基于现代物流管理理念集装箱船舶配载系统的应用研究

1、引言一、选题背景1、集装箱船舶配载研究的现状70年代以前的第一、二代集装箱船的箱位容量均在2000TEU以下，当时船舶的稳性、吃水差和强度的计算一般由人工完成，集装箱配载图也由人工填制，工作效率很 低。80年代初出现了 2000TEU以上的第三代集装箱船舶，在运用传统的手工方法已难 以胜任编制集装箱配载要求的情况下，不少计算机厂商推出了集装箱船专用计算机。80年代后期和90年代先后开发了通用计算机运行于DOS环境和 WINDOW环境下的集装箱配载计划辅助系统。这些计算机配载系统的研究和开发为船舶的稳性、吃水差、 弯矩、扭矩和局部强度等性能的全面校核奠定了良好的基础。从90 年代开始，随着微型计

2、算机技术的发展和广泛应用，集装箱船舶配积载系统技术和应用也得到了新的 进展。纵观世界船舶配积载系统情况，集装箱船舶配积载系统正处于自动与手动交替 使用的交互式配积载方式阶段。其基本程序是根据船舶静力学的基本原理，按相关集 装箱船舶运输规则的要求，对船舶的装载情况进行校核计算并显示结果。校核流程一 般为：积载计算浮态计算稳性计算强度，逐步校核并判断。在配载过程中，一 般先自动配载，再进行人工干预配载，这样交互进行。这主要是因为船舶配积载十分 复杂，要考虑货物装卸的先后，到什么港装什么货，大件不压小件等等因素，这些都 需要经过人工配积载才能达到要求。当然，也有部分系统还基于神经网络专家系统提 供一

3、系列的配载建议，它需要建立知识库，并建立规则，研究的目的主要是寻求一种 满足既定约束条件下，倒箱最少、作业高效的装载方案。在软件实现方面，以智能决 策支持系统作为系统框架， 利用面向对象的 Windows 编程技术， 综合利用数据库技术、 网络技术等计算机领域的新成果，从而使系统具有操作直观方便、数据查询快捷、智 能化程度高等特点。2、集装箱船舶配载研究的发展趋势尽管集装箱船舶配积载问题的研究已经有 30 多年的历史，但由于问题的复杂性，配积载问题的许多方面仍没有得到很好的解决，可以说集装箱船配积载还停留在半自动化阶段。目前，利用人工智能领域和计算机科学领域的最新成果，建立智能积载系统，有望使

4、该问题的研究跨上一个新的台阶。随着单一运输向现代物流的不断发展，对集装箱船上配积载系统的研究已不再是个单纯的货物运输技术问题，而有必要上升到运用现代物流管理理念对它进行研究与探讨的新高度。现代物流的发展趋势是信息化、自动化、网络化、智能化、柔性化。传统集装箱船上配载已不再适应这种形势的发展，而依靠数据库技术、电子订货系统（EOS、电子数据交换（EDI）、快速反应（QR、自动识别系统、货物自动跟踪系统、计算机通讯网络技术、专家系统、弹性制造系统（FMS等技术支撑下的新型配积载系统才能满足现代物流发展的需要。置于现代物流管理理念下集装箱船上配载，在供应链管理的应用方面，现在正处于一种从原来单 纯的

5、配载技术向物流节点管理的过渡转型阶段。二、课题研究的目的与意义1、课题研究的目的通过对传统集装箱配载系统特点的分析，我们可以知道，在集装箱船舶运输中，船舶配载系统的完善与否是能否充分发挥集装箱运输优势的一个重要环节，它对保证 船舶、货物安全以及保证船期有着重要的作用。同时配载结果的表现形式配载图也 是装卸公司装船、卸船以及发生货损货差时要求索赔、划分责任的重要依据。同时， 本课题从现代物流的观点来分析现代物流管理理论对集装箱配载系统提出的新要求， 从而得到结论，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它更是兼 备物流的运输、储存、配送之功能。因此，把集装箱配载系统的研究上升为对实用

6、物 流技术研究是一项具有重要现实意义的工作。为适应现代物流发展的需要，处于物流节点上的集装箱配载应具备以下两方面的 功能。一方面，从配载的内部要求而言，一套先进实用的操作管理软件应该是基于丰 富的操作管理经验和先进的 IT 技术推出的，通过先进的技术平台和各种优化算法， 它能够确保船舶安全、经济，货物质量完好，实现动态实时、自动计划和检测、智能 回放和预演、用户报表自定义等目标。而且，系统本身应体现适当的先进性，同时兼 顾满足可能发生的手工和应急处理的需要，并具有流程合理、功能完善、使用方便、 运行可靠等功能；另一方面，从供应链管理来看，基于现代数据交换平台和定位、信 息系统上的配载系统管理在

7、现代物流中需发挥主动性和柔性化服务，在物流发展的信 息化、自动化、智能化等方面发挥其应有的作用。因此，从内、外部整体上看，符合 现代物流发展需要的集装箱船配载系统是物流方改善自身管理水平、提高客户满意 度、增强时常竞争力的可靠保障。本研究正是基于集装箱船配载系统如何来满足这两 方面功能的需要而展开的。2、课题的研究意义1）有利于提高集装箱船舶技术管理水平现代集装箱船舶的大型化和高效化给提高船舶运输生产效率提供了可能，但船、 岸工作人员能否适应现代大型集装箱船舶的运输管理要求则成为船舶的效益优势能否得到充分发挥的关键，解决人机之间不相适应的矛盾在于提高船岸集装箱配载人 员的技术管理手段和技术管理

8、水平，提高人员的工作效率和工作质量。2）优化集装箱船舶的配载方案集装箱船舶的航行性能、结构、货物单元形态和配载方式均与其他船舶不同，尽管在传统的集装箱配载有一些理论方法和配载手段，其中也包括在实践中积累的可贵的经验，但许多已不能满足物流的发展需要。解决这些问题的根本出路还在于从理论上解决配载方案的优化和智能化。研究优化集装箱配载的理论方法是本课题的重点之 一，同时也为自动配载、智能配载系统的建立提供一种算法模型。3）充分发挥集装箱船舶配载在物流管理中的作用柔性化、信息化、自动化、智能化已成为21 世纪现代物流的发展趋势，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它在现代物流的作用已渐

9、趋明显， 特别是在减少集装箱货运事故提高集装箱的安全性、加强与客户的合作程度、提供客 户的柔性化服务等方面均大有用武之地。三、本研究的主要工作本研究的主要工作包括：1）分析目前集装箱船舶配载的特点、要求以及存在的主要问题；2）提出集装箱船舶配载方案的优化模型及其求解方法、自动配积载系统的设计思路；3)提出在现代物流管理中如何发挥集装箱配载作为供应链节点的作用；4)在配载系统和集装箱用户之间建立电子数据交换平台，以满足运输企业、集 装箱用户和相关部门的数据交换与信息整合的自动化处理的需要。第一章 集装箱船舶配载的特点与要求1.1集装箱船舶配载的特点集装箱船上配载必须根据船舶的具体要求，结合船舶、

10、货物、航线、港口的实际 情况，把一定数量的具体集装箱安排在船舶的具体箱位中，并满足保证船舶性能、货 物质量、航线制约、港口作业等多方面的要求。因此，集装箱船上配载是一项多目标 优化的系统工作，与一般船舶比较，由于集装箱和集装箱船舶在结构、运输形式等方 面有着自身的特点 , 使得其配载与一般船舶具有不同的特点。1.1.1集装箱船舶装载的箱容量与船舶净载重量的相互制约集装箱的箱位容量，通常是指船舶的标准箱(TEU， Twenty Equivalent Unit )容量，即集装箱船舶所能承载的最大标准集装箱的数量，箱位容量是表示集装箱船舶 大小的重要标志。同时，从集装箱船舶的载货重量能力来看，它也要

11、受到船舶净载重 量的限制，即所装运的集装箱重量不能超过船舶在具体航次中能够装运货物重量的最 大限量。集装箱船舶的最大箱容量是在特定的条件下设计的，并不是在任何情况下均能承 载它的最大箱容量及充分利用它的净载重量。与普通杂货船不同的是：集装箱船舶所 能装载的最大箱位容量与船舶净载重量是相互制约的。一方面，集装箱的数量多少和装载重量， 受船舶箱位容量及净载重量的限制； 另一方面， 由于集装箱船舶的 1/31/2箱位是配置在甲板上的，在利用船舶箱容量，特别是利用甲板上的箱位时，会导致船 舶重心提高，影响船舶的稳性，有时甚至形成负的初稳性高度。因此，为了获得合适 的稳性，不得不以大量的压载水来改善船舶

12、的稳性。在杂货船和散货船上，为了提高 船舶的净载重量，必须排空压载水；而在集装箱船上，为了要装载更多的货运量，需 要充分利用集装箱的箱位容量，又必须在压载水舱内大量灌注压载水，这又使集装箱 船舶不能充分利用它的净载重量。总之，对于集装箱船舶而言，要充分利用它的箱位 容量和净载重量是一对相互制约的矛盾的统一。1.1.2集装箱船舶对稳性的要求较一般杂货船舶更加严格由于集装箱船舶经常在甲板上装载数量较多的集装箱，故其重心高度比一般货船 高，且水线以上受风面积大，对船舶稳性更为不利。另外，在装卸时由于左右重量的 不均衡将使船舶产生较大的横倾，这为集装箱船舶的横倾限制所不允许。为了保证船 舶的安全，必须

13、使其具有足够的稳性。所以，对集装箱船舶提出的稳性衡准要求，较 一般杂货船更加严格，这在我国海船法定检验技术规则 （以下简称法定规则 ） 和IMO稳性规则即“ IMO关于适合各种类型船舶的完整稳性规则（A.749 （18）”中均有具体规定。在我国法定规则中，对装载集装箱的专用和非专用船舶，除要 求其满足对普通船舶稳性的各项基本衡准指标要求外，还提出了两项稳性的特殊衡准 要求。而IMO稳性规则则对于船长大于 100M的集装箱船舶和其他具有可观外漂或 大的水线面面积的货船，建议采用6项完整稳性的衡准要求，以代替IMO稳性规则对各种类型船舶完整稳性基本衡准要求中除天气衡准以外的前 6项要求。但是，集装

14、箱船舶的稳性又不能过大，如GM过大，船舶横摇周期过短，又会使 甲板上的集装箱具有较大的加速度，从而对集装箱本身的强度及坚固设备和绑扎索具 的受力带来严重不利的影响，甚至使集装箱移动、倒塌。可以看出，对集装箱船舶提 出的稳性上限要求具有其特别的实际意义。1.1.3集装箱船舶配载应综合考虑箱位要求，保证货、箱质量，船舶安全1）特殊箱装载问题在各种集装箱的配载要求上，危险品箱、冷藏箱、平台箱等的特殊装载要求必须 予以特别考虑。危险货集装箱应配置在远离机舱、 热源及船员生活、 工作区， 且便于监视和抛弃， 又有良好的通风的安全处所。同一船舶常常有些货舱的设计决定了不容许装载任何危 险货箱，另一些货舱的

15、设计仅限于配载国际危规定义的几类危险货箱。因此，在 为集装箱船舶选配大量仅限于舱内配载的危险货集装箱时，必须考虑船舶的这一限制 条件。同时，应按箱子内的危险货物的正确学名或联合国编号，查阅国际危规 确定不同危险品集装箱之间的具体隔离要求，严格配装。冷藏集装箱装船后多数需要船舶电站连续提供电源。受船舶电站容量和电源插座 位置的限制，每一集装箱船所能承运的冷藏集装箱最大数量和装箱位置通常是确定 的，不能任意配置。平台集装箱只能配置于舱内或甲板上最高一层，它的上面不能再堆积任何集装 箱。此型集装箱由于经常装大件设备，所以配载时还应按超长、超宽或超高箱进行配 位。2）普通箱的装载问题普通箱在船上配置问

16、题可以看作是箱子的三维位置优化问题，其主要考虑点可用图1-1表示。普通箱在船图1-1普通箱三维箱位选择考虑要素1.2集装箱船舶配载应满足的要求1.2.1 充分利用船舶集装箱箱位容量和船舶净载重量为了能提高集装箱船的营运经济效益，和普通货船不同的是，集装箱船存在一个 如何充分利用船舶装箱容量的问题。表征集装箱船装箱容量的大小，通常可从以下几 个方面来衡量：标准箱容量 （TEU）:20英尺集装箱容量；40英尺集装箱容量。 此外还有承运特殊集装箱的容量，集装箱船要承运特殊性质的集装箱往往要受到许多 条件的限制，如承运冷藏箱时，其数量要受到船舶供电电源的限制；承运超限集装箱 可能需要占用两个或更多的箱

17、位，因此这时的装箱数就达不到集装箱船装箱容量的指 标。弄清楚本船的装箱容量，对于能否承运更多的集装箱非常重要，否则就会出现箱 位不够而必须退箱或浪费箱位的现象。当航次 40 英尺集装箱的数量超过船舶 40 英尺 集装箱容量，而此时 20 英尺集装箱箱位有富裕时，可以及时通知船公司或代理，要 求将多出的 40 英尺集装箱货物改换成 20 英尺集装箱装载；当航次冷藏箱数量超过船 舶冷藏箱容量时，可以依据装货港条件，超容量冷藏箱数量，冷藏箱运费和箱位富裕 情况等资料进行技术经济论证，研究是否能承租于甲板上的流动电站集装箱，用以向 超容量的冷藏箱提供电源，以增加船舶承载冷藏箱的能力。另外在装货港箱源充

18、足的 条件下，选配超限集装箱或其他特殊集装箱箱位时，应尽量减小承运此类集装箱所引 起的箱位损失数量。集装箱的稳性特点决定了其压载水使用的必要性，这使得集装箱船在完成集装箱 运输任务的同时，必须将不能产生经济效益的压载水从一港运往另一港，造成运力和 能源的浪费。为此，要求我们在保证人员、船舶和货物安全的条件下，寻求最优的船 舶配载方案， 尽量减少压载量， 提高船舶的集装箱载重量和减少船舶航行阻力。 因此， 努力提高集装箱船舶配载计划的编制水平，合理确定不同卸货港轻重集装箱在舱内和 舱面的分配比例，减少用于降低船舶重心高度所需打入的压载水，是充分利用集装箱 船载重能力的主要措施。同时，还应合理确定

19、航次油水补给方案。集装箱船由于航速快，每日消耗的油水重量大，中途挂靠港口又较多，因此在航线箱源充足的情况下应重视航次油水补给方案的经济论证，当船公司因减少油水储备而增加的装箱数量收取运费所获利益超过因采取中途港油水补给所引起的一切额外费用支出时，则应选择在 中途港补给油水的方案，这当然是属于配载之外的问题。1.2.2 满足集装箱船舶稳性要求集装箱船舶的稳性既要足够，又能保证船舶具有适当的横摇周期。为了使得集装箱船舶稳性合适的范围，主要通过以下几种途径获得：1）控制舱内和舱面所装集装箱的重量处于合适的比例范围；2）在堆装高度上采用轻重箱的组合方案；3）利用计算机配载软件按预配方案输入，进行稳性预

20、算，在演算基础上，根据情况进行调整；4）利用压载水的打进或排出来调整船舶重心高度， 从而达到调整船舶稳性的目的1.2.3满足集装箱船舶强度和吃水差的要求对于船舶的纵向强度和吃水差，由于两者都是船上重量的纵向分布情况决定的，所以在配载时应统筹兼顾。通常可以采用以下一些方法：合理配置各排集装箱重量，宜在船中部配装一些重量较大的集装箱；合理安排各卸货港集装箱的箱位，适当分装 于不同的箱排处；通过合理压载来改善船舶纵向受力、吃水差状态并满足航行对最小 吃水及吃水差的要求；利用配载软件对实际装载状态的总纵强度和吃水差、首尾吃水 予以校核。在保证船舶扭转强度和横向强度方面，应做到各排集装箱横向上箱重均匀分

21、布， 各压载舱及其他舱室载荷重量也应左右对称分布。在确定集装箱的垂向箱位时，应当 保证舱内和甲板上每列集装箱总重分别不超过其装箱底座上的允许堆积负荷，以满足 船舶局部强度的要求。1.2.4满足集装箱船舶箱位配置及其堆装要求集装箱船舶的配载既要满足特殊箱（如危险货集装箱、冷藏集装箱、平台集装箱 等）的装载要求，也要满足普通箱的装载要求。在普通箱的装载上，要考虑 40 英尺 箱、20 英尺箱的装载问题，在许多集装箱船上，有只能装载 20 英尺箱的箱位、只能 装载 40 英尺箱的箱位和可以交替装载 20 英尺箱、 40 英尺箱的箱位三种。当 20 英尺 箱、 40 英尺箱混装时，一个基本原则是， 4

22、0 英尺箱上面不可配装 20 英尺箱，而 20 英尺箱上能否配装 40 英尺箱则视箱位的具体结构而定。在轻、重箱装载问题上，要 做到重箱在下，轻箱在上；强结构的在下，轻结构的在上；避免出现重箱压轻箱现象。1.2.5满足集装箱装卸顺序和快速装卸要求集装箱船通常中途挂靠一个以上港口，且往往多线作业，装卸同时进行，港口作 业机械效率很高，船舶在港停泊时间短。因此，合理选配箱位，满足集装箱装卸顺序 和快速装卸要求，对确保船舶安全准班，减少不必要的港口费用支出具有重要意义。 一方面，编制集装箱配载计划时，要对船舶在整个航线的挂靠顺序、各挂靠港箱源情 况、船舶舱盖形式、港口管理规定等进行综合考虑，避免或尽

23、量减少中途港发生捣箱 现象；另一方面，要考虑集装箱泊位各装卸桥装卸时间均匀分配和装卸桥自动吊具、 大车沿岸移动时间等问题，以满足船舶快速装卸的要求。第二章现代物流管理对集装箱船舶配载系统的要求2.1传统集装箱船舶配载的过程与方法2.1.1集装箱船舶的配载过程集装箱船配积载通常需要经历下列几个过程：1)编制集装箱船“航次订舱单”航次订舱单是船公司航(箱)运部门或其代理根据货主的托运申请为特定船舶具 体航次分配待运集装箱的清单。该清单通常按不同卸港、重量和不同箱类型列出，对 特殊箱有必要的备注。2)编制集装箱船配积载计划编制集装箱船配积载计划通常的做法是借助于计算机，在船公司或其代理、装卸 公司以

24、及集装箱船船长、大副共同参与下，依靠传真、计算机网络等现代化通信手段 进行文件传递，并经历预配、初配和审核三个过程才能完成。预配过程集装箱船的预配工作是由船公司配积载部门、船舶代理或船上大副承担。其任务 是将航次订舱单上所列的每一只集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和 快速装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上作一大致安排。首先，配载人员将订 箱单进行清理、分类，分成不同港序、不同尺寸以及特殊箱；再者，对特殊箱定位, 如危险品箱、冷藏箱及超高、超宽箱定位，然后考虑普通箱，满足装卸港序、船舶强 度、稳性的要求，强度体现在沿船长方向上的箱子分布情况而稳性体现在甲板、舱内 箱子的分配上，最

25、后绘制船舶预配积载图。该图所确定的航次装载方案通常需在计算 机上专用装载计算系统上作粗略核算，以保证船舶各项指标符合要求。该图绘制后需 及时送交集装箱装卸公司。初配过程集装箱装卸公司掌握着航次装船集装箱的动态，并负责这些货箱在码头的聚集并 安排在堆场的箱位。为保证集装箱装船过程有序而快速，在装船前装卸公司通常需要 将装船集装箱按一定顺序安排于码头特定的堆场上，并编制集装箱装箱顺序表。装卸 公司的集装箱配载员根据装箱集装箱在堆场上的堆码情况，在既满足船舶预配积载计 划的总体要求，又能减少码头堆场集装箱作业量的条件下，借助于集装箱计算机装载 计算系统，在集装箱船的行箱位总图和行箱位图上按规定格式填

26、入详细的集装箱数 据。审核过程集装箱船的初配积载计划在集装箱装船作业开始前送交集装箱船长和大副作全 面审核。船长和大副对初配积载计划按照集装箱箱位选配的基本原则以及满足装卸顺 序和快速装卸要求，结合航线状况、本船航次油水的配置和消耗、船舶的装载特性、 途中各挂靠港口的作业特点等内容，并保证船舶和货物的运输安全的条件下，在船舶 计算机上利用集装箱装载计算系统进行船舶各项性能指标的全面核算。如对初配积载 计划有任何修改意见，船方应通过代理或直接与装卸公司协商解决。只有经船长和大副核准并签字后，该初配计划才能作为知道船舶装箱作业的正式积载计划3）编制集装箱实配积载文件集装箱积载计划在装箱过程中会因某

27、些原因需要作一些修改。船舶装箱完毕后， 由船舶理货员依据现场记录负责绘制集装箱实配积载图，船上大副负责进行实际装载 条件下船舶稳性、强度、吃水和吃水差的核算。实配积载文件内容通常包括：全船行箱位总图（封面图）各行箱位图；集装箱装船统计表；船舶稳性、强度和吃水核算结果。2.1.2传统集装箱船舶配载的方法在传统集装箱船舶配载过程中，配载人员先是将订箱单按不同港序、特殊箱和40英尺、20英尺的排箱顺序进行清理、分类，然后，按照先特殊箱后普通箱的配箱原则，将航次订舱单上所列的每一集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和快速 装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上做一大致安排。在此过程中，为了方便

28、于 配箱的需要，通常要对集装箱做多次的排序，如第一次按照“主排序码：卸箱港；次 排序码：危险品箱；次次排序码：冷藏箱。”的顺序排列，即按后卸港箱在前，先卸港箱在后；同一卸箱港箱中危险品箱在最前面，冷藏箱随后，非危险品箱和非冷藏箱 在最后。在此情况下，按照危险品箱和冷藏箱的选择箱位原则，完成危险品箱和冷藏 箱的特殊箱装载操作。第二次按照“主排序码：卸箱港；次排序码：20ft/40ft 箱；次次排序码：箱重。”的顺序排列，然后完成普通箱的装载操作。在完成全部集装箱的装载后，要对装载情况进行检查，检查主要问题包括：在满 足装卸顺序和快速装卸等要求的条件下集装箱总体分布是否合理；特殊箱（危险品箱、冷藏

29、箱、平台箱等）是否满足箱位选择要求；20英尺箱和40英尺箱的混装有无问题；是否存在捣箱、40英尺箱子一半腾空现象；各行箱位横倾力矩是否小于要求值（扭转 强度问题）等。在现有的条件下，这些查核往往停留在人工状态，受配载人员的工作 成效和技能经验影响较大。在完成以上工作后，根据船上实际加载燃润油、淡水等情况，在相应的油水舱内 输入油水资料，然后制定压载方案，以计算船舶稳性、强度和吃水差等结果，这一步 出现配载软件前由人工计算完成，而现在多由配载技术系统完成，不管怎样，其计算 原理是相同的。接着，根据把计算结果与规则、规范中规定的衡准指标或船舶设计中 提供的要求值相比较校核，如有不符，重新调整集装箱

30、的位置分配或压载水方案，直 至满足要求为止。综合以上分析，传统集装箱船舶配载的方法可以用图2-1表示:图2-1传统集装箱船舶配积载系统流程图2.1.3计算机配载的软件实现计算机配载的软件实现，根据集装箱船舶的配载特点和人工配载的基本过程，研制开发计算机配载系统。该系统由计算机系统、打印机、UPS电源、应用软件包等组成。主要功能和过程包括：1）信息输入在主菜单下选择菜单按钮即可完成船舶信息、航次信息、装卸信息、计算使用规 范选择、航区选择、干舷选择、油水舱装载信息输入等。2）集装箱装载单个集装箱信息输入与显示，即单个集装箱类型、尺寸、高度、重量、重心、垂 向坐标、箱位号、箱格顺序号、使用人代码、

31、始发港、到港、货主、备注说明等信息; 清除所有集装箱；卸载某指定挂靠港集装箱；快速装卸单个箱和全部集装箱；显示全 部装船集装箱清单；修改、恢复单个箱信息。3）纵倾及稳性计算可分别满足CCS规范和IMO规范对稳性计算的要求，进行配载后船舶排水量、型 排水体积、重心位置、浮心位置、自由液面惯性矩、初稳性高度、横摇周期、横摇角 等静水力性能主要指标以及最大静稳性力臂及对应角、稳性曲线消失角、浸水角、风 压倾侧力臂、稳性衡准数、横摇加速度衡准数等大倾角稳性计算，并用图表及曲线显 示。4）总纵强度校核迅速、方便地根据船舶配载的要求计算船上任一配载和空载状态下船体指定部位 的静水弯矩及静水剪力，并显示其最

32、大许用值，也可计算因货物装载不均匀而产生的 扭矩、稳性及水力性能的有关数据，并绘制出静水切力与弯矩曲线。5）文件存取选择主菜单下保存按钮，可保存已装载工况的积载情况；选择主菜单下旧状态按 钮，即可打开所保存各种已装载工况的积载情况。6）打印功能主菜单下选择报告打印按钮，即可打印本次积载过程报告的封面、重量总结表、 油水装载情况总结表、纵倾及稳性计算图表、强度计算图表、集装箱装载清单、集装 箱 Bay 图等。2-1 )2-2)2-3)2-4)2.1.4 集装箱船舶的稳性、吃水差和强度的校核2.1.4.1 集装箱船稳性的计算和校核首先，确定船用坐标系，以船舶中纵剖面、中横剖面和龙骨基线平面的交点为

33、坐标原点0,并以三个平面相互的交线分别设为x、y、z轴，分别从船首垂线、船中纵线和船底龙骨基平面起算确定船舶、集装箱等的位置。1)货物重量和货物重心计算设第i行、j列、k层箱位上的集装箱重量为Pijk , i= 1,2,u; j=1,2,w;k=1,2,v。分别从船首、左舷和舱内第一行、第一列和第一层起算，设船上共有C只集装箱。u v w全船集装箱总重量P： Ppijki 1 k 1 j 1c货物重心纵向位置 XP： XP=(P(i)Xi )/ Pi1c货物重心垂向位置 ZP：ZP =( P(k)Zk )/ P k1c货物重心横向位置 YP： YP=(P(j)Yj )/ Pj12)船舶其他重量

34、及其重心高度的求取设空船排水量,空船重心距基线高度Zo,重心纵向坐标 ,纵向坐标为0;各油水舱载荷量和船舶常数的总重量G,其合重心的纵向、横向和垂向坐标分别为Xg,X =0 X。P Xp G Xg BW Xb(2-5)Y = P 丫卩G YgBW 丫匕(2-6)o Zo P Zp G Zg BW Zb Z =(2-7)Yg, Z g;船舶压载水重量为 BW其合重心的纵向、横向和垂向坐标分别为Xb, Y b, Zb ；船舶排水量为3）船舶合重心位置的计算4）在此基础上，计算船舶稳性各项衡准指标，然后根据我国法定规则对装载集装箱船舶稳性的衡准要求进行校核，校核集装箱船舶的稳性流程图见图2-2(2-

35、8 )f=dm+ - _2Xf tLBP(2-9)(2-10 )图2-2 -集装箱船舶稳性计算校核流程图2.142 集装箱船舶吃水、吃水差的计算和核准1）根据船舶排水量，船舶重心纵向坐标X,以及查船舶资料得到的船舶平均吃水dm，漂心距船中距离 Xf，浮心距船中距离 XB和厘米纵倾力矩 MTC等，计算吃水差t、 首吃水dF和尾吃水dA。t =X XB100 MTCt Xf td a= dm -k 2LBP校核我国法定规则对装载集装箱船舶稳性的衡准指标要求2-11 )2-12)dF min0.012L BP+2 (m)(LBP 150m)2-13 )且实践证明，船舶最小吃水需保证螺旋桨沉深比在0.

36、5 以上，船首盲区需小于 22）对船舶吃水的要求可根据上海船舶运输研究所对远洋船舶的纵向浮态衡准要求（综合考虑国际海事组织IMO浮态衡准）进行核准（LBP：船舶两垂线间长）：最小平均吃水 dM.min ： dM min 0.02L BP+2 (m)最小平均吃水dF mindF min 0.025L BP (m)( LBPW 150m)倍船长3）对船舶吃水差的要求当船舶资料提供最佳纵倾图谱或允许的吃水差限值曲线时，则要求船舶无论在港 内作业中，还是在航行中，均应严格使吃水差保持在上下限允许的范围内。若船舶不 具备这方面的资料，船舶工作人员应不断总结实践经验，得出船舶在不同装载状态下 的合适纵倾值

37、，并保证船舶处于该种状态，以使航行阻力最小，所耗主机功率最小， 从而节省燃料，提高经济效益。2.1.4.3 集装箱船舶的总纵强度校核校核集装箱船舶的总纵强度状况必须计算剪力和弯矩沿着船长方向的分布及其 最大值，与具体位置的允许的剪力和弯矩值相比较，得到该位置实际剪力和弯矩占允许值的百分比，从而判断船舶总纵强度情况。分析船体所受到的总纵弯矩时，将船体所受的弯矩 M(x) 分为静水弯矩 Ms(x) 和波 浪弯矩 Mw(x) ，同样 N(x) 也分为静水剪力 Ns(x) 和波浪剪力 Nw(x) 。M(x) = M s (x) + M w(x)( 2-14 )N(x) = N s (x) + N w(

38、x)(2-15 )x x x其中 M(x) = 0 N(x)d(x) = 0 0q(x)d(x)d(x)(2-16 )xN(x) = 0 q(x)dx(2-17 )q(x) 称为负荷， 数值上等于沿船长方向各点的重力 w(x) 和浮力 b(x) 的差值， 即：q(x) = w(x) b(x)( 2-18 )1)静水剪力和静水弯矩只要给出静水中重量分布曲线 ws(x) 中和浮力分布曲线 bs(x) ，就可以按式 (2-18 )解出分布载荷 qs(x) ：qs(x) = w s(x) b s(x)(2-19 )重量曲线 ws(x) 应根据空船重量曲线和各种装载所对应的曲线绘制而成。通常，先用近似方

39、法绘制空船船体的重量曲线w0(x) ，然后在迭加油水重量曲线 wg(x) 、压载水重量曲线 wf(x) 和货物(集装箱)重量曲线 P(x) 。即：2-20)ws(x) = w 0(x) + w g(x) + w f (x) + P(x)(2-22 )浮力曲线bs(x)应根据相应装载实际平衡位置，采用逐步逼近法求得。先用公式(2-8)( 2-9)( 2-10 )计算出首尾吃水，再利用邦戎曲线求出相应于该吃水线时的浮力曲线，继而求得排水体积Vi和浮心纵向坐标 Xbi，若所得结果与给定的派水体积V0和重心坐标Xg相差较大时，则需进行第二次近似计算，求出新的排水体积 V2和浮心纵向坐标Xb2，如此反复

40、进行，直至满足下述精度：Xg Xbk Lbp 0.1% (2-21 )丿V0VKV0 GM,则集装箱船舶的稳性一定会同时满足法定规则基本稳性衡准和特殊稳性衡准的各项要求。GM可以从船舶稳性报告书中的 GM曲线图查得，如资料中没有该曲线图，可以自行绘制。 值得注意的是，临界稳性高度 GM只是根据法定规则的有关稳性要求得出的最低 标准。在实践中，必要时可根据具体情况考虑一定的安全余量GM即保证船舶实际初稳性高度GM满足：GM GM GM（2 ）对集装箱船舶最大稳性的要求实践中，多以船舶的横摇周期来检验和判断船舶稳性的优劣。我国法定规则 中提供的横摇周期 Te与初稳性高度的GM关系式为：式中：B为船

41、舶型宽（m ） ; KGo为所核算装载状态下船舶重心距基线高度 （m ） ; GM 为所核算装载状态下船舶未经自由液面修正的初稳性高度（m ），f为根据船宽吃水比确定的系数。实践中广泛为船员采用的一个经验公式是:式中：B为船舶型宽（m ） ; GM0为所核算装载状态下船舶未经自由液面修正的初稳性高度（m ），C为横摇周期系数，其值与船舶大小、形状及重量分布等因素有关。对于不同类型的船舶，C的值约在0.640.94，平均值取0.8，般船舶空载/压载时取值较大，满载时可取较小的值。另外，长宽比（L/B ）和船长（L）大，而宽吃水比（B/d ）小的船，如集装箱船舶，取值一般较小，通常取 0.79。驾

42、驶人员可在实践中测定和总结得出本船最佳的 C值。另外尚有求取 C的经验公式：BC = 0.746+ 0.046 0.086 dL100(3-3)即:对于一般船舶，一般认为GM的最大值应不大于船舶横摇周期为 9s时的对应值,GMax=2C B = C BT min9(3-4)(3-5)考虑到绑扎设备设计所允许的初稳性高度值的要求，则集装箱船舶最大初稳性高 度值应同时受到横摇周期和绑扎设备允许值的限制。2）集装箱船稳性的合适范围以上提供了集装箱船舶满足其稳性要求的允许范围，在此基础上，李锡蔚船长在其集装箱船舶积载中提出通过横摇系数来确定最佳的横摇周期和其对应的GMfi，其计算公式为：Te = 0.

43、32 R B ( s )式中：R为横摇系数，B为船宽。海船的横摇系数通常在814之间，若横摇系数小于8,船舶横摇比较剧烈；横摇系数大于14，船舶横摇太慢。结合（3-2）和（3-5）可得：3.125C2 B “GM= -2-( m )(3-6)R根据横摇系数R的最佳取值范围814,可以求得船舶最佳的横摇周期和最佳初 稳性高度范围。例如利用这种方法可以求得船宽为39.8 m的5250TEU全集装箱船“鲁河”轮的最佳横摇周期和初稳性高度分别是：T e = 16.228.6 s, GM=1.243.78 m=从中可以看出，式(3-5)、(3-6)能够提供Te和GM取值的合适范围，但并未反映出与 船舶排

44、水量、航经海区海况等的密切关系，也未考虑到绑扎设备设计时设定的GM值、充分发挥船舶装载能力等因素。可见集装箱船最佳GM的取值受多种因素的影响，考虑到临界稳性高度的含义，有人提出在满足临界稳性高度GM的前提下适当增加一个安全余量Ch*作为最适度初稳性值。至于G*的大小取值，可在分析实践中经验数据的基础上提出如下算式：3* 28 2G =0.3C 28(3-7)B式中C为考虑航区风浪及甲板上浪程度所取的系数，取0.81.2，航区风浪大或船较小、受风浪影响大时，取大值，反之取小值。具体取值时可依据载重线海区而定，夏 季载重线海区可取1.0左右，冬季载重线海区可取1.01.2，而热带载重线海区取小于0

45、.81.0。如果根据绑扎设备设计所假定的最大初稳性高度GW小于根据上述方法确定的值，则可取 GW，即有最佳的初稳性高度值 GM:GM =minGMC+C , GM max(3-8)上式给出了集装箱船舶最佳初稳性高度安全余量计算模型，实践中有较大的适用 性。应该说明的是，在进行集装箱稳性核算时，还应考虑到集装箱申报重量的准确性，BW(KG Zb)P -o(KG-Zo) G(KG-Zg)Z KG(3-9)Z的变化量有很多港口（特别是东南亚地区的一些支线上）集装箱的实际重量要比其所申报的重量要大，会导致实际的 GM值比计算值小，一般来说，可通过吃水来检验船上集装箱 重量是否与其申报重量一致，当发现不

46、一致时，应对GM进行修正。3.1.2关于集装箱船最大载重量和最小压载量的计算集装箱船的稳性特点决定了其在装载了大量集装箱后使用压载的必要性，这在前面已有论述，但从经济的角度看，在保证人员、船舶和货物安全的条件下，船舶的压载量应尽量减少。减少压载的意义体现在： 对于未满载船舶来说， 可以减少航行阻力，提高航速；对于满载船舶来说，可以增加集装箱船舶的载重能力，充分利用船舶的箱 位容量。鉴于船舶稳性大小和压载水的使用都与集装箱船舶重心高度有直接关系，因此，Z p Z G Z RW/ Z可以通过变换关系式（2-7）： Z = 亠 -P G g-b来分析各因素的关系。在式中， 为空船排水量，Zo为空船重

47、心距基线高度； G为各油水舱载荷量和船 舶常数的总重量，Zg为其合重心的垂向坐标分别；BW为船舶压载水重量，Zb为其合重心的垂向坐标；为船舶排水量，数值上等于 o + P + G + BW。1） 变换关系式求P （集装箱总载重量）当集装箱装载量较大，集装箱合重心位置在船舶重心之上（Z KG）以及压载水重心位置在船舶重心之下（Zgb 1a 21X1+ a 22X2 + a2nXnb 2a mX1 + a m次2 +amnXnW =b mX 1,X 2 , Xn0为了得到一种普遍适用的求解线性规划问题，首先将一般线性规划问题的数学模n(3-16)maxZ= Cj Xj ;j ins.t.aij X

48、j =b ( i=1,2,，m),X j 0(j=1,2,n).标准形式也可表示成矩阵形式：maxZ=CXjs.t. I AX=b,(3-17)X 0.式中C= (C1, c 2, , Cn),X=( xT1 , X 2,X n)a11a12a1 nb10A= a21a22a2n,b=b2,0=0am1am2amnbm0在研究集装箱船舶配载优化问题中，考虑的关键问题受力优化和稳性优化，这两 个优化问题均属于线性规划问题。由于前者考虑集装箱的纵向分布，而后者考虑集装 箱的垂向分布，两者线性无关，所要解决的线性函数规划问题存在最优解。首先，对 纵向受力进行一级优化，求出使得集装箱船所受总纵弯矩最小

49、的各行位集装箱的重量 分布，然后对稳性问题进行二级优化，求出相应行位中各层集装箱的重量分布。3.2.4集装箱船舶纵向受力优化集装箱船配载时对强度的考虑，主要是船舶的总纵强度，局部强度和扭转强度。对于扭转强度和横向强度，可以在配载时控制各行箱位内各种载荷重量分布和力矩左 右对称，尽量使扭矩最小。而局部强度主要根据使各部位集装箱的垂向累计重量不超 过甲板或舱底的允许堆积负荷而得到满足，为此可在纵向受力的优化模型中以约束条 件来处理。因此，集装箱船受力的优化问题，可以考虑为使集装箱在船上合理的纵向 分布有利于船舶所受到的弯矩和剪力，使船体所受的静水弯矩最小。油水等储备的纵向分布确定后，约束条件仅与集

50、装箱参数有关，由于每行箱位集装箱的重量分为甲板和舱内两个部分，则P(i) = P d(i) + P h(i)，每排(行)集装箱重量的限制为P(i) Pda+ Pha ( Pda和Pha分别表示在某一箱位上甲板和舱内所能承载 的最大重量)。综上所述，集装箱纵向受力的线性优化模型可表示为：nminM(n) = M (n) + P(i) Xn(i)i 1i ni w P(i) b i ni*s.t. S w P(i) w P da+Fha(i =1,2 u)(3-18)式中，M(n)为船体站点n处的静水弯矩；M (n)为该站点除集装箱外其他重量和n浮力产生的静水弯矩；P(i) Xn(i)为该站点集装

51、箱重量产生的静水弯矩；P(i)为第i 1i排(行)集装箱重量；ni为第i排(行)的集装箱容量；ai为空箱集装箱重量；b 为最重箱集装箱重量；P为集装箱的总重量；u为集装箱总行位数。假设所有箱位均 装有集装箱，如果实际的装箱数少于总箱位容量，则空余的箱位重量取0。3.2.5集装箱船舶配载稳性优化模型(3-19)M*(l)=Piii 1Zii + KG1* (P(l)(3-20)设第k层集装箱重心距基线高为 Zk(为已知量)，第i排(行)箱位共有 V，贝U全n船集装箱的垂向重量力矩为：M(Z)= P(i)乙。船舶合重心位置 KG为:i 1KG= o Zo Mb(Zb) Mp(z) Mg(Zg)，经

52、变换并令皿皿= =皿皿0)+ + A。七+ +皿込皿込) )，得:Ml(Z)=KG-A- M在一定排水量 A条件下，如果事先拟定压载和油水装载方案，则式中只有KG个变量，如果给定 KG的最优值KG* (可以通过 KG*=KM- GM求得)，则可找到相应的M* (Z) =KG* A- M。在前面的纵向受力优化分析中，已经求出使得集装箱船所受总纵弯矩最小的各行位集装箱的重量分布 P(i)。现假设各行位集装箱重量分布服从此结果，具体分配到各 行箱位的最优集装箱垂向重量力矩与各行位的集装箱重量最优解呈线形比例。考虑到 实际装载时，有时可能根据实际情况需要把指定的某些集装箱装载于确定的箱位上， 设有r只

53、集装箱限定装于第I行甲板上，重量为Pii，其合重心距基线高度为 Zii( 一般 按下重下轻原则确定其垂向分布)。令其余集装箱合重心高度rMp*(Z)PH ZiiKG*=-，且i =1时，则第I行集装箱的最佳垂向力矩为M*(l):PPiiI 1在求出各行箱位集装箱垂向重量矩的基础上，可进一步求出相应行位中各层集装b为最箱的重量分布。其线性优化模型为:vminMZ (i)=M Z * (i) R(k) Zkk 1Vis.t. r R(k)=P(i)(3-21)k 1a i(k) ni(k) P i(k) b i(k) m(k)式中，ni(k)为第i行，k层的箱位数，a(k)、bi(k)分别为空箱集

54、装箱重量； 重箱集装箱重量。3.3集装箱船舶自动配积载系统研究传统集装箱船配载主要依赖于人类经验知识，需要人工脑力作业进行箱位的选 配，在处理配积载过程中往往是那些不规范的经验性知识，同时，在配积载准确性和 快速性的改善程度上存在一定的局限性。为解决复杂的依赖于人类经验知识的问题， 专门设计基于知识推理技术的集装箱船自动配积载专家系统，为提高集装箱船配积载 的智能化水平，探索知识工程理论在集装箱运输管理问题上的应用提供参考。3.3.1集装箱船舶自动配积载系统设计思想集装箱船自动配积载专家系统系统对配积载过程进行分析，逐级划分系统目标， 以确定采用的模型，并采用结构化设计方法分别设计了各大功能模

55、块。对配积载问题 中存在的一些比较规范的部分，如确定港序、选配普通箱、保持船舶前后左右重量对 称分布等因素，可按多年来形成的规范原则进行。这些原则以计算机处理模式表示即 为配载算法模型。而为保证集装箱船舶与货箱的安全，必须在配积载中不断对船舶稳 性、强度、吃水差等指标进行校核，其校核算法模型可依据于有关的规范和特定的公 式。整个系统主要由二库三系统组成：知识库和数据库，知识库管理系统、数据库管理系统和自动配载系统。1）数据库和数据库管理系统系统数据库包含有自动配积载所需的初始事实数据、配积载推理过程中得到的各 种中间信息和最后结果以及其他辅助信息数据。由基本数据库的原始数据录入后可生 成许多动

56、态数据库，用以记录推理中间结果。数据库管理系统完成对原始数据、录入数据、中间动态数据和最终结果的管理与维护，并保证系统全部数据库的完整性和一致性。2）知识库与知识库管理系统知识库是集装箱船自动配积载专家系统的核心，由集装箱船配积载基本要求和咨 询的专家经验性知识构成。设计知识库时除以合理的形式表达规则外，还使知识库所存规则形成多层次结 构，将规则按层次关系设计成网树状结构模式，从而简化知识库的搜索路径，节约搜 索时间，提高整个集装箱船配积载系统的效率。知识库管理系统负责对知识库的维护、更新和咨询。设计知识库时同时建立索引 文件用来存储以不同代码表示的各条规则在知识库中的首位置，以方便对知识库的

57、增 添、删除、修改、查询、检查等，并可利用计算机屏幕窗口，通过人机对话方式实现 对知识库的管理对于配积载过程中所涉及到一些纯粹依赖于积载人员经验知识的且有较大随机 性和再学习性的问题，须借助于知识推理技术来完成。设计知识库管理系统时采用示 教机器学习的方式来改进和完善系统知识库，由配积载领域的专家（如船长、大副、 码头配积载中心人员）向系统的学习部分提供某些动态经验性知识，学习模块利用这 些信息修改知识库，以增进系统推理执行模块完成自动配积载的效能。3）自动配积载系统由于集装箱船自动配积载专家系统信息处理量大，积载过程中要求有更多的人机 对话环境，系统特设自动配积载主系统，用于调用和运行数据库

58、、知识库，并尽量使 配积载输出结果能满足积载人员的个性化要求。执行该主系统后，即可按照集装箱船 配积载具体操作顺序完成积载任务，并在输出端提供对配积载结果的查询、显示、打 印等功能。3.3.2集装箱船舶自动配积载专家系统结构集装箱船舶自动配积载专家系统结构可用图3-2表示:使用匹配原理，经过推理船舶数据库集装箱数据库堆场数据库主要储存航次订舱白勺箱子在堆辅助工具库包括航次港名和港序代码库、推图 3-2 集装箱船舶自动配积载专家系统结构图第四章 现代物流管理下的集装箱船舶配载系统的实现4.1 供应链管理下的集装箱船舶配载系统的研究4.1.1 供应链管理理论综观当今国际集装箱航运业，从早先的集装箱

59、服务到多式联运（门到门）及与当 地运输客户有关的额外增值服务，到 80 年代的供应链管理及现在向电子信息技术方 面的发展，可以看出，航运企业已经摆脱了传统货代和运输单一服务的狭隘性，而扩 充至全球性综合物流服务。尤其是 90 年代以来，在企业国际浪潮的影响下， 综合物流已成为货主关注的焦点。 货主的企业战略都不同程度地从生产与营销导向型向市场与服务型转变，在经营战略 上实施总体物流合理化的策略， 以提高生产效率， 保证生产营销过程的连续、 顺畅 因此，要求航运企业不应仅仅停留在单一的海运活动上，而应向货主的整个物流过程 提供全方位服务。随着客户对服务需求和时间的不断提高以及产业全球化和组织一体

60、 化的发展，我们正在进入供应链竞争时代。从某种意义上来说，真正的竞争已经不是 公司与公司之间的竞争而是供应链与供应链之间的竞争。供应链是一种由组织构成的网络，这种组织网络通过上游和下游的连接，设计不 同的过程和服务，这些过程和服务以到最终消费者手中的产品和服务来产生价值。供 应链管理则把供应链上的各个企业作为一个不可分割的整体，使供应链上各企业分担 的采购、生产、分销和销售等成为一个协调发展的有机体。供应链管理的概念不仅仅是物流的逻辑延伸。物流管理主要关注在于组织内部对“流”的优化，而供应链管理认识到仅仅由其自身进行内部整合是不够的，而应该是将上游延伸到供应商，下游延伸到客户，达到外部整合，如