（系统工程专业论文）港口集装箱码头堆场资源配置问题研究.pdf

ab s t r a c t w i t h t h e r a p i d p a c e o f e c o n o m i c g l o b a l i z a t i o n a n d u ti l i z a t io n , f o r e i g n t r a d e o f o u r c o u n t ry h a s g a in e d g r e a t d e v e l o p m e n t , w h i c h b r i n g s e n o r m o u s i n c r e a s e o f con t a i n e r t r a n s p o r t a t i o n . h o w e v e r , t h e i n a d e q u a t e c a p a c i t y o f m o s t c o n t a i n e r t e r m i n a l s i n o u r cou n t ry c a n n o t m e e t 阮 d e m a n d o f i n c r e a s i n g i m p o r t/ e x p o r t com m o d i t i e s . a s a n i n d i s p e n s a b l e p a rt co n n e c t i n g l a n d a n d s e a t r a n s p o r t a ti o n , con t a i n e r t r a n s p o rt h a s s e t u p n e w r e q u e s t s f o r p o r t m a n a g e r s t o d e p l o y l o g i s t i c r e s o u r c e s , o p t i m i z e com m u n i c a t i o n c h a n n e l s , u p d a t e l o g i s ti c i n f o r m a ti o n s y s t e m a n d i m p r o v e t h e e ffic i e n c y o f lo g is ti c n e t w o r k s . c o n t a i n e r t e r m i n a l y a r d i s a m a j o r co m p o n e n t o f p o rt . i ts r e s o u r ce d e p l o y m e n t l e v e l g r e a t l y i n fl u e n c e s t h e t o t a l e ffi c i e n c y o f a p o rt . t h u s 山 i s 山 e s i s ta k e s t h e y a r d r e s o u r ce d e p l o y m e n t a s t h e m a i n r e s e a r c h con t e n t a n d f u r t h e r e x p l o r e s 血 山 e o r i e s a n d m e t h o d s o f con t a i n e r t e r m i n a l s d e p l o y m e n t o n t h e b a s i s o f o p t i m i z a ti o n t h e o ry a n d m o d e m l o g i s ti c s . i n t h e t h e s is , t h e h i e r a r c h y o f t e r m i n a l r e s o u r ce o p t i m i z a ti o n i s f i r s t l y a n a l y s e d , e m p h a s i z i n g t h e y a r d r e s o u r ce d e p l o y m e n t m e t h o d s . t h e n a r t g d e p l o y m e n t m o d e l a n d i t s cor r e s p o n d i n g h e u r i s t i c s a r e p r o p o s e d , s u p p o s i n g t h e t o t a l w o r k i s cer t a i n a n d t h e r t g e f f i c i e n c y i s v a r i a b l e . b y com p a r i n g t h e d a t a f ro m d i ff e r e n t s i t u a ti o n s , t h e e ff e c t i v e n e s s o f t h e h e u r i s t i c s is t e s t e d . f u r t h e r m o r e , a s i m u l a ti o n m o d e l o f y a r d a s s e m b l i n g p r o ce d u r e s w i t h f l e x s i m p l a t f o r m is d e v e l o p e d . t h e w h o l e p r o ce d u r e o f e x p o rt con t a i n e r s t r a n s p o r t e d fr o m t h e g a t e a n d a s s e m b l e d勿 t h e r t g i s d e mo n s t r a t e d i n t h i s s i mu l a t i o n . t h e r e s e a r c h a l s o t a k e s t h e f a c t u a l s t a t e o f a con t a i n e r t e r m i n a l i n t i a n j i n i n t o c o n s i d e r a t i o n , a n a l y z i n g i t s p r e s e n t y a r d r e s o u r ce d e p l o y m e n t a n d a p p l i e s t h e s i m u l a t i o n m o d e l a n d h e u r i s t i c s t o i t s o p e r a t io n o f y a r d r e s o u r ce d e p l o y m e n t , p r o v i d in g s o m e f e a s i b l e con c l u s i o n s a n d s u g g e s ti o n s . k e y w o r d s :t e r m i n a l , y a r d , r t g , 3 1 3s i m u t a ti n n ii 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、使用学位论文的 规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目 的的前 提下， 学校可以 适当 复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名 ” 07 年 夕 ” 介 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 鑫 婆撇翻携翼蘸燕蘸翼撇鑫 蒙 蘸 暴 纂 蒙 哪 滚黯 聚鬓 馨 璐撇獭 龚燕澎 跳毛欲戈爵 韶容 麒黔姗若 瓢 li 】 鬓 翼 耀 匆 巨扛 蒸1澎洲 魄缝舜淞科 绷 奎 戮瑟 豪 羹 彝骡黝一攀 蘸 鑫l 蘸鑫 薰 鬓 彝 5 羲 名 要 扮蕊 夔蘸羲 熟缈蒸然猫1 纂 鑫 羲 搔 篡 罐 晚 稀 丁 之 滩鳌彭 落 要 璐翻线 若j 毖笼 汤 艰 夔 爹 越 黝 羡 9蘸鼓 蓦 鑫 豪 黝闭 泌 件溯属 纂 飘 一 翻 册屡 馨瓢 攀结撇欲魏琢滋猎往 如淤龚 撰魏墓 港 袭 级薰 桑若 费 龄更k 翻 仪 妞览 二 粉 羊姗 署 霎 巍 蒸 篡 纂 蕾 薰 鑫 彝藏 瓤 鬓瓢一 巍l;羹 鬃 魏黝黝掇史 戮簇 篡l 黔 !羹 l凳 纂囊 撇 薰珊馨 蘸瓣攫 骊 黔 鬓巍 麟 护鬓 巍纂 巍 龚 撇撇蒸 泰 器 羲 蒸 潺 纂 罐撇撇 蘸 纂 馨孽拳 鹭 羹 鬓 薰薰藻 鑫薰 巍黝鬓 蓄 蘸蒸瓣鑫薰蘸熬 奏 黔羁缴 黔械 搜 艰 篆 簇奎 塞 豁 薯 绮 典 军 淤尸能理 鹉 恋辛 ， 幽 叹 瀚 粉愁 照黑视 究 企 舀 飞 龄 架粥浮 澎然价 挑 分 冷 埃 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已 经注明引用的内 容外， 本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉 及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : i m 旦 x 07 年 岁 ” 甲 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 研究背景及研究意义 1 . 1 . 1研究背景 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， 全球化信息网 络和全球化市场形成 以及客户需求的多样化，市场竞争日益激烈。在传统的资源领域和人力资源领 域的利润潜力越来越小、 竞争优势越来 越弱的 情况下， 面对激烈市场竞争， 企 业开始转向在物流领域内挖掘潜力、培养新的竞争优势。 在我国， 产品从生产到销往用户手中， 9 5 %的时间耗在存储、 装卸、 等待加 工和运输方面，费用平均占到总成本的5 0 %. 9 5 %的消耗时间与5 0 %以上的成 本， 便是物流业巨 大的“ 利润源泉” 之所 在。中国物流业市场规模有望从2 0 0 4 年的2 9 0 0 亿美元增长至2 0 1 0 年的5 0 0 0 亿美元。 根据摩根斯坦利报告，中国 每 年的 物流 费 用 超过2 0 0 0 亿 美 元 ( 折 合 人民 币 约1 .7 万 亿 动， 预 期 未 来1 0 年内 物 流服务的收入将有每年2 0 %的增长幅度。 以采购、生产、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特征的现代物流，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、最短的时间，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、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 港口 带来的压力日 益增大。为了 实现 海路、 陆路运输方式之间的无缝链接， 集装箱码头需按照现代物流的 要求， 合理 配置港口 内 部作业物流资 源， 优化物 流资源的运作，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， 第一章 绪论 1 . 1 . 1 .2集装箱吞吐皿的 快速增加 自 从1 9 5 7 年美国 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。 集装箱运量在运输总量中的比重也不断提高。相关资料表明目 前全世界每天流 动的 集装箱达7 0 0 0 万之多，如果没有这些流动的 集装箱，原材料和产品 在全球 范围内迅速流通将是一件不可思议的事情，也就不会有现今的贸易全球化和经 济一体化的发展潮流。 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，使不少集装箱码头出现了满负荷、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码头 扩建计划外， 更关键的 一个问 题就是要优化现有资 源的 配置， 从而提高港口 的 运作效率，降低营运成本。 国际集装箱运输在过去4 0 年中，以 每年7 %的 增长速度增长，己 经成为目 前海上主要的 运输方式之一。 据预测， 到2 0 1 2 年世界的 集装箱吞吐量将从1 8 8 百万t e u增加到4 1 7 4 9 1 百万t e u ，而这部分增长主要来自 亚洲国家，这就 对亚洲国家尤其是作为世界工厂的中国的集装箱码头提出了 更高的要求。 匆 0 % 1 已0 % 1 6 . 0 % 1 4.0 % 1 2 口% 1 0 .硬 残 日 . 0 % a0 % 峨0 % 2 . 0 % 0 . 0 % 1 9 % 年 1 9 9 9 年 团田 牟 2 0 0 1 年 2 0 0 2 年 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 2 0 0 弃2 田6 竿 . 翻中 国挤 装箱吞吐皿 占世界苏狡箱吞吐 皿此 图1 . 1 1 9 9 8 - 2 0 0 6 年我国 港口 集装箱吞吐 量 及占 世界比 重 1 . 1 . 2研究竞义 集装箱运输的不断发展， 导致目 前国内许多集装箱码头在高任务量的情况下 第一章 绪论 1 . 1 . 2研究意义 集装箱运输的不断发展， 导致目 前国内 许多集装箱码头在高任务量的 情况下 运行。集装箱码头的高任务量运行给码头运营管理人员的日 常决策带来了很多 困 难。 为缓解集装箱运输业的发展所带来的 压力，国内 许多港口 及港口 城市竞 相规划和建设大型集装箱深水港， 其规 模 和投资都十分巨 大， 这些设施的 建设 和投入使用无疑对我国区域经济和发展有着重要的 推动作 用。 诚然， 增加投入和新码头的建设可以 缓解对码头资源需求的 压力， 但从根本 上讲提高现有设备和新建设备的使用效率才是解决问题的 途径。码头经营者为 了缓解这种不断增长的需求压力，在不断规划新建码头以及泊位设施的同时， 还不断通过提高集装箱码头运作管理来提高 现有设施的能力以 及服务水平。由 于目 前大部分的集装箱码头的规划及设计与集装箱码头管理企业的实际运营产 生矛盾， 造成了 集装箱码头操作、管理中 的困 难性， 形成了 集装箱码头物流系 统的瓶颈。解决或缓解这种瓶颈问题，提高码头的物流运作水平是本论文研究 的目的之一。 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就成了 一个迫切需要解决的课题。 第二节 集装箱港口堆场资源配置研究综述 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。简单的说这里所讲的堆场资源包括堆场 的堆位资源和场桥资源。 1 . 2 . 1堆场的堆位资派优化研究现状 m c d o w e ll 等t3 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. c a s t i l h o 和d a g a n z o 2 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。 k i e l 和k i m 13 1 文中 研究 了在隔离原则下，进口 箱的堆存策略。文章要决定堆存高度， 提出了堆存高度 第一章 绪论 堆场空间分配时考虑了 集卡因素， 以 避免集卡太集中而引 起堆场交通堵塞。 k i m 等阎 建立了 一 系 列费 用的 模型 来决 策 进口 堆 场的 堆 存空 间 分 配和 场桥 数量。 费 用 模型考虑了堆存空间费用，场桥费用和外部集卡的费 用. 文章从码头管理者的 角 度最小 化码 头 运 行的费 用. k i m等6 i 研究了 集 港箱 具 体堆存 位置的 确定问 题， 提出 了 解决 该问 题 的 动 态 规 划 方 法 和 决 策树 方 法， 以 最 小 化 装 船 作 业时 间 ( 出 口 箱 ) 的 期 望 来 优 化 总 倒 箱 次 数 . p r e s t o n 和k o r a n 7 应 用 平 行 机 加 工 问 题 的 理 论 和 方法， 研究了出口 混放模式下出口 箱具体堆放位置的 确定问 题， 建立了 该问 题 的混合整数规划模型， 并利用遗传算法对不同 装船顺序的情况进行求解. c o r d e a u 等0 :研 究了 集 装 箱 堆 场 配置问 题， 并 建 立了 整 数 规 划 模型 ， 目 标 函 数 是 使 集 装 箱 从堆场场区到船舶的运输距离最小，并用禁忌搜索方法和遗传算法求解。在这 个模型 下， 堆场设 备 工 作量不 均 衡， 会降 低堆 场设 备的 利 用率。 c h e n 等9 :讨论 了 集装箱堆场空间分配问 题， 文中 提出 用多种算法解决这个问 题， 包括禁忌搜 索方 法， 模 拟 退 火 算 法， 遗 传 算 法以 及“ 闪 . 山 y w h e e l ” 优 化 方 法 ， 最 后 结 合 禁 忌 搜 索 方 法 和“ s q u e a k y w h e e l ” 优 化 方 法的 特点 ， 提出 了 一 种混 合 方 法 来 求 解。 b is h o 将 进口 箱 堆 场 空 间 配 置问 题同 岸 桥调 度问 题 整 体 考 虑. 并 把 这 一问 题分 成 三 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 堆 存 位置; ( 2 ) 为 每 个 集 装 箱 分 配 集 卡; ( 3 ) 对 每 个 岸 桥进 行 装 卸 作 业 优 化以 实 现 船 舶 的 在 港 时间最短。最后，作者采用一个t i 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。 k i m i i 给出了 计 算 取 得 任意的 一 个 箱 子 所 需 要的 倒 箱 数 的 期 望的 方法;还给出 对于一个排列规则给定的贝提走所有的集装箱的总倒箱数的计算 方法。 对于堆场堆位资源研究的问 题来讲， 堆场堆位资源的分配问题又分成两个部 分，首先是堆场空间策划问 题; 进一步是集装箱具体堆存位置分配问题。对于 堆场空间策划，目 标是合理安排能够分配给每艘船舶的场区数量; 合理安排每 艘船舶在每个场区中能堆存的 集装箱数量。并不涉及到具体的堆放操作。而下 一步的集装箱具体堆存位置分配问 题正是为了解决这个问 题而提出的。 在得到 对每艘船舶分配的场区号后，具体堆存位置分配问题主要决策集装箱在堆场中 的具体位置， 可以 具体到贝号、列号、层号等，具体考虑到每个集装箱在堆位 某一个位置的堆放操作。 在模型建立时考虑的内容， 进口 箱和出口 箱可能有所不同。 对于出口箱， 主 要 考虑的 因 素 包 括每艘船舶 所属 集 装箱的 分港、 箱型 ( 2 0 或者4 0 ) . 重量. 而对 _第 一 章绪 逛川 ._ _ 二 _. 1_ 二 于进口 箱， 为了 卸船的快速， 一般是在进口 场区中 直接堆高。 综上所述， 对于出口 箱， 堆场问 题的 两个层次都要研究， 特别是存储位置分 配问 题，直接影响到集港的效果;具体堆存位置的分配则与装船时的倒箱量密 切相关。而对于进口 箱来说，一般只研究存储位置分配的问 题。 1 . 2 . 2关于场桥配里问颐的研究 场桥配置问 题也有两个层次， 一个是规 划层的 数量分配问 题， 涉及到在场区 中分配和使用的 场桥数量的 确定。另一 个是操作层面的问 题， 涉及的 是场桥的 跑位，既路径问题。 c h u n g 等 11 2 1最 早 提出 了 场 桥 路 径 选 择 问 题 ，目 的 是 减 少 场 桥 的 不 必 要 移 动， 提高 场桥的 工作效 率. 切 和l a m 13 1 比 较了 不同 配 置 策 略下 场 桥的 使用效率、 作 业量 及 等 待 时 间。 k im和k im 11 4 )建 立了 一 个 费 用 模 型， 包 括 堆 场的 费 用， 场 桥 的固 定费 用 ( 5 虑 投 资 ) ， 场 桥的 变动费 用， 外 部 车 辆 相 关 费 用， 给出 了 一 个 简单 伪计 算 方 法 . 川 和k im lls 】研 究了 单 个 场 桥 的 最 优 路 径 问 题 ， 建 立 混 合 整 数 规 划 模 型 ， 用 场 桥 与 场 区 间 总 移 动 时 间 最 小 来 解 决 配 置 问 题 . z h a n g 1 喻究 场 桥 配 置问题。假设场桥能力用时间衡量，只能在午夜移动，一个场区中最多两个场 桥，计划周期开始时每个场区都有一个场桥。根据网络模型得到混合整数规划 模型 ， 然 后 用 启 发 式 方 法 求 解. n g n ,1 s 1建 立 混 合 整 数 模 型 规 划， 然 后 用 启 发 式 方法 和 分 支 值 定 界 法 求 解. k o z a n 和p =10 n 11 9 1建 立 整 数 规 划 模 型， 使 场 桥的 各 场区 总 工作时间 最大 化 来 解决 场桥的 配置 向 题， 采 用 遗传 算法 求解. l i n n 和 z h a n g 2 o 1研 究了 几 个 计 划 周 期 的 场 桥 配 置 问 题. 文 中 假 定 ， 在 每 一 个 周 期内 都 有 一定的 工作量， 场桥可以 在场区 之间相互 移 动。 文中 给出了 一个两阶段模型， 首先考虑堆场机械的作业均衡， 将到达集装箱按类型分配到场区: 然后再考虑 最大限度地降低倒箱数，将集装箱具体放到某一个堆存位置。假设在每个计划 周期内 场桥的 移动次 数 不能 超 过1 次. g a m b a r d e l l a 等2 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 分为三个计划周 期，同时假设所有的 岸桥工作能力均相同， 船舶在哪个周期到达为己 知，所靠 船舶的装卸箱量根据船舶的 抵港预报也为己 知。需要决定的就是每个计划周期 所需配置的岸桥数量、 场桥配置数量以 及各船每个周期装卸箱量，最后将得到 一 张 计 划 周 期 内 的 资 源 配 置 计 划 表 . z h a n g 等 2 2 】通 过 一 个 混 合 整 数 规 划 模 型 研 究 了场桥的工作任务分派问 题。 在假设已知若干个计划周期的工作任务量的条件 第一章 绪论 下，通过合理地安排场桥在某周期内的工作任务和不同 场区之间的移动顺序， 达到在某若干个计划周期内 场桥未 完成的任务量最小。 模型采用两阶段的拉格 朗日 松 弛 启 发 式 算 法 进 行 了 求 解 . 文 中 假 定 场 桥 的 配 置 数 量 己 知 . ma n g 等 2 ; 1 通过建立一个整数规划模型 研究了 场桥的工作任务分配问 题。 在假设已 知若干 个计划周期的 工作任务量的 条件下， 通过合理地安 排场桥在某计划周期内的工 作任务和不同 场区之间的移动顺序对场桥配置进行优化。该模型是在给定场桥 台 数 基 础 上 给出 的 配置 方 案. k im 等 例讨 论了 单 个 场 桥 在 提 箱时 的 作 业 顺 序排 列问题，其目 标是降低外部集卡等待时间，提高设备利用率。对于静态问 题提 出动态规划算法，对于动态问 题提出了 基于各种启发式规则的强化学习算法. 关于场桥研究现状的总结: 一、 场桥模型研究中用到的目 标函数， 有些是最小等待时间， 有些是最小化 未完成工作量。目 标函数并不唯一，应根据港口 的具体情况和模型偏重考虑的 方面来决定。 二、目 前对堆场资源的 研究中， 对堆位资 源的 研究比 较多， 但是对场桥的 配 置研究比较少，尤其是如何确定装卸作业中的场桥配置数量则更少。 对于场桥 的 研究，多数是和堆场资 源， 集卡资源等资源联合考虑。已 有研究在解决堆场、 场桥、集卡的联合配置问 题上取得了 许多成果。因为在有些情况下特别注重场 桥的配置问题，而对于场桥的配置单独研究的论文不多，所以本文研究场桥的 配置问题。本文针对堆场分配已经给出，场桥效率存在不同，且考虑场桥维修 的情况优化场桥配置。 第三节 集装箱码头仿真研究综述 系统仿真技术作为一门独立的 科学己经有5 0 多年的发展历史，在航天、航 空、电力、 交通运输、通信、化工、 核能各个领域得到了广泛的应用。特别是 近2 0 年来，随着系统工程与科学的迅速发展，系统仿真技术在港口 物流系统规 划、设计、 运营、 分析及改造的 各个阶段，都得到 许多 成功的 应用。 系统仿真 技术在港口 物流系统中的运用不仅能够帮助规划人员提高规划的质量、节约规 划成本而且能够帮助港口 管理部门 提高 物流系统运作效率， 从而提高 码头服务 质量. 第一章 绪论 1 3 . 1集装箱 码头仿真 研究现状 建模与仿真技术在港口 码头系统上的 应用， 是伴随着仿真技术本身的发展和 港口 码头机械化、自 动化水平的 提高 而深 入的。 近年来越来越多的建 模与仿真 成功地被应用于为集装箱码头系统的规划设计和营运管理提供决策信息。 s c u ll i 和h u iu l通过 仿 真的 方 法 研 究 了 堆 场 堆 高 、 堆 场 利 用 率 和 倒 箱 率 之间 的 关 系. t a le b 126 1采 用 仿 真的 方 法 讨 论了 出 口 场 区 不同 安 排 原 则 下 堆 高 、 堆 场 利 用 率 和 倒 箱 率 之间 的 关 系. d u i n k e r k e n 等 2 7 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。 g a m b a r d e l la 等 28 1讨 论了 仿 真 模 型在港口资源配置中的应用。模型对岸桥、 场桥等港口 资源进行配置。并采用 网 络 流 的 思 想 ， 运 用 混 合 整 数 规 划 . l e g a to 和m a z z a 29 1采 用 了 面向 过 程的v is u a l s i am语言，运用排队网 络模型对集装箱港口 泊位计划和装卸资源分配进行了 研 究. 沙 梅 【刘 利 用离 散 事 件 系 统 仿 真 方 法 建 立 集 装 箱 码 头 系 统 装 卸 工艺 系 统的 多级排队论仿真模型， 并将仿真模型应用到 上海外高桥四 期集装箱码头装卸工 艺 系 统 中 . d a g a n z o 13 i 1采 用 整 数 规 划 模 型 和 一 个 简 单 的 分 配 策 略 ， 分 析 岸 桥 的 作 业效率， 计算在高峰期泊 位的 最大吞吐 量， 解决静态岸桥调配问 题， 达到减少 船舶 在 港 停 泊 费 用 的目 的 ; p e te r k o f s k y 和d a g a n z o l 】认 为 岸 桥 调 度问 题 是 并 行 工 作的岸桥的“ 开放的程序站” 调配问 题. 建立整数规划模型来减少船舶待泊费 用， 并 采 用 分 支 和 跳 跃 方 法 来 获 得 优 化 结 果 。 基 于 上 面 的 结 论 ， d a g a n z o 13 3 1假 定 船舶的工作量分布与船舶数量分布相同， 进一步研究了 岸桥的 调配策略对码头 的吞吐量 和船 舶等 待的 长 远影响; t a b e i n a c l e j3 4 1将学习 理 论 应用到 岸 桥 分析中以 提高岸桥的作业效率。 1 3 .2仿真技术在集装箱码头的研究分类 计算机仿真技术目 前已 被广泛地应用到集装箱码头的 研究中。 目 前国内外计 算机仿真技术针对集装箱码头的研究主要有以 下几类: ( 1 ) 对泊 位资 源的 研究. 用排队 理论 和 遗 传 算 法对 船舶的 到 港 情 况进 行仿真分 析， 从而为港口 的投资 提供决策依据， 并讨论泊位动态分 配对港口 工作效率的 影响四。 ( 2 ) 对 装 卸 资 源的 研 究. 对 到 港 船 舶 的 装 、 卸 箱 过 程 进 行 仿 真， 研究了 岸 桥 调 度问 题， 同 时 通 过仿真还可以 帮助制定 堆 场 计 划以 减少 倒箱 率 四. ( 3 ) 对堆 场资 源的 仿 真研究。 对集装 箱的 进口 卸 船和出口 装船 进 行模 拟， 对堆 第一章 绪论 场内的交通情况 进行分析， 讨论了 港口 交通工具配备问 题及a g v的应用。 对集 装箱在堆场内的堆放情况进行仿真， 分析了对于进口 箱和出口 箱的处理策略问 题， 讨论集装 箱在 堆场内 的 堆放策 略 139 1 ( 4 ) 对 整 个 集 装 箱 港口 进 行 模 拟 分 析， 讨论了 在 新的 作 业 方 法或 者 管 理 模 式 下 集装箱港口 通过能力的问 题;为集 装箱港口 的一些计划的制定 提供决策支持; 对集装箱在港口内部的运输过程进行合理物流规划;对港口的作业流程优化以 及港口 设备的 合理计划; 通过模拟对新港口 的管 理方法进行分析等。 从研究内 容上看， 国内外研究包含了集装箱码头物流系统的各个方面， 相关 研究可以概括为两大类: 运营环节 研究和装卸工艺系统研究。 集装箱码头系统的主要运营 环节发生在码头前沿、 水平搬运、堆场和道口， 因此运营环节研究可归纳为资源配置问题、日常运营管理问题、各种运营环节 的局部研究，以 及由 于各环节运营效率不同而产生的瓶颈问 题。国内 集装箱码 头资源配置问题主要研究运营各环节之间的配机比 例及设备配置优化问题。 综上所述， 国内 外许多学者运用系统仿真以 及优化模型针对集装箱码头在运 营过程中的 许多瓶颈问 题做了 大量的成功地研究。 而将仿真方法以3 d的 形式 直 观的引入港口 物流系统规划及运营决策中的研究在近年来的 研究中 渐渐兴起， 虚拟现实技术目 前是与系统仿真相关的最热点的发展方向之一。 1 3 3仿真中的虚拟实现 虚 拟实 现 郎r tu a l r e a l it y . 简 称v r ) 技 术 是 在 综 合系 统 仿 真 技 术、 计 算 机图 形 技术、传感技术、 显示技术等多 种学科技术的基础上发展起来的， 它以 仿真的 方式使人置身于一个虚拟世界中。 三个 “ i ”是虚拟现实的基本特征，即沉浸 ( i m m e r s io n ) 、 交互 ( i n t e r a c t io n ) ， 构 思 恤. 咖a ti o n ) . 人 们 可以 沉 浸 在 一 个由 计 算 机系统所创造的虚拟环境中，与 虚拟环境发生交互作用。 许多仿真软件将虚拟技术融入到软件功能中， 使仿真软件的功能更加强大。 从软件的角度看， 虚拟实现系统的软件主要研究 虚拟环境及其中物体的几何、 物理及行为仿真， 只有很好地解决了 这个问 题， 人与系统的自 然交互才有可能 实现。 v r技术目 前已 经被广泛的 应用到军用和民 用图 形仿真、科学研究和科学计 算可视化、 娱乐业、 地质学等。 随 着虚拟企业、 虚拟制造技术不断 深入， 虚拟 物流系统己经成为企业内 部虚拟制造系统一个重要的组成部分，最新的研究趋 第一章 绪论 势是对物流系统进行多维仿真， 使得系 统更 加接近现实 世界， 这项研究在大型 生产制造业中己 开始得到应用。 在1 99 8年的国 际仿真杂志中， m r n e v i n s 等人系统地介绍了 港口 集装箱搬 运的 离散 事 件 仿 真、 二维 动画 及三维可 视 化 过 程36 l ， 给v r 技 术 用于 港口 物流 系统的研究建立了一个良 好开端。而目 前国内对港口物流系统规划的三维仿真 和虚拟现实技术的应用刚刚开始，因此对港口 物流系统规划进行三维仿真，不 仅可以 为港口 管理决策者提供合理的规 划方案， 提高港口 的 竞争能 力，同时也 将使港口 物流系统设计处于更高的水平， 总之， 虚拟现实技术在其中的 应用研 究是保证系统仿 真更加接近现实世界所必不 可少的。目 前仿真领域有许多仿真 软件，一些主流的仿真软件如w i t n e s s , e m - p l a n t 等注重统计分析，提供了强大 的数据分析功能。 f l e x s i m是目 前较新的 采用了v r技术的三维仿真软件，不仅 具有强大的数据统计分析功能，还有强大的三维显示功能。 第四节 论文的结构和主要创新点 1 . 4 . 1论文结构 论文以 集装箱港口 的堆场资源配置为研究目 标。 第二章介绍码头的 运作流程 和资源配置问题，结合天津港某集装箱码头的特点，提出层级式决策系统的思 想并得出结论，对于这样泊位资源相对宽松的港口，堆场资源和场桥资源的优 化管理是提高 整个港口 管理水平的关键。 然后在此基础上分别用建立模型方法 和仿真方法对场桥资源和堆场资源进行优化。 本论文共分为五章，如下: 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 新点以及研究内容: 第二章介绍了 港口 物流运作概况及其特征， 总结得到了 港口 生产作业的流程 图，具体阐述了 港口 物流作业中的资源配置问 题，明确了 堆场资源特别是场桥 资源的配置是论文研究的重点: 第三章主要介绍了 堆场场桥配置的模型并给出了一个启发式算法来处理大 规模问 题。 对模型的 运算结果和启发式的 运算结果进行了比 较， 说明 启发式算 法的有效性。 第四章研究仿真在集装箱码头中的应用. 用仿真的方法分析和研究港口 堆场 第一章 绪论 的作业流程， 根据仿真结果分析瓶颈。完成了 一 个出口 集港箱的 仿真过程的实 例，得到了堆场内 最优的集卡数量。 第五章为结论， 总结了本论文的研究成果，并对进一步研究工作提出展望。 1 .4 )创新点 论文的主要创新点如下: ( 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 ) 建立 模 型 解 决 了 场 桥 效 率 不同 的 情况 下 堆 场中 场 桥资 源 动 态 配置问 题. ( 3 ) a出 了 解 决 场 桥 效 率不同 情 况 下 堆 场 场 桥 资 源 配 置的 启 发 式 算 法， 通 过 和 l in g o 最优解的比 较， 说明 该 启发 式 算法的 有 效 性. ( 叼 3 d 仿 真是 仿 真 研究的 方向 . 过对港口内 部物流作业系统的仿真， 优化堆场中资源的配置。 运用3 d仿真手段模拟堆场的运作过程，通 可以更加清晰明确的了解港口的运作情况， 本论文的内容和结构见图1 . 2 所示。 图1 .2论文内容和结构图 第二章 集装箱港口 物流作业中的资 源配里问 题 第二章 集装箱港口 物流作业中的资源配里问题 集装箱港口 是物流链上和交通运输链的重要一环， 它承担了集装箱船舶装卸 和集装箱集疏港作业。 本章首先从集装箱港口 的 功能 和布局、 作业资 源以 及业 务流程三个方面介绍了 集装箱港口的概况， 然后分析了 集装箱港口 运作中的资 源配置问题。 第一节 集装箱港口的 概况及作业流程 2 . 1 . 1港口的功能和布局 集装 箱港口 ( c o n t a in e r t e r m i n a l ) 是 专供 集装 箱 船 舶 停靠、 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， 是集装箱多式联运的 枢 纽. 集装 箱 港口 由 泊 位 ( b e r th ) - 码头 前 沿 ( a p r o n ) , 集 装 箱 堆 场 ( c o n t a i n e r y a r d ) , 控 制 室 ( c o n t r o l t o w e r ) , 检 查口 ( g a t e h o u s e ) 、 集 装 箱 货 运 站 ( c o n t a i n e r f r e ig h t s ta t io n ) 、 集 装 箱 专 用 机 械 和 其它 专 用 设 施 组 成。 2 . 1 . 1 . ，集装箱港口的 功能 海上集装箱运输从1 9 5 6 年在美国兴起至今己 有将近5 0 年的历史. 伴随着集 装箱运输的迅速发展，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: ( 1 a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 物流功能远不止上述这三项， 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、配送和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。 第二章 集装箱港口 物流作业中的资源配里问 题 2 . 1 . 1 . 2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。港口简要的布局图如下。 图2 1港口 简要布局图 ( 1 ) 泊 位 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。泊位岸线长度应该满足船舶装卸和系泊安全的要求，岸边水深应满足船舶 的吃水要求。为了 满足大型船舶的需求，目 前世界上集装箱港口 泊位的长度一 般都在3 0 0 m左右。 在连续泊位岸线较长的 集装箱港口 中， 为了 便于定位， 习惯 将连续的泊位划分为几个逻辑泊位。例如，天津港某集装箱码头的泊位岸线长 度是1 1 3 7 米， 但是在生产作业过程中便于使用和称呼， 将1 -3 0 0 m定义为1 号 泊位。 3 0 1 - 6 0 0 m定义为2 号泊位， 6 0 1 -9 0 0 m定义为3 号泊位， 其余定义为4 号泊位。 船舶 停 靠时 所 需的 系 船 设 施 构 成了 泊 位的 岸 壁 ( ,q u a y ) . 这 些设 施 一 般 包括: 系 缆 桩 和 碰垫 叔橡 肉. 第二 章集 装箱 港口 物 流作 业中 的 资 源配 置问 题 ( 2 ) 码头前 沿 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， 它是集装箱船 舶 装 卸 作 业中 最 重 要 的 一 部 分 面 积. 前 沿 上 设 有 集 装 箱 装 卸 桥 ( q u a y c r a n e ， 简 称qq ， 也 称 岸 壁 装 卸 桥 ( 岸 桥 ) . 卸 船时 ， 岸 桥 从 船 上 卸 下 的 集 装 箱 是 放在 前 沿 上， 或 放 在已 在前 沿 等 待的 集 装 箱 卡 车 ( 简 称 集 卡 冲， 再由 集 卡 转 运到 堆 场. 装 船时， 集装箱由 集卡从堆场运到前沿， 再由 岸桥把集装箱装到船上。前沿也是 堆放集装箱船舱盖的地方。因此，前沿必须要有一定宽度， 不能过窄，以免在 装卸作业时造成混乱， 影响整 个集装箱港口 的作业效率。 ( 3 ) 集 装 箱堆 场 集 装 箱 堆 场 分为 前 方 堆 场 和 后 方 堆 场 两 大 部 分 。 前 方 堆 场 ( m a r s h a ll in g y a r d ) 是存放从集装箱船上卸下或将要装船的 集装箱场地。前方堆场是出口 场区，为 了 保证出口 装船的 速度从而选择了 离泊 位较 近的 场区。 它与 码头前沿邻接， 其 面积应能 堆放泊位上停靠的最大集装箱船装载量2 倍的 集装箱。 后 方堆 场 ( b a c k - u p y a r d ) 一 般 是 指 存 放 与 货 主 进 行 交 接 空 重 箱 的 场 区， 是 码 头 中除前方堆场以 外的部分。后方堆场是进口 场区，堆放的位置离闸口 较近， 有 利于减少集卡在场区内运输的距离，便于进口 箱提箱，一般后方堆场由中转箱 堆场、 进口 重箱堆场、空箱堆场、冷藏箱堆场、危险品箱堆场等组成。 事实上， 后方堆场同前方堆场