（管理科学与工程专业论文）集装箱港口堆场资源配置问题研究.pdf

上海海事大学硕士学位沧文 集装箱港l 二】堆场资源配置问题 i j | 究 摘要 随着经济一体化、全球化趋势的发展和市场经济的不断完善，我国国民经济和对 外贸易迅速增加，集装箱运输量取得了迅猛的发展，快速增加的集装箱运输需求使我 国观有的不少集装箱港口出现了能力不足的现象。同时，i 妇于近年来现代物流的发展， 越来越多的客户要求货物运输能够实现“f - j n i 7 ”的服务，伴随着这种多式联运、“门 到门”运输方式的普及实现，集装箱运输已经形成了海运、陆运、空运的相互紧密衔 接配合，而这种衔接配合越来越多需要无缝连接的运输链作为支撑。集装箱港 二l 作为 运输链上的一个重要环节，不仅要有足够的容量适应快速增加的货源需求，而且要求 港口的管理者按照现代物流的要求，合理配置港口内部物流资源，优化物流资源的流 通渠道，完善物流信息系统，降低作业成本，以不断提高港口内部物流网络运作效率， 从而快速响应现代物流发展的要求。 集装箱港口堆场是港口中用于堆存集装箱的专设区域，其作为港口主要的组成部 分，在集装箱港口作业物流流程中起着很重要的作用，所以堆场资源配置的优劣将直 接影响到港口整体的作业效率。 本文以集装箱港口堆场资源的配置为研究内容，运嗣j 系统的观点，列集装箱港口 堆场资源配置的理论和方法进行了研究和探讨。 首先，论文运用局部优化服从整体优化的思想( 即系统化思想) 来研究集装箱港 口堆场的资源配置问题。从系统的、集成的角度出发，研究了集装箱港口堆场空间资 源配置和堆场设备资源配赞问题，为集装箱港口优化堆场作业资源配置提供了一个更 为科学的视角。 第二，研究并提出混堆晴况下堆场空间资源动态配援优化模型与方法。论文针对 当前堆场空间资源配置的研究中都是分别对进口箱区或者出口箱区的堆存情况进行研 究且这些研究大多是在静态条件下考虑的现状，运用数学规划方法，构建了混堆情 况下集装箱的动态堆存配置模型。 第三，建立多目标情况下堆场设备资源配置的动态配置优化模型，并提出有效的 启发式方法求解该模型。现有的堆场发备资源配置方面的研究都是在给定堆场设备配 置数量基础上考虑单一最优目标进行的，或者是提高设备利用率或者减少来完成计划 作业量，因此其结果在：典际应用过程中有定的片面性。针对以一l 理论以及实际应用 中存在的缺陷，本文综合考虑了在多目标情况下堆场设备的动态配置问题，建立了堆 场设备资源配置的动态配置优化模型，该模型可以同时静j 定出集装箱港 - 7 堆场设备配 上海海事大学硕：七学位论文 集装箱港口堆场资源配置问题研究 置数量及其行走路径，为了求解该规划模型，论文提出了基于启发式方法的拉格朗日 松弛算法，并根据模型特点，对算法进行了进一步改进，提高了模型收敛速度，同时 还探讨了模型参数的特点。 最后，论文研究了集装箱港口堆场资源配置的理论和方法在宁波港北仑三期集装 箱码头的应用。论文分析了宁波港北仑三期集装箱码头现有堆场资源配置的现状，并 将堆场设备资源配置模型及其算法运用到港口的实际操作中去，比较了优化前后资源 配置的结果，给出了关于优化宁波港北仑三期集装箱码头堆场资源配置的若干结论和 建议。 本文的主要创新点是： ( 1 ) 对堆场资源配置问题的研究着眼于整个港口的物流运作，运用局部优化必须 服从整体优化( 即系统化) 的思想，研究的目的是为了提高整个港口物流运作效率。 ( 2 ) 解决了混堆情况下堆场空间资源动态配置问题。 ( 3 ) 建立了多目标青况下堆场设备的动态优化配置模型，同时提出基于启发式方 法的拉格朗日松弛算法，并在此基础上对算法进行了改进来求解该模型。 本文采用最优化技术以及启发式方法等理论和方法对集装箱港口堆场资源的配置 问题进行了详细研究，希望能为我国集装箱港口资源配置的理论和实际运作提供一定 的指导和决策依据。 关键词：堆场，资源配置，启发式方法，拉格朗日松弛算法，优化，系统 集装箱港l j 堆场资源配置问题研究 a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r sw eh a v es e e nt h ei m p r o v e m e n to fm a r k e te c o n o m i c sa n d t h eg l o b a l i z a t i o no ft h et r a d et h ed e v e l o p m e n tm a k e st h el o g i s t i c sa n dt r a n s p o r t a t i o n m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，p a r t i c u l a r l yi nt h em a n n et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m st h e s e s y s t e m si n c l u d e t h en e t w o r k so fc o n t a i n e rt e r m i n a l sa r o u n dg l o b et h a ta l l o w m a n u f a c t u r e sa n ds h i p p e r st od e l i v e rg o o d sq u i c k l yt ot h e i rc u s t o m e r s t h e s e t e r m i n a l ss e r v ea sh u b sf o rt h et r a n s s h i p m e n to fc o n t a i n e r sf r o ms h i pt os h i po rt o o t h e rm o d e so ft r a n s p o r t a t i o nt oc o p ew i t hi n c r e a s i n gt r a f f i cd e m a n d sa n d d e c r e a s i n gp r o f i tm a r g i n st h et e r m i n a lm a n a g e m e n tn e e d st oi m p r o v et h er e s o u r c e a l l o c a t i o n ，t or e d u c eo p e r a t i o nc o s t s ，t h e r e b yt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft e r m i n a l o p e r a t i o n a ll o g i s t i c s a st h em a i np a r to ft h ec o n t a i n e rt e r m i n a l ，t e r m i n a ly a r di saz o n es p e c i a l l yf o r s t o r i n gc o n t a i n e r s ，w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l ec o n t a i n e rt e r m i n a l o p e r a t i o n a ll o g i s t i c s ， t h i st h e s i s a p p l y i n gt h ei n t e g r a lv i e w , s t u d i e so nt h er e s o u r c ea l l o c a t i o no f c o n t a i n e rt e r m i n a iy a r d f i r s t l y , t h i st h e s i ss t u d i e st h ep r o b l e mo ft e r m i n a ly a r ds p a c er e s o u r c ea l l o c a t i o n a n dm a c h i n e r yr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nas y s t e m a t i cw a yt h a ti si n t e g r a t e dw i t hs y s t e m c o n c e p t s e c o n d l y , t h ed y n a m i ca l l o c a t i o nm o d e la n dm e t h o df o ry a r ds p a c er e s o u r c e a l l o c a t i o na tc o n t a i n e rt e r m i n a li nm i x i n gs t o r ec o n d i t i o n a r es t u d i e da n dp r e s e n t e d t h i r d l y , ad y n a m i cl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo fy a r dm a c h i n ea l l o c a t i o ni s p r e s e n t e dt h eh ab a s e dl a g r a n g e a nr e l a x a t i o na l g o r i t h ma n di t sf u r t h e ra l g o r i t h m a sw e l la st h ea n a l y s i so fi t sp e r f o r m a n c ea r eg i v e nt h em o d e li se s t a b l i s h e do nt h e b a s i so ft h em u l t i p l eo b j e c t s f i n a l l y , ac a s ei sg i v e nt os h o wt h ea p p l i c a t i o no ft h et h e o r ya n dm e t h o d si n t o t h et h i r db r a n c ho fn i n g b ob e i l u nc o n t a i n e rt e r m i n a lt h et h e s i sa n a l y z e st h ey a r d m a c h i n er e s o u r c ea l l o c a t i o no ft h et h i r db r a n c ho fn i n g b ob e i l u nc o n t a i n e rt e r m i n a l s o m ec o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n sa r ea l s op r o p o s e df o rt h e y a r dr e s o u r c e a l l o c a t i o n 集址箱港i - i 堆场资源配置问题例究 t h em a i np o i n to fi n n o v a t i o ni sa sf o i l o w s ： ( 1 ) t h i st h e s i ss t u d i e st h ep r o b l e mo ft e r m i n a ly a r dr e s o u r c ea l l o c a t i o ni na s y s t e m a t i cw a yt h a ti si n t e g r a t e d w i t hs y s t e mc o n c e p ti no r d e rt oi n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo fp o r t ( 2 ) t h ed y n a m i ca l l o c a t i o nm o d e la n dm e t h o df o ry a r ds p a c er e s o u r c e a l l o c a t i o na tc o n t a i n e rt e r m i n a li nm i x i n gs t o r ec o n d i t i o n ，a r es t u d i e da n dp r e s e n t e d ( 3 ) ad y n a m i cl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo fy a r dm a c h i n ea l l o c a t i o no nt h e b a s i so ft h em u l t i p l eo b j e c t si sp r e s e n t e dt h eh ab a s e dl a g r a n g e a nr e l a x a t i o n a l g o r i t h ma n di t s f u r t h e ra l g o r i t h ma sw e l la st h ea n a l y s i so fi t sp e r f o r m a n c ea r e g i v e n t h i st h e s i sa p p l i e st h eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em a t h e m a t i ct h e o r ya s w e l la sm e t h o d o l o g i e sl i k eh e u r i s t i ca l g o r i t h mt os t u d yt h er e s o u r c ea l l o c a t i o n p r o b l e mo fc o n t a i n e rt e r m i n a ly a r d i tp r o v i d e ss o m ev a l u a b l es u g g e s t i o n sa n dh e l p f o rc o n t a i n e rt e r m i n a l s k e yw o r d s ：y a r d ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，h e u r i s t i cm e t h o d ，l a g r a n g e a nr e l a x a t i o n a l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o n ，s y s t e m l ij i a n z h o n g ( l o g i s t i c s s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rd i n gy i z h o n g v 上海海事大学顺：l 二学位论文 集装箱港l = 】堆场资源配置问题研究 表目录 表3 一l 堆场不同堆存方式优缺点19 表3 2 第二阶段模型参数说明28 表3 3 计划期初始阶段箱区i 倍位j 中已有箱量3 l 表3 4 第t 阶段初始时堆存在箱区f 的倍位j 中并在t 阶段将被提走的c y p i 型箱量一3 1 表3 5 第t 阶段初始时就堆存在箱区i 的倍位j 中并在t 阶段将被装上船的v s l d 型箱量f 0 3l 表3 6 第t 阶段从顾客处运到港并在第t + k 阶段装上船的c y g d 型箱的箱量岛 3l 表3 7 第t 阶段从船上卸下并在第t + k 阶段被顾客提走的v s d s 型箱的箱量傀32 表3 8 第t 阶段从顾客处运到港并在计划期外装上船的c y g d 型箱的箱量品32 表3 - 9 第t 阶段从船上卸下并在计划期外被顾客提走的v s d s 型箱的箱量屏32 表3 一l o 箱区i 的倍位j 到泊位l 的距离m 32 表3 一j 1 在第t 阶段从停靠泊位l 处船上卸下的v s d s 型箱的总箱量总32 表3 一1 2 在第t 阶段到达码头并将装在通过停靠在泊位l 。处的船上c y g d 型箱的总箱量肥32 表3 一l ：j 在第t 阶段到港堆存到箱区f 的倍雠j 中的c y g d 型箱的箱量岛。 33 表3 一1 4 在第t 阶段卸到箱区i 中的倍位j 中的v s d s 型箱的箱量33 表3 一1 5 在第t 阶段从停靠在泊位l 处的船上卸下存放到箱区i 的倍位j 中的v s d s 型箱量z ；，33 表3 一1 6 第t 阶段到码头存放到i 箱区的j 倍位中并通过停靠在泊位l 处的船舶装上船的c y g d 型箱 的箱量屁，34 表3 一1 7 各阶段各箱区倍位作业总箱量 35 表3 一1 8 随机试验配置结果35 表 l 拉格朗日松弛算法改进前后算例结果表52 表4 2 箱区问龙门吊平均移动时间 。 5 3 表4 3 各阶段各箱区的计划工作箱量所需的龙门吊时间岛。53 表4 - 4 各阶段各箱区的允许未完成计划工作箱量所需的龙门吊时间的最大值由。一53 表4 5 初始各箱区配置龙门吊台数j 锄 5 4 表4 6 第一阶段箱区间龙f 3 3 移动情况x m 54 表4 7 第二阶段箱区间龙门吊移动情况x n 54 表4 8 第三阶段箱区间龙门吊移动清况h 54 表4 - 9 第四阶段箱区间龙门吊移动情况x 。 54 表4 1 0 第五阶段箱区间龙门吊移动情况。55 v ：! 童塑皇查堂堡：i 二堂垡堡兰壅茎堕堂旦苎塑堕塑翌监型型! ! ! 塑 表4 一l l 第六阶段箱区间龙门吊移动情况疋“ 5b 表4 一1 2 不同权值隋况下的求解结果表 55 表5 一l 箱区间龙门吊平均移动时间m b0 表52 各阶段各箱区的计划： 作箱量( 昂d 6 l 表53 第t 个阶段第1 箱区的允许未完成计划：r 作箱量( 日d 6l 表54 初始各箱区配置龙门吊数量爿葫6l 表5 - 5 优化前后堆场设备配置情况对比表6 2 x ：海婚事大学 i 7 1 7 学位论义集皱箱港l = j 堆场资源配置问题研究 图目录 图卜l 论文结构和内容8 幽2 一l 集装箱港口布局10 图2 - 2 集装箱港口进口业务流程图1 2 幽2 一： 集装j = | ! 港口出n _ l k 务流程图一 12 蚓2 - 4 港口堆场作业资源幽14 图3 1 堆场f i ；, j k 箱型图 21 图3 2 单艘船舶运载集装箱在堆场箱区作业时间图 2 2 斟3 - 4 堆场空间资源配置解决方案圈 2 3 图3 5 第二阶段模型m y s r d ( i i ) 幽 29 图3 - 6 两阶段堆场空间资源配置模型i y s r d 结构图 3 0 图4 - 1 轮胎式龙门吊平面图 37 剖4 - 2 模型决策变量 40 幽4 3 启发式方法目标值的关系44 幽4 - 4 算洌求解结果雨：迭t ；久数的关系53 上海海事大学硕士学位论文 集装箱避口堆场资源配置问题研究 1 1 论文的背景 第一章绪论 随着经济一体化、全球化趋势的发展和市场经济的不断完善，我国国民经济和对 外贸易迅速增加，集装箱运输量取得了迅猛的发展，快速增加的集装箱运输需求使我 国现有的不少集装箱港口出现了能力不足的现象。同时，由于近年来现代物流的发展， 越来越多的客户要求货物运输能够实现“门到门”的服务，伴随着这种多式联运、“门 n f ”运输方式的普及实现，集装箱运输已经形成了海运、陆运、空运的相互紧密衔 接配合，而这种衔接配合越来越多需要无缝连接的运输链作为支撑。集装箱港口作为运 输链上的一个重要环节，不仅要有足够的容量适应快速增加的货源需求，而且要求港 口的管理者按照现代物流的要求，合理配置港口内部物流资源，优化物流资源的流通 渠道，完善物流信息系统，以不断提高港口内部物流网络运作效率，缩短船舶在港时 问，降低作业成本，满足客户的需要。 1 1 1 现代物流的发展 由于科学技术不断进步和经济不断发展，以运输、装卸、包装、仓储的合理化和 系统化、加工配送一体化及信息管理网络化为主要内容的现代物流，不仅成为了企业 竞争的主要因素，还是一个国家综合国力的重要标志。现代物流的发展要求货物能够 在不同运输方式、各货运站之间实现无缝链接，以最小的费用、最短的时问，准确、 安全地实现时间和空间的转移。 港口作为物流系统中的重要节点，是远洋、内河船舶以及内陆运输( 卡车和火车) 的枢纽。港口地区汇集有货主、货运代理、船东、船舶代理、商品批发零售、包装公 司、陆上运输公司、海关、商检等各种机构。港口不仅是不同运输方式汇集的关键节 点，而且也是各种信息、经济和技术的汇集点。现代物流的不断发展以及港口本身在 现代物流中的重要地位，给作为物流平台的港 i 带来了i 三l 益增大的压力。为了实现水 路、陆路运输方式之间的无缝链接，集装箱港口需按照现代物流的要求，合理配置港 口内部物流要素，优化物流要素的流通渠道，完善物流信息系统，以不断提高港口内 部物流网络运作效率，缩短船舶在港时间。 上海海事大学硕= e 学位论文 集装葙港f = j 堆场资源酬置问题研究 1 1 2 快速增加的集装箱吞吐量 自从1 9 5 7 美国第一艘集装箱船投入运营以来，集装箱运输方式便以其装卸效率 高、港口操作简单、货损率低等优点在全世界范围内得到了快速发展，在运输总量中 的比重也不断提高。 全球化和经济一体化的快速发展，促进了我国国内运输量和国际运输量的快速增 长，快速增加的运输总量使港口集装箱吞吐量不断增加。与此同时，为了适应全球航 运市场的竞争形势，集装箱船舶也出现了大型化趋势。快速增加的集装箱吞吐量和集 装箱船舶大型化，使不少集装箱港口出现了满负荷、超负荷运营的现象。为了在激烈 的竞争中取胜，港口管理者除了要从中长期规划港口扩建计划外，迫在眉睫的一个问 题就是要合理地优化配置现有的作业资源，提高港口内部运作效率和管理水平，使集 装箱港口的发展走上重技术、重管理的集约化道路。 1 1 3 各大港口竞争集装箱枢纽港 近几年，全球各大航运公司纷纷组建战略联营体，将世界航运市场作为自己的经 营舞台，并先于港口开始了从传统物流服务向现代物流服务的转变。为了提高运作效 率、降低运营成本、实现规模经济战略联营实体规模不断扩大，经营战略也在不断 调整。 一般而言，各大航运公司在一个地区只会有一个枢纽港，哪个港口能最终成为本 地区的枢纽港，除了取决于港口的地理条件外，港口的技术水平、内部物流运作效率 和管理水平、信息交换能办仕l 是船公司的主要考虑因素。因而为了配合各大航运公司 经营战略的调整，在新的一轮竞争中取得竞争优势，港口首先要使其内部物流系统化、 合理化，为集装箱船舶装卸提供一个良好的物流平台，使港口在提高其资源利用率的 同时，降低集装箱船舶在港的时间。 1 1 4 信息技术的广泛应用 以通讯技术、网络技术、感测技术、控制技术等为代表的现代信息技术的发展以 及全球信息网络的兴起，使我们从传统的工业时代进入了一个崭新的信息时代，为集 装箱港口进行快速、高效地生产提供了可能。 目前，信息技术已经在港口航运企业得到了广泛的应用。例如，我国沿海一些先 匕海海事大学硕士学位论义集装箱港口堆场资源配置问题训究 进的大型集装箱港口用无线电通讯代替了高频对讲机，使港口内部物流信息和作业信 息传递更为快速、准确。在新加坡和香港，e d i ( 电子数据交换) 技术的使用和普及， 实现了通关过程电子化，使通关可在半小时左右完成，大大提高了通关效率。完整的 g i s ( 地理信息系统) 分析软件集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络模型、分配 模型和定位模型，为最优路径选择和最佳运输任务分配提供了决策支持。除此之外， 条码技术、射频技术( r f ) 和全球定位系统( g p s ) 等技术的广泛应用都为集装箱港口内 部物流高效运作提供了保障。 集装箱港口堆场是港口中用于堆存集装箱的专设区域，其作为港口主要的组成部 分，在集装箱港口作业物流流程中起着很重要的作用，堆场资源配置的优劣将直接影 响到港口整体的作业效率。 在上述背景下，如何合理高效地配置集装箱港口作业资源尤其是堆场资源配置就 成了一个迫切需要解决的课题。 1 2 集装箱港m i i t 场资源配置文献综述 1 2 1 堆场资源配置的研究现状 堆场资源主要涉及两部分的资源配置问题，一部分是堆场空间资源配置问题，一 部分是堆场设备资源配置问题。 1 ) 堆场空间资源配置研究现状 s c u l l i 和i l u i ( 1 9 8 8 ) 1 l 通过仿真的方法研究了堆场堆高、堆场利用率和翻箱率之 间的关系。y g c h u n g ( 1 9 8 7 ) 1 2 哜y g c h u n g ( 1 9 8 8 ) d i 通过为准备装船的出口集 装箱开辟一个靠近码头前沿的缓冲堆存区域来提高装船效率，但是这种方法受场地限 制较大。e m c d o w i l le t a l ( 1 9 8 8 ) 1 4 1 在文中讨论了集装箱港口的作业流程，在考虑 了各作业流程所发生成本的基础上，建立了一个成本模型来解决堆场堆存问题。在这 种成本模型下，虽然可以降低总的作业成本，但是并没有考虑港口设备作业效率的问 题。t a l e b i b r a h i m ie ta 1 ( 1 9 9 3 ) 5 1 也采用仿真的方法讨论了出口箱区不同安排原 则下堆高、堆场利用率和翻箱率之间的关系。d ec a s t i h n oa n dd a g a n o ( 1 9 9 3 ) 【6 l 一文 中也研究了两种策略下的进口集装箱的堆存问题，一种策略是按照集装箱大小分类堆 放，另一种策略是按照到达时间依次堆放。ma n dk i m ( 1 9 9 9 ) 7 1 研究了定期班轮和不 定期船次的进口箱堆存空间分配问题。m u r t ye ta 1 ( 2 0 0 0 ) 【8 】在研究堆场空间分配i 对 考虑了集卡因素，以避免集卡太集中而引起堆场交通堵塞。r i me ta 1 ( 2 0 0 0 ) 脚采用 上海海事大学硕士学位论文 集装箱港口堆场资源配程问题研究 加权的方法计算期望翻箱次数，为每个到港集装箱分配合理的位置使总翻箱次数最少。 m a r ke t a l ( 2 0 0 1 ) 1 ”运用仿真的方法对港口堆存方式进行了研究，分析了不同情况下 最优的堆存方案。p e t e rp r e s t o n ，e r h a nk o z a n ( 2 0 0 1 ) l 在文中讨论了集装箱堆场的 最优堆存方案，并建立了一个混合整数线性规划模型，目标函数是使船舶停港时问最 小化，并用遗传算法求解。j e a n f r a n c o i sc o r d e a u ( 2 0 0 1 ) 12 】研究了堆场集装箱配置 问题，并建立了整数规划模型，目标函数是使集装箱从堆场箱区到船舶的运输距离最 小，并用t a b u 搜索方法和遗传算法求解。由于在这个模型下，堆场设备工作箱量不均 衡，会降低堆场设备的利用率，在实际工作中有一定的片面性。p i n gc h e n ge t a l ( 2 0 0 2 ) 1 1 3 1 在文中讨论了堆场集装箱空间分配问题，文中提出用多种算法解决这个问题， 包括t a b u 搜索方法，模拟退火算法，遗传算法以及“s q u e a k yw h e e l ”优化方法，最 后结合t a b u 搜索方法和“s q u e a k yw h e e l ”优化方法的特点，提出了一种混合方法来 求解。c h u q i a nz h a n g ( 2 0 0 3 ) u 4 1 也通过建立一个线性整数规划模型来解决堆场集装箱 的空间配置问题，模型可得到分配到各箱区作业的集装箱数量。e b r uk b j s h ( 2 0 0 3 ) 0 5 1 在文中将进口箱堆场空问配置问题同桥吊调度问题整体考虑。并把这一问题分成两个 子问题并分别进行考虑：( 1 ) 为每个卸载的集装箱确定在堆场的存贮位置；( 2 ) 为每 个集装箱分配集卡；( 3 ) 对每个桥吊进行装卸作业优化以实现集装箱运输船的周转时 间最短。最后，作者采用一个r l s 启发式规则对大型问题进行求解并进行了最坏情形 分析。 近年来国内也有一部分学者对堆存问题进行了研究。徐剑华( 1 9 9 1 ) ”提出用择 箱指数方法寻求集装箱最佳堆存高度和最佳布置，以使堆场的面积利用率和堆场的取 箱效率获得综合优化的结果。宋天威( 2 0 0 0 ) m 1 以上海港军工路集装箱码头为例对两 种堆码方式进行了探讨，一种方式是6 箱并列加一车道，其中车道在一侧，另一种方 式为3 箱十3 箱，车道留在箱位中间。郝聚民，纪卓尚等( 2 0 0 0 ) l i8 j 介绍了出口集装箱 堆场优化的重要意义，在图搜索技术和模式识别理论的基础上建立了随机条件下的混 合顺序作业堆场倍位优化模型。杨淑琴，张运杰等( 2 0 0 2 ) | l ”根据出口集装箱先到港、 尽量轻箱在下重箱在上的原则，采用启发式方法合理安排出口集装箱场箱位安排，以 达到装船作业时堆场机械的翻箱率最低。 2 ) 堆场设备资源配置研究现状 c h u n ge ta 1 口o 】( 1 9 8 8 ) 最早提出了龙门吊路径选择问题，目的是减少龙门吊的不 必要移动，提高龙门吊的工作效率。l a i 和l a m ( 1 9 9 4 ) 1 2 l j 运用模拟方法比较了不同配 置策略下龙门吊的使用效率、作业量及等待时问的问题。g a m b a r d e l l ae ta 1 ( 1 9 9 8 ) 1 2 2 1 讨论了仿真模型在港口资源配置中的应用，并采用网络流的思想，运用混合整数规划 模型对桥吊、龙门吊等港口资源进行配置。不过，该文章并没有考虑具体作业中集装 上海海事大学颂= 扣学位论义集装箱港口堆场资源配置问题 i j | _ 究 箱的作业序列以及集装箱在堆场的具体存贮信息等因素，而是将一定的堆场区域，参 加作业的桥吊，龙门吊以及集装箱船看作网络图的节点，另外，文章着重于对仿真模 型在港口作业中的功能探讨，而非具体的作业调度优化。蹦ma n dk i m ( 1 9 9 9 ) 瞄1 研究 了单个龙门吊的最优路径问题，建立混合整数规划模型，使龙门吊的箱区问总移动时 间最小化来解决配置问题。由于实际堆场作业中同时有多台龙门吊工作，这些龙门吊 之问互相影响，所以此文中建立的模型适用性不大。k o z a na n dp r s e t o n ( 1 9 9 9 ) 1 2 4 1 建立整数规划模型，使龙门起重机的各箱医总工作时间最大化来解决龙门起重机配置 问题。m u r t ye ta 1 ( 2 0 0 0 ) m j 在文中讨论了几个工班内的龙门吊的配置问题。文中假 定，在每一个工班内都有一定的工作量，龙门吊可以在箱区之间相互移动，但是在每 个工班之内的移动次数不能超过1 次，因为过多的龙门吊在箱区间的移动会造成堆场 交通堵塞。由于本文采用的是仿真的方法，所以其结果很不精确。lmc a f j n b a r d e l l ae t a l ( 2 0 0 1 ) 1 2 5 1 运用网络流的方法对整个港口的装卸资源进行了仿真研究，在模型中， 将每个工作日分为三个工班，同时假发所有的桥吊工作能力均相同，船舶在哪个工班 到达为已知，所靠船舶的装卸箱量根据船舶的抵港预报也为已知。需要决定的就是每 个工班所需配置的桥吊数量、龙门吊配置数量以及各船每工班装卸箱量，最后将得到 一张计划时域内的资源配置计划表。c h u q i a nz h a n g ( 2 0 0 3 ) 【2 6 通过建立一个整数规划 模型研究了龙门吊的： 作任务分配问题。在假设己知若干个计划期的工作任务量的条 件下，通过合理地安排龙门吊在某工班内的工作任务和不同箱区之问的移动顺序对龙 门吊配置进行优化，但是该模型是在给定龙门吊台数基础上给出的配置方案，不能优化 龙门吊配制台数。 1 2 2 已有研究存在的问题 从以上的文献研究可以看出，现有关于堆场资源配置的研究主要存在以下问题： ( 1 ) 缺少对混堆情况下集装箱的动态空间堆存问题的研究 在已有的堆场空间配置研究中，都是分别对进口箱或者出口箱的堆存情况进行研 究，且这些研究大多是在静态条件下考虑的，很少考虑混堆情况下集装箱的动态堆存 配置的研究。考虑混堆情况下的集装箱的动态堆存问题的难点在于，在混堆动态分配 情况下，因为每一个箱区要同时考虑进口箱和出口箱的分配问题，将使问题变得复杂。 本文将在这种情况下研究堆场集装箱的空间分配问题，在混堆情况下实现更加符合实 际的动态优化配置，合理地确定混堆 青况下集装箱具体到箱区倍位的堆存数量，为港 口的实际作业提供帮助。 上海海事大学碗士学位论文 集装箱谘口堆场资源配置问题研究 ( 2 ) 对堆场设备资源配置的研究不足，且在已有文献中的研究都是考虑给定堆场 设备配置台数的情况。 从目前的研究文献可以看出，对堆场设备资源配置的研究明显比其它资源配置问 题研究的要少，且这些研究都是考虑给定堆场设备配置台数的情况，在本文将运用数 学规划方法由模型产生堆场设备配置台数，丰富对这问题的研究。 ( 3 ) 堆场设备的配置中只考虑单一目标且缺少相应的求解算法。 在已有的堆场设备配置调度研究中，一般都是考虑单一目标，或者是提高设备利 用率或者减少未完成计划作业量，因此其结果在实际应用过程中有一定的片面陛。且 在动态配置问题模型的求解方面，尚缺乏相关的研究。本文将考虑多目标情况下堆场 设备的动态配置问题，提出更加符合实际的堆场设备的配置调度模型以及算法。 ( 4 ) 缺乏以系统观点的思想研究堆场资源配置问题。 由于港e l 的整个作业是一个物流系统，堆场作业作为整个物流系统的运作的一个 部分，必须以提高整个港口物流运作效率为第一前提。在已有的堆场资源配置研究中， 很多问题的解决都以个体的目标为最优，而忽略了港1 ：3 整体优化这个目标。 1 3 论文的研究意义 集装箱港口是资本密集型的经济实体，要使港口作业高效而经济地运行，集装箱 港口作业资源的优化配置关系到港口的运作效率及其竞争力。而集装箱港f j 堆场作为 港口一个不可缺少的组成部分，在港口整个作业的流程中起着相当重要的作用。为了 更好地指导我国集装箱港口业务的运作实践，本文将以集装箱港口堆场系统为研究对 象，在考虑堆场场外资源配置的基础上，通过对堆场空间资源、堆场设备资源配置等 与堆场运作紧密相关的问题进行了深入探讨，希望能为我国集装箱港口资源配置的理 论和运作提供一定的指导和决策依据。 1 4 论文主要创新点 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 对堆场资源配罨问题的研究着目艮于整个港口的物流运作，运用局部优化必须 服从整体优化( 即系统化) 观点的思想，研究的目的是为了提高整个港口物流运作效 率。 燕装箱港 - i 堆场资源酣骨问题讲究 当前对堆场资源配置问题的研究多是仅从某个单一资源的角度进行优化，优化的 结果很多未考虑港口整体目标的优化，本文运用系统化的思想，把堆场资源优化配置 的问题放在港口整体优化的角度来研究，提供了一种更为系统化、集成化的研究角度。 ( 2 ) 提出混堆情况下堆场空间资源动态配置问题，并建立了数学规划模型。 本文针对在已有的堆场空间配置研究中，都是分别对进口箱区或者出口箱区的堆 存情况进行研究，且这些研究大多是在静态条件下考虑的，很少考虑混堆隋况下集装 箱的动态堆存配置的研究现状，本文给出了混堆情况下的堆场空间动态配置优化模型， 合理地确定混堆情况下集装箱具体到箱区倍位的堆存数量，并给出了算例分析。 ( 3 ) 建立了多目标情况下堆场设备的动态优化配置模型，同时提出基于启发式方 法的拉格朗f | 丰公弛算法，并在此基础上对算法进行了改进来求解该模型。 列于堆场发备资源配置问题，针对日前堆场没备配置凋度研究较少且一般都是考 虑给定配置数量基础上单一目标的情况，本文提出的动态配置模型及其算法，具有创 新意义。模型中考虑多目标情况下堆场设备的动态配置问题，同时制定集装箱港口堆 场设备数量及其行走路径。模型的目标函数是提高设备利用率和减少未完成汁划作业 量，这样与实际的情况更加符合。 堆场设备资源动念配置问题是一个混合整数规划问题，求解具有相当难度。为了 简化求解步骤，提高求解效率，本文提出了基于启发式方法的拉格朗日松弛算法，并 在此基础b x ；j 算法进行了改进，实验证明拉格朗日松弛算法求解堆场设备配! 莆模型取 得了比较好的效果。 1 5 论文内容与结构 本文共分为六章： 第一章是绪论，主要介绍了国内外研究概况以及论文的目的、意义、主要创新点 以及内容。 第二章主要介绍了集装箱港口和堆场的概况及其特征，具体阐述了堆场作业中的 资源配置问题。 第三章主要介绍了混堆情况下堆场空间资源动态配置的数学优化模型。 第四章主要介绍了多目标情况下堆场设备资源动态配置的数学优化模型，同时给 出了基于启发式方法的拉格朗闩松弛算法来求解该模型。 第五章将第心章的模型和算法应用到宁波港北仑集装箱三期码头堆场作业资源配 置的实际中去，给出了案例。 上海海事大学硕士学位论文集装箱港口堆场资源配置问题研究 第六章为结论。 本文的内容和结构见图卜l 所示。 绪论( 第一章) 上 l 堆场资源配置问题概述( 第二章) 图卜i 论文结构和内容 上海海事大学顺：i ：学位论文 集装箱港口堆场资源配置问题研究 第二章集装箱港口堆场资源配置问题概述 2 1 集装箱港口概况及其特征 2 1 一集装箱港口的功能和布局 集装箱港口( c o n t a i n e rt e r m i n a l ) 是专供停靠集装箱船舶、装卸集装箱的作业 场所，是在集装箱运输过程中水路和陆路运输的连接点，也是集装箱多式联运 ( i n t e r m o d a l i s m m u l t i m o d a lt r a n s p o r t ) 的枢纽。集装箱港口一般设有泊位 ( b e r t h ) 、集装箱堆场( c o n t a i n e ry a r d ) 、控制室( c o n t r o lt o w e r ) 、检查口( g a t e h o u s e ) 、仓库( c o n t a i n e rf r e i g h ts t a t i o n - - c f s ) 、集装箱专用机械和其它专用设施。 3 1 1 一、集装箱港口的功能 海上集装箱运输从1 9 5 6 年在美国兴起至今已有j o 年的历史。伴随着集装箱运输 的飞速发展，世界各国港口相继建造了大量的集装箱多用途和专用港口。集装箱港口 在整个集装箱运输过程中对加速车船周转，提高货运速度，降低整体运输成本等方面， 起着十分重要的作用。通常认为，集装箱港口主要有以下职能： l 、集装箱运输系统中的集散站； 2 、提供集装箱堆存，作为转换集装箱运输方式的缓冲地； 3 、水路集装箱运输和陆路集装箱运输的连接点和枢纽。 当然，随着现代物流的发展，集装箱港口的物流功能远不止一h 述这三项，集装箱 港口可以成为分拨中心，配送中心、流通加工中心等，提供仓储、装卸、包装、运输、 加工、配送及信息处理等一系列增值服务。但是，所有这些物流功能的拓展，都是建 立在上述三项主要职能的基础之上的。 二、集装箱港口的布局 集装箱港口为了完成装卸、搬运、保管和拆装箱作业等任务，要求集装箱港口同 船舶共同形成一个不可分割的有机整体，同时需要港口有一些必要的设备和设施。集 装箱港口通常应该具备的必要设施有：泊位、码头前沿、集装箱堆场、货运站、控制 室、行政楼、检查口、维修车间等。港口简要的布局示意图如图2 一l 所示。 1 、泊位( b e r t h ) 泊位是指在港内为了进行装卸，给船舶停泊靠岸，并有一定长度岸壁线的地方。 卜海海事大学硕士学位论文 集装箱港口堆场资源配置问题研究 目前世界上集装箱港口泊位的长度一般为3 0 0 m 左右。 j 孓 j 孓一 图2 一l 集装箱港口布局 2 、码头前沿( a p r o n ) 前沿是指码头岸壁的岸壁线起到码头堆场前的这一部分面积。前沿上设有集装箱 装卸桥。它是集装箱船舶装卸作业中最重要的一部分面积，如卸船时，从船上卸下的 集装箱是放在前沿上或前沿的拖车上，再转运到堆场。前沿也