摘 要

随着集卡预约机制的不断实施，码头对堆场内外的信息获取变得越来越便捷。因为天气、交通拥堵等因素，码头往往无法获得确定的外集卡到达时间，因此堆场场桥作业调度只能在不确定的提箱顺序下进行。通过调整外集卡预约的到达时间段，码头可以优化提箱顺序，进而减少堆场场桥提箱过程中的翻箱。因此，本文的重点是对提箱作业的研究。本文的主要工作如下：

（1）分析比较不同的集卡到达信息对堆场场桥翻箱作业的影响。确定本文所研究的的是完全信息下的集卡到达顺序，并通过改变预约时间调整集卡到达顺序，以提高提箱作业效率。在此基础上采用两种翻箱策略来降低翻箱量。

（2）构建翻箱作业优化模型。将提箱作业优化问题分解为针对提箱顺序的优化与针对落箱位的优化两部分，并在详细分析提箱过程后建立了翻箱作业优化模型。

（3）设计优化算法并验证。在堆场初始堆存状态相同的情况下，算法外层通过模拟退火算法计算提箱顺序，内层在翻箱策略下求解最小翻箱量和最小场桥移动距离。对两种翻箱策略进行详细分析，并在matlab 2016上编写相关程序，通过比较得出翻箱策略二更能提高提箱作业效率。

关键词：集装箱堆场；场桥调度；提箱顺序；翻箱策略

Abstract

With the continuous implementation of the card reservation mechanism, the terminal has become more and more convenient for information acquisition inside and outside the yard. Because of the weather, traffic congestion and other factors, the terminal often cannot obtain the determined arrival time of the outer card. Therefore, the scheduling of the yard and bridge can only be carried out under the uncertain order. By adjusting the arrival time period of the appointment of the foreign card, the terminal can optimize the order of the suitcases, thereby reducing the tumbling during the stacking process of the yard yard. Therefore, the focus of this paper is on the study of suitcase operations. The main work of this paper is as follows:

(1) Analyze and compare the impact of different arrival card arrival information on the dumping operation of the yard yard bridge. It is determined that the order of arrival of the set cards under the complete information is studied in this paper, and the order of arrival of the set cards is adjusted by changing the appointment time to improve the efficiency of the picking operation. Based on this, two kinds of rumping strategies are adopted to reduce the amount of tumbling.

(2) Constructing an optimization model for the tumbling operation. The optimization problem of the suitcase operation is decomposed into two parts: the optimization of the picking sequence and the optimization of the boxing position, and the optimization model of the boxing operation is established after the detailed analysis of the boxing process.

(3) Design optimization algorithm and verify. In the case that the initial storage state of the yard is the same, the outer layer of the algorithm calculates the carrying order by the simulated annealing algorithm, and the inner layer solves the minimum turning amount and the minimum moving distance of the bridge under the tumbling strategy. A detailed analysis of the two turn-over strategies, and the preparation of relevant procedures on matlab 2016a, through comparison to find the turn-around strategy 2 can improve the efficiency of the suitcase operation.

Key Words:Container Yard；Yard Crane Scheduling；Carrying Order；Rehandling Strategy

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 3

1.4 论文结构 4

第2章 集装箱码头集卡提箱与堆场翻箱问题分析 5

2.1 集装箱码头堆场配置概述 5

2.2 集卡到达信息对堆场翻箱的影响 5

2.2.1 集卡到达顺序与堆存顺序一致 6

2.2.2 集卡到达顺序与堆存顺序不一致 6

2.3 提箱作业问题解构 7

2.3.1 翻箱问题分析 8

2.3.2 提箱过程分析 8

2.4 本章小结 10

第3章 翻箱优化模型的建立与算法设计 11

3.1 翻箱作业建模 11

3.2 翻箱优化算法设计 12

3.2.1 翻箱策略 12

3.2.2 模拟退火算法 17

3.3 本章小结 18

第4章 数值实验 19

4.1 实验设计 19

4.2 结果分析 19

4.3 经济性与环保性分析 23

4.3.1 经济性分析 23

4.3.2 环保性分析 23

4.4 本章小结 23

第5章 总结与展望 24

5.1 总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

附录 26

致谢 54

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

随着集装箱运输网络的不断发展完善，集装箱运输已经成为各国现代运输的重要组成部分。作为集装箱运输网络的枢纽，集装箱码头堆场的作业效率将对集装箱运输产生很大的影响。而全球的集装箱周转需求日益增长，需要通过集装箱运输网络进行的集装箱运输量也随之不断增加。因此，作为中转枢纽站的集装箱码头不得不提升其周转能力来缓解持续增长的运输压力。

现今科学技术不断进步，集卡到达信息的获取更为方便快捷，在能够较为准确的预知集卡到达时间的情形下，集装箱码头的周转效率将在一定程度上由集装箱码头堆场场桥的作业效率所决定。考虑到堆场的资源限制，在大多数情况下，码头堆场会通过多层堆垛的方法来提高堆场的利用率，但这将导致场桥作业时翻箱率的增加。同时，这样做不仅会导致堆场场桥作业效率下降，还会使集卡等待时间增加。因此，研究如何在集卡预约机制下提高码头堆场作业效率这一问题变得尤为重要。

1.1.2 研究意义

近年来，集卡预约机制逐渐完善，船舶到港时间变得较为确定，码头管理者很容易知道各个船的大概到达时间表，从而合理安排进箱时间。但是，在装船作业时，一般采取重下轻上原则，而考虑到堆场资源的限制，出箱时间不定，堆场不会采用重上轻下的堆放原则。因此，在闸口进箱堆存时，一般会采用两种堆放原则：分吨原则和分类原则。这不仅在一定程度上避免了某些不必要的翻箱，而且能有效地利用堆场资源。

然而，由于不确定的集卡到达时间，堆场场桥提箱作业时的翻箱还是在所难免。因此，降低堆场场桥翻箱作业时的翻箱量，优化集卡进场提箱时的场桥调度，对码头管理者和客户都有着现实而深远的意义。

（1）提高了码头装卸效率。减少了集装箱码头堆场场桥作业过程中的无效操作，提高了码头堆场的周转效率，并降低了设施损耗；

（2）降低了码头运营成本。减少了集装箱码头堆场场桥的提箱的作业次数，从而降低了堆场场桥作业的成本。

（3）增强了竞争力。减少了集卡在进港提箱时的周转时间和等待时间，也缩短了船舶的在港时间，这大大提高了码头的周转效率，使船只和货运公司在对比后愿意选择此码头。

1.2 国内外研究现状

现今集装箱数量规模持续增长，面对不断增长的集装箱装卸需求，为了提高其周转效率，码头需要对集卡预约系统与堆场场桥进行研究，这样不仅能运输资源，提高运输效率，还能在一定程度上减少能源消耗。

在集卡预约系统方面，国内外的主要研究是如何解决高峰时间段集卡不规律到达所引起的拥堵问题。范厚明^[1]等研究了多个集装箱码头间外集卡进港送箱的调度问题，建立了一种集卡预约机制。曾庆成^[2]等在集卡协同服务下，提出了一种新的码头集卡预约优化模型，并在此基础上建立了休假式排队系统。范厚明^[3]等提出了一种集卡预约集港机制，并在此基础上建立了单堆场多码头送箱集卡调度模型。杨宇^[4]在研究集卡预约系统时，考虑了码头堆场的容量限制，并在此基础上构建了码头送箱集卡多目标预约优化模型，对闸口和堆场的集卡排队系统进行了综合考虑。曾庆成^[5]等建立了一种集卡预约优化模型，该模型能确定在调整量水平的限制下每个时段最优的预约份额，并采用非平稳排队模型研究集卡到达时间的特性。马梦知^[6]等建立了一种协同优化的二层规划模型，用以研究送箱集卡预约与场桥调度问题。邵乾虔^[7]将场桥资源配置与集卡预约系统综合进行了考虑，提出了信息共享下的集卡预约机制，在此基础上建立了以“时间残值矩阵”为核心的仿真模型，并开发运用了混合模拟退火算法进行验证求解。郭振峰^[8]等提出了按船舶预约的集港模式，在此基础上分析了两级排队网络下集卡在闸口和堆场的排队过程，以此建立了集卡送箱预约优化模型。许巧莉^[9]等在综合考虑码头服务能力和集卡到达特征后，构建了码头集卡预约多目标优化模型，主要研究集卡在闸口和堆场的两阶段排队等待时间。Mai-Ha Phan和Kap Hwan Kim^[10]提出了货运公司和码头协同确定卡车运营时间表和卡车到达预约的集卡预约模式，并通过迭代的方法解决了该问题。Mai-Ha Phan和Kap Hwan Kim^[11]提出了一种用于平滑到达高峰的数学公式，考虑到卡车在高峰时段改变其到达时间和卡车等待成本的不便，提出了一种分散的决策模型，以支持货运公司与码头运营商之间的协调过程。

在堆场场桥调度方面，卫家骏^[12]以提高集装箱码头装船效率为目标，在详细分析码头装船作业流程后建立了一种启发式算法，用以优化出口集装箱的堆场位置。郑红星和于凯^[13]研究时考虑了集装箱的混堆情况，在分析混堆情况下场桥的作业流程后构建了一种非线性数学规划模型，用以减少的等待成本和场桥的非装卸成本。吴萍^[14]对主要研究了进出口集装箱的翻箱问题，在分析了不同集卡到达信息对翻箱操作的影响后，在引入预计翻箱量的情况下，提出了三种翻箱策略来优化翻箱过程并进行实验比较。孙健^[15]提分析了堆场场桥在提箱操作中的翻箱作业在不同集卡到达信息下的影响，在此基础上提出了翻箱启发式算法，同时，也研究了其对于场桥周转效率的影响。杨超和陆志强^[16]在考虑港口服务质量时，对平衡闸口处作业量与提高堆场空间资源利用率进行了综合分析，并研究了港口出口集装箱送箱时间窗的优化问题。Ng W C和Mak K L^[17]研究了堆场起重机的调度问题，提出了一种分支定界算法来最优地解决调度问题，通过基于实际数据的一组测试来评估选择算法的性能。结果表明该算法可以找到大多数问题的最优序列。

综上可知，关于集卡预约系统，国内外的主要研究方向是如何解决集卡在闸口的拥堵问题，其中涉及到排队论的研究等。而关于堆场场桥的调度问题则研究的比较全面，不仅考虑了堆场的资源配置情况，还研究了堆场堆存位置和堆存方式的影响。

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

在集卡预约的背景下，本文以堆场场桥的调度为研究对象，考虑堆场场桥提箱作业过程中不同集卡到达信息的影响，以此建立翻箱优化模型，并设计算法比较两种翻箱策略下的翻箱量和场桥作业效率。主要内容分为以下两个方面：

（1）针对集卡预约系统，考虑不同的集卡到达信息对于翻箱作业的影响。

（2）分析集装箱码头提箱作业。总结目前集装箱码头堆场内场桥调度的规则，分析集卡进场提箱的作业流程，以此构建场桥翻箱作业优化模型，并制定了两种翻箱策略来研究提箱过程中的翻箱问题，分析比较两种翻箱策略下的翻箱量和场桥作业效率。

1.3.2 技术路线

本文考虑在确定的提箱顺序下，两种不同的集卡到达信息对堆场场桥翻箱作业的影响。第一种为完全信息：码头能够获得每辆集卡的准确到达时间；第二种为不完全信息：码头仅能获得每辆集卡的到达时间段，但能调整预约时段，取得所需要的不同程度的信息，这两种集卡到达信息的影响将在下一章详细分析。本文主要研究的是完全信息下的集卡到达顺序，并通过改变预约时间调整集卡到达顺序，提高提箱作业效率。在此基础上采用两种翻箱策略来降低翻箱量，两种翻箱策略的主要不同在于是否引入预计翻箱量。在后文翻箱优化算法设计中将详细阐述这两种翻箱策略的内容。

本文将在matlab上结合模拟退火算法与两种翻箱策略，计算比较在相同堆存顺序下这两种翻箱策略在提箱作业中的优劣。由于本文只考虑单贝位内的提箱作业，因此当提箱顺序确定后，场桥的移动路径也随着翻箱的确定而确定了，故不再单独考虑场桥作业路径的优化，仅比较最后提箱作业中的移动距离即可。

本文的技术路线如图1.1所示：

图1.1 技术路线图

1.4 论文结构

本文的结构安排如下：

第1章介绍堆场场桥调度在集卡预约机制下的背景，以及优化场桥调度的意义，并分析了国内外文献中的集卡预约与场桥调度问题，确定了本文的主要研究内容与技术路线。

第2章详细分析了预约机制下不同集卡到达信息对堆场翻箱的影响，介绍了集装箱码头堆场的基本配置，并详细描述了堆场的提箱作业流程。

第3章在组优先级的基础上构建了翻箱作业模型，并提出了模拟退火算法与两种翻箱策略来优化翻箱问题。

第4章通过计算机仿真实验，分析了两种翻箱策略下的翻箱量与场桥作业距离，得出其对堆场提箱作业的优化结果。

第5章对主要研究的问题进行总结，并提出未来还需进一步研究的问题。

第2章 集装箱码头集卡提箱与堆场翻箱问题分析

2.1 集装箱码头堆场配置概述

集装箱码头堆场的堆存区域由若干个街区组成，每个街区由若干贝位组成，每一贝位由若干行组成，每一行又由若干层组成，同贝同行的垂直区域被称为栈。某街区的示意图如图2.1所示，X轴方向表示贝位，Y轴方向表示行，Z轴方向表示层，每个箱位可用（X,Y,Z）的三维坐标表示，每个栈可用（X,Y）的二维坐标表示，集装箱上的数字表示其外集卡的实际到达顺序。

图2.1 堆场街区示意图

堆场的堆存状态、提箱顺序和提箱翻箱时落箱位三者均会影响到码头堆场场桥提箱作业时所产生的翻箱量。本文主要进行集装箱码头堆场中进口箱的提箱作业研究，在确定的集装码头堆场堆存状态的情况下，通过改变调整外集卡的到达信息对堆场场桥的翻箱作业进行优化。

2.2 集卡到达信息对堆场翻箱的影响

集装箱堆场产生翻箱作业的根本原因是提箱顺序与堆场堆存顺序的不一致。因此，码头只要掌握了集卡的到达顺序就掌握了提箱顺序，从而能够更好地协调堆场场桥的调度。本文主要研究的是完全信息下的集卡到达顺序，并通过改变预约时间调整集卡到达顺序，提高提箱作业效率。下面分析在集卡预约下两种到达顺序对堆场翻箱的影响。

2.2.1 集卡到达顺序与堆存顺序一致

当集卡的到达顺序即提箱顺序与集装箱堆场堆存的顺序一致时，不会产生翻箱操作，如图2.2所示，数字表示提箱顺序，数字越小越早被提走。此时堆场的翻箱量为0。

图2.2 顺序一致图

2.2.2 集卡到达顺序与堆存顺序不一致

当集卡的到达顺序即提箱顺序与集装箱堆场堆存的顺序不一致时，会产生翻箱操作，此时有两种情况。

（1）完整的集卡到达顺序信息

第一种情况，能够获得每辆集卡完整的到达信息，如图2.3所示。提箱时，依据集卡提箱顺序，集装箱1要先被提走，这时要先将集装箱4放到其余栈上。当集装箱4放在位置时，在之后提取集装箱２时会产生一次翻箱，而放在位置时，不会产生翻箱。

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