摘 要

随着自动化集装箱码头的发展，对于如何提高自动化集装箱码头的作业效率也日渐成为热点问题，而作为自动化集装箱码头重要组成部分的堆场的作业效率也被许多专家学者在研究，有些学者从堆场布局进行研究，有些学者从堆场机械配置进行研究，有些学者从堆场场桥与AGV（自动导引小车）或堆场场桥与外集卡进行研究，本文主要从自动化集装箱码头堆场箱区双轨道吊配置的现状出发，研究堆场场桥的调度问题，提出接力调度模式和混合调度模式对自动化集装箱码头堆场轨道吊调度进行优化。

本文以最小化轨道吊作业总完成时间为目标，在假设的理想条件下，针对接力调度模式和混合调度模式，建立了混合整数规划模型，并设计遗传算法进行模型求解，然后对洋山四期自动化集装箱码头堆场某无悬臂箱区进行了实证分析，得出了混合调度模式是比较优化的堆场轨道吊调度模式。

在理想条件下得到的结论虽然与实际生产具有差距，但可以对自动化集装箱码头堆场场桥调度模式提供理论依据和实践参考意义。

关键词：自动化集装箱码头；双场桥；调度优化；混合整数规划

Abstract

With the development of automated container terminal, on how to improve the working efficiency of the container terminal are also increasingly become a hot issue, and as an important part of the automated container terminal yard of operation efficiency by many experts and scholars in the study, also from the yard layout study, from the yard to study the mechanical configuration, from yard bridge and AGV (automatic guided vehicles) or yard field study of bridge with outside set card, In this paper, based on the current situation of the configuration of double track cranes in the yard area of automated container terminal, the scheduling problem of yard and yard bridge is studied, and the relay scheduling mode and mixed scheduling mode are proposed to optimize the scheduling of track cranes in the yard of automated container terminal.

Based on minimizing the rail crane total completion time of operation as the goal, under the assumption that under ideal conditions, in view of the relay scheduling model and the mixed operation pattern, the mixed integer programming model was established, and designs genetic algorithm for model, then based on the four phase of Yangshan automated container terminal yard a cantilever box area has carried on the instance analysis, obtained the hybrid scheduling model is the optimization of yard track crane scheduling model.

Although the conclusion obtained under ideal conditions is different from the actual production, it can provide theoretical basis and practical reference significance for the yard bridge dispatching mode of automated container terminal.

Key Words：Automated container terminal；Double track crane；Scheduling optimization；Mixed integer programming

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的与意义 1

1.2 国内外相关研究现状综述 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究方法及技术路线 3

第2章 自动化集装箱码头现状及场桥调度现状分析 5

2.1 国内外自动化集装箱码头发展现状 5

2.2 自动化集装箱码头装卸工艺发展现状 6

2.2.1 早期自动化集装箱码头装卸工艺现状 6

2.2.2 1990年至2010年期间自动化集装箱码头装卸工艺改进 6

2.2.3 2010年后自动化集装箱码头装卸工艺现状 8

2.2.4 自动化集装箱码头装卸工艺发展评述 9

2.3 自动化集装箱码头堆场场桥调度存在的问题分析 10

第3章 自动化集装箱码头堆场场桥调度优化方法 11

3.1 模型选择及相关算法理论概述 11

3.1.1 模型选择 11

3.1.2 遗传算法求解的基本内容 11

3.1.3 应用遗传算法的求解步骤 11

3.2 自动化集装箱码头场桥调度优化建模 12

3.2.1 模型假设及作业要求 12

3.2.2 变量定义 13

3.2.3 模型构建 14

3.3 设计遗传算法进行模型求解 15

3.3.1 编码和解码 15

3.3.2 交叉 17

3.3.3 变异 18

第4章 洋山四期自动化集装箱码头场桥优化调度实证分析 20

4.1 洋山四期自动化集装箱码头概况 20

4.2 堆场场桥调度优化求解 21

4.2.1 参数及数据输入 21

4.2.2 两种模式下模型求解 22

4.2.3 结果分析 24

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 目的与意义

随着世界贸易的迅猛发展和经济的全球化，集装箱港口得到了高速发展，全世界各个集装箱港口的吞吐量在持续快速的增长。为了满足越来越多的大型化集装箱船舶和航运业联盟化的趋势，安全、环保、节省人力的自动化集装箱码头(Automated Container Terminals) 越来越受到重视。因此规划和建设自动化码头也开始成为全球各大港口的内在需求和发展必要。在此背景下，研究如何提高ACT码头的生产效益和效率也成为了热点问题。

自动化堆场作为自动化码头的重要组成部分，几乎与所有的港口作业都有密切关联，堆场的效率会直接影响整个码头的运作效率，因此提高堆场的作业效率是港口工作的重点。而场桥作为自动化集装箱堆场的主要机械，它的效率将直接影响堆场的效率，对于自动化集装箱码头，一般采用的是双场桥的配置，场桥与海侧的AGV以及陆侧的外集卡的配合非常重要，两个场桥之间的配合也很重要，如果能很好的处理好两侧场桥与AGV和外集卡的关系，将非常有效的提高整个码头的生产效率。所以研究堆场场桥资源的优化配置调度对于自动化集装箱码头还是非常有意义的。

自动化集装箱码头堆场每箱区的双轨道吊的配置，必然导致两台轨道吊在进行存取箱作业时存在冲突，当冲突发生时，必然有一台轨道吊不能正常作业，这样就会严重影响堆场的作业效率。对同一箱区的两台轨道吊的调度进行优化能够显著提高整个堆场的作业效率，对提高整个码头的生产效率和提升整个码头的生产效益具有重要意义。

本文通过借鉴参考国内外的研究成果，针对自动化集装箱码头场桥调度的现状，运用定性分析和定量分析相结合的方法，以提高自动化集装箱码头堆场作业效率为目的，对自动化集装箱码头堆场场桥资源的调度进行优化研究。通过研究自动化集装箱码头堆场场桥资源的优化调度，提高堆场的装卸效率，从而提高整个码头的工作效率。

1.2 国内外相关研究现状综述

1.2.1 国内研究现状

我国自动化集装箱码头建设起步较晚，但发展的比较快，随着我国“一带一路”建设的大力推进，港口作为“一带一路”战略版图上的重要环节，自动化集装箱码头必将是未来港口重点的发展方向。 2014 年，厦门远海码头对14 号泊位及15 号部分泊位开始进行改造，建成国内第一个全自动化集装箱码头并于2016年6月投入运营；2015 年，青岛港、上海港先后宣布开始规划建设自动化集装箱码头；2017年12月上海港洋山四期码头全面启用，开港运营后，成为世界规模最大、技术最先进的自动化码头。在此以前，国内学者对于集装箱码头的研究主要集中于传统集装箱码头的岸桥、场桥、堆场、集卡等，对于自动化集装箱码头的研究不多，近几年，随着自动化集装箱码头的快速发展让很多学者对自动化集装箱码头有了更多研究。

魏晨^[1]等学者以自动化集装箱堆场同一箱区内存取箱的单一作业，双轨道吊时空同步作为约束条件，建立了以最小化任务总完成时间为目标的双轨道吊调度的混合整数规划模型，然后设计遗传算法来对规模数量较大的任务问题进行了求解。黄继伟^[2]等学者为解决自动化集装箱堆场并行式双ARMG在存取箱作业冲突的问题，以双ARMG作业干扰作为约束条件，建立了以作业总完成时间最小化为目标的双ARMG协同调度混合整数规划模型。并设计了按作业顺序进行编码的遗传算法，通过多组数据对 CPLEX 和遗传算法两种方法进行了对比分析。李丽丽^[3]则从堆场布局和场桥调度两个角度对堆场场桥进行了优化配置调度研究,并且采用flexsim仿真软件为这个问题构建了仿真模型。丁一^[4]等学者针对成对配置的箱区双轨道吊,以最小化外集卡和船舶延时为目标，考虑到接力、缓冲、干扰等约束条件，建立了不对称的多旅行商模型,并对多组任务进行了相关案例分析。陈雷雷^[5]等对自动化集装箱堆场轨道吊的多类型作业复合任务问题进行了研究，建立了基于混合整数规划的以优化轨道吊作业任务开工时间延迟的惩罚成本为目标的多类型任务复合作业下的堆场龙门吊调度模型,并针对模型特点设计了基于GA的智能求解算法。何军良^[6]等为提高自动化集装箱码头的生产效率,采用基于混合整数规划和启发式算法的轨道吊调度策略,将轨道吊调度和集装箱堆存空间分配作为一个整体构建了自动化堆场轨道吊动态调度模型。檀财茂^[8]等主要考虑资源紧缺型自动化集装箱码头堆场场桥配置的特点，探索自动化堆场场桥的配置问题。使用运筹学线性规划方法，建立了集装箱堆场轨道吊配置混合整数规划模型，此模型可以处理集装箱码头多类型场桥的配置问题。韩晓龙^[9]等以提高整个港口的生产作业效率为目的,分析了集装箱港口装卸过程中的轨道吊的优化配置问题,建立了堆场轨道吊优化配置的两阶段规划模型。　　 　　

1.2.2 国外研究现状

自动化集装箱码头早期出现在国外，1993年世界上第一座自动化集装箱码头荷兰鹿特丹港的ECT码头建成，接着是英国伦敦港、日本川崎港、新加坡港、德国汉堡港等港口相继建成自动化集装箱码头。随后经过20多年的发展和创新改进，目前自动化码头技术已经逐渐成熟和完善。所以对于自动化集装箱码头的研究国外要比国内更多且更成熟。

Carlo H J^[10]等学者针对自动化集装箱码头箱区并行式双轨道吊调度问题，首次对双轨道吊优先级进行对比分析，然后在量化所选优先级的影响后，他们提出了 14 条双轨道吊优先规则，并且通过仿真软件进行仿真对任务完工时间进行了评估。Briskorn D^[11] 等专家就集装箱任务已经分配完成的前提下探讨两端式和穿越式两种双ARMG配置模式的作业顺序问题，基于此建立了相应的模型和设计了多项式算法来进行求解。Jaehn F^[12]等在分析讨论了由双轨道吊合作完成作业任务对任务完成效率的影响后，设计了启发式算法进行求解并且通过相关算例对此算法性能进行了评估。Hu Z H^[13]等以洋山四期自动化集装箱码头为基础，对洋山四期自动化集装箱码头堆场箱区的双轨道吊协同调度问题进行研究。通过分析任意两作业间的最短时间间隔来量化两轨道吊间的作业干扰，以最小化集装箱任务总完成时间为目标建立了三个数学模型。并且开发了精确算法和遗传算法解决这个问题，同时针对他们所提出的模型和算法对非理想条件下自动化集装箱码头的管理和技术方面的相关理念和应用进行了探讨。Richard Linn^[14]等建立了以减少轨道吊在箱区剩余任务量为目标的混合整数规划模型，对堆场轨道吊在箱区的配置及作业顺序进行了优化。Zhang C Q^[15]等以最小化堆场轨道吊的作业延迟时间为目标，建立了混合整数规划模型对堆场轨道吊配置进行了优化，最后设计应用拉格朗日松弛算法进行模型的求解。

1.3 研究方法及技术路线

本文通过查阅自动化集装箱码头相关文献资料，了解自动化集装箱码头目前发展情况，着眼于自动化集装箱码头箱区双场桥配置下场桥调度冲突的问题，提出接力调度和混合调度模式，通过假设理想条件，建立整数规划模型进行调度优化，设计遗传算法进行模型求解，然后以洋山四期自动化集装箱码头堆场场桥调度做实证分析，并用Excel绘制图表对结果进行分析。本文技术路线如图1.1所示。

研究内容

研究框架

研究方法

※目的与意义

※国内外相关研究现状综述

※研究方法及技术路线

※文献查阅

※资料回顾

绪论

※国内外自动化集装箱码头发展现状

※自动化集装箱码头装卸工艺发展现状

※自动化集装箱码头堆场场桥调度存在的问题分析

自动化集装箱码头现状及调度问题分析

※资料查阅

自动化集装箱码头堆场场桥调度优化方法

※堆场场桥调度优化方法介绍

※自动化集装箱码头场桥调度优化建模

※设计遗传算法进行模型求解

※混合整数规划

※遗传算法

洋山四期自动化集装箱码头场桥调度实证分析

※洋山四期自动化集装箱码头概况

※堆场场桥调度优化求解

※混合整数规划

※遗传算法

※应用前面得到的模型

结论与展望

图1.1 技术路线图

第2章 自动化集装箱码头现状及场桥调度现状分析

2.1 国内外自动化集装箱码头发展现状

迄今为止，自动化集装箱码头大概有近40年历史。建设自动化集装箱码头的设想早在20世纪80年代就有港口提出，包括泰晤士港、川崎港和鹿特丹港，泰晤士港和川崎港由于在财政资助上发生问题导致自动化集装箱码头的计划搁浅。于是在1993年，荷兰鹿特丹港建成了世界上第一个自动化集装箱码头ECT（Europe Combined Terminals）Delta Sealand码头，以Delta Sealand码头的建设和使用经验为基础，在1997年和2000年，ETC的Delta Dedicated East(DDE)和Delta Dedicated West(DDW)相继建成投产。在1997年，新加坡港务集团(PSA)在Pasir Panjang码头建成的基于远程操控的高架行车系统,实现了堆场的半自动操作。1999年，中国香港Hongkong International Terminal(HIT)货柜码头则建造了使用自动化轨道吊(automated rail mounted container gantry crane, ARMG)的半自动化堆场。

进入21世纪后，随着装卸工艺的不断改进和向前发展，与传统集装箱码头相比，自动化集装箱码头在人工成本、效率以及绿色节能等方面具有很大优势，自动化码头如雨后春笋般出现。2002年10月，德国汉堡HHLA- CTA码头一期建成投产，2008年，荷兰鹿特丹ECT Euromax 码头投人试运营。

截至目前,已运营的自动化集装箱码头典型代表有荷兰的鹿特丹ECT自动化集装箱码头、德国汉堡HLA- CTA自动化集装箱码头、荷兰鹿特丹ECT Euromax自动化集装箱码头、法国SETO- MSC自动化集装箱码头、西班牙韩进TTI Ageciras自动化集装箱码头、比利时泽布勒赫DPW自动化集装箱码头。截至2014年底，世界上共有32个自动化集装箱码头。

在我国（不含港澳台地区），上海港外高桥港区在2005年建成了首个自动化集装箱空箱堆场。上海振华重工2006年在长兴岛建设了一个1: 1全尺寸的自动化集装箱示范线。厦门港远海码头在2015年通过改造建成了一个全自动化集装箱码头并开始进行运营。青岛港则在2017年5月11日建成一个全自动化集装箱码头并且开港进行运营。上海港洋山港区在2017年12月完成四期建设，建成一个全自动化集装箱码头并于当月开港试生产。目前，国内还有部分港口正在建设或准备建设自动化集装箱码头。

2.2 自动化集装箱码头装卸工艺发展现状

2.2.1 早期自动化集装箱码头装卸工艺现状

荷兰鹿特丹ECT Delta Sealand集装箱码头是公认的全球最早建成的自动化集装箱码头，码头采用的是“单小车岸桥 自动导引车(automated guided vehicle,AGV) 一台轨道龙门吊”的配置。这种装卸工艺后来在ECT的DDE、DDW码头继续被沿用。

ECT的这种装卸工艺岸边的单小车岸桥只有在对箱作业时需要人操作，其余操作均可实现自动化作业。使用的这种单小车岸桥在装卸集装箱时是在其跨距下进行操作的，单小车岸桥在AGV行驶至其跨距下后开始进行放箱操作放箱到AGV上，然后AGV按照系统给定的路径行驶至目标箱区海侧交接点,等待箱区轨道吊提箱至箱区指定位置。装船作业操作则与卸船作业操作相反。