课程设计集装箱码头.docx
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课程设计集装箱码头
集装箱码头课程设计
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摘要
本文研究的是集装箱码头堆场的叉车管理问题，通过对叉车的指派问题和行走的最短路径问题的研究，达到科学的安排叉车装卸作业的目的。
使用Excel办公软件，科学的分析和建模，成功解决以上物理运筹学的问题，得到最佳的生产分派方案。
让人们认识到Excel强大的计算功能，也更加能熟练操作Excel，为以后的学习和工作打下基础。
更认识到管理的数字化和科学化可以使物流运作中有限资源得到合理的计划、组织与分配，有效的协调和控制，达到最佳效益和效率。
关键字：
集装箱码头叉车管理，指派问题，最短路径问题，物流运筹学，Excel……
第一章引言
集装箱叉车是集装箱码头的常用装卸机械，主要用于吞吐量不大的综合性码头进行集装箱的装卸、堆垛、短距离搬运、车辆的装卸作业，是一种多功能机械，具有机动性灵活、通用性好、应用广泛、性能可靠、造价低廉等特点。
因此，在集装箱堆场中，对叉车的管理显得十分重要，在叉车数量有限的情况下，如何分配作业，如何安排叉车的移动路线，最大限度使叉车的作用最大化，成了本次课程设计研究的课题。
我们选取了两个问题研究，一个是叉车所在处到各箱区的指派问题，另一个是叉车行走的最短路径问题。
这些都属于物流运筹学的研究范畴。
传统的研究都建立在复杂的公式和大量的基础上，无形中增加了研究的难度，也容易出现误差。
如果我们用熟悉的Excel来做，那么需要做的仅仅是在Excel表格中建立能够完全描述问题的模型而已，剩下的计算就由计算机代劳，大大减低了计算的难度。
在科学计算上，使用Excel可以进行变量求解、假设分析、规划求解等，提供了强大的表格计算功能、灵活的数据库管理功能、多方面的数据分析功能。
本文详细介绍了应用Excel在物流运筹学中建模及求解的方法，通过例题进一步掌握运筹学有关方法原理、求解过程，提高学生分析问题和解决问题能力。
第二章叉车所在处到各箱区的指派问题
1.指派问题介绍
在物流活动中经常遇到各种性质的指派问题（Assignmentproblem），有n项目运输任务，恰好有n辆车可以承担这些运输任务，由于车型，载重，路线以及司机对道路的熟悉程度等方面的不同，效率也不一样，于是产生了应指派哪辆车去哪里完成哪项运输任务，使总效率最高（或者路程最短，或时间最短）的问题，这类问题称为指派问题。
需要说明的是：
指派问题实际上是一种特殊的运输问题。
其中出发地是人，目的地是工作。
只不过，每一个出发地的供应量都为1（因为每个人都要完成一项工作），每一个目的地的需求量都为1（因为每项工作都要完成）。
指派问题的假设:
（1）被指派者的数量和任务的数量是相同的
（2）每一个被指派者只完成一项任务
（3）每一项任务只能由一个被指派者来完成
（4）每个被指派者和每项任务的组合有一个相关成本
（5）目标是要确定怎样进行指派才能使得总成本最小
2.算例
某集装箱码头有6处地方提供装卸用叉车，现要为6个箱区提供装卸服务，叉车存放处与箱区之间的距离见下表，试拟定分派方案
表2-1叉车存放处与箱区之间的距离
叉车所在处
箱区
一
二
三
四
五
六
1
51
82
49
62
35
61
2
32
39
59
75
91
60
3
37
49
70
61
42
42
4
55
60
58
62
47
53
5
39
50
49
36
40
43
6
92
50
50
70
61
40
3.建模
设Xij为指派人员i去做工作j（i，j＝1,2,3,4）
0if第i台叉车不作业于j箱区
Xij∈
1if第i台叉车作业于j箱区
目标函数：
MinZ=51X11+82X12+49X13+62X14+35X15+61X16+......+40X66
约束条件：
X11+X12+X13+X14+X15+X16=1
X21+X22+X23+X24+X25+X26=1
X31+X32+X33+X34+X35+X36=1
X41+X42+X43+X44+X45+X46=1
X51+X52+X53+X54+X55+X56=1
X61+X62+X63+X64+X65+X66=1
4.Excel求解过程
简单的手工计算当然也是能找出最优答案，有一种快捷的求解方法：
匈牙利方法（HungarianMethod），但如果把例子改为40个叉车所在地去完成40个箱区的装卸任务，那手工计算就有一定的难度了。
如果我们用熟悉的Excel来做，那么需要做的仅仅是在Excel表格中建立能够完全描述问题的模型而已，剩下的计算就由计算机代劳，大大减低了计算的难度，Excel的“规划求解”还是采用“单纯形法”来求解。
第一步：
把数据输入表中，上半部为数据，下半部为模型，紫色阴影部分为可变单元格。
第二步：
在单位格B24中输入=Sumproduct（C4:
H9,C14:
H19）,公式Sumproduct计算的是两矩阵中各个相对应元素乘积的和，再按Enter键，该单元格为0。
第三步：
选择单元格，输入公式，计算总和,公式SUM计算的是一个范围内的数据求和。
（1）在单元格I14中输入=SUM（C14:
H14），选中复制，按住Ctrl+Shift+Enter,鼠标拖动，再按ENTER键，可以同理得出I15:
I19
（2）在单元格C20中输入=SUM（B18:
G18），选中复制，按住Ctrl+Shift+Enter,鼠标拖动，再按Enter键，可以同理得出D20:
H20
第四步：
加载规划求解工具：
“工具”→“加载宏”→勾选“规划求解”→“确定”
第五步：
选择“工具”中的“规划求解”弹出对话框
（1）设置目标单元格：
B12，选择“最小值”项，因为我们要求解的是所有的叉车到箱区总最短距离，从而使工作效率达到最大
（2）设置可变单元格：
C14:
H19,最终结果将出现在可变单元格中
（3）添加约束条件：
I14:
I19=1，表示每处的叉车只能对应一处堆场
C20:
H20=1,表示每处堆场只能由一处叉车进行装卸作业
C14:
H19,bin表示二进制，结果不是O就是1，这样就避免了小数的出现
第六步：
在“规划求解”对话框中，单击“选项”按钮，出现“规划求解选项”对话框，选择假定非负，单击“确定”
第七步：
在“规划求解参数”中的选择“求解”，出现以下对话框
点击报告中的运算结果报告（具有整数约束条件的问题无法生成敏感性报告和极限值报告）然后点确定按钮就在excel中生成了相应的报告，如图：
此时，可变单元格中也已生成了我们需要的结果
5．结果分析
应该指派叉车所在处1到箱区五进行装卸服务
叉车所在处2到箱区二进行装卸服务
叉车所在处3到箱区一进行装卸服务
叉车所在处4到箱区三进行装卸服务
叉车所在处5到箱区四进行装卸服务
叉车所在处6到箱区六进行装卸服务
最终可以使得叉车所行走的总距离最短，为245
6．变形
经常会遇到指派问题的变形，之所以称它们为变形，是因为它们都不满足平衡指派问题所有假设之中的一个或者多个。
一般考虑下面的一些特征：
（1）有些人并不能进行某项工作（相应的Xij＝0）;
（2）虽然每个人完成一项任务，但是任务比人多（人少事多）;
（3）虽然每一项任务只由一个人完成，但是人比任务多（人多事少）；
（4）某人可以同时被指派给多个任务（一人可做几件事）；
（5）某事可以由多人共同完成（一事可由多人完成）；
（6）目标是与指派有关的总利润最大而不是使总成本最小。
例如将上题中的箱区六去掉，问题改为：
6处地方提供装卸用叉车为5个箱区提供装卸服务，叉车存放处与箱区之间的距离见下表，试拟定分派方案
表2-2叉车存放处与箱区之间的距离
叉车所在处
箱区
一
二
三
四
五
1
51
82
49
62
35
2
32
39
59
75
91
3
37
49
70
61
42
4
55
60
58
62
47
5
39
50
49
36
40
6
92
50
50
70
61
我们同样可以用EXCEL求解，按上题的方法输入模型和变量，在目标函数单元格C21输入=SUMPRODUCT（C4:
G9,C13:
G18），选择单元格H13:
H18C19:
G19，输入公式，计算总和。
至此，与不变形的指派问题是一样的。
变形的指派问题不同之处在于规划求解中的约束条件，有些小小的改动。
点击报告中的运算结果报告（具有整数约束条件的问题无法生成敏感性报告和极限值报告）然后点确定按钮就在excel中生成了相应的报告
即应指派叉车1到箱区五进行装卸服务
叉车2到箱区二进行装卸服务
叉车3到箱区一进行装卸服务
叉车5到箱区四进行装卸服务
叉车6到箱区三进行装卸服务
最终可以使得叉车所行走的总距离最短，为245
第三章叉车行走的最短路径问题
1.最短路径问题介绍
在实际生产和生活中，很多问题的求解可以归纳为最短路径的问题，如两地之间的管道铺设，线路安排，道路修筑，运路选取等；再如工厂布局，设备更新等问题也可以转化为最短路径的问题。
最短路问题的假设
（1）网络中选择一条路,始于某源点终于目标地
（2）连接两个节点的连线叫做边（允许任一个方向行进），弧（只允许沿着一个方向行进）
（3）和每条边相关的一个非负数，叫做该边的长度
（4）目标是为了寻找从源到目标地的最短路
2.算例
某叉车在①处，现需移到⑦处进行装卸作业，他需要通过中间几个站点连接到达最终目的地，各点之间的距离如图所示，找出叉车行走的最短路径，以达到节约成本的目的。
图3-1最短路径节点图
3.Excel求解过程
用EXCEL来求最短路径的原理是：
令变量为0或1，即如果最短路径通过该节点，则设变量为1，不通过则为0，除起点和终点外，每个中间点的进出权数和是0，起点的进出权数是1，终点是-1，目标函数是各边权数和对应变量乘积的和。
于是我们可以得到一组等式约束，通过求解可以得到最短路径。
第一步：
所有数据输入表中如图，其中左边蓝色部分为数据，右边紫色阴影部分为变量：
第二步：
在单元格C18:
C24，输入公式，计算节点进出和。
（1）在单元格C6中输入目标函数计算公式=SUMPRODUCT（D3:
D15,E3:
E15），公式SUMEPRODUCT计算的是两矩阵中各个相对应元素乘积的和，再按ENTER键，该单元格为0。
（2）节点的进出和=该节点的流出量-该节点的流入量
例如节点2可以流向节点3,4,5，但只能选择一条路走，流入节点2的路也只有节点1，所以每个中间点的进出权数和是0，依次类推。
节点1是总流出节点，所以起点的进出权数是1。
节点7是总流入节点，不再流出，所以终点的惊出权数是-1。
第三步：
设置规划求解参数
（1）设置目标单元格C26，因为要求的是最短路径问题，所以选择“最小值”项
（2）设置可变单元格E3:
E15,最终结果将出现在可变单元格中
（3）设置约束条件：
C18:
C24=E18:
E24,表示步骤二的进出权数约束；E3:
E15=二进制，代表了整数规划的思想，令变量为0或1，即如果最短路径通过该节点，则设变量为1，不通过则为0
第四步：
点击“求解”按钮，得到如图所示结果，图中变量1就是最短路径通过的节点。
运算结果报告
4.结果分析
叉车通过的节点顺序为1-3-6-7，总最短路程是70。
第五章结论
通过这次课程设计，学会了通过建立模型解决集装
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