1．目的及意义

1. 研究背景及国内外研究现状

1.1 研究背景

随着全球经济迅速增长，全球的集装箱吞吐量涨幅十分惊人，在经济全球化的带动下，我国港口集装箱吞吐量也在快速增长。下图1.1是2011年到2016年全球港口集装箱吞吐量折线图。下表1.1是我国几大港口近两年的集装箱吞吐量数据信息。从表和图可以看出码头集装箱吞吐量近些年均会持续增长，而且数量较大。

图1.1 全球集装箱吞吐量图

表1.1 国内几大港口集装箱吞吐量

港口名称	吞吐量（万TEU）	同比增长（%）
上海港	3682.47	8.2
广州港	1841.39	9.1
青岛港	1674.19	1.6
天津港	1394.3	4.5
大连港	901.43	0.8

特别的，中国作为全球一直以来的集装箱吞吐量最大的国家，这些年来中国主要港口包揽的集装箱吞吐量占全球吞吐量的比例也在不断地增大。在这种情况下，如何使自己的集装箱运输在所有的集装箱运输中脱颖而出就是一个集装箱码头经营者急需解决的问题。而现代集装箱码头之间的竞争从根本上讲就是效率的竞争，任何一个码头若想要提升核心竞争力，打造成为世界一流的集装箱码头，就必须提高装卸效率，而装卸效率的提高很大程度上取决于集装箱堆场是否运行合理，合理安排堆场作业，不仅能减少翻箱率，提高码头装卸速度，而且还能最大限度的提高码头堆场利用率和码头通过力。其中合理的运行主要包括集装箱堆场布局与场桥调度的合理配置及协同优化两方面。为此本课题将对集装箱码头堆场布局与场桥调度分别进行具体的分析并对两者的协同优化进行研究。

1.2 国内外研究现状

目前国内外己有许多学者针对海港集装箱码头内相关问题进行了研究，而针对堆场布局和场桥调度的研究，本文将从下面两个方面进行具体的阐述。

（1）堆场布局的研究综述

沙梅，周鑫等^[1]人在设定堆场功能区形状是正方形或是长方形且可分为若干行等条件下进行了集装箱码头堆场布局优化研究并进行了优化仿真研究，从而得出一个较优布局方案。姜伟^[2]在集装箱码头堆场布局研究一文中提出了堆场布局的理论建议。LEE等^[3]对集装箱码头水平和垂直两种布局的箱区进行研究，从而得出细化至箱位分配的更优箱区布局。SAURI等^[4]针对进口集装箱堆场提出多种空间分配策略并逐一验证。张雨婷等^[5]在进，出口功能区改进的基础上进行了集装箱码头堆场功分区及仿真研究，该方案虽然明显的提高了码头的整体效率，但是模型的建立并没有考虑港口堆场实际现状以及可能发生的特殊情况。张旭之^[6]在改进SLP方法理论的基础上建立基于成本、区域相关性的多目标优化数学模型并采用遗传算法求解，得到布局优化方案。

（2）场桥调度的研究综述

周文杰^[7]建立了两阶段规划的数学模型并设计了线性规划和动态规划相结合的算法来最大化缩短场桥的作业时间。刘鑫^[8]通过建立场桥多目标的混合整数规划模型，来计算对场桥资源配置优化后场桥跑位时间及最小作业完成时间的变化并结合天津港某集装箱码头的实际作业数据进行实证分析及验证，并通过帕累托最优解集，从而为码头作业提供了场桥资源在不同条件下的优化配置方案。郑红星，于凯等^[9]对混堆模式集装箱港口的某个箱区内多个场桥协同调度问题进行了深入研究，提出了一个多场桥调度整数规划模型，并设计了新的变异操作来求解遗传算法，引入了解空间切割方法，并在算法框架中嵌入基因修复技术。虽然该方案可降低集卡等待的港方附加成本与场桥大车移动的总成本，但是该方案中没有考虑倒箱问题。贾志刚^[10]针对于箱区间场桥调度提出了一种基于滚动计划的场桥调度策略。CaimaoTan等^[11]提出了一种兼顾空间分配和场桥调度的综合优化模型的堆场管理方案并进行大量数值分析，虽然分析显示可较大程度上减少码头的综合作业成本但是也只能局限于小型码头。

从上述内容来看，虽然国内外对集装箱码头堆场作业问题的研究有很多，但是都是单方面考虑集卡或者堆场布局或是场桥配置的研究，在实际应用时受到很大的限制。所以本课题提出在具体分析集装箱码头堆场布局设计后再根据堆场布局完成场桥调度的研究，实现两者的协同优化研究。

1.3 研究目的和意义

在集装箱运输过程中，集装箱码头是一个非常重要的节点。而集装箱码头堆场又是集装箱码头各个要素中的关键的要素之一。本课题研究的目的就是针对集装箱码头提出一个合适的堆场作业方案即进行合理的堆场布局及高效的场桥调度。一个良好的堆场作业，可以降低堆场作业成本，提高效率和码头的运营效益。那么如何优化集装箱码头堆场作业就是一个需要深入解决的问题。

研究集装箱码头堆场的优化问题，可以提升码头堆场日常作业的理论水平，也可以进一步完善集装箱码头操作系统的体系结构，同时为集装箱码头管理人员进行科学决策、管理以及日常作业提供了理论基础。如果不进行合理的堆场优化研究，将会降低码头的竞争力，使其在失去发展机会的同时也会承受一定的经济损失。显而易见，集装箱码头的堆场作业效率直接影响码头前沿的作业生产率及后续节点的运输质量与效率。因此，研究集装箱码头堆场优化问题具有重要意义。本课题的研究期望到达能为各种规模的集装箱码头堆场作业提供指导作用，能为较多专业码头提供架构思路。

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2. 研究的基本内容与方案

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2. 研究的主要内容

（1）利用SLP方法完成堆场布局的设计，即通过分析初始数据来进行堆场功能区的划分，并根据实际需求和集装箱码头专业面积计算方式实现功能区面积的确定。

（2）完成场桥调度的研究，即根据(1)中堆场布局的设计，利用最短路径法结合动态规划求解出场桥在各功能区之间的路径规划。在完成路径规划后，结合相关假设参数及约束条件为实现场桥总运营成本最低为目标建立数学模型，并用MATLAB来实现遗传算法的优化求解，求解出最优场桥数。

（3）完成具体的堆场布局及场桥调度的协同优化设计方案后，根据某港口实际数据利用软件Em-Plant进行方案的建模仿真，并结合软件中的遗传算法来验证方案的有效性及可行性，最后根据仿真输出数据进行方案优化。

该课题设计的关键点在于在进行具体的堆场布局设计及场桥调度研究时，不再是单独的考虑这两个部分，而是在兼顾的前提下完成这两者的设计研究。本课题设计的难点在于模型的建立及算法的求解。

3. 研究方法/技术路线

3.1堆场布局的研究

对于研究内容中（1）的研究思路是分析历史数据和实际情况根据SLP方法先完成堆场功能区的划分，再根据初始数据和专业的面积计算公式完成各个功能区具体面积的确定，而且在进行功能区面积确定时要考虑到对应功能区货物堆存量的动态变化情况。其流程模块如下图3.1所示。

图3.1堆场布局流程模块图

如下图3.2是SLP方法步骤图

图3.2 SLP方法步骤图

3.2 场桥调度的研究

对于研究内容中（2）的研究思路分成两个部分。

1）场桥的路径规划。根据(1)中堆场布局的设计，在知道了各功能区之间的距离的条件下，先根据最短路径法求出每两个功能区之间的最短距离，再延伸各个功能区为拓扑网络图，最后转化成旅行商问题进行求解，求解出最优路径规划。
2）场桥的配给数量。以场桥运营总成本最低为目标，在以下已知条件和约束条件下建立数学模型。已知条件：1）中得出的路径规划；按某路径规划完成任务的作业时间；场桥的平均行走速度。约束条件：所有场桥的总非作业时间小于总作业时间；单个功能区最多两台场桥同时作业；单个场桥有任务且一次只能执行一个任务；作业时，场桥需求数量小于场桥总量。最后利用遗传算法对该数学模型进行求解。其流程模块图如图3.3所示。

图3.3 场桥调度流程模块图

3.3仿真模型的建立

对于研究内容中（3）的研究思路是根据设计方案中堆场的布局和场桥的调度设计，建立仿真模型，设置仿真参数，利用仿真软件Em-Plant进行模型仿真研究。结合软件工具箱中的遗传算法，观察码头设计方案模型的运行情况并分析场桥和各功能区的仿真输出数据，根据输出数据验证方案的可行性及有效性并指导进行方案优化。

3. 参考文献

5.参考文献

[1] 沙梅,周鑫,秦天保,余大勇,邱华磊.集装箱码头堆场布局优化与仿真研究[J].工业工程与管理,2013,1802:24-30.

[2]姜伟.集装箱码头堆场布局研究[J].物流工程与管理,2016,3812:55-56 48.

[3]LEEBK.KIMKH.Optimizingthe block size in container yards[J].Transportation ResPart E:Logisticsamp;Transportations Review,2010,46(1):120-135.

[4]SAURFS,MARTFN E. Space allocating strategies for improving import yardperformance at marine terminals[J]. Transportation Res Part E: Logistics amp;Transportations Review,2011,47(6):1038-1057.

[5] 张雨婷,黄有方,严伟. 集装箱码头堆场功能分区及仿真[J]. 上海海事大学学报,2014,v.35;No.14504:37-43.

[6] 张旭之.基于改进SLP理论的集装箱堆场布局优化与仿真研究[D].华南理工大学,2013.

[7] 周文杰.集装箱码头场桥调度优化模型与算法研究[D].大连海事大学,2015.

[8] 刘鑫.某集装箱码头堆场场桥资源配置优化研究[D].大连海事大学,2015.

[9] 郑红星,吴岳,杨文滔,徐静静. 混堆模式下多箱区场桥联合调度[J]. 水运工程,2015,No.50204:113-119 131.

[10]贾志刚.集装箱码头箱区间场桥调度研究[D].大连海事大学,2013.

[11]Caimao Tan, Junliang He, Yu Wang,Storage yard management based on flexible yardtemplate in container terminal,Advanced Engineering

1．目的及意义

1. 研究背景及国内外研究现状

1.1 研究背景

随着全球经济迅速增长，全球的集装箱吞吐量涨幅十分惊人，在经济全球化的带动下，我国港口集装箱吞吐量也在快速增长。下图1.1是2011年到2016年全球港口集装箱吞吐量折线图。下表1.1是我国几大港口近两年的集装箱吞吐量数据信息。从表和图可以看出码头集装箱吞吐量近些年均会持续增长，而且数量较大。

图1.1 全球集装箱吞吐量图

表1.1 国内几大港口集装箱吞吐量