客货滚装船舶渡海车辆动态配载方法开题报告
2020-04-01 11:04:25
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 研究目的及意义
客货滚装船综合了沿海客货轮和滚装船优点，适应沿海干线客货运增长的需要，根据海上客货运的特点，发展的一种航速较快的滚装船船型，可以用于装载成品小型轿车、商务车或大型车辆的汽车运输船。随着世界经济贸易的复苏，科学技术的进步，滚装运输市场前景广阔、潜力巨大。相比较高成本、能力受限、环保性能低的公路运输体系，水路滚装运输体系将会发挥更便捷的作用。港口汽车滚装物流是以滚装为主要运载方式，完成装卸、配送、陆路运输等环节的系统化水陆整车物流方式。[1]汽车滚装物流是一种新型物流方式，本身具有成本低、容量大、污染小、专业性能极强等特点，广泛应用于渡海车辆的运输。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
结合广东徐闻海安新港的实际项目，探讨渡海车辆在客滚船舶中的动态配载方法。由于渡海车辆的类型、尺寸、重量等各异，到港时间的不可预测性，导致这类配载为动态决策。渡海车辆类型涉及小车、货车、客车等，滚装船舶为5000-10000吨级船型，将离散动态到达的渡海车辆布置在客滚船舱内的具体位置，确保随车人员上下车便利，在满足国家海事要求和确保船舶安全的前提下（主要是船舶核定载重、船舶稳性等），使得船舱利用率最大。
简化现实约束包括：
1) 装载车辆的总面积不能大于船舱的最大装载面积；
2) 装载车辆的总重量不能大于船舶的最大载重；
3) 车辆每班次装船后船舶的横/纵倾力矩不超过允许的最大横/纵倾力矩；
4) 各车辆之间、车辆与消防通道之间以及车辆与船壁之间的距离满足海事法规定的安全距离。
本文中以双泰系列滚装船为计算实例，以2015度年海安新港客滚轮渡吞吐量数据为基础，经调研、查阅得到下列相关数据资料：
表2.1 客货滚装船统计数据
| 序号 | 船名 | 总长（m） | 型宽 （m） | 舱长 （m） | 舱宽 （m） | 预配 车辆 | 额载吨位 | 满载吃水 | 限高 | 型深 |
| 1 | 双泰8 | 90.26 | 18.0 | 75 | 12 | 45 | 980 | 340 | 450 | 540 |
| 2 | 双泰18 | 119.88 | 20.3 | 100 | 14 | 46 | 1900 | 400 | 480 | 600 |
| 3 | 双泰28 | 127.5 | 20.8 | 108 | 15 | 50 | 2704 | 445 | 500 | 640 |
表2.2 主要车辆类型及其统计数据
| 车型 序号
| 类别 | 类型 | 长（m） | 宽（m） | 高（m） | 载重量/自重（t） |
| 1 | 货车 | 小型货车 | 6.2 | 2.0 | 2.0 | 3.5 |
| 2 | 大型货车 | 12.5 | 2.4 | 2.7 | 28 | |
| 3 | 挂车 | 14 | 3 | 2.4 | 40 | |
| 4 | 客车 | 5-12 | 1.6-2.5 | 2-4 | 3-7 | |
| 5 | 小车 | 小轿车 | 3.6 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 6 | SUV | 5.2 | 2 | 1.8 | 4.4 |
表2.3 2015年度海安新港客滚轮度出港量数据统计
| | 小 车 （台次） | 货 车 （台次） | 客 车 （台次） | 总车辆 （台次） | 总吨位 （计费吨） |
| 年出港量 | 165617 | 230298 | 27547 | 423462 | 12087989 |
| 平均日出港量 | 454 | 631 | 75 | 1160 | 33117 |
| 占比 | 39.1% | 54.4% | 6.5% | - | - |
鉴于滚装船配载问题的复杂性以及研究问题的便利，给出以下假定条件：
1) 配载船舱与车辆均为规则形状，近似为矩形；
2) 忽略车辆系固所占用的空间；
3) 车辆的重心为其几何中心；
4) 所有车辆到达同一目的地港口。
2.2 研究目标
1) 完成开题报告、外文翻译；
2) 收集数据：
a. 船舶长、宽、高、载重量、吃水深度等；
b. 渡海车辆类型、比例、长、宽、高、重量等；
c. 海事法相关规定，车辆间距、车辆与舱壁间距以及车辆与消防通道的间距等。
3) 确定配载规则及算法，主要涉及二维矩形装箱问题。
4) 设计仿真模型及其代码；
a. 定义相关实体属性及变量；
b. 编写规则程序；
c. 建立动态模型。
5) 绘制某个实例的船舶配载图纸；
6) 完成毕业论文。
2.3 技术方案及措施
采用建模与仿真相结合的方法开展本课题研究。在这个过程中，关键在于提出合理的配载规则和优化策略，构建二维矩形装箱问题智能决策的仿真驱动模型。经查阅国内外相关文献并分析后提出以下方案思路：
(一) 构建滚装船动态配载的数学模型
首先确定目标函数，即在满足约束的条件下时运费收益最大。
然后确定约束条件。针对前人研究过程中在假设简化模型部分所存在的问题，同时尽量比较合理、全面的考虑与实际情况，确定这几个方面的约束条件：所装车辆不超过船舱容许的载重吨；所装车辆不超过船舱容许的装载面积；车辆装船后的横倾力矩不超过允许的最大横倾力矩，以满足航行中的船舶稳性要求。
(二) 确定配载规则，利用算法实现
根据动态配载的特点以及实际情况确定以下原则：
总体服务原则：按每批次10辆车划分时间窗进行分批次配载，先到先服务。
总体配载规则：总体配载规则：先两侧后中间，第1批次装载时大车在两侧小车在中间；第2批次装载时大车尽量配载在高度较低的位置，并注意尽量对称布置以保证横/纵倾力矩；以此类推。在此基础上，先船头后船尾。
车辆停放规则：前期配载车辆不允许旋转，只有当船舱剩余长度小于最小车辆长度时才允许最后一批次车辆中的小车90°旋转。
关于具体算法计算，根据前人研究的二维装箱问题，主要参考文献[20]，用遗传算法对所构建模型进行求解。
(三) 构建仿真驱动优化模型得到可视化配载方案
首先进行系统分析：
1) 实体：
永久实体：码头10车位、客滚船（以某一客滚装配载为例，因此定义为永久实体）
临时实体：渡海车辆
特殊实体：车辆队列
2) 实体状态：
码头车位：空闲、停靠车辆
客滚船：空闲、调度装车
渡海车辆：等待、被调度进舱
队列：队长
3) 实体活动：
码头车位：停靠车辆
客滚船：调度装车
渡海车辆：被调度进舱
4) 系统事件：
车辆到达、批次配载、批次配载结束、整船配载结束
5) 排队规则：
先到先服务：FIFO
然后在eM-Plant软件中编写程序，构建动态演示模型。
通过以上三步，基本上完成了整个课题研究的大部分工作。接下来就是用实例对模型进行验证和仿真分析，从而评价模型的优劣，并选取其中一例绘制配载图纸。这一部分工作中，其搜集实例和有关集装箱船舶基本数据的质量直接与研究分析结果息息相关。所以在本研究中，拟采用的实例和数据除了结合海安新港实际数据外，还有一部分来源于前人研究文献中。
综上所述，本研究课题技术路线如图2.1所示：
图2.1 技术路线图
3. 研究计划与安排
| 时间 | 内容安排 |
| 第1周 | 查阅国内外文献，学习了解滚装船配载的现有模型与方法。 |
| 第2周 | 分析滚装船配载存在的问题，确定主要约束条件，撰写开题报告。 |
| 第3周 | 收集船舶与车辆数据。 |
| 第4-5周 | 学习二维装箱模型与相关算法。 |
| 第6-8周 | 指定配载规则，建立数学模型和实现算法设计。 |
| 第9周 | 对eM-Plant软件相关模块深入学习了解，编程方法达到熟练。 |
| 第10-12周 | 在eM-Plant进行编程与仿真，运行并分析。 |
| 第13周 | 绘制可视化配载图纸。 |
| 第14-15周 | 总结研究成果，撰写论文，准备毕业答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1]陈华北.港口汽车滚装物流的发展探析[j].物流技术(装备版),2012(22):49-51.
[2]秦明森,王方智.实用物流技术[m].中国物资出版社, 1991.
