摘 要

在全球经济贸易飞速发展的影响下，集装箱运输行业开始逐步发展，在航运领域发挥着越来越大的作用。但是在港口的运作过程中，出口集装箱堆场中会发生不可避免的翻箱操作，这一操作使得港口的作业效率降低，同时提高了作业成本，对港口企业来说是不利的，因此，必须解决好这一问题，尽量减少堆场翻箱量，从而提高作业效率，提高企业竞争力。

针对上述问题，本文结合码头堆场的实际运作过程，了解了堆场集装箱发生翻箱的原因和解决办法。假设在集装箱船舶配载图已知的情况下，并且已知堆场集装箱的堆存状态，以翻箱量最小为目标函数建立了集装箱装船顺序的数学优化模型，在最矮栈和邻近栈翻箱原则下进行翻箱，最后通过遗传算法对该问题进行优化设计，并在最后的算例中验证了该算法的可行性，得出了相关的最优装船顺序。

本文的研究结果具有一定的实际意义，能够为集装箱码头堆场的装船作业提供科学依据，使得港口在提高工作效率和降低作业成本的前提下实现高效装船。

关键词：集装箱；装船顺序；配载图；遗传算法；翻箱量

Abstract

With the influence of the global economic and trade development, the container transport industry begins to develop gradually, and it plays an increasingly important role in the field of shipping. However, in the operation of the port, the container rehandles will often occur in the export container yard, this operation will make the port operating efficiency is reduced, and makes the operating costs improved. It is unfavorable to the port enterprises. Therefore, we must solve this problem to minimize the amount of the container rehandles in the yard, and enhancing operational efficiency and improve the competitiveness of enterprises.

In view of the above problems, this paper combined with the actual operation of the terminal yard, understand the cause of the container rehandles and the solution of it. Assuming that Stowage plan of the container ship is known, and the accumulation status of the container is known. And the container shipping sequence optimization model is established with the minimum number of container rehandles as the objective function. And it is in the shortest stack. Finally optimize the design of the problem through the genetic algorithm, and verify the feasibility of the algorithm, working out the relevant optimal shipment order.

The results of this study have certain practical significance, which can provide scientific basis for the ship’s loading sequence, and it makes the port to achieve efficient operation under the premise of improving the working efficiency and reducing the operating cost.

Key Word： Container； loading sequence； Genetic algorithm； the number of container rehandles； Stowage plan

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 集装箱翻箱作业优化研究 3

1.2.2 贝内落箱位置研究 4

1.2.3 研究现状存在的问题 4

1.3 研究思路与内容 5

第2章 集装箱提箱装船顺序优化问题研究 7

2.1 集装箱运输问题描述 7

2.1.1 集装箱概念 7

2.1.2 集装箱运输 7

2.2集装箱码头堆场 8

2.2.1 集装箱码头堆场的空间资源 8

2.2.2 集装箱码头堆场的机械资源 9

2.2.3 集装箱码头堆场的定位描述及其堆存规则 9

2.2.4 集装箱码头堆场的作业流程 10

2.3 堆场翻箱问题分析 11

2.3.1 集装箱翻箱操作概念 11

2.3.2集装箱堆场产生翻箱的原因 11

2.3.3翻箱操作对堆场作业和船舶停泊作业的影响 11

2.4 集装箱翻箱控制方法 12

2.4.1贝内翻箱的控制方法 12

2.4.2装船翻箱的控制方法 12

第3章 集装箱装船顺序优化模型的建立 13

3.1 集装箱装船顺序问题描述 13

3.1.1 问题描述 13

3.1.2 问题分析 13

3.2 集装箱装船顺序优化模型构建 14

3.2.1 模型假设 14

3.2.2 模型变量符号及决策变量 15

3.2.3模型建立 16

第4章 遗传算法求解集装箱装船顺序问题的实例应用 17

4.1 遗传算法的基本思想和操作流程 17

4.1.1 基本思想及原理 17

4.1.2 遗传算法的实现流程 17

4.2 基于装船顺序优化问题的算法设计 19

4.2.1 染色体编码方式及初始解的产生 19

4.2.2 适应度函数以及迭代次数的设计 20

4.2.3 遗传算法的算子设计 20

4.3 算例分析 22

4.3.1算例描述 22

4.3.2 翻箱原则的选择 23

4.3.3 算法求解步骤 23

第5章 环境影响和经济性分析 26

5.1 环境影响分析 26

5.1.1环境影响评价的提出与发展 26

5.1.2 环境影响评价 26

5.2 经济性分析 27

第6章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

附录 装船顺序优化遗传算法程序代码 31

致 谢 49

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1 研究背景

随着经济的不断发展，社会的不断进步，全球化的趋势势不可挡，对于全球经济发展的各种新的要求，集装箱运输的出现与发展也有着日新月异的进步。由于具有较快的装卸速度、较高的设备利用率等多种优点，以及科学化、现代化的管理方法和手段，集装箱运输的技术越来越走向成熟，也不断的实现着更加合理高效的进步。在2001年我国正式加入世界贸易组织之后，为了适应更快节奏的世界经济发展趋势，我国的集装箱运输行业也开始了从低层次到高技术的逐步发展与跨越，集装箱运输行业的不断发展也促进着更为匹配的港口建设的不断进步。中国各大港口的集装箱年吞吐量排名在亚洲乃至世界范围内都处于相对靠前的位置，这充分说明了我国在全球经济贸易舞台中扮演着十分重要的角色。同时，随着亚洲经济在二十世纪中后期在世界范围内的迅速崛起，亚洲各国对于海洋贸易以及自身的海运潜力都极为重视，随着“一带一路”与“海上丝绸之路”战略的提出，我国沿海各大港口的集装箱吞吐能力也面临着更大的机遇与挑战。因此必须提高港口的基础设施建设以及港口作业效率，从而进一步提高我国港口运输竞争力乃至我国的整体经济实力。同时，整个世界范围内，由于经济全球化的趋势不断加快，为了适应这样的趋势，集装箱运输技术也处于不断地更新换代之中。

集装箱的配载是整个集装箱运输环节中极为重要与复杂的一项内容，同时在整个集装箱配载的过程中，关于各个集装箱在装船过程中的相对顺序则是需要解决的一个较为复杂的多目标组合优化问题。如何顺利的将堆场中需要装船的集装箱进行顺利的提取并能成功的将其装载到应该装载的集装箱船舶上，需要考虑多种因素，在整个装船过程中，不光需要考虑到配载过程中堆场翻箱问题以及对船舶的稳定性影响，同时也要注意到作业机械对整个操作中造成的影响。

在进行集装箱装船顺序的问题研究过程中，集装箱船舶的相关配载图起到了研究的基础作用，配载图上通常都对集装箱船舶的各个相关位置进行了标定，确定该位置时，必须要保证船舶的安全与稳定，防止由于配载不合理导致船体倾斜。再者，需要考虑到即将装船的集装箱在码头前沿的等待时间，从而使装船效率进一步提高。为了能够更加高效的完成集装箱装船的相关任务，在相应集装箱运输船舶到港之前，预出口的集装箱就会被提前运输进港并在相应的堆放位置进行堆存，当相应船舶到港后就集中开始进行装船工作。但是由于受到堆场、船舶结构以及作业方式等多方面的限制以及集装箱在堆场中的摆放方式都有较大的区别，并且不同集装箱的规格也有着差异，如何合理的对准备装船出口的集装箱进行正确、合理的堆放就显得十分重要。

亚洲的集装箱港口通常包含有多个贝位，每个贝位采用集装箱的多层堆垛方式，每个贝位包含栈，每栈包含着层。随着堆场内集装箱数量的增加，堆垛的层数也会相应增加。此时，堆场内在发箱过程中产生的翻箱概率也会增加。在实际操作过程中，为了提高堆场内的发箱效率，就要尽量的避免少翻箱或者不翻箱，这就使得堆场业务操作起来需要更高效率的规划指导。调查结果显示，港口的平面布局，港口设备，以及船舶属性这些都是确定的，所以翻箱量很大程度上决定着集装箱装卸服务效率。通常翻箱操作由集装箱到达堆场的先后顺序、集装箱在堆场中的堆放位置、集装箱从堆场的发箱顺序以及提取出的集装箱的落箱位置。首先，集装箱到达堆场的顺序是随机的，所以重量级、船次不同的集装箱可能会出现混合堆放的情况；其次，在堆场中每个贝位的任一个栈中，集装箱只能从上而下进行提取的，这是集装箱码头作业的一大特征；再者，实际操作中通常根据实际经验确定堆场的发箱顺序，导致缺乏对整个操作过程的全局考虑，所以翻箱率仍然不能降低；最后，在堆场提取目标箱的过程中，被提取出的阻碍箱的落箱位置有不同种选择，不合理的落箱位置可能会导致多次翻箱。例如，如果在移动目标向上面的阻碍箱时，将其放在了下次需要提的集装箱的上面，这样便会增加整个提箱操作过程中的翻箱量，导致码头堆场的工作效率降低。

由此可知，集装箱在进行装船的过程中，需要尽可能的减少相应产生的翻箱率以达到更佳的效率，而通过优化装船顺序则可以较好的解决翻箱率高的问题。本文通过对集装箱在装船过程中相应顺序的研究，希望据此可以减少不必要的翻箱量，从而减少集装箱装卸时间，提高港口的发箱效率。

1.1.2 研究意义

在全球经济交流不断密切、经济往来速度愈发频繁的大环境下，如何提高自身集装箱装船效率是每个集装箱港口必须解决的重要问题。在未来的发展过程之中，效率就意味着港口的生命。制定合理的发箱顺序可以提高码头的作业效率，减少非工作时间，缩短码头前沿装船的时间和船舶在港等待时间，降低船公司的费用以及消耗的时间。

因此，在进行对集装箱船舶配载方案的规划过程中，要重视对集装箱翻箱操作的研究与合理规划，将堆场集装箱的翻箱量、船舶稳性及集装箱在码头前沿的等待时间结合起来，并建立与之相关的数学优化模型，通过对模型的研究分析，不断地对方案进行优化与总结。

在集装箱装船的实际过程中，通过减小集装箱在装载过程中的翻箱率就能够获得更高的装船效率，从而缩短集装箱运输船舶在码头的滞留时间，在快节奏的国际经济交流与货物运输过程中，装船时间的减少无疑就意味着运输成本的降低，给承运方带来更多的利益。

翻箱率的减小不仅有利于提高船公司的效益，对于码头堆场也有着重要的积极意义。减少翻箱次数不带可以提高集装箱码头的装运效率，还可以减少对码头大型设备的不必要使用与损耗，减少了设备的使用成本，变向提高了码头港口的经济效益。所以通过减少翻箱率来对集装箱装船顺序进行优化，能充分促进各港口的发展，使得港口企业竞争力增强。本文所研究的内容显得愈发重要。

综上，对于集装箱装船顺序优化问题的相关理论的研究，不仅有利于将理论知识与实际问题相结合，还有利于提高港口的作业效率，从而促进经济与文化的全球交流与发展。

1.2 国内外研究现状

由于海运在国际贸易中拥有着不可替代的作用，而集装箱运输则是现代海运中最主要也是最有效率的方式，所以为了进一步提高集装箱运输的效率，越来越多的学者开始对集装箱运输的各个过程进行细致的研究与分析。随着研究的不断升入与细化，人们发现集装箱堆场的作业效率与科学的集装箱装船顺序有着密不可分的联系。所以各国学者开始研究集装箱装船顺序的优化问题，探索在实际情况中下，如何在满足港口装卸规则以及集装箱船舶配载要求，求出既能保证集装箱船舶稳性，又能使得堆场的翻箱量最小，并且能使得船公司费用降低，以及集装箱船舶在港口停泊等待时间最少的装船顺序方案，在不断地探索与实践中，都取得了不少的研究成果。

1.2.1 集装箱翻箱作业优化研究

翻箱问题是一直受到国内外学者的关注，它是在箱位对方完成后，对不合理的对方情况进行优化调整，以达到一种符合装船顺序的最优的堆存状态，进而减少工作过程中的不必要时间。

国外关注这一问题比较早的是Hirashima等^[1]人，他通过集装箱移动次数的学习算法进行求解得出集装箱的翻箱量与集装箱数量呈现一种指数关系，翻箱量因集装箱数量增长而增长，同时与实际情形进行了比较，得出这一结论。Lee and Hsu^[2]将翻箱量最小作为目标函数，建立了多商品网络流的优化模型进行求解，考虑了机械在各箱位之间的移动路径，所以同时要使得移动次数最小化。文章采用三种不同的模型扩展方法进行研究，来满足不同的贝位结构要求，最后对翻箱路径进行了优化。Huang和Lin^[3]将翻箱问题归为两种不同的问题，其中一类问题在原有的预翻箱基础上，又要使每一种集装箱都要堆放在规定好的贝位内，相当于增加了一个这样的约束，最后文章又对这两种问题根据启发式算法求解分析。Bortfeldt和Forster^[4]探究出一种启发式树搜索算法运用在翻箱问题中，同时其求解结果与已有的结果比较，进而改进了算法，设计不同的分支定界准则和相关策略，但还是需要用贪婪启发式算法求解。Rodriguez-Molins等^[5]通过域依赖的启发式策略对翻箱问题进行分析求解，但是由于约束条件会随着规模的扩大而变多，这样使得求解的效率和质量下降。Lehnfeld与Carlo等^[6,7]主要介绍了集装箱堆场的装卸操作和翻箱操作的原因和控制方法，对前人关于翻箱问题的研究和解决办法包括算法等进行归纳总结，但是并没有对现有的研究结果中存在的问题进行研究挖掘。