集装箱码头泊位岸桥和集卡协同调度优化研究.docx

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集装箱码头泊位岸桥和集卡协同调度优化研究

分类号密级

UDC学校代码10497

学位论文

题目集装箱码头泊位、岸桥和集卡协同调度优化研究

英文Researchaboutcollaborativeschedulingoptimizationof

题目thecontainerberths,quaycraneandtruck

研究生姓名

指导教师

姓名辜勇职称副教授学位博士

单位名称物流工程学院邮编430063

副指导教师

姓名职称高级工程师

单位名称邮编

申请学位级别工程硕士工程领域名称物流工程

论文提交日期2014.10论文答辩日期

学位授予单位武汉理工大学学位授予日期

答辩委员会主席评阅人

2014年11月

独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。

签名：

日期：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。

同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

研究生（签名）：

导师（签名）：

日期

摘要

随着我国经济的飞速发展，国内的物流产业也快速的崛起。

集装箱运输作为物流产业中的一个关键点，其运输效率的高低会直接影响到物流经济的发展。

近年来，伴随着经济全球化的进步，我国各大港口的进出口货物数量不断增加，这直接导致了集装箱港口的吞吐量持续增加，港口之间的竞争变得更加激烈。

面对这样的经济环境，港口必然要不断提升自己的竞争力，在此方面，除了可以通过加大对港口硬件设施的建设之外，还可以强化港口对客户的服务质量。

实际上，对于港口来说作业效率的高低会直接影响客户的满意度，因此在原有的硬件基础上提高各个作业环节的效率已经成为当前港口提高顾客满意度的关键。

具体而言，港口在集装箱物流作业过程中，如何实现对船舶泊位分配，岸桥的协同调度以及集卡有效的分配是至关重要的环节。

为此，本文针对集装箱码头的泊位、岸桥与集卡协同调度优化问题展开了研究。

在本文的研究过程中，首先就国内外有关集装箱码头物流作业效率优化的研究现状进行了综述，并提出本文研究的核心内容和具体安排；之后针对集装箱码头的基本特点、主要作用、发展趋势以及基本作业流程展开阐述；在此基础上创新提出了集装箱码头泊位、岸桥、集卡的协同调度问题，进一步对三类资源之间的协同调度存在的主要问题进行了分析，并通过提出假设，设定模型的主要参数，构建了泊位、岸桥与集卡协同调度优化的目标函数与数学模型，确定其主要的约束条件；然后以经典的遗传算法为基础，对数学模型进行求解；最后，以国内某港口的实际数据和到港船舶信息为基础，实施算例分析，通过分析得出了针对该港口码头的泊位、岸桥与集卡协同调度的最佳分配方案。

本文的研究，是围绕整个集装箱码头物流作业系统的整体最优展开的，通过该方面的研究，对于进一步降低我国集装箱码头物流作业的运营成本，提升市场客户满意度并增加竞争优势具有即为重要的实践意义。

关键词：

泊位；岸桥；集卡；遗传算法；协同调度优化

Abstract

Withtherapiddevelopmentofoureconomy,thedomesticlogisticsindustryisrapidlyrising.Containertransportationisakeypointofthelogisticsindustry,thetransportationefficiencywilldirectlyaffectthelevelofdevelopmentofthelogisticseconomy.Inrecentyears,withtheeconomicglobalizationprogress,thenumberofChina'smajorportcargoimportandexportisincreasing,whichleddirectlytotheportcontainerthroughputincreasedcontinuously,thecompetitionamongtheportsisbecomingmoreandmoreintense.Thefaceofthiseconomicenvironment,theportisboundtocontinuetoenhancetheircompetitiveness,inthisregard,inadditiontotheconstructionoftheportbyincreasinghardwarefacilities,butalsostrengthentheporttothecustomerservicequality.Infact,fortheportoperationefficiencyhasadirectinfluenceoncustomersatisfaction,sothehardwareonthebasisoftheoriginalincreaseefficiencyoperationhasbecomethekeytoimprovethecustomersatisfactionofthecurrentport.Specifically,inportcontainerlogisticsoperationprocess,howtorealizetheshipberth,quaycraneschedulingandallocationofcollaborativetruckeffectivelyisveryimportant.Therefore,basedonthecontainerterminalberths,quaycraneandcontainertruckschedulingoptimizationproblemisstudied.

Intheresearchofthisthesis,first,summarizedtheresearchstatusathomeandabroadabouttheefficiencyofcontainerterminallogisticsoperation,optimizationandputforwardthecorecontentofthispaperandthespecificarrangement;basiccharacteristicsforcontainerterminal,afterthemainfunction,thedevelopmenttrendandthebasicoperationprocessarediscussed;basedontheproposedcollaborativeinnovationtheschedulingproblemofcontainerquayberth,quaycrane,truck,themainproblemsofcooperativeschedulingbetweenthethreetypesofresourcesareanalyzed,andthroughthehypothesis,tosettheparametersofthemodel,theobjectivefunctionandthemathematicalmodeloftheberthquaycraneandcontainertruckscheduling,collaborativeoptimization,themainconstraintconditions;thenbasedontheclassicalgeneticalgorithm,forsolvingthemathematicalmodel;finally,basedontheactualdataofadomesticporttoportandshippinginformationasthebasis,theimplementationofcaseanalysis,throughtheanalysisoftheoptimaldistributionschemeintheportberths,quaycraneandcontainertruckscheduling.Thisresearch,globaloptimizationofthecontainerterminallogisticsoperationsystemaroundthestart,bythestudy,tofurtherreducethewharfcontainerlogisticsinChina,operatingcosts,improvecustomersatisfactionandincreasethemarketcompetitiveadvantagehasimportantpracticalsignificance.

Keywords:

berth;kishiHashi;truck;geneticalgorithm;schedulingoptimization

目录

第1章绪论1

1.1选题背景及意义1

1.1.1选题背景1

1.1.2选题意义1

1.2国内外研究综述2

1.2.1国外研究综述2

1.2.2国内研究综述3

1.2.3研究评述4

1.3研究主要内容和基本框架5

第2章集装箱码头及其物流作业概述6

2.1集装箱码头概述6

2.1.1集装箱码头的概念及作用6

2.1.2集装箱码头的发展趋势6

2.2集装箱码头物流作业流程分析7

2.2.1集装箱码头的主要设施7

2.2.2集装箱码头的基本作业流程8

第3章集装箱码头协同调度模型的分析与构建10

3.1协同调度的基本问题分析10

3.1.1泊位岸桥的协同调度问题分析10

3.1.2集卡协同调度问题分析11

3.2遗传算法概述11

3.2.1遗传算法的基本思想11

3.2.2遗传算法的核心流程12

3.3协同调度优化模型的构建13

3.3.1基本条件假设13

3.3.2模型参数定义14

3.3.3数学模型的构建15

3.3.4约束条件的确立16

3.4模型的求解过程17

3.4.1个体编码18

3.4.2初始种群的产生18

3.4.3适应度函数的产生18

3.4.4遗传算法的执行19

第4章算例分析22

4.1算例设计22

4.1.1集装箱码头基础数据22

4.1.2集装箱码头泊位与船舶到港数据22

4.2算例求解23

4.2.1控制参数的确定23

4.2.2案例求解23

4.2.3结果分析26

第5章结论与展望27

5.1结论27

5.2展望27

参考文献29

致谢31

第1章绪论

1.1选题背景及意义

1.1.1选题背景

新世纪以来，伴随着市场经济的不断完善和发展，我国物流经济获得了长足的进步，货物进出口量明显增加，使得港口行业的增长趋势显现。

在我国绝大多数的港口中，集装箱吞吐量基本都实现了连续增长。

截止到2014年底，我国集装箱运输市场全面发展，进步明显，在全球排名前10的集装箱港口中，中国占据了其中的7席位置。

然而，在越来越庞大的集装箱港口吞吐量形势下，我国大部分集装箱港口都面临着巨大的运营压力，超负荷现象时有发生，造成这种现象的因素既包括有客观因素，也包括有主观因素，客观因素如港口本身的基础设施、地理位置等，而主观因素则包括有港口管理水平，作业技术条件等。

从根本上讲，我国的港口想要在市场竞争中获得较大优势，首要考虑的是如何为客户、船舶提供更为优良的服务，因此，集装箱港口物流作业的效率便成为了至关重要的运营指标。

从理论上讲，不断扩大集装箱港口的占地面积是最为有效的提高港口物流效率的手段，但这种手段在当前土地资源紧缺的背景下显得较为乏力。

因此，国内一些大型的港口开始从作业的优化调度方面展开效率的提升。

在集装箱港口物流作业过程中，涉及到泊位停靠、集装箱岸桥装卸、集卡运输等一系列环节，这些环节环环相扣，而集装箱港口整体作业效率的提升，便需要这几大环节实现有效协同和调度优化，才能促进整个码头作业的高效率与高水平，从而为客户提供更优的服务，同时也降低了港口作业成本。

由此可以看出，综合考虑集装箱码头泊位、岸桥、集卡三者之间的调度优化问题是当前解决港口物流运营困境的重要手段。

1.1.2选题意义

当前，我国正处于经济发展的调整时期，港口物流行业的高效发展和运营，是我国物流经济发展的重要推动力。

因此，本文对于集装箱码头泊位、岸桥、集卡协同调度优化的研究，无论从理论层面还是实践层面都具有重要的意义。

从理论层面来讲，有关集装箱码头的调度优化问题一直都是国内外学者研究的热点课题之一，它涉及到管理学、物流学、统筹学、信息学等多个领域，然而当前大部分的研究成果均是针对集装箱码头物流作业的局部环节进行优化并在实践中展开了应用，而从整个集装箱码头物流系统展开研究的理论成果相对较少。

因此，本文的研究，对于进一步补充和丰富集装箱码头在有限的资源环境中实现调度优化的研究成果具有重要的理论意义。

从实践层面来讲，本文所研究的利用泊位、岸桥和集卡的协同调度优化模型，与传统的扩展集装箱码头基础设施，进行泊位建设等提高码头作业效率的方式相比，具有更高的可行性。

因此，本文的研究对于进一步强化我国集装箱港口码头作业的管理水平和调度能力具有重要的现实意义；同时，在本文的研究过程中，借助了遗传算法，充分考虑了集装箱码头生产的成本，这对于进一步降低港口物流作业的运营成本，提升市场客户满意度并增加竞争优势具有即为重要的实践意义。

1.2国内外研究综述

1.2.1国外研究综述

多年以来，对于集装箱码头作业效率提升的问题已经成为了国外很多学者研究的常态问题之一。

无论是从泊位资源优化角度，或是从岸桥效率优化角度，还是从集卡运输优化角度都有不同的学者进行了研究，并取得了丰硕的成果。

在泊位资源优化方面的研究成果中，Edmond（1978）首次提出了泊位资源优化对于提升集装箱码头作业效率具有重要的作用，他利用排队论模型，进行了泊位分配的问题研究，得出了在离散式泊位分配模式下的资源具体划分方案[1]。

Lai与Shih（1992）同样对于码头泊位资源分配的问题展开了研究，他借助了启发式算法建立了码头泊位资源配置的数学模型，并根据相应的规则实施求解，最后针对具体的分配方案实施了以等待时间、泊位利用率等关键性指标的评价，验证了研究方案的可行性[2]。

Nagay等（2010）重点研究了船舶等待泊位的最短时间，借助非线性模型对集装箱码头的动态泊位资源调整进行了优化，提出了集装箱传播在不同服务优先级条件下的泊位资源配置最优模型[3]。

在岸桥效率优化方面的研究成果中，Daganzol（1989）首次提出了通过岸桥调度的方式来实现岸桥效率的优化，他通过建立混合整数规划模型及在此基础上实现求解，确定了集装箱船舶在岸桥调度中合理的配置数量[4]。

Zhu,Lim（2006）针对集装箱码头岸桥调度的优化进行了研究，综合利用分支定界法、贪婪算法以及遗传算法对动态环境中的岸桥调度进行决策，构建了船舶最短出行时间的模型[5]。

Bierwirth等（2010）通过对前人有关泊位、岸桥等方面的配置与调动优化文献进行统计汇总及分析后提出了岸桥资源调度的函数模型，并使用该函数模型进行了实例验证[6]。

在集卡运输优化的研究成果中，Bish（2001）提出了集装箱码头集卡调度的决策问题，并实现了和码头堆场分配的联合调度，通过启发式算法，对集卡与堆场分别从两个步骤展开了调度优化，一是以单一的集装箱在堆场资源中的分配，二是以集卡调度为核心，确定集装箱的具体位置[7]。

Han（2008）从平衡堆场资源的角度，实现了对集卡可能产生的交通拥堵问题的优化和解决，同样借助启发式算法，着力解决了中转型集装箱码头的集卡调度问题[8]。

Cao（2010）实现了对集卡资源与场桥的综合优化，构建了以作业最短时间为目标函数的混合整数规划模型，之后利用CPLEX软件进行了模型的求解，最后通过和分支定界法的结果进行比较，验证此模型的可用性[9]。

1.2.2国内研究综述

与国外研究相比，国内的研究起步相对较晚，但近年来随着我国港口物流的快速发展，国内学者对于集装箱港口物流作业的优化问题同样进行了深入的研究，研究的范围与方向和国外学者较为相近，也主要从泊位资源优化、岸桥效率优化和集卡运输优化三个方面展开。

在泊位资源优化研究成果中，张煌，王少梅（2007）针对连续性的泊位资源配置问题借助遗传算法建立了动态调度模型，充分考虑了岸桥调度对船舶泊位资源的影响；在此基础上构建了分段的染色体编码，对港口传播停泊的位置与顺序进行了体现；最后借助仿真的方法，对离散化动态调度与连续型动态调度展开对比[10]。

王红湘，严伟（2008）针对集装箱码头物流作业的泊位资源影响问题进行了研究，提出了以启发式算法为基础的动态泊位资源配置模型，并以我国上海的某一个集装箱码头为案例，针对构建的模型进行模拟，模拟结果显示这一模型可以进一步提升集装箱码头的作业效率和水平[11]。

许欢（2014）等研究了港口泊位分配模型和算法，在充分考虑船舶到港时间参数的基础上，将其作为决策变量引入到港口泊位分配模型中，并构建了船舶离港时间的最短优化模型，最后使用算例进行验证，结果发现，该模型可以大量减少船舶在岗等待的时间[12]。

在岸桥效率优化方面，靳志宏，李娜（2011）对集装箱码头的岸桥动态调度进行了优化，作者假设所有船舶都在泊位中安排了停靠时间与位置，考虑岸桥资源无法交叉作业的情况，其目标是降低船舶在港口的停靠时间，对此通过构建非线性数学规划模型，利用遗传算法实现求解，最终的仿真结果表明，这一模型是有效和适用的[13]。

秦进（2013）等对集装箱码头岸桥调度优化的模型进行了研究和构建，该模型以岸桥调度的费用最小为主要目标，在既定的岸桥无法穿越并具有一定距离的条件基础上，以混合整数规划的方式构建了多船舶的集装箱码头岸桥调度模型，并通过多个不同的算例进行验证后发现，使用该模型可以有效降低岸桥运营和调度的成本[14]。

在集卡运输优化方面，曾庆成（2008）提出了集装箱码头的集卡调度模型，并运用Q学习算法作为求解方法，得到了集卡调度在不同条件下的不同策略，研究结果发现，集装箱码头的集卡数量越多，利用Q学习算法得到的结果显示更为优化的调度策略[15]。

康志敏，吴洪明（2011）集合集装箱码头集卡调度存在的问题和主要特征，设计了基于集卡动态调度系统，并提出了有色Petri网构建的集卡动态调度基本构架及具体的调度方式[16]。

梁承姬（2014）等在时间窗约束条件下，建立了集卡分派和配置的不同模型，并利用公用变量实现不同模型的连接，最终构建集卡调度的耦合模型，在使用CPLEX进行求解后发现，耦合模型具有比分离模型更好的集卡调度效率[17]。

1.2.3研究评述

通过前文对国内外有关集装箱码头物流作业调度优化的研究文献可以发现，无论是国外还是国内学者，对于集装箱码头泊位、岸桥以及集卡方面的优化调度都有着丰富的研究，这三类资源调度的综合性优化也有涉及，但大部分的研究都是以其中的某一类资源或某两类资源实现调度优化的模型构建，并进行算法求解。

然而，对集装箱码头来讲，上述三类资源之间的关系是联动的，无论哪一个环节出现问题都有可能导致集装箱码头整体的作业效率。

换句话说，单纯地从某一种资源或环节，或者某两种资源或环节实现最优调度并不能满足整个集装箱码头物流系统的整体最优化，只有将泊位、岸桥和集卡三种资源或环节从整体上进行系统协同调度，才能达到集装箱码头的最优效率。

因此，本文正是基于上述文献的不足之处，展开课题研究的。

1.3研究主要内容和基本框架

本文主要围绕集装箱码头的泊位、岸桥与集卡的协同调度优化进行研究，研究的前提是结合港口的实际情况，充分调研泊位、岸桥、集卡等资源与作业现状，同时结合港口船舶的数量等，进行统筹协调规划，最终实现港口物流作业效率的最优化。

本文研究的主要内容包含以下几部分：

首先，在对集装箱码头基本概念解析的基础上，对集装箱码头的基本作业流程及核心调度环节展开分析，奠定本文研究的概念基础。

其次，对遗传算法进行简要介绍，之后进一步挖掘集装箱码头协同优化调度方面存在的问题的基础上，提出了泊位、岸桥与集卡协同调度优化的数学规划模型，并以遗传算法进行求解。

最后，以天津港码头为蓝本，通过收集的相关数据，选择合理的遗传参数，进行前文数学模型和算法的验证，证明此次课题研究的可行性。

论文研究的基本框架如下图1-1所示：

图1-1论文基本框架

第2章集装箱码头及其物流作业概述

集装箱码头作为我国物流发展过程中的重要枢纽，其所涉及到的整套体系是相对复杂的。

本章将首先针对集装箱码头的基本概念、功能、主要生产流程及调度展开分析，明确集装箱码头在物流作业过程中的关键点。

2.1集装箱码头概述

2.1.1集装箱码头的概念及作用

顾名思义，集装箱码头便是进行集装箱运输的码头，其具体的功能是为海上运输和陆地装卸提供连接的一种运输设施或体系。

换句话说，集装箱码头作为一个海陆中转站，是实现集装箱运输过程中到达、联运的核心枢纽，依靠集装箱码头，海上运输可以实现海洋与海洋之间，海洋与陆地之间的转换。

正因为如此，集装箱码头在运输系统中始终有着不可替代的位置。

归纳起来，集装箱码头的主要功能表现在如下几个方面：

第一，集装箱码头具有装卸与存储的功能。

几乎所有的集装箱码头都配备有堆场，作为货物运输装卸、仓储的场地，通过集装箱码头的这一功能，可以实现对集装箱运输过程中的疏密调节和缓冲，有效保障港口的秩序。

第二，集装箱码头具有对集装箱检验、接收及其它方面信息的处理功能。

对于国际集装箱货运而言，通过集装箱码头时，可实现通关检验等处理