅速发展，港口的已经成 为国际贸易和物流的枢纽，是进出口贸易的窗口。同时港口也面临很大的发展机遇 和挑战。伴随着国际自贸进程的加快( 贸易壁垒森相对减少) 以及港口私有化重组 ( 策略联盟的形成) ，集装箱港口已进入了第四代( 4 g ) 的发展阶段。因此，我 国应抓住当前经贸高速发展的契机，大力发展耨的或改造已有的集装箱港口。除了 在港口的硬件建设方面达到世界先进水平，更要在集装箱港口运作和管理上拥有自 主创新的关键技术。以此大幅度提高我国港口的经济效益及国际竞争力。 作为物流中枢的港口，在这国际大环境下，认识到自己的生存压力，同时也为 获得更高的利润，正在不断的进行自我完善，这主要表现在：为了成为国际上停 泊的大港，不断的建造新的码头泊位，使得码头能够容纳更多的船只停靠；同时， 还有进行码头堆场的改造，使得码头能够容纳更多的箱子。另外，为了提高服务水 平，港口在装卸作业效率上也大做文章，随着当前各种先进技术的推进，由原先的 传统的装卸作业系统逐渐转变成为集各种先进技术为一体的码头，引入当前最先进 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 的无线通讯系统，使得码头前沿的信息流通更加流畅；码头前沿的集装箱桥机采用 双四十尺的岸吊，可以同时装卸两个四十尺的集装箱，使得岸吊作业效率和安全性 能不断提高；道口由原先的人工过卡变成了由图像识别构成的自动化系统，大大加 快了集装箱的流通能力；在场地的装卸速度随着场地机械的改变也在不断的更新； 水平运输也有原先仅仅是由集卡承担，现在各个国家都在尝试采用a g v 小车以提 高水平运输的速度，近期在中国提出了采用轨道式低架桥来提高水平运输这样的理 念。但是以上都是基于码头硬件系统的改造，随之而来的码头软件系统和运营管理 的改进还跟不上硬件的改进速度，其还存在很大的欠缺。 集装箱码头作为运输链上的一个重要环节，不仅要有足够的装卸设备和堆存空 间来适应急剧增长的吞吐量的需求，而且要求港口的管理者按照现代物流管理的方 法来合理调度港口内部装卸设备资源，优化装卸设备资源的流通渠道，完善集装箱 港口的作业信息系统，采用最先进的信息技术和决策技术，不断提高港口内部物流 网络运作效率，缩短船舶在港时间，降低作业成本，最大化满足货主和船公司的需 要。因此集装箱港口的场站企业采取哪种作业工艺，调度设备数量的多少等，如何 确保在提高场地利用率，满足生产要求的同时并降低设备的前期投入以及日后的使 用维护成本，是一个值得研究的课题。 1 1 1 集装箱物流的发展 由于港口装卸机械设备的不断创新，信息技术和系统仿真技术的不断进步和经 济不断发展，以运输、装卸、包装、仓储的合理化和系统化、加工配送一体化及信 息管理网络化为主要内容的现代物流，不仅成为了企业竞争的主要因素，还是一个 国家综合国力的重要标志。现代物流的发展要求货物能够在不同运输方式、各货运 站之间实现无缝链接，以最小的费用，最短的时间，准确、安全地实现时间和空间 2 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 的转移。 港口作为物流系统中的重要节点，是远洋、内河船舶以及内陆运输( 卡车和火 车) 的枢纽。港口地区汇集有货主、货运代理、船东、船舶代理、商品批发零售、 包装公司、陆上运输公司、海关、商检等各种机构。港口不仅是不同运输方式汇集 的关键节点，而且也是各种信息、经济和技术的汇集点。现代物流的不断发展以及 港口本身在现代物流中的重要地位，给作为物流平台的港口带来了日益增大的压 力。为了实现水路、陆路运输方式之间的无缝链接，集装箱港口需按照现代物流的 要求，合理调度港口内部物流要素，优化物流要素的流通渠道，完善物流信息系统， 以不断提高港口内部物流网络运作效率，缩短船舶在港时间。 自从1 9 5 7 美国第一艘集装箱船投入运营以来，集装箱运输方式便以其装卸效 率高、港口操作简单、货损率低等优点在全世界范围内得到了快速发展，在运输总 量中的比重也不断提高。 全球化和经济一体化的快速发展，促进了我国国内运输量和国际运输量的快速 增长，快速增加的运输总量使港口集装箱吞吐量不断增加。与此同时，为了适应全 球航运市场的竞争形势，集装箱船舶也出现了大型化趋势。快速增加的集装箱吞吐 量和集装箱船舶大型化，使不少集装箱港口出现了满负荷、超负荷运营的现象。为 了在激烈的竞争中取胜，港口管理者除了要从中长期规划港口扩建计划外，追在眉 睫的一个问题就是要合理地优化调度现有的作业资源，提高港口内部运作效率和管 理水平，使集装箱港口的发展走上重技术、重管理的集约化道路。 近几年，全球各大航运公司纷纷组建战略联营体，将世界航运市场作为自己的 经营舞台，并先于港口开始了从传统物流服务向现代物流服务的转变。为了提高运 作效率、降低运营成本、实现规模经济，战略联营实体规模不断扩大，经营战略也 在不断调整。 一般而言，各大航运公司在一个地区只会有一个枢纽港，哪个港口能最终成为 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度阎题研究 本地区的枢纽港，除了取决于港口的地理条件外，港口的技术水平、内部物流运作 效率和管理水平、信息交换能力也是船公司的主要考虑因素。因而为了配合各大航 运公司经营战略的调整，在新的一轮竞争中取得竞争优势，港口首先要使其内部物 流系统化、合理化，为集装箱船舶装卸提供一个良好的物流平台，使港口在提高其 资源利用率的同时，降低集装箱船舶在港的时间。 1 1 2i t 技术在集装箱码头的广泛应用 以通讯技术、网络技术、感测技术、控制技术等为代表的现代信息技术的发展 以及全球信息网络的兴起，使我们从传统的工业时代进入了一个崭新的信息时代， 为集装箱港口进行快速、高效地生产提供了可能。 目前，信息技术已经在港口航运企业得到了广泛的应用。例如，我国沿海一些 先进的大型集装箱港口用无线电通讯代替了高频对讲机，使港口内部物流信息和作 业信息传递更为快速、准确。在新加坡和香港，e d i ( 电子数据交换) 技术的使用和 普及，实现了通关过程电子化，使通关可在半小时左右完成，大大提高了通关效率。 完整的g t s ( 地理信息系统) 分析软件集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络模 型、分配模型和定位模型，为最优路径选择和最佳运输任务分配提供了决策支持。 除此之外，条码技术、射频技术( r f ) 和全球定位系统( g p s ) 等技术的广泛应用都 为集装箱港口内部物流高效运作提供了保障。 集装箱港口堆场是港口中用于堆存集装箱的专设区域，其作为港口主要的组成 部分，在集装箱港v i 作业物流流程中起着很重要的作用，堆场资源调度的优劣将直 接影响到港口整体的作业效率。 在上述背景下，如何合理高效地调度集装箱港1 ：3 作业资源尤其是堆场资源调度 就成了一个迫切需要解决的课题。 4 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度甸题研究 1 2 文献综述 1 2 1 集装箱码头堆场资源调度的研究现状 对于集装箱码头堆场的资源管理就如何科学合理的调度集装箱场站的装卸设 备进行深入的研究和探讨，尚未形成系统的理论，目前这方面的研究结论仍属空白。 对设备的适用性和经济性等各方面的评价都是滞后的，往往在企业组建初期时就已 陷入了极大的被动。 堆场资源主要涉及两部分的资源调度问题，一部分是堆场空间资源调度问题， 一部分是堆场设备资源调度问题。 对集装箱港口的堆场空间资源调度研究国内外学者已有一些研究，y g c h u n g ( 1 9 8 7 ) 【3 q 和y g - c h u n g ( 1 9 8 8 ) 【3 0 墟过为准备装船的出口集装箱开辟一个靠近 码头前沿的缓冲堆存区域来提高装船效率，但是这种方法受场地限制较大。s c u l l i 和h u i ( 1 9 8 8 ) 嗍通过仿真的方法研究了堆场堆高、堆场利用率和翻箱率之间的关系。 d ec a s t i h n oa n dd a g a n o ( 1 9 9 3 ) 例一文中也研究了两种策略下的进口集装箱的堆 存问题，一种策略是按照集装箱大小分类堆放，另一种策略是按照到达时间依次堆 放。k i ma n dr i m ( 1 9 9 9 ) 阑研究了定期班轮和不定期船次的进口箱堆存空间分配问 题。m u r t ya ta 1 ( 2 0 0 0 ) 刚在研究堆场空问分配时考虑了集卡因素，以避免集卡 太集中而引起堆场交通堵塞。k i ma ta 1 ( 2 0 0 0 ) 3 2 5 采用加权的方法计算期望翻箱 次数，为每个到港集装箱分配合理的位置使总翻箱次数最少。e m c d o w i l le t a l ( 1 9 8 8 ) 1 1 7 在文中讨论了集装箱港口的作业流程，在考虑了各作业流程所发生成 本的基础上，建立了一个成本模型来解决堆场堆存问题。在这种成本模型下，虽然 可以降低总的作业成本，但是并没有考虑港e l 设备作业效率的问题。 t a l e b i b r a h i m ie ta 1 ( 1 9 9 3 ) 【1 4 】也采用仿真的方法讨论了出口箱区不同安排原 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 则下堆高、堆场利用率和翻箱率之间的关系。m a r ke t a l ( 2 0 0 1 ) 1 3 4 运_ 用仿真的方法 对港口堆存方式进行了研究，分析了不同情况下最优的堆存方案。j e a n - f r a n c o i s c o r d e a u ( 2 0 0 1 ) 【4 1 1 研究了堆场集装箱调度问题，并建立了整数规划模型，目标函 数是使集装箱从堆场箱区到船舶的运输距离最小，并用t a b u 搜索方法和遗传算法 求解。由于在这个模型下，堆场设备工作箱量不均衡，会降低堆场设备的利用率， 在实际工作中有一定的片面性。p i n gc h e n ge ta l ( 2 0 0 2 ) 【3 1 】在文中讨论了堆场集 装箱空间分配问题，文中提出用多种算法解决这个问题，包括t a b u 搜索方法，模 拟退火算法，遗传算法以及“s q u e a k yw h e e l ”优化方法，最后结合t a b u 搜索方法 和4s q u e a k yw h e e l ”优化方法的特点，提出了一种混合方法来求解。p e t e r p r e s t o n ，e r h a nk o z a n ( 2 0 0 1 ) 1 9 1 在文中讨论了集装箱堆场的最优堆存方案，并建 立了一个混合整数线性规划模型，目标函数是使船舶停港时间最小化，并用遗传算 法求解。c h u q i a nz h a n g ( 2 0 0 3 ) 嘲也通过建立一个线性整数规划模型来解决堆场集 装箱的空间调度问题，模型可得到分配到各箱区作业的集装箱数量。e b r uk b i s h ( 2 0 0 3 ) 【柚】在文中将进口箱堆场空间调度问题同桥吊调度问题整体考虑。并把这 一问题分成两个子问题并分别迸行考虑：第一、为每个卸载的集装箱确定在堆场 的存贮位置；第二、为每个集装箱分配集卡；第三、对每个桥吊进行装卸作业优化 以实现集装箱运输船的周转时间最短。 近年来国内也有一部分学者对堆存问题进行了研究。徐剑华( 1 9 9 1 ) 【5 】提出用 择箱指数方法寻求集装箱最佳堆存高度和最佳布置，以使堆场的面积利用率和堆场 的取箱效率获得综合优化的结果。宋天威( 2 0 0 0 ) f 3 1 以上海港军工路集装箱码头为 例对两种堆码方式进行了探讨，一种方式是6 箱并列加一车道，其中车道在一侧， 另一种方式为3 箱+ 3 箱，车道留在箱位中间。郝聚民，纪卓尚等( 2 0 0 0 ) 1 1 习介绍了 出口集装箱堆场优化的重要意义，在图搜索技术和模式识别理论的基础上建立了随 机条件下的混合顺序作业堆场倍位优化模型。杨淑琴，张运杰等( 2 0 0 2 ) 【7 1 根据出口 6 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 集装箱先到港、尽量轻箱在下重箱在上的原则，采用启发式方法合理安排出口集装 箱场箱位安排，以达到装船作业时堆场机械的翻箱率最低。 对于集装箱港口堆场设备资源调度研究有，k i ma n dk i m ( 1 9 9 9 ) 2 3 】研究了单个 轮胎吊的最优路径问题，建立混合整数规划模型，使轮胎吊的箱区间总移动时间最 小化来解决调度问题。由于实际堆场作业中同时有多台轮胎吊工作，这些轮胎吊之 间互相影响，所以此文中建立的模型适用性不大。g a m b a r d e l l ae ta 1 ( 1 9 9 8 ) 3 2 1 讨 论了仿真模型在港口资源调度中的应用，并采用网络流的思想，运用混合整数规划 模型对桥吊、轮胎吊等港口资源进行调度。不过，该文章并没有考虑具体作业中集 装箱的作业序列以及集装箱在堆场的具体存贮信息等因素，而是将一定的堆场区 域，参加作业的桥吊，轮胎吊以及集装箱船看作网络图的节点，另外，文章着重于 对仿真模型在港口作业中的功能探讨，而非具体的作业调度优化。c h u n ge ta 1 【1 羽 ( 1 9 8 8 ) 最早提出了轮胎吊路径选择问题，目的是减少轮胎吊的不必要移动，提高轮 胎吊的工作效率。l a i 和l a m ( 1 9 9 4 ) p s 运用模拟方法比较了不同调度策略下轮胎吊 的使用效率、作业量及等待时间的问题。k o z a na n dp r s e t o n ( 1 9 9 9 ) 1 3 9 1 建立整数 规划模型，使龙门起重机的各箱区总工作时间最大化来解决龙门起重机调度问题。 m u r t ye ta 1 ( 2 0 0 0 ) t s l 在文中讨论了几个工班内的轮胎吊的调度问题。文中假定， 在每一个工班内都有一定的工作量，轮胎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，因为过多的轮胎吊在箱区间的移动会造成堆场 交通堵塞。由于本文采用的是仿真的方法，所以其结果很不精确。c h u q i a nz h a n g ( 2 0 0 3 ) 婀通过建立一个整数规划模型研究了轮胎吊的工作任务分配问题。在假设已 知若干个计划期的工作任务量的条件下，通过合理地安排轮胎吊在某工班内的工作 任务和不同箱区之间的移动顺序对轮胎吊调度进行优化，但是该模型是在给定轮胎 吊台数基础上给出的调度方案，不能优化轮胎吊配制台数。l mg a m b a r d e i i ae ta l ( 2 0 0 1 ) 1 3 9 1 运用网络流的方法对整个港口的装卸资源进行了仿真研究，在模型中， 7 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 将每个工作日分为三个工班，同时假设所有的桥吊工作能力均相同，船舶在哪个工 班到达为已知，所靠船舶的装卸箱量根据船舶的抵港预报也为已知。需要决定的就 是每个工班所需调度的桥吊数量、轮胎吊调度数量以及各船每工班装卸箱量，最后 将得到一张计划时域内的资源调度计划表。 1 2 2 当前研究存在的问题 综上所述，现有关于集装箱港口的堆场资源调度的研究主要存在问题有： 第一、由于集装箱物流的快速发展，当前许多码头的吞吐量远远超过了集装箱 码头的设计能力，堆存空间成为集装箱码头的稀缺资源，对集装箱的混和堆放提出 了要求，而当前的研究缺少对混堆情况下集装箱的动态空间堆存问题的研究；在已 有的堆场空间调度研究中，都是分别对进口箱或者出口箱的堆存情况进行研究，且 这些研究大多是在静态条件下考虑的，很少考虑混堆情况下集装箱的动态堆存调度 的研究。考虑混堆情况下的集装箱的动态堆存问题的难点在于，在混堆动态分配情 况下，因为每一个箱区要同时考虑进口箱和出口箱的分配问题，将使问题变得复杂。 本文将在这种情况下研究堆场集装箱的空闯分配问题，在混堆情况下实现更加符合 实际的动态优化调度，合理地确定混堆情况下集装箱具体到箱区倍位的堆存数量， 为港口的实际作业提供帮助。 第二、对集装箱港口的堆场设备资源调度的研究不足，且在已有文献中的研究 都是考虑给定堆场设备配置台数的情况：从目前的研究文献可以看出，对堆场设备 资源调度的研究明显比其它资源调度问题研究的要少，且这些研究都是考虑给定堆 场设备调度台数的情况，在本文将运用数学规划方法由模型产生堆场设备调度台 数，丰富对这一问题的研究。 第三、当前的堆场设备的调度研究中往往只是考虑在单一目标前提下，且缺少 8 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 相应的求解算法：在已有的堆场设备调度调度研究中，一般都是考虑单一目标，或 者是提高设备利用率或者减少未完成计划作业量，没有从集装箱码头的作业效率和 经济成本最小化的角度来考虑，因此其结果在实际应用过程中有一定的片面性，往 往是不切实际的，且在动态调度问题模型的求解方面，尚缺乏相关的研究。本文将 考虑多目标情况下堆场设备的动态调度问题，提出更加符合实际的堆场设备的调度 调度模型以及算法。 1 3 论文的研究意义及主要创新点 集装箱港口堆场作为港口一个不可缺少的组成部分，在港口整个作业的流程中 起着相当重要的作用。为了更好地指导厦门集装箱码头以及我国集装箱港口业务的 运作实践，本文将以集装箱港口堆场系统为研究对象，在考虑堆场场外资源调度的 基础上，通过对堆场空间资源、堆场设备资源调度等与堆场运作紧密相关的问题进 行了深入探讨，希望能为厦门集装箱码头和我国集装箱港口资源调度的理论和运作 提供一定的指导和决策依据。 本文的主要创新点如下： 第一、对堆场资源调度衄题的研究着眼于整个港i e i 的物流运作，运用局部优化 必须服从整体优化( 即系统化) 观点的思想，研究的目的是为了提高整个港1 ：3 物流 运作效率当前对堆场资源调度问题的研究多是仅从某个单资源的角度进行优 化，优化的结果很多未考虑港口整体目标的优化，本文运用系统化的思想，把堆场 资源优化调度的问题放在港口整体优化的角度来研究，提供了一种更为系统化、集 成化的研究角度。 第二，提出混堆情况下堆场空问资源动态调度问题，并建立了数学规划模型。 本文针对在已有的堆场空间调度研究中，都是分别对进口箱区或者出1 3 箱区的堆存 9 上海海事大学硬士学位论文集装箱码头堆场调度问题研究 情况进行研究，且这些研究大多是在静态条件下考虑的，很少考虑混堆情况下集装 箱的动态堆存调度的研究现状，本文给出了混堆情况下的堆场空间动态调度优化模 型，合理她确定混堆情况下集装箱具体到箱区倍位的堆存数量，并给出了算例分析。 堆场设备资源动态调度问题是一个混合整数规划问题，求解具有相当难度。为 了简化求解步骤，提高求解效率，本文提出了基于启发式方法的拉格朗日松弛算法， 并在此基础上对算法进行了改进，实验证明拉格朗日松弛算法求解堆场设备调度模 型取得了比较好的效果。 1 4 论文结构 本文共分为六章： 第一章是绪论，主要介绍了国内外研究概况以及论文的目的、意义、主要创新 点以及内容； 第二章主要介绍了集装箱港口和堆场的概况及其特征，具体阐述了堆场作业中 的资源调度问题： 第三章主要介绍了混堆情况下堆场空间资源动态调度的数学优化模型。 第四章主要介绍了多目标情况下堆场设备资源动态调度的数学优化模型，同时 给出了基于启发式方法的拉格朗日松弛算法来求解该模型。 第五章将第四章的模型和算法应用到厦门港堆场作业资源调度的实际中去，给 出了算例。 第六章为结论。 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场谓度问题研究 本文的内容和结构见图卜1 所示。 二亟至二 l 集装箱港口堆场资源调度问题概述( 第二章) 图卜l 论文结构和内容 圭塑塑妻查堂堡主堂垡丝苎 叁薹笪里塑塑塑墨旦里里堕l 第二章集装箱港口堆场资源调度问题概述 2 1 集装箱港口概述 2 1 1 集装箱港口及其堆场 集装箱港口( c o n t a i n e rt e r m i n a l ) 是用来停靠转载集装箱的船舶、装卸集装 箱的作业场所，是在集装箱运输过程中水路和陆路运输的连接点，也是集装箱多式 联运的枢纽。集装箱港口一般设有泊位、集装箱堆场、中央控制室、道口、c f s 、 集装箱装卸设备和其它专用设施。 海上集装箱运输在美国兴起至今已有五十多年的历史。伴随着集装箱物流的快 速发展，世界各国的集装箱码头也随之涌现。通常认为，集装箱港口主要有以下职 能： l 、提供集装箱堆存，作为转换集装箱运输方式的缓冲地； 2 、集装箱物流系统中的集散站： 3 、水路集装箱运输和陆路集装箱运输的连接点和枢纽。 同时随着集装箱物流的不断发展，集装箱港口的物流功能已经远远不止上述哲 这些功能，集装箱港口已经逐渐成为分拨中心，配送中心、流通加工中心等，提供 仓储、装卸、包装、运输、加工、配送及信息处理等一系列扩充服务。 集装箱港口为了完成装卸、搬运等任务，要求集装箱港口同船舶共同形成一个 不可分割的有机整体，同时需要港口有大量的装卸设备和设施，如岸吊、场吊、水 平运输等设备。集装箱港口通常应该具备的必要设施有：泊位、码头前沿作业区、 集装箱前方堆场、货运站( c f s ) 、中央控制室、道口等。集装箱码头简要布局示意 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 图如图2 - i 所示。 l 、泊位 泊位是指在港内为了进行装卸，给船舶停泊靠岸，并有一定长度岸壁线的地方。 目前世界上集装箱港口泊位的长度一般为3 0 0 m 左右。由于当前往往是几个泊位在 一起，泊位的概念往往是指码头岸线的通称。 图2 - - 1 集装箱码头图示 2 、码头前沿作业区 前沿是指码头岸壁的岸壁线起到码头堆场前的这一部分面积。前沿上设有岸 吊。它是集装箱船舶装卸作业中最重要的一部分面积，如卸船时，从船上卸下的集 装箱是放在前沿上或前沿的拖车上或者a g v 小车上，再转运到堆场。因此，前沿必 须要有一定宽度，不能过窄，以免引起装卸作业时混乱，影响整个码头的工作效率。 3 、集装箱前方堆场 堆场是存放从集装箱船上卸下或将要装船的集装箱以及存放与货主进行交接 空重箱的场地。它与码头前沿邻接，主要有联体码头和栈桥式码头。联体码头的集 装箱前方堆场和码头前沿作业区紧密相连；栈桥式码头由栈桥把码头前沿作业区和 集装箱前方堆场相连。一般按照集装箱的尺寸堆场上都画有存放集装箱的长方形格 子，称为“场箱位”，并编有号码。集装箱在堆场的场箱位号是由列号、行号、层 号的六位数字组成的，对堆存的集装箱进行位置标识。堆场是由若干“箱区”组成 的，一个“箱区”是由若干“倍位”( 一行上所有的集装箱称为一个“倍位”) 组成 圭查查兰盔兰堡主堂堡笙茎 壅茎塑里苎苎堑望壅塑蔓! ! 型 的，一个“倍位一是由若干“箱位”( 每个“箱位”可重叠堆放若干层集装箱，既 具有若干个“层位”) 组成的。 图2 2 集装箱码头堆场 4 、中央控制室 中央控制室是集装箱码头各项作业的指挥调度中心，是码头作业的中枢机构。 其任务是对码头计划所制订的船舶装卸作业计划和堆场上的集装箱调度计划进行 监督、指挥和实时调度。因此其位置应设在能清楚地看到堆场、码头前沿以及码头 上所有堆放集装箱的地方，所以控制室一般设置在码头操作或办公楼的最高层，同 时中央控制室往往配备有c c t v 等视频监控系统。 5 、道口 是集装箱码头的出入口，集装箱和集装箱货物的交接点，因而也是区分码头内 外责任的分界点道口一般设置在集装箱码头的后方。 1 4 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头罐场调度问题研究 6 、集装箱货运站( c f s ) 集装箱货运站是指把拆箱和拼箱的场所，主要完成把货物装进集装箱内或从集 装箱内取出，并对这些货物进行贮存、防护和收发的作业场所。它主要为分属不同 货主的拼箱货提供装拆箱作业场所。 2 1 2 集装箱港口堆场装卸设备 集装箱港口堆场的所有装卸都要由堆场的装卸设备来完成，而且堆场的装卸工 艺往往是随着这些装卸设备的不同而不同，比如，如果采用集装箱跨运车来进行水 平运输，那么在场地里面的堆放只能是按照排的方式进行，如果是集卡进行水平运 输，同时由轮胎吊或者集装箱场地轨道吊进行装卸，那么场地的堆放主要采用6 排 一堆跺的方式进行。可见不同的堆场设备它们的设备资源优化调度问题也是不同 的。下面介绍几种在集装箱港口堆场最常使用的装卸设备。 l 、集装箱跨运车 集装箱跨运车是码头前沿和堆场之间搬运集装箱的专用机械是以门形车驾跨 在集装箱上，由装有集装箱吊具的液压升降系统吊起集装箱，进行搬运，并可将集 装箱码两、三层高。此外，还可以用跨运车在堆场上装卸集装箱底盘车，它与轮胎 式和轨道式集装箱龙门起重机比较，具有更大的机动性，即可采用跨运车在码头前 沿和堆场之间单独进行搬运及装卸作业，也可以和龙门起重机和底盘车配合使用。 跨运车有以特点：第一、对于年吞吐量在5 万箱以下的集装箱场站采用跨运车 是比较经济的，它即可以担任水平运输，又可完成堆码作业；第二、机动性较强； 第三、购置费较低；第四、完好率较低，维修费较高，要求司机技术高；第五、不 能装卸火车。 2 、轮胎式集装箱龙门起重机 上海海事大学硬士学位论文集装箱码头堆场调度问题研究 轮胎式集装箱龙门起重机是集装箱堆场进行堆取箱作业的专用机械，适用年吞 量5 万箱以上的集装箱场站。它是由前后两片门框和底梁组成的门架，支承在充气 轮胎上在堆场上行走，装有集装箱吊具的行走小车沿着门框横梁上的轨道行走， 用以装卸底盘车和进行堆取箱作业。轮胎式集装箱龙门起重机采用机械液压装置式 无线电感应装置，保持在堆场上直线行走，并可以9 0 度角转向，从一个货场转移 到另一个堆场，能充分发挥机械作用，且跨度较大，堆箱层数多，能充分利用堆场 面积。提高堆场存能力，轮胎式集装箱起重机一般不能带箱运行，维修较复杂。 3 、集装箱正面吊 集装箱正面吊是7 0 年代中期开发的一种新机型。集装箱正面吊是通过改变可 伸缩动臂的长度和角度，实现集装箱重箱装卸和堆垛作业的工业搬运车辆，广泛适 用于2 0 英尺至4 0 英尺的国际标准集装箱。与集装箱叉车相比，具有堆垛能力强， 机动性强，稳性好，轮压较低，堆码层数高，可隔箱作业，场地利用率高，且视野 好、作业效率高等优点。是比较理想的货物搬运作业机械。 该机的主要优点可归纳为：第一、有可伸缩和左右共旋转1 2 0 度的吊具，因此， 特别适应在货场上作业；第二、具有可带载变幅的伸缩式臂架；第三、能堆码多层 集装箱( 能堆垛至5 层高) 可跨箱作业( 可跨三排作业) ；第四、有多种保护装置， 能保证安全操：第五、轮压低，稳定性好：第六、加装吊钩，可吊装其他重大件货 物：第七、设备造价相对较低。 集装箱正面吊广泛用于集装箱码头和场站，公路、铁路集装箱枢纽站等的集装 箱装卸和堆垛作业，也可以作为码头前沿与堆场问的短距离搬运作业。 4 、轨道式集装箱龙门起重机 轨道式集装箱龙门起重机是集装箱堆场进行装卸，搬运和堆码作业的专用机， 它由两片双悬臂的门架组成，两侧门腿用下横粱连接，支承在行走轮台车上，并在 轨道上行走。 1 6 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 集装箱堆场可用轨道式集装箱龙门起重机进行装卸堆码作业，轨道式集装箱龙 门起重机还可以装卸汽车和火车。 轨道式龙门起重机跨度大，堆码层数多，般可堆5 6 层，可以充分利用堆 场面积，提高堆场的堆存能力，轨道式集装箱龙门起重机结构比较简单。操作容易， 维修方便，有利于实现单机自动化控制，但是造价高。 轨道式龙门起重机主要适用于与集装箱码头装卸船所配套的堆场，不适于集装 箱场站的装拆箱作业。 5 、集装箱叉车 集装箱叉车专用于集装箱的装卸搬运。其结构组成与通用叉车类同，只是取物 装置为装卸集装箱所专用。装卸1 0 吨以下小型集装箱时，叉车的货叉直接插入集 装箱底托板的叉孔内叉起集装箱；装卸大型集装箱时，叉车的货叉上装有专用的集 装箱顶吊架，货叉升降时，靠顶吊架装卸集装箱。集装箱叉车有前叉式和侧叉式两 种。 6 、空箱堆高机 空箱堆高机是专门为吊装2 0 英尺到4 0 英尺国际标准集装箱而设计的。它主要 用于集装箱空箱的堆码、搬运和装卸。它具有机动灵活、搬运速度快、操作方便、 作业效率高、稳定性好、轮压较低、堆码层数高( 目前已可堆垛7 - 8 层高) 、场地 利用率高等优点。特别使用于港口、铁路中转站及公路中转站、堆场的集装箱装卸， 也可在大型集装箱码头作为空箱堆码的主要设备来使用，且设备造价相对较低。 2 1 3 集装箱港口基本作业流程 集装箱港口的作业流程从集装箱流的角度来看，可以分为进口流程和出口流程 “1 。下图所示是进口和出口的业务流程。 1 7 上海海事大学硕士学位论文集装箱码头堆场调度问题研究 图2 3 进出口业务流程 对于集装箱港口来说，主要业务是进出口流程中一个重要环节，如图用红色方 框区域的是集装箱港口的主要业务。 一，集装箱港口进口业务流程 1 、进口卸船计划：由调度室根据船舶近期计划安排船舶靠泊，并依照卸船堆 场计划等安排卸船机械； 2 、迸口卸船：根据迸口卸船计划来实时调度组织卸船。把要在本码头进行卸 船的集装箱从船上卸下后，根据场地位置进行场地位置确认落箱。 1 8 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 3 、堆场作业：包括安排驳箱、移箱、提箱作业。驳箱主要是安排集装箱的驳 运疏港，了解箱子在各堆场的分布情况以便对集装箱进行跟踪。移箱作业主要是为 了提高堆场堆存率，掌握集装箱运转动态，更好地安排下一次装卸作业，提高装卸 作业效率。 4 、出场作业：货主根据相应的单证到集装箱客户服务区办理提箱手续后，由 外集卡到集装箱前方堆场迸行提箱，然后经过道口出场。由于当前集装箱堆场的空 间资源紧张，对那些堆放超过一定期限的集装箱要进行疏港作业。 二、集装箱港口出口业务流程 在集装箱出口货运业务中，码头主要负责以下作业，具体流程为： l 、集港：集装箱港口根据船舶的船期确定集港时间，货主在办理好所有的出 口业务单证，把集装箱经过集装箱码头的道口拉入集装箱堆场落箱，等待装船。 2 、装船前准备：集装箱码头根据船期和在场箱的情况，进行装船前准备，主 要有箱子的归并和移箱处理，主要是为了能够在集装箱装船作业时能够快速装船。 3 、船舶配载：箱管根据船期及船公司或船代的出口预配船图，对出口在场箱 进行船舶配载，同时得到船方大副的同意签字后，准备装船。 4 、出口装船：含装船前的业务上的准备工作与实际装船作业。装船前的预备 工作主要是进行码头船舶预配载。实际装卸船作业由调度室指挥，机械队操作，集 装箱由集卡拖运至码头由集装箱装卸桥装船，并由内外理进行装船确认。 以上是码头业务的基本流程，实际操作中还有许多细节。以下是厦门港务物流 集装箱堆场主要业务具体作业工艺流程： 1 9 空 箱 排 放 上海海事大学硕士学位论文集装箱码头堆场调度问题研究 图2 4 装作业工艺流程图 士- ( 由堆高机和且吨叉车完成卸箱移箱作业) 货 物 装 箱 重 箱 疏 运 闸口单证员办理重箱出场手续 牌安核对集装箱铅封号、箱号 i i重箱出场至码头 。- - - - - 2 0 上海海事大学硕士学位论文 集装箱码头堆场调度问题研究 2 2 集装箱堆场概况及主要功能 港口堆场是水陆集装箱的集散中转地，是港口的作业前沿，港口堆场 在集装箱运输中就是一个不可缺少的组成部分，在整个过程中起着相当重 要的作用。集装箱堆场一般应选择在港内主要干道两例靠近码头前方的 地段，其一是为了交通疏运方便快捷，其二是可以充分利用干道两侧的给