摘 要

随着海外贸易往来的越发频繁，港口作业的效率也随着稳步提高。目前许多港口仍采用单一港口多资源调度法，但这种调度方式很难跟上的港口的作业节奏，经常出现锚地拥堵，港口积压等问题。为了能解决单一港口调度的不足，本文推出了多港口联合调度的作业方法。多港口联合调度法需要综合考虑多个港口多个泊位，在按时完成任务的前提下，减小船舶在港内停留的时间，节约港口的成本，充分利用港口资源，提高港口的竞争能力。本文以所有船舶在港总时间最短为目标建立多港口多泊位联合调度的非线性模型，再根据港口实际的作业情况建立合理的约束条件，然后选择恰当的算法求解模型，最后给出优化后的调度方案。

关键字：调度；联合调度；非线性模型

abstract

With the increasing frequency of overseas trade, the efficiency of port operation has been steadily improved. At present, single port and multi-resource dispatching is mostly used, but this dispatching method is difficult to keep up with the operation rhythm of the port, and there are often problems such as anchorage congestion and port backlog. In order to solve the shortcomings of single port dispatching, this paper presents a multi-port joint dispatching operation method. The multi-port joint dispatching method needs to consider all kinds of factors comprehensively. On the premise of completing the task on time, it can reduce the time of ships staying in the port, save the cost of the port, make full use of the port resources and improve the competitiveness of the port. This paper establishes a non-linear model of multi-port multi-objective joint dispatching, establishes reasonable constraints according to the actual operation conditions of the port, and then chooses appropriate algorithm to solve the model, and gives the optimized dispatching scheme.

Key words: scheduling; joint scheduling; non-linear model

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.1.1研究的背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3论文的研究内容以及组织结构 3

第2章 集装箱码头基本情况的概述 4

2.1集装箱码头基本概况的介绍 4

2.2船舶进入港口进行装卸作业的流程的介绍 5

2.3码头调度作业的介绍 5

2.3.1码头调度作业的基本内容 5

2.3.2码头调度的要求 6

2.4本章小结 6

第3章 模型的构建与求解 7

3.1问题描述 7

3.2模型的假设 7

3.3模型建立 7

3.4算法的设计 9

3.4.1遗传算法 9

3.4.2遗传算法的求解过程 10

3.5模型求解 11

3.5.1初始编码的生成 11

3.5.2编码的重新调整 12

3.5.3适应度函数 12

3.5.4选择 12

3.5.5双点交叉 13

3.5.6变异 13

3.5.7算法参数的控制 14

3.5.8终止条件 15

3.6本章小结 15

第4章 真实算例的计算与分析 16

4.1算例背景 16

4.2真实算例 16

4.3算例求解 17

4.4 优化前后的数据比较 21

4.5结论 22

第5章 经济性与环保性分析 23

5.1经济性分析 23

5.2环保性分析 23

第6章 总结与展望 24

6.1论文总结 24

6.2研究展望 24

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1研究的背景

港口是陆路交通和水路交通的关节部分，它是货物的集中堆放地，也是船舶和其他运输工具的连结点。它可以提供船舶靠泊服务、装船与卸船服务，同时还提供旅客上船下船、货物进出口等业务。它使两种本来毫无关联的运输线路彼此相连形成了一个较大的完整的区域运输网。港口与运输网络的这种有机联系构成了开发港航经济的良好条件，从而促进整个港口经济带的快速发展。

在社会生产力的发展过程中，国民经济可以快速的发展离不开港行领域的建设。一般大型的制造企业都依傍于港口，这种企业需要有一个大型的贸易平台作为支撑，有了这种贸易平台货物才能快速中转，进而推动制造业的发展。港口正好是一个大型的货物中转平台，许多企业依附于港口建立，因为这样可以从地域上获得巨大优势，从而提高企业竞争力。港口首先影响企业的布局，其次也可以影响交通的布局。从历史到现代，各个港口无一例外都是交通线路的汇聚点，围绕港口周边形成了一个巨大的交通网络体系。在这个网络体系中港口的贸易往来便是驱动交通流动的动力。

港口对物流高效的处理能力离不开港口的基础设备与设施。港口的基础设施包括港口的泊位、锚地、航道、导航设施、通信设备、装卸设备等。这些是港口的基础设施，同时也是组成港口的基本要素，这些要素的好坏直接和现实中港口的综合生产能力挂钩，同时也决定着将来港口的发展趋势。港口设施的综合工作能力决定着港口的总体的工作效率。如果所有的设备先进，工作效率高，则整个港口处理货物的能力就会很强，港口工作效率随之提高。其完善的水平直接关乎着港口的发展前景，影响着港口在整个港口体系中的作用和地位，也决定着未来港口应该往什么方向发展。一套完善的基础设施也是参与国际贸易与国际航运接轨的必备条件。

港口的通货效率的高低是决定一个港口实力强弱的重要因素。要提高作业效率除了需要上述的港口的硬件设备外，还需要合理的调度策略。按照作用对象的不同，可以把港口的调度分成人员的调度和设备的调度以及船舶调度。其中设备调度和调度船舶调度是所有调度中最重要的部分。良好的调度方案可以让整个港口的高效运行，因此制定良好的调度策略能够很大程度地提高港口的作业效率，减少船舶在港口内停留的时间，降低船公司与港口的成本，充分利用港口资源。

1.1.2研究意义

港口船舶合理地的调度对港口的发展起到了重要的推动作用，一个合理的调度方案将会使港口作业效率有着显著的提高。传统的单一港口多资源调度已经不能满足高效率的作业要求，这种传统的调度方式虽然简单但却存在许多缺陷。比如，当到港的船舶很多时，港口的所有泊位完全不够用，这将导致船舶将要等待很长的时间才能离开，产生典型的船舶压港现象。另外，因为一个港口的硬件设备有限，并不一定能满足所有船舶的需求，这种情况将会对港口的作业效率产生很大影响。上述的所有现象均不利于高效率的作业要求，会增加船舶的在港时间，增加港口的成本负担。

针对单一港口调度的不足，本文提出了多港口多资源的联合调度法，该方案是建立在传统的单一港口调度的基础上的改进方案。区别于传统的调度方发法，新的调度方案可一次对多个港口同时进行调度。船进入港口后，按照船的大小，吃水深度，以及特殊要求将其分配到相应的泊位上。

1.2国内外研究现状

有许多国内外学者已经对集装箱港口调度做了相关的研究。王中华在原有的泊位调度的基础上建立多船种、多货种、多装卸设备的动态调度模型。解决了调度过程中装卸设备与货物类型不匹配的难题。刘光研究了集装箱港口泊位调度和拖轮调度，并采用粒子群算法快速找出全局最优解，提高了泊位调度和拖轮调度的作业效率。吴泰云研究了不同船型的多泊位调度问题，采用蚁群算法对模型求解，得到优化后的调度方案，增加了港口的作业效率。吕如福采用蚁群算法探索多目标优化问题的解决方案，从多个方面综合考虑，建立有关作业成本的非线性模型，并最终得到优化方案，降低了港口的资源的消耗。王素明研究了船舶接受装卸服务时的资源调度问题，以消耗资源最小为目标建立模型，利用蚁群算法求解模型，最终得到优化后的调度方案，减小了港口资源的消耗。国外学者中，Imai和Etsuko分别从动态和静态两个方面来研究泊位分配问题，以所有船舶在锚等待时间最小为目标建立数学模型，然后分别从动态和静态两个方面对模型进行求解，最终得到动态和静态两种优化方案。Imai和Etsuko还研究了各项作业延迟对调度的影响，并提出了针对复杂的港口问题的解决方案。

1.3论文的研究内容以及组织结构

本文将采用多港口多泊位的联合调度的方式建立船舶在港时间最短模型，综合考虑各种因素，如船舶的长度，船舶的吃水深度，集装箱船的装卸量，港口的泊位数，泊位的长度，泊位的深度并给出约束条件，然后根据所给的条件，在可行范围内求解模型，确定船舶停靠泊位的时间，并得出所有船舶在港的总时间的最小值。最后查阅某港口的调度作业时间表，将其中的已知数据带入模型进行优化，最后得到优化后的作业时间表。

本文一共分为六个章节，主要内容如下：

第一章：绪论，主要介绍课题的研究意义和背景。

第二章：集装箱码头的基本介绍以及各项工作的作业流程

第三章：多港口多泊位联合调度的模型建立和求解

第四章：港口真实数据带入模型求解并分析并作出总结

第五章：总结与展望

第2章 集装箱码头基本情况的概述

为了让读者更清楚本文的研究内容，下面将分别介绍与研究内容相关的港口的基础设施，船舶进出港的作业流程，以及港口调度的作业流程。

2.1集装箱码头基本概况的介绍

集装箱码头按照地理区域的不同可以分为水域部分和陆域部分。水域部分包括锚地、港池、进出港航道、泊位等。陆域部分包括堆场、货运站、码头前沿、办公生活区域等。下面将简单介绍与本文有关的几个组成部分。

1. 锚地：锚地一般设在港外，是为船舶提供避风场所、停泊等待、和海关检查的作业水域。锚地的面积由是由停靠的船舶数量以及水域的风浪和流速决定的。首先，锚地水域一定要有足够的深度，锚地的底层土质应该为泥质或砂质，更有利于船舶的停靠。其次锚地要有足够的空间，为船舶提供足够面积的停靠场地，以免船舶互相妨碍，影响正常的停靠与航行。海港中的锚地一般可以分为两类，一类是外港锚地，另一类是内港锚地。外港锚地主要设在港外，可供船舶停靠，方便进行船检作业。内港锚地一般设在港内水域，船舶可以再内港水临时停驻或者进行水上装卸作业等。
2. 泊位：港口的泊位就是船舶停靠的场所。大部分船舶进港的最终目的就是进入泊位接受服务。船舶进入港口后在锚地等待调度，若有泊位空闲且满足相关条件，船舶便会接到调度信息，然后航行进入指定泊位，再进行靠泊作业，并且泊位上接受装船或者卸船的服务。为了保证这一系列的任务可以顺利完成，泊位的参数必须和船舶的参数相互匹配。首先，泊位的深度一定不能小于船舶的吃水深度，如果该条件不满足，那么船舶进入泊位后便会搁浅。其次，泊位的长度不能小于船的长度，如果泊位的尺寸小于船舶的尺寸，那么船舶便不能进入泊位，即使进入了泊位也会没有足够回旋水域离开泊位。所以合理的调度是非常重要的。
3. 岸桥：泊位上主要的装卸设备便是岸桥，主要完成装船和卸船工作，因此它又被称为岸边集装箱起重机。岸桥的种类有很多，按照不同的分类标准，可以将其分为不同的种类。例如按照主梁的结构形式分类可以分为：单箱形梁式、双箱形梁式、桁架式、板梁与桁架组合式。按照接受服务船型的船型可分为巴拿马型和超巴拿马型。

2.2船舶进入港口进行装卸作业的流程的介绍

船舶到港之前向港口的相关部门预报，一般是到港的前24小时进行预报，如果航行时间不足24小时的，要在开船时就要预报。港口获取船舶的信息审核通过后准许船舶驶入港口水域，并将船分配到锚地等待调度。当船舶接到调度信息后，按照调度要求把船开进港口内对应的泊位上并开始卸货。与此同时船代或者货代凭借装船的货物记录表单或者货运清单到港口的业务部门报道，办理入库场、理货、缴费、码头泊位卸船等作业手续。卸船完毕后，根据不同的需要办理相关的证明，并完成各项业务的确认后，再办理出港手续，最后船舶空出泊位，离开港口。

2.3码头调度作业的介绍

2.3.1码头调度作业的基本内容

码头作业的基本工作可以分为三个部分：计划、现场、控制。计划调度是集装箱码头调度作业中最重要的环节，它又包括堆场计划、配载计划、泊位计划。其中堆场计划就是整理堆场，给货物安排堆位，还要处理一些有特殊要求的箱柜，比如冷藏柜、指定柜和特种柜等。配载计划就是接受班轮公司的配载要求，提前安排好卸船或者装船所需的设备与设施，并且拟定最终配载图。泊位计划就是调度部门安排船舶停靠在相应泊位的计划，根据船舶信息，为其匹配合适的泊位，并联系引航部门与检查部门处理船舶停靠的和离岗的相关事宜。

现场调度区别于其他调度，它是再生成的调度计划的基础上负责场内的作业效率和安全。如果遇到突发情况可以及时处理，保证作业的顺利进行。此外还负责联系边检部门，确认检察信息。现场调度在整个码头调度环节中的工作量是最小的，但是也是不可或缺的，因为它可以保证港口作业的顺利完成。 

控制调度主要是为了维持码头作业的有序进行，它需要控制各项作业的完成效率，从而保证整个码头上各项工作体系的高效运行。控制方式主要依靠网络进行，码头的各个作业设备都装有各种传感设施，以获取作业机构的当前状态信息。这种状态信息通过网络传到控制室，相关人员得到并分析数据，得出此时作业机构的工作状态，若发现异常就及时修改数据，改变作业机构的工作状态，从而控制作业效率。要完成这种控制模式需要码头的软件与硬件支持，软件包括信息处理、数据的调整、数据的输入与输出。硬件包括码头各个作业设备上的信息采集装置，例如安装在泊位、岸桥、堆场的摄像装置。控制调度的水平也可以作为衡量码头自动化程度的参数。一般来说控制调度水平越高，其码头的自动化程度就越高。

2.3.2码头调度的要求

码头调度总的要求是：综合考虑港口内各项因素，合理的将各个要素分配到各个工作岗位上，既能充分利用每个生产要素，又可以保证码头生产计划以及码头内外各项作业持续稳定地进行。码头调度的具体要求是：

　　(1)有预见性。码头作业的过程会受到很多因素的干扰，有外部因素也有内在因素。比如天气的变化、船舶到港延时属于外在因素，设备的故障和操作失误属于内在因素。调度人员需要有一定的预见能力，可以提前发现各项作业中的隐患。事先做好对应的措施，防患于未然，减小或者消除不利因素对生产的影响。

(2)有计划性。提前制定计划是调度工作的基本内容。调度部门不但需要制定调度计划，同时也需要跟踪计划完成的进度，保证实际作业和计划的内容相符，并以计划内容为目标，稳步高效地完成作业任务，保证港口各项作业顺利完成。

　　(3)高度集中性。码头的调度内容虽然有多种，调度方式也不尽相同，但是所有的调度计划都需要遵循领导的安排和指挥，它具有很高的统一性。一切涉及船舶作业的计划和方案，都由调度部门审核通过。同时，遇到有关码头经营上的突发状况时，需要统一汇报，并由上级来制定解决措施和方案，然后将指令下达给调度部门，然后调度部门依据上级的指令解决问题。

(4)及时性。码头各项作业都与时间相关，例如船舶进港时间、离港时间、卸船时间等。所以在调度计划下达之后要及时行动，完成调度计划。当遇到问题时要及时汇报，及时反应，及时采取措施补救，正确且高效地解决问题。

　　(5)经常性。船舶的进港是随机的，可以是一天中的任何时刻，因此码头调度部门必须每天都要持续工作。调度部门要随时检查和掌握各个工作环节的进展情况以及装卸设备的运行状况，同时还要掌握劳动力的分配及工作状况、安全操作规范和生产质量情况，要充分掌握工作进程，并对作业过程进行管控与协调。

2.4本章小结

为了让读者更清楚地了解港口的硬件设施以及港口的各种作业的基本流程，本章分别对港口进行了简单介绍，然后又介绍了码头调度作业的工作内容，按照工作种类分为三类，分别是：计划、现场和控制。接着有介绍了码头的调度作业的要求。正因为有这些要求，港口的各项作业才能稳步高效地进行。

第3章 模型的构建与求解

3.1问题描述

在某一连续的时间段内，有若干集装箱船需要进港靠泊进行装卸作业，然后通过合理调度将这些船分配到港口的各个泊位。每个港口都有多种起重装卸设备，本文主要针对集装箱船进行装卸作业，固只考虑一种起重设备。对于同一港口来说，起重设备种类和型号相同，每个泊位装卸设备是固定的，因此装卸效率基本相近。已知各个泊位的装卸效率，船舶的到港时间，船舶的长度，船舶的吃水线深度，船舶的装卸作业量。最后以船舶在港内停留的总时间最短为目标，综合考虑各种因素，将每个船只合理地分配到各个港口的各个泊位上完成装卸作业，最终确定船舶接受服务的时间和离港时间。

3.2模型的假设

（1）泊位是离散的

（2）同一港口的泊位装卸效率是相同的

（3）所有船舶的到港时间是确定的，不会因特殊情况而改变时间

（4）每个装卸设备无故障产生

（5）每个泊位的岸桥数是一定的

（6）不考虑船舶靠泊所需要的时间

3.3模型建立

符号说明：

g:港口,集合G={1,2,3,4.......n}

b:某个港口的第b个泊位,集合B={1,2,3,4.......n}

c:船舶,集合A={1,2,3,4.......n}

P:船舶在泊位停靠的顺序,集合K={1,2,3,4.......n}