基于现代物流管理理念的集装箱船舶配载系统的应用研究Word文档格式.docx
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置于现代物流管理理念下集装箱船上配载，在供应链管理的应用方面，现在正处于一种从原来单纯的配载技术向物流节点管理的过渡转型阶段。
二、课题研究的目的与意义
1、课题研究的目的
通过对传统集装箱配载系统特点的分析，我们可以知道，在集装箱船舶运输中，船舶配载系统的完善与否是能否充分发挥集装箱运输优势的一个重要环节，它对保证船舶、货物安全以及保证船期有着重要的作用。
同时配载结果的表现形式—配载图也是装卸公司装船、卸船以及发生货损货差时要求索赔、划分责任的重要依据。
同时，本课题从现代物流的观点来分析现代物流管理理论对集装箱配载系统提出的新要求，从而得到结论，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它更是兼备物流的运输、储存、配送之功能。
因此，把集装箱配载系统的研究上升为对实用物流技术研究是一项具有重要现实意义的工作。
为适应现代物流发展的需要，处于物流节点上的集装箱配载应具备以下两方面的功能。
一方面，从配载的内部要求而言，一套先进实用的操作管理软件应该是基于丰富的操作管理经验和先进的IT技术推出的，通过先进的技术平台和各种优化算法，它能够确保船舶安全、经济，货物质量完好，实现动态实时、自动计划和检测、智能回放和预演、用户报表自定义等目标。
而且，系统本身应体现适当的先进性，同时兼顾满足可能发生的手工和应急处理的需要，并具有流程合理、功能完善、使用方便、运行可靠等功能；
另一方面，从供应链管理来看，基于现代数据交换平台和定位、信息系统上的配载系统管理在现代物流中需发挥主动性和柔性化服务，在物流发展的信息化、自动化、智能化等方面发挥其应有的作用。
因此，从内、外部整体上看，符合现代物流发展需要的集装箱船配载系统是物流方改善自身管理水平、提高客户满意度、增强时常竞争力的可靠保障。
本研究正是基于集装箱船配载系统如何来满足这两方面功能的需要而展开的。
2、课题的研究意义
1）有利于提高集装箱船舶技术管理水平
现代集装箱船舶的大型化和高效化给提高船舶运输生产效率提供了可能，但船、岸工作人员能否适应现代大型集装箱船舶的运输管理要求则成为船舶的效益优势能否得到充分发挥的关键，解决人—机之间不相适应的矛盾在于提高船岸集装箱配载人员的技术管理手段和技术管理水平，提高人员的工作效率和工作质量。
2）优化集装箱船舶的配载方案
集装箱船舶的航行性能、结构、货物单元形态和配载方式均与其他船舶不同，尽管在传统的集装箱配载有一些理论方法和配载手段，其中也包括在实践中积累的可贵的经验，但许多已不能满足物流的发展需要。
解决这些问题的根本出路还在于从理论上解决配载方案的优化和智能化。
研究优化集装箱配载的理论方法是本课题的重点之一，同时也为自动配载、智能配载系统的建立提供一种算法模型。
3）充分发挥集装箱船舶配载在物流管理中的作用
柔性化、信息化、自动化、智能化已成为21世纪现代物流的发展趋势，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它在现代物流的作用已渐趋明显，特别是在减少集装箱货运事故提高集装箱的安全性、加强与客户的合作程度、提供客户的柔性化服务等方面均大有用武之地。
三、本研究的主要工作
本研究的主要工作包括：
1）分析目前集装箱船舶配载的特点、要求以及存在的主要问题；
2）提出集装箱船舶配载方案的优化模型及其求解方法、自动配积载系统的设计思路；
3）提出在现代物流管理中如何发挥集装箱配载作为供应链节点的作用；
4）在配载系统和集装箱用户之间建立电子数据交换平台，以满足运输企业、集装箱用户和相关部门的数据交换与信息整合的自动化处理的需要。
第一章集装箱船舶配载的特点与要求
1.1集装箱船舶配载的特点
集装箱船上配载必须根据船舶的具体要求，结合船舶、货物、航线、港口的实际情况，把一定数量的具体集装箱安排在船舶的具体箱位中，并满足保证船舶性能、货物质量、航线制约、港口作业等多方面的要求。
因此，集装箱船上配载是一项多目标优化的系统工作，与一般船舶比较，由于集装箱和集装箱船舶在结构、运输形式等方面有着自身的特点,使得其配载与一般船舶具有不同的特点。
1.1.1集装箱船舶装载的箱容量与船舶净载重量的相互制约
集装箱的箱位容量，通常是指船舶的标准箱（TEU，TwentyEquivalentUnit）容量，即集装箱船舶所能承载的最大标准集装箱的数量，箱位容量是表示集装箱船舶大小的重要标志。
同时，从集装箱船舶的载货重量能力来看，它也要受到船舶净载重量的限制，即所装运的集装箱重量不能超过船舶在具体航次中能够装运货物重量的最大限量。
集装箱船舶的最大箱容量是在特定的条件下设计的，并不是在任何情况下均能承载它的最大箱容量及充分利用它的净载重量。
与普通杂货船不同的是：
集装箱船舶所能装载的最大箱位容量与船舶净载重量是相互制约的。
一方面，集装箱的数量多少和装载重量，受船舶箱位容量及净载重量的限制；
另一方面，由于集装箱船舶的1/3~1/2箱位是配置在甲板上的，在利用船舶箱容量，特别是利用甲板上的箱位时，会导致船舶重心提高，影响船舶的稳性，有时甚至形成负的初稳性高度。
因此，为了获得合适的稳性，不得不以大量的压载水来改善船舶的稳性。
在杂货船和散货船上，为了提高船舶的净载重量，必须排空压载水；
而在集装箱船上，为了要装载更多的货运量，需要充分利用集装箱的箱位容量，又必须在压载水舱内大量灌注压载水，这又使集装箱船舶不能充分利用它的净载重量。
总之，对于集装箱船舶而言，要充分利用它的箱位容量和净载重量是一对相互制约的矛盾的统一。
1.1.2集装箱船舶对稳性的要求较一般杂货船舶更加严格
由于集装箱船舶经常在甲板上装载数量较多的集装箱，故其重心高度比一般货船高，且水线以上受风面积大，对船舶稳性更为不利。
另外，在装卸时由于左右重量的不均衡将使船舶产生较大的横倾，这为集装箱船舶的横倾限制所不允许。
为了保证船舶的安全，必须使其具有足够的稳性。
所以，对集装箱船舶提出的稳性衡准要求，较一般杂货船更加严格，这在我国《海船法定检验技术规则》（以下简称《法定规则》）和《IMO稳性规则》即“IMO关于适合各种类型船舶的完整稳性规则（A.749（18）”中均有具体规定。
在我国《法定规则》中，对装载集装箱的专用和非专用船舶，除要求其满足对普通船舶稳性的各项基本衡准指标要求外，还提出了两项稳性的特殊衡准要求。
而《IMO稳性规则》则对于船长大于100M的集装箱船舶和其他具有可观外漂或大的水线面面积的货船，建议采用6项完整稳性的衡准要求，以代替《IMO稳性规则》对各种类型船舶完整稳性基本衡准要求中除天气衡准以外的前6项要求。
但是，集装箱船舶的稳性又不能过大，如GM过大，船舶横摇周期过短，又会使甲板上的集装箱具有较大的加速度，从而对集装箱本身的强度及坚固设备和绑扎索具的受力带来严重不利的影响，甚至使集装箱移动、倒塌。
可以看出，对集装箱船舶提出的稳性上限要求具有其特别的实际意义。
1.1.3集装箱船舶配载应综合考虑箱位要求，保证货、箱质量，船舶安全
1）特殊箱装载问题
在各种集装箱的配载要求上，危险品箱、冷藏箱、平台箱等的特殊装载要求必须予以特别考虑。
危险货集装箱应配置在远离机舱、热源及船员生活、工作区，且便于监视和抛弃，又有良好的通风的安全处所。
同一船舶常常有些货舱的设计决定了不容许装载任何危险货箱，另一些货舱的设计仅限于配载《国际危规》定义的几类危险货箱。
因此，在为集装箱船舶选配大量仅限于舱内配载的危险货集装箱时，必须考虑船舶的这一限制条件。
同时，应按箱子内的危险货物的正确学名或联合国编号，查阅《国际危规》，确定不同危险品集装箱之间的具体隔离要求，严格配装。
冷藏集装箱装船后多数需要船舶电站连续提供电源。
受船舶电站容量和电源插座位置的限制，每一集装箱船所能承运的冷藏集装箱最大数量和装箱位置通常是确定的，不能任意配置。
平台集装箱只能配置于舱内或甲板上最高一层，它的上面不能再堆积任何集装箱。
此型集装箱由于经常装大件设备，所以配载时还应按超长、超宽或超高箱进行配位。
2）普通箱的装载问题
普通箱在船上配置问题可以看作是箱子的三维位置优化问题，其主要考虑点可用图1-1表示。
图1-1普通箱三维箱位选择考虑要素
1.2集装箱船舶配载应满足的要求
1.2.1充分利用船舶集装箱箱位容量和船舶净载重量
为了能提高集装箱船的营运经济效益，和普通货船不同的是，集装箱船存在一个如何充分利用船舶装箱容量的问题。
表征集装箱船装箱容量的大小，通常可从以下几个方面来衡量：
①标准箱容量（TEU）；
②20英尺集装箱容量；
③40英尺集装箱容量。
此外还有承运特殊集装箱的容量，集装箱船要承运特殊性质的集装箱往往要受到许多条件的限制，如承运冷藏箱时，其数量要受到船舶供电电源的限制；
承运超限集装箱可能需要占用两个或更多的箱位，因此这时的装箱数就达不到集装箱船装箱容量的指标。
弄清楚本船的装箱容量，对于能否承运更多的集装箱非常重要，否则就会出现箱位不够而必须退箱或浪费箱位的现象。
当航次40英尺集装箱的数量超过船舶40英尺集装箱容量，而此时20英尺集装箱箱位有富裕时，可以及时通知船公司或代理，要求将多出的40英尺集装箱货物改换成20英尺集装箱装载；
当航次冷藏箱数量超过船舶冷藏箱容量时，可以依据装货港条件，超容量冷藏箱数量，冷藏箱运费和箱位富裕情况等资料进行技术经济论证，研究是否能承租于甲板上的流动电站集装箱，用以向超容量的冷藏箱提供电源，以增加船舶承载冷藏箱的能力。
另外在装货港箱源充足的条件下，选配超限集装箱或其他特殊集装箱箱位时，应尽量减小承运此类集装箱所引起的箱位损失数量。
集装箱的稳性特点决定了其压载水使用的必要性，这使得集装箱船在完成集装箱运输任务的同时，必须将不能产生经济效益的压载水从一港运往另一港，造成运力和能源的浪费。
为此，要求我们在保证人员、船舶和货物安全的条件下，寻求最优的船舶配载方案，尽量减少压载量，提高船舶的集装箱载重量和减少船舶航行阻力。
因此，努力提高集装箱船舶配载计划的编制水平，合理确定不同卸货港轻重集装箱在舱内和舱面的分配比例，减少用于降低船舶重心高度所需打入的压载水，是充分利用集装箱船载重能力的主要措施。
同时，还应合理确定航次油水补给方案。
集装箱船由于航速快，每日消耗的油水重量大，中途挂靠港口又较多，因此在航线箱源充足的情况下应重视航次油水补给方案的经济论证，当船公司因减少油水储备而增加的装箱数量收取运费所获利益超过因采取中途港油水补给所引起的一切额外费用支出时，则应选择在中途港补给油水的方案，这当然是属于配载之外的问题。
1.2.2满足集装箱船舶稳性要求
集装箱船舶的稳性既要足够，又能保证船舶具有适当的横摇周期。
为了使得集装箱船舶稳性合适的范围，主要通过以下几种途径获得：
1）控制舱内和舱面所装集装箱的重量处于合适的比例范围；
2）在堆装高度上采用轻重箱的组合方案；
3）利用计算机配载软件按预配方案输入，进行稳性预算，在演算基础上，根据情况进行调整；
4）利用压载水的打进或排出来调整船舶重心高度，从而达到调整船舶稳性的目的。
1.2.3满足集装箱船舶强度和吃水差的要求
对于船舶的纵向强度和吃水差，由于两者都是船上重量的纵向分布情况决定的，所以在配载时应统筹兼顾。
通常可以采用以下一些方法：
合理配置各排集装箱重量，宜在船中部配装一些重量较大的集装箱；
合理安排各卸货港集装箱的箱位，适当分装于不同的箱排处；
通过合理压载来改善船舶纵向受力、吃水差状态并满足航行对最小吃水及吃水差的要求；
利用配载软件对实际装载状态的总纵强度和吃水差、首尾吃水予以校核。
在保证船舶扭转强度和横向强度方面，应做到各排集装箱横向上箱重均匀分布，各压载舱及其他舱室载荷重量也应左右对称分布。
在确定集装箱的垂向箱位时，应当保证舱内和甲板上每列集装箱总重分别不超过其装箱底座上的允许堆积负荷，以满足船舶局部强度的要求。
1.2.4满足集装箱船舶箱位配置及其堆装要求
集装箱船舶的配载既要满足特殊箱（如危险货集装箱、冷藏集装箱、平台集装箱等）的装载要求，也要满足普通箱的装载要求。
在普通箱的装载上，要考虑40英尺箱、20英尺箱的装载问题，在许多集装箱船上，有只能装载20英尺箱的箱位、只能装载40英尺箱的箱位和可以交替装载20英尺箱、40英尺箱的箱位三种。
当20英尺箱、40英尺箱混装时，一个基本原则是，40英尺箱上面不可配装20英尺箱，而20英尺箱上能否配装40英尺箱则视箱位的具体结构而定。
在轻、重箱装载问题上，要做到重箱在下，轻箱在上；
强结构的在下，轻结构的在上；
避免出现重箱压轻箱现象。
1.2.5满足集装箱装卸顺序和快速装卸要求
集装箱船通常中途挂靠一个以上港口，且往往多线作业，装卸同时进行，港口作业机械效率很高，船舶在港停泊时间短。
因此，合理选配箱位，满足集装箱装卸顺序和快速装卸要求，对确保船舶安全准班，减少不必要的港口费用支出具有重要意义。
一方面，编制集装箱配载计划时，要对船舶在整个航线的挂靠顺序、各挂靠港箱源情况、船舶舱盖形式、港口管理规定等进行综合考虑，避免或尽量减少中途港发生捣箱现象；
另一方面，要考虑集装箱泊位各装卸桥装卸时间均匀分配和装卸桥自动吊具、大车沿岸移动时间等问题，以满足船舶快速装卸的要求。
第二章现代物流管理对集装箱船舶配载系统的要求
2.1传统集装箱船舶配载的过程与方法
2.1.1集装箱船舶的配载过程
集装箱船配积载通常需要经历下列几个过程：
1）编制集装箱船“航次订舱单”
航次订舱单是船公司航（箱）运部门或其代理根据货主的托运申请为特定船舶具体航次分配待运集装箱的清单。
该清单通常按不同卸港、重量和不同箱类型列出，对特殊箱有必要的备注。
2）编制集装箱船配积载计划
编制集装箱船配积载计划通常的做法是借助于计算机，在船公司或其代理、装卸公司以及集装箱船船长、大副共同参与下，依靠传真、计算机网络等现代化通信手段进行文件传递，并经历预配、初配和审核三个过程才能完成。
●预配过程
集装箱船的预配工作是由船公司配积载部门、船舶代理或船上大副承担。
其任务是将航次订舱单上所列的每一只集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和快速装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上作一大致安排。
首先，配载人员将订箱单进行清理、分类，分成不同港序、不同尺寸以及特殊箱；
再者，对特殊箱定位，如危险品箱、冷藏箱及超高、超宽箱定位，然后考虑普通箱，满足装卸港序、船舶强度、稳性的要求，强度体现在沿船长方向上的箱子分布情况而稳性体现在甲板、舱内箱子的分配上，最后绘制船舶预配积载图。
该图所确定的航次装载方案通常需在计算机上专用装载计算系统上作粗略核算，以保证船舶各项指标符合要求。
该图绘制后需及时送交集装箱装卸公司。
●初配过程
集装箱装卸公司掌握着航次装船集装箱的动态，并负责这些货箱在码头的聚集并安排在堆场的箱位。
为保证集装箱装船过程有序而快速，在装船前装卸公司通常需要将装船集装箱按一定顺序安排于码头特定的堆场上，并编制集装箱装箱顺序表。
装卸公司的集装箱配载员根据装箱集装箱在堆场上的堆码情况，在既满足船舶预配积载计划的总体要求，又能减少码头堆场集装箱作业量的条件下，借助于集装箱计算机装载计算系统，在集装箱船的行箱位总图和行箱位图上按规定格式填入详细的集装箱数据。
●审核过程
集装箱船的初配积载计划在集装箱装船作业开始前送交集装箱船长和大副作全面审核。
船长和大副对初配积载计划按照集装箱箱位选配的基本原则以及满足装卸顺序和快速装卸要求，结合航线状况、本船航次油水的配置和消耗、船舶的装载特性、途中各挂靠港口的作业特点等内容，并保证船舶和货物的运输安全的条件下，在船舶计算机上利用集装箱装载计算系统进行船舶各项性能指标的全面核算。
如对初配积载计划有任何修改意见，船方应通过代理或直接与装卸公司协商解决。
只有经船长和大副核准并签字后，该初配计划才能作为知道船舶装箱作业的正式积载计划。
3）编制集装箱实配积载文件
集装箱积载计划在装箱过程中会因某些原因需要作一些修改。
船舶装箱完毕后，由船舶理货员依据现场记录负责绘制集装箱实配积载图，船上大副负责进行实际装载条件下船舶稳性、强度、吃水和吃水差的核算。
实配积载文件内容通常包括：
●全船行箱位总图（封面图）
●各行箱位图；
●集装箱装船统计表；
●船舶稳性、强度和吃水核算结果。
2.1.2传统集装箱船舶配载的方法
在传统集装箱船舶配载过程中，配载人员先是将订箱单按不同港序、特殊箱和40英尺、20英尺的排箱顺序进行清理、分类，然后，按照先特殊箱后普通箱的配箱原则，将航次订舱单上所列的每一集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和快速装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上做一大致安排。
在此过程中，为了方便于配箱的需要，通常要对集装箱做多次的排序，如第一次按照“主排序码：
卸箱港；
次排序码：
危险品箱；
次次排序码：
冷藏箱。
”的顺序排列，即按后卸港箱在前，先卸港箱在后；
同一卸箱港箱中危险品箱在最前面，冷藏箱随后，非危险品箱和非冷藏箱在最后。
在此情况下，按照危险品箱和冷藏箱的选择箱位原则，完成危险品箱和冷藏箱的特殊箱装载操作。
第二次按照“主排序码：
20ft/40ft箱；
箱重。
”的顺序排列，然后完成普通箱的装载操作。
在完成全部集装箱的装载后，要对装载情况进行检查，检查主要问题包括：
在满足装卸顺序和快速装卸等要求的条件下集装箱总体分布是否合理；
特殊箱（危险品箱、冷藏箱、平台箱等）是否满足箱位选择要求；
20英尺箱和40英尺箱的混装有无问题；
是否存在捣箱、40英尺箱子一半腾空现象；
各行箱位横倾力矩是否小于要求值（扭转强度问题）等。
在现有的条件下，这些查核往往停留在人工状态，受配载人员的工作成效和技能经验影响较大。
在完成以上工作后，根据船上实际加载燃润油、淡水等情况，在相应的油水舱内输入油水资料，然后制定压载方案，以计算船舶稳性、强度和吃水差等结果，这一步出现配载软件前由人工计算完成，而现在多由配载技术系统完成，不管怎样，其计算原理是相同的。
接着，根据把计算结果与规则、规范中规定的衡准指标或船舶设计中提供的要求值相比较校核，如有不符，重新调整集装箱的位置分配或压载水方案，直至满足要求为止。
综合以上分析，传统集装箱船舶配载的方法可以用图2-1表示：
否
是
否
是
图2-1传统集装箱船舶配积载系统流程图
2.1.3计算机配载的软件实现
计算机配载的软件实现，根据集装箱船舶的配载特点和人工配载的基本过程，研制开发计算机配载系统。
该系统由计算机系统、打印机、UPS电源、应用软件包等组成。
主要功能和过程包括：
1）信息输入
在主菜单下选择菜单按钮即可完成船舶信息、航次信息、装卸信息、计算使用规范选择、航区选择、干舷选择、油水舱装载信息输入等。
2）集装箱装载
单个集装箱信息输入与显示，即单个集装箱类型、尺寸、高度、重量、重心、垂向坐标、箱位号、箱格顺序号、使用人代码、始发港、到港、货主、备注说明等信息；
清除所有集装箱；
卸载某指定挂靠港集装箱；
快速装卸单个箱和全部集装箱；
显示全部装船集装箱清单；
修改、恢复单个箱信息。
3）纵倾及稳性计算
可分别满足CCS规范和IMO规范对稳性计算的要求，进行配载后船舶排水量、型排水体积、重心位置、浮心位置、自由液面惯性矩、初稳性高度、横摇周期、横摇角等静水力性能主要指标以及最大静稳性力臂及对应角、稳性曲线消失角、浸水角、风压倾侧力臂、稳性衡准数、横摇加速度衡准数等大倾角稳性计算，并用图表及曲线显示。
4）总纵强度校核
迅速、方便地根据船舶配载的要求计算船上任一配载和空载状态下船体指定部位的静水弯矩及静水剪力，并显示其最大许用值，也可计算因货物装载不均匀而产生的扭矩、稳性及水力性能的有关数据，并绘制出静水切力与弯矩曲线。
5）文件存取
选择主菜单下保存按钮，可保存已装载工况的积载情况；
选择主菜单下旧状态按钮，即可打开所保存各种已装载工况的积载情况。
6）打印功能
主菜单下选择报告打印按钮，即可打印本次积载过程报告的封面、重量总结表、油水装载情况总结表、纵倾及稳性计算图表、强度计算图表、集装箱装载清单、集装箱Bay图等。
2.1.4集装箱船舶的稳性、吃水差和强度的校核
2.1.4.1集装箱船稳性的计算和校核
首先，确定船用坐标系，以船舶中纵剖面、中横剖面和龙骨基线平面的交点为坐标原点O，并以三个平面相互的交线分别设为x、y、z轴，分别从船首垂线、船中纵线和船底龙骨基平面起算确定船舶、集装箱等的位置。
1）货物重量和货物重心计算
设第i行、j列、k层箱位上的集装箱重量为Pijk，i=1,2,…u;
j=1,2,…w;
k=1,2,…v。
分别从船首、左舷和舱内第一行、第一列和第一层起算，设船上共有C只集装箱。
全船集装箱总重量P：
（2-1）
货物重心纵向位置XP：
XP=（
）/P（2-2）
货物重心垂向
升级会员 