1．目的及意义

1、研究背景和意义

在激烈的国际竞争中，港口的竞争优势除了来自于港口的地理位置和腹地经济条件之外，港口的技术条件、作业效率和管理水平也是体现其竞争力的重要因素。在土地资源越来越昂贵的情况下，单从扩大港口占地面积上实现港口大型化、自动化已不能满足日益增长的集装箱吞吐量需求。合理调度港口作业资源可以提高集装箱装卸效率，减少集卡拥堵和翻箱率，在一定程度上提高港口的通过能力和业务发展。高效的码头操作能够使集装箱船准确靠泊，使集装箱快速的卸下或者装上船舶，一方面满足承运人的要求，实现快速周转从而降低成本的目的，另一方面也使码头在一定的时间内挂靠更多的船舶，从而提高码头的利润收入，进而增加整个港口的经济效益。

表1 2017全球港口集装箱吞吐量排名

港口调度工作是保证港口企业生产计划组织实施而进行的一系列部署、指挥、监督、协调和平衡的总称。泊位、岸桥、集卡和场桥等装卸设备的调度是集装箱港口生产运作管理系统的核心，也是港口现有资源中影响中转通过速度的核心资源之一。泊位作为集装箱码头的稀缺资源，岸桥作为港口集装箱码头最昂贵的设备之一，其工作质量更是直接影响到企业的经济效益。所以，如何将这些稀缺和昂贵资源合理利用，在这些原有的泊位数量的基础上，合理地分配泊位、岸桥和集卡数量己成为集装箱港口生产经营是否成功的关键，其工作的优劣在很大程度上直接影响港口的服务水平和服务能力。

理论意义：本方案研究的是集装箱码头岸桥与集卡的联合调度优化方法，为集装箱码头前沿生产组织优化提供了参考，弥补了现有调度优化方法在岸桥和集卡上研究的不足，进一步完善了岸桥和集卡调度理论。岸桥和集卡的调度模型属于多约束的动态调度，具有约束变量多，变化多样的特点，而且问题复杂。因此，结合目前国内外前沿的求解技术对该问题进行研究具有重要的理论意义。

应用价值：随着我国经济的飞速增长，我国的货物进出口量也随之增长，推动了集装箱运输快速发展。进出口货物的吞吐量的高速增长给集装箱码头带来较大效益的同时增加了港口的负担，对码头作业效率的有了更高的要求。如何对集装箱码头现有设备、资源进行合理配置与调度，使泊位一岸桥一集卡调度更加系统化、合理化，是我国集装箱码头面临的普遍问题。通过借鉴国外先进管理技术以及不断改进，我国集装箱码头管理水平得到不断提高，部分港口的作业效率居世界领先地位。但与国外先进港口相比，我国大部分集装箱码头生产自动化程度较低，在处理泊位一岸桥一集卡调度问题时还是以经验为主，生产调度系统的准确性、稳定性、可靠性还较低。因此，研究集装箱码头泊位一岸桥一集卡调度优化对提高我国集装箱码头作业效率具有实际意义。

2、国内外研究现状分析

国内很多学者对集装箱港口作业的涉及泊位、岸桥和集卡等稀缺资源，进行深入的研究，吕亚男^【1】重点分析了船舶到港至装卸作业完成这一过程，构建以集装箱港口作业岸桥等待时间最短和集卡作业时间最短为目标的泊位、岸桥、集卡和场桥资源的一体化调度优化模型，并采用禁忌搜索算法对模型求解，得到船舶靠泊次序，集卡、岸桥的最佳分配数量。倪晓畅^【2】在泊位数固定的情况下，讨论了单泊位岸桥数目的最优配置问题，对于拟建港口，讨论了泊位数和单泊位岸桥数目联合配置问题。采用通用案例进行Arena仿真建模，得出通用性结论。单浩^【3】以计划期内所有到港船舶作业费用最少为目标建立数学模型，针对模型规模的特点通过遗传算法求解，最后例验证模型的有效性。禹美凤^【4】根据柔性靠泊的集装箱船舶靠泊位置的多种服务规则，对模型设计基于遗传算法的启发式算法。算法在遵循先到先服务的原则下适当根据优先权大小对靠泊服务顺序进行调整。运用设计的算法对柔性靠泊方式下泊位一岸桥调度多目标实例模型进行求解，并对几种靠泊规则的最优解进行比较和分析，得到柔性靠泊方式下的泊位一岸桥调度最优方案及最优靠泊规则。

国外学者对于泊位分配问题的研究有：Edmond首次将泊位分配问题看作排队论问题，并建立数学模研究泊位分配问题。Lai和Shih采用先到先服务的规则研究泊位分配问题，并设计相应的启发式算法对优化的泊位分配数学模型进行求解，并且对求得的泊位分配方案对等待入泊时间、和平均泊位利用率等指标进行评估。证明求得的泊位分配方案的可行性。Kim建立了混合整数规划模型研究了针对大型集装箱船舶的泊位分配问题确定船舶的停靠位置和时间，设计模拟退火算法对模型进行求解。此后，很多学者对泊位分配问题的研究得到的分配方案与进行对比。Lee^【10】同样采用先到先服务的规则来研究到港船舶的泊位分配问题，设计相应的启发式算法求解泊位分配模型。在此之后，又以研究周期内所有到港船舶整体在港时间最短为目标研究连续型泊位分配问题，通过随机贪禁自适应搜索的算法求解模型。

综上所述，在集装箱码头调度方面，相关学者给出了多种解决方案和模型。总体来看可以分为两个方向，一是从数学模型入手，以到港船只整体在港时间最短或岸桥和集卡的等待时间最短或装卸作业能耗最少或装卸作业成本最小为目标函数，以资源配置作为决策变量来建立理论模型。采用遗传算法、禁忌搜索算法、粒子群算法等算法进行求解。这种方式对于已建成码头的调度具有一定的借鉴意义，但由于模型的使用条件有限，往往需要在模型前加入诸多假设，以至于可能偏离了码头的实际作业。且目前大多研究只考虑了两种资源之间的调度优化，如泊位与岸桥，岸桥与集卡，集卡与堆场机械，仅对作业链中某一环节进行优化并不能达到整体最优的效果。另一方向，则是从码头仿真进行入手，对码头实际情况采用相关软件进行模拟仿真，这种方式更贴合实际，已逐渐受到更多学者的青睐。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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3、研究内容

（1）对集装箱码头的布局和相关的作业设备设施的功能、布局做详细了解。同时对集装箱码头装卸作业流程进行分析，包括作业线模式、单船协同调度和多船协同调度模式。

图1 卸船作业流程

图2 装船作业流程

（2）根据研究的问题，以集装箱码头装卸作业为主要对象，在离散性泊位的基础上，以成本最小化或等待时间最小化为目标函数，建立数学优化模型，对到港船舶分配数量最合适的岸桥和集卡。

（3）了解遗传算法的相关原则和流程，采用遗传算法针对岸桥和集卡的联合调度问题进行细致分析设计。

图3 遗传算法求解流程图

（4）根据集装箱码头的具体事例，给出相关数据。代入相关变量和参数，对所用的模型进行求解。

（5）采用em-plant仿真软件设定相关参数，对传统的作业线模式和方案提及的单船协同调度进行仿真，比较两者的优缺点，同时验证模型的可行性。

4、技术路线

结合前人的研究方法和研究成果，本文将从当前的集装箱码头的实际情况出发，首先对集装箱码头的生产调度系统和当前有待解决的问题进行分析和研究，其后，以离散性泊位的码头装卸作业为环境，考虑静态岸桥调度，对岸桥和集卡的协同调度进行研究。假设船舶已经靠泊，集装箱的装卸顺序已事先确定，以装卸作业费用最少或等待时间最短为目标函数，为每个泊位分配的岸桥数量、为每个岸桥分配的集卡数量为决策变量建立相应的数学优化模型。采用遗传算法对模型进行求解，在遗传算法中，以目标函数作为适应值评估函数，采用轮盘赌的形式对后代进行选择，对不可行后代设立相应的惩罚因子进行处理。最后，采用em-plant仿真软件对传统的作业线模式和方案提及的单船协同调度进行仿真，比较两者的优缺点，同时验证模型的可行性。图4为此次研究的技术路线图：

图4 技术路线图3. 参考文献

1. 吕亚男.集装箱港口作业系统一体化调度研究[D].大连：大连海事大学，2012.

2. 倪晓畅.基于排队论的集装箱码头泊位与岸桥联合配置仿真[D].天津：天津大学，2012.

3. 单浩.集装箱码头泊位、岸桥和集卡协同调度优化研究[D].大连：大连海事大学，2013.

4. 禹美凤.基于柔性靠泊的集装箱港口泊位和岸桥的调度优化[D].杭州：浙江工业大学，2013.

5. 林嘉宏.不确定环境下泊位与岸桥的协同调度研究[D].北京：清华大学，2014.

6. 武慧荣.集装箱港口“船舶-场桥-列车”作业资源的调度优化[D].北京：北京交通大学，2015.

7. 严南南，杨莹.集装箱码头考虑集卡能耗的岸桥[J].广西大学学报，2016（6）：1950-1959.

8. 靳志宏，李娜．基于泊位计划的集装箱码头岸桥动态调度优化[J]．交通运输系统工程与信息，2011,11（3）：58-64.

9. JunliangHe，Youfang Huang，WeiYan，et al.Integratedinternal truck, yard crane and quay crane scheduling in a container terminal consideringenergy consumption[J].Expert Systems with Applications，2015（42）：2464-2487

10. Yusin Lee，Chuen-Yih Chen.An optimization heuristic for the berthscheduling problem[J].European Journal of Operational Research，2009,196（2）：500-508.

1．目的及意义

1、研究背景和意义

在激烈的国际竞争中，港口的竞争优势除了来自于港口的地理位置和腹地经济条件之外，港口的技术条件、作业效率和管理水平也是体现其竞争力的重要因素。在土地资源越来越昂贵的情况下，单从扩大港口占地面积上实现港口大型化、自动化已不能满足日益增长的集装箱吞吐量需求。合理调度港口作业资源可以提高集装箱装卸效率，减少集卡拥堵和翻箱率，在一定程度上提高港口的通过能力和业务发展。高效的码头操作能够使集装箱船准确靠泊，使集装箱快速的卸下或者装上船舶，一方面满足承运人的要求，实现快速周转从而降低成本的目的，另一方面也使码头在一定的时间内挂靠更多的船舶，从而提高码头的利润收入，进而增加整个港口的经济效益。

表1 2017全球港口集装箱吞吐量排名