基于多目标遗传算法的散货码头泊位与机械联合调度研究--final

1、学号：201010222042上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY本科生毕业设计（论文）基于多目标遗传算法的散货码头泊位与机械联合调度研究学院： 物流工程学院 专业：物流工程 班级：工物 102 班 学生姓名：王郡娴 指导教师：赵宁 完成日期： 2014 年 5 月 摘 要 随着全球经济的快速发展，煤炭资源也越发紧缺，据国际能源机构（IEA）数据统计， 在未来几年的发展中，煤炭仍是中国主要消耗的能源。我国煤资源中心与经济中心的分布差异以及对煤炭的大量需求导致船舶迅速增多，使得泊位与机械的调度问题成为煤码头的作业瓶颈。因此，对该问题进行优化，不仅能够促进天津港煤码

2、头公司的发展，而且有利于提高全国煤炭资源的利用率。 本文以天津港煤码头公司的泊位作业系统为主要研究对象，依据码头实际作业状况，对泊位分配和机械调度问题进行了联合优化，建立了以岸线利用率、机械利用率最大化以及总在港时间最短为目标的连续泊位优化模型，并利用多目标遗传算法对所建立的模型进行了求解，得到了理论上的较优可行方案。最后通过实例分析，证明了算法的有效性和适用性，该方法对散货码头的运营管理具有一定借鉴意义。 关键词：煤码头，连续泊位分配，机械动态调度，联合优化，多目标遗传算法（MOGA） AbstractWith the fast development of global economy,

3、there is an increasing scarcity of coal resources. In accordance with authoritative statistics from International Energy Agency (IEA), coal is still a major source of energy assumption in China for the years to come. The rapid increase in the number of vessels is triggered by the distribution differ

4、ence of coal resource centers and economic centers and a large demand for coal in our country, which leads to an operational bottleneck in terms of integrated scheduling problem for berths and machines at coal terminals. Consequently, the optimization of the proposed problem will not only promote th

5、e development of Tianjin Port Coal Terminal Company, but also helps to improve the utilization of national coal resources.The berth operation system of Tianjin Port Coal Terminal Company is employed as the main research object in this paper. The berth allocation and mechanical scheduling problems ar

6、e optimized collaboratively in terms of the actual operational situation in the terminal. The continuous berth optimization model is established with the utilization maximization of quay line and mechanical equipment and the minimization of the total turnaround time. Then themulti-objective genetic

7、algorithm (MOGA) is applied to solve the proposed model and obtain a theoretically near-optimal solution. The case study shows the effectiveness and adaptability of the algorithm. Related ideas are privileged to have certain academic value and reference for the operational management of bulk termina

8、ls.Key words：Coal terminal, Berth allocation problem continuous, Joint optimization, Ship loader dynamic allocation, multi-objective genetic algorithms（MOGA） 上海海事大学本科生毕业设计（论文）1. 绪论目 录11.1 选题背景11.2 研究意义21.3 国内外相关研究现状31.4 泊位与机械联合调度问题分析51.5 本文的主要工作61.6 本章小结72. 散货码头核心资源调度与配置问题分析 82.1 散货码头资源配置82.2 散货码头生产

9、工艺流程102.3 泊位作业优化需求分析122.4 本章小结143. 模型构建153.1 泊位问题描述153.2 模型建立163.3 本章小结214. 模型求解及算例分析224.1 算法分析224.2 模型求解234.3 算例分析264.4 收敛性分析294.5 鲁棒性分析304.6 本章小结315. 结论与展望325.1 课题结论325.2 课题展望32参考文献 33致 谢 36 上海海事大学本科生毕业设计（论文）10 1.1 选题背景 1. 绪论 在国际航运业务与管理中，干散货市场一直是国际航运市场的重要组成部分，每年大约有近 30 亿吨的海运货流，占世界海运量的三分之一。2013 年，在

10、缺乏外部动力的情况下， 全球港口保持低速增长的复苏态势，多数港口货物吞吐量依旧保持不到 7%的增幅，甚至以、鹿特丹为代表的港口货物吞吐量仍然呈现负增长。在全球经贸不振的背景下，全球港口货物吞吐量依然能够保持低速复苏的态势主要得益于干散货运输需求的增长1。据统计， 2011 年我国港口干散货吞吐量已经达到 58.55 亿吨，占港口吞吐总量比重为 58.3%；2012 年受经济放缓原因，干散货吞吐量与 2011 年基本持平；2013 年中国沿海干散货运量全年走势前低后高，总量止跌上涨，季节性特征和波动幅度明显；预计 2014 沿海干散货运输需求增速稳中有降，全年增幅在 7.0%左右。 2013 年

11、，全球港口干散货吞吐量继续保持平稳增长，但在各港口集装箱吞吐量增速收窄的情况下，干散货吞吐量成为各港口吞吐量生产指标的主动力。其中，主要港口煤炭吞吐量增长相对平稳，而中国煤炭需求相对旺盛，尤其是外贸煤炭进口加大，2013 年 1-9 月全国主要沿海港口内贸煤炭发运量同比增长 7.16%2。2013 年，我国整体经济形势基本趋稳，水电对火电的替代效应可能减弱，这些都将推动国内煤炭需求回升，初步估计 2014 年我国煤炭海运量将继续保持增长，吞吐量达 23.2 亿吨左右，同比增长约 8.2%，较 2013 年提高约 0.7 个百分点。并且由于国内产量无法满足经济增长对煤炭的需求，我国煤炭进口将继续

12、保持增长， 煤炭海运贸易量将不断推高3。 首先，我国煤炭资源生产与消费空间布局不平衡，煤炭资源的生产多集中在广大的西北部地区，而能源消耗中心则集中在东南部经济较发达的沿海地区，从而形成了我国“北煤南运”、“海铁联运”、“西煤东运”的煤炭运输格局。正是这种能源和经济中心之间的差异，导致了大量的煤炭运输需求。其次，近年来的国际煤价急剧下降，煤炭运输价也随之下降。然而， 国内煤炭价格却不断波动上升，内陆煤炭的运输价格仍然很高。因此，在原材料成本不断高涨的背景下，到国际市场选择低价优质的燃料煤已成为消费企业的首要选择。 随着进口煤炭的激增，码头发展规划的水平不断提升，运输船舶大型化越来越明显，而且船舶

13、结构也向复杂化方向发展。相应地，码头与装卸设备也日趋大型化和专业化4，现在， 国外大型散货码头的装船设备效率已可达到 10000 吨/小时，国内装船设备效率也已达到 8000 吨/小时以上，单船作业能力高达 10000 多吨/小时56。 在此背景下，煤炭港口建设成为当前的一个投资热点。宁波港、黄骅港、大连港等都在建设煤炭专用码头，甚至推动发展的海西区也设置了煤炭港口码头。此外，承接“北煤南运”任务的主要输出港之一的天津港煤码头，响应国家号召积极调整战略部署，不断合理开发煤炭货源，延续我国煤炭运输的主流方向，为国家煤炭资源运输做出贡献。 与此同时，港口经营者们也逐渐意识到码头泊位作业系统在提升码

14、头综合竞争力中的重要作用，尤其是煤码头的泊位作业系统，到目前为止还没有科学合理的调度优化方案。煤码头泊位作业系统主要包括码头岸线、装卸机械设备以及到港服务的船舶。能否合理高效的对岸线、机械和到港船舶进行作业安排调度，直接影响泊位作业系统的作业效率和船舶在港作业时间，进而影响到煤码头公司的运营效率和服务质量7。 1.2 研究意义 对于港口来说，其生存和发展是由其经济腹地的影响力来决定的，而京津冀地区的五大港口均存在“腹地交叉”现象，因此，港口间的竞争愈发激烈，其中，尤为突出的是对煤炭资源的争夺。随着环渤海湾的煤炭物流竞争气氛越发紧张，其竞争的焦点将主要集中于生产规模、经营机制和内部管理体制等方面

15、。 现代港口之间的竞争就是效率的竞争。散货煤码头作为我国煤炭运输的重要环节，能否提供可靠、快速、灵活的综合物流经营服务非常重要。优质的港口管理运营模式能够有效节省经营成本、提高码头资源的利用效率，但在我国各港口系统中，一方面受到传统经营模式的影响，另一方面由于有限的码头资源和不断增加的货物流量，使得优化港口泊位和装卸机械的分配成为提高港口经营模式效率的重要手段。 然而，随着煤炭运输量的激增，船舶频繁地到达煤码头，很快超过了码头的能力。尽管煤码头昼夜连续作业，仍然存在大量船舶等待靠泊作业。而泊位系统作为港口中的一个重要组成部分，是货物在水路间转运的关键环节和核心环节，港口系统中的其他子系统的工作

16、均以泊位为中心展开。因此，合理配置码头泊位作业资源、对泊位作业系统中的泊位、到港船舶和装卸机械进行科学调度，不但能够解决码头生产过程中的瓶颈问题，提高码头前沿的装卸船速率，而且还能提高码头堆场的利用率和码头的通过能力，降低码头成产成本，提高码头的吞吐能力以及行业竞争力。 目前对于散货码头、煤码头的建设大部分都集中在码头硬件设备上面，对于煤码头的生产调度、计划等方面的研究相对比较少，但是在码头实际的运行过程中，往往机械设备是在码头建立之前就已经配置好的，在运行期间也只能简单的进行改造，而不能完全重建。因此，码头生产调度问题越来越被港口经营者看重，码头信息化建设成为热潮。 本文就煤码头资源如何合理

17、利用，研究连续泊位靠泊计划，并且在船舶靠泊计划中对相 应船舶所需要的门机、装船机数量的分配进行探讨和研究比较。泊位的合理利用和装卸作业机械的合理配置，不仅可以提高对船舶的服务水平，增加货物吞吐量，还可以提高企业的综合竞争力。不仅对于船东、供货商、承运人以及港口本身来说都具有十分重要的现实意义， 对于同类散货型码头的生产组织作业管理也有一定的参考和应用价值。 1.3 国内外相关研究现状 目前，关于煤码头泊位分配问题的研究文献还很少。而煤码头泊位分配问题与集装箱码头十分相似，对于集装箱码头泊位调度问题，已经有许多相关的研究工作（如 Dirk Steenken, et al., 20048; Rob

18、ert Stahlbock and Stefan Vo, 2008 9; Christian Bierwirth and Frank Meisel, 201010）。正如 Christian Bierwirth (2010)论文中所述，泊位分配问题可依据岸线布局加以区分。BAP 问题一般被分成离散的（ Berth Allocation Problem Discrete, BAPD） 和连续的（ Berth Allocation Problem Continuous, BAPC）两个问题来讨论。 在 BAPD 问题中，码头岸线长度被简单的划分为若干个泊位，对船舶停靠位置的分配也是离散的，泊位和船

19、是一一对应的关系，即一艘船靠泊在单一泊位，且同一时间内有且仅有一艘船被服务。但是在 BAPC 问题中，船舶能够使用码头岸线上所有的停靠位置，能够在岸线范围内任意位置靠泊。此外，还有两者结合而成的混合泊位布局，其岸线是分段的，而一艘大船可能会占用不止一个泊位，多艘小船也可共用一个泊位。本文研究连续泊位分配问题， 此外，由于计划船只已经到达港口，该问题是静态调度问题。 机械调度同样是港口运营的一个重心，装卸作业直接影响货物吞吐量和港口运营效率。近年来，针对港口泊位和机械分配调度的研究也层出不穷，在船舶抵港前都给其预先安排了相应的靠泊时间、位置和机械数量。本文考虑了船舶泊位作业过程中，相应的机械分配

20、情况， 以整体提高泊位作业系统的作业效率，对码头资源进行合理配置。 1.3.1 离散泊位调度研究综述 国外学者 Brown（1997）等11研究了 港口船舶的泊位调度问题，建立了以最小化所有到港船舶的总在港时间为目标的混合整数规划模型，并采用启发式算法求解模型。Imai（2001）等12用非线性整数规划模型来模拟码头的静、动态泊位调度问题，建立了以船舶总 在港时间最小为目标的动态泊位分配模型，并采用基于拉格朗日松弛的启发式算法解决所提出的问题。通过研究 Imai 等认为为提高生产作业能力，最优调度方案的得出是不应考虑 FCFS（First Come First Serve 先来先服务）原则的。

21、但是如若不考虑的话，则必会引起有些船东的不满意，为此 Imai 等引进了两个评价指标，泊位的作业能力和客户的满意度。文献（2003） 13将到港船舶划分为不同的服务优先级进行优化研究。Kim（2003）等14以最小化由于船舶 延迟离港和船舶未被分配到最优位置而造成的多余操作费用为目标，建立了混合整数规划模 型，并采用模拟退火算法求解。Akio.Imai（2007）等15为解决近年来集装箱船舶大型化和码头岸线资源有限的问题的趋势，建立了锯齿形岸线的泊位调度模型，提高泊位利用率。 而国内学者对集装箱码头泊位调度问题的研究相对国外要晚的多，且大多数研究是对国外已有研究的开展或应用。张海燕16基于离散

22、泊位分配的概念，建立了以最小化船舶在港总时间为目标的动态泊位调度模型，并采用遗传算法求解，最后使用仿真软件进行验证。韩笑乐等17以船舶总等待时间和总迟延时间的最小化为目标，研究动态到达的船舶在不同服务优 先级下的离散泊位调度问题，采用基于 FCFS 修改后的规则生产初始解，最后在结合禁忌搜索和模拟退火法进行优化求解。 综上所述，国内外学者对集装箱码头的离散泊位调度问题所进行的研究主要包括以下内容。主要研究问题均为动态或者静态泊位分配，以混合整数规划模型为主，目标主要有总在港时间最小化或者两个目标结合，方法主要应用遗传算法、启发式算法、模拟退火算法。这对于本文所要研究的煤码头泊位分配与机械调度问

23、题具有借鉴意义，但均不能完全适用。 1.3.2 混合泊位调度研究综述 在过去十五年中，有很多关于混合泊位分配问题的研究文献。Li C.L.（1998）等18研究了“单一处理器对应多个工作”模型，该模型源自于泊位分配问题，即以计划总工时最小为目标，允许多艘小型船舶共享同一泊位进行装卸作业来安排泊位计划，并将优先配合降序方法推广应用于该类问题。Guan Y.P.（2002）等19对此进行了后续研究，发展了针对该问题的启发式算法，并对最坏情况进行了分析。Guan Y.（2004）等20又将二叉树和启发式算法结合， 解决泊位分配这类大规模问题，使得总任务完成时间最小。Chen C.Y.（1999）等2

24、1针对泊位分配问题提出 MIP 模型，根据日期合并船只。Nishimura E.（2001）等22建立混合整数规划模型来解决多船只共用泊位的动态泊位分配问题，将到港船舶吃水深度和长度等因素考虑在内，并利用遗传算法建立启发式程序进行求解。 之后大多数混合模式中的泊位分配问题将岸桥调度考虑在内。Park Y. M.（2005）等23 考虑泊位与岸桥这两个港口关键资源约束，写出整数规划模型，并利用两阶段法进行求解。第一阶段用梯度优化技术来求解船靠泊位置和时间，以及每条船的岸桥数量；第二阶段用动态工程技术来确定岸桥的详细计划。Zhang C.（2010）等24同样研究了集装箱码头的泊位与岸桥调度问题，

25、他们考虑了岸桥覆盖范围，在岸桥装卸作业过程中允许适当调整，写出混合整数规划模型，并用梯度优化技术进行了求解。Meisel F.（2009）等25关注分配给船舶岸桥的吞吐量，他们的模型中有详细的船舶作业提前和延迟的惩罚费用规则。 综上所述，在混合泊位问题研究中，开始将更多的条件考虑在泊位分配问题中，主要方法也有所扩充，但遗传算法和启发式算法仍不失一般性地应用于泊位分配问题。对于将机械调度考虑在内的泊位分配问题，其作者建立了两个模型并应用了两阶段法。由于研究对象的 不同，使得这些技术与方法可借鉴性地应用于煤码头泊位分配问题，而不能完全照搬照抄。 1.3.3 连续泊位调度研究综述 连续泊位可以看做混

26、合泊位的特例，岸线被分割为一个个极小的泊位，船舶不能够共享同一泊位。国外学者 Park 和 Kim（2003）26研究的目标是最小化由于没有获得较优服务顺序而造成延迟离港和未停泊在最优靠泊位置而造成的额外费用，这比起上述仅基于停泊位置的研究更加具有实际应用价值。Imai A（. 2005）等27在多用户集装箱码头泊位调度问题研究上， 应用了连续调度，写出整数规划模型，并认为连续泊位调度比离散泊位调度计划更高效，但同时也更难确定该计划。Lee Y.（2009）等28针对连续泊位分配问题提出邻域搜索启发式算法，作业过程中可存在移泊。Chang D.（2010）等29针对泊位和岸桥分配问题，依据滚动

27、水平方法编出程序模型，利用混合并行遗传算法进行求解，并利用仿真模拟了染色体的进化。Zhen L.（2011）等30研究在船舶到达时间和作业时间不确定情况下的泊位调度问题，提出两阶段模型，根据预期的不确定性来制定初始计划，再依据实际情况制定调整补偿策略使得惩罚最小，利用亚启发式算法来求解。Raa B.（2011）等31针对泊位和岸桥分配体系，提出了MILP 模型，有船舶优先权的先靠泊。Du Y.（2011）等32提出了混合整数二阶锥规划模型， 该模型中考虑了船舶燃油消耗。Hendriks, M. P. M.（2013）等33提出将泊位分配和堆场计划同步考虑，合理决策靠泊位置和场箱位，以此减少跨运

28、车运输距离和船舶作业时间。 国内学者张煜和王少梅（2007）34研究了泊位连续化动态调度问题，将岸线连续化，建立了泊位的动态调度模型，最后基于实例通过仿真计算，将连续型泊位调度与离散化泊位调度进行了比较和分析。王红湘（2008）等35按照岸线有限的泊位分配原则，建立了动态泊位分配策略数学模型，并采用启发式算法对该策略进行了模拟和优化。唐晨（2003）7以天津港中煤煤码头的泊位作业系统作为主要的研究对象结合生产组织优化的相关理论以及煤码头泊位系统生产组织作业的现状，对泊位作业系统中的泊位调度问题进行优化， 建立了以求解船舶待泊费用和港口泊位运营费用最小值的目标函数，并通过引入遗传算法的思想对建立

29、的模型利用 Matlab 软件对码头船舶调度的实例进行了求解。 综上所述，建立连续泊位分配模型更有利于提高码头岸线利用率，进而提高其作业效率。随着研究的深入，学者们已经尝试将泊位分配问题与机械、后方堆场等关键资源进行关联， 统一考虑，并针对不同问题进行了多目标等多样化决策模型的建立，采用遗传算法、启发式算法以及其他方法求解，利用 Matlab、仿真软件等工具辅助计算验证。但这些技术和方法同样需要进行改进，以便合理应用于本文所要研究的煤码头泊位与机械联合调度问题的研究。 1.4 泊位与机械联合调度问题分析 近几年来，随着科学技术的不断进步，煤炭码头的发展取得了巨大的成就。目前，煤炭 码头在信息化

30、建设、设备管理与维修体制的改革、装卸设备现代化水平的提高、环境保护、能源节约、科技人才的培养等方面都取得了较大的进步。然而，随着各地区间贸易的增加， 加之码头作业环境复杂，影响因素众多，许多大型散杂货港口的实际营运中都存在着船舶压港问题，因此，如何对港口泊位作业系统有效地进行分配和管理运作仍然是一难题，因此， 也成为港口码头管理者和学术界广泛关心的问题。 目前规范中对泊位长度的设计是以设计船型的最大船长来确定的，这种方法对于传统的离散泊位合理分配有利，但对于如今快速发展的煤炭运输业来说，港口的码头岸线作为散货码头公司最宝贵的资源，是由地理、水深、潮汐和航道等因素唯一确定的，不仅建设投资巨大，且

31、资源不可再生、具有唯一性，要能够最大限度的利用现有岸线，缩短船舶的平均在港时间，实现较高的经济价值，才能够满足煤炭运输的需求量。 本文中泊位研究对象为连续泊位的船舶静态泊位分配。连续泊位调度是将岸壁线作为一个整体进行研究，只要有满足到港船舶物理条件（如水深和空闲岸线长度）限制的位置就可以进行停泊，不同于上述所提的离散型泊位，将岸壁线划分为若干独立部分进行研究。岸线离散化后势必会造成一些岸线闲置，而且在实际操作中，有些船舶靠泊时需要跨越不同泊位停泊，因此对于连续型泊位调度的研究更加符合现实，也更具有实际应用价值。但由于连续型泊位调度建模方法不同于离散型泊位调度，所建的模型往往具有更高的复杂度。

32、在实际的连续泊位问题研究中，如何实现泊位离散化存在一定困难，离散的泊位长度过小容易产生不可行调度方案，过长易造成岸线较低的利用率。此外，在连续泊位靠泊计划问题上，由于存在太多的不确定性、已固定的码头岸线长度和机械数量等约束，使得在连续泊位的合理分配问题研究上，存在着许多的不可操作性和不确定性，如何在众多限制和约束条件下更好更高效地解决这一问题，成为了连续泊位靠泊计划研究的难点。 此外，由于机械资源的动态调度对船舶靠泊作业时间有着不可或缺的影响，在进行泊位计划时，本文将机械动态调度问题与泊位计划联合进行考虑，建立统一的模型，使得结果的实际应用性更强。 1.5 本文的主要工作 港口码头泊位系统船舶

33、泊位分配与船舶机械调度效率的高低，直接关系到船公司的利益性，关系到货主的方便性，同时也关系到散货码头本身的作业效率和企业声誉。码头生产组织优化问题是港口经营者需要不断研究的问题，主要包括运输调度问题、设备调度问题、车间调度问题、泊位调度问题等7。在煤码头生产组织中，泊位分配问题以及装卸工作问题相对于其他工业企业更为复杂，影响其效率的因素也更多，因此合理安排好其生产组织工作， 实现各个环节的协调配合，能够充分合理地利用好人力物力以及时间和空间资源，高效完成 码头装卸和运输任务。 绪论本文主要工作 泊位系统问题分析国内外研究现状选题意义 选题背景 散货码头泊位作业系统优化研究 本文的主要工作是对散

34、货码头生产组织系统中的泊位系统到港船舶泊位分配和靠泊船舶的机械调度进行研究，针对所研究的问题，进行合理的假设和模型的建立，并采用多目标遗传算法的思想进行模型求解，最后利用 Em-plant 软件进行算例分析与验证。以求船舶总在港时间最小，岸线利用率尽可能大，装卸效率尽可能高，来提高码头生产作业效率。如图 1.1， 本论文中主要完成以下工作： 煤码头调研与分析模型构建 模型求解及算例分析 模型建立 泊位问题描述泊位作业系统计划需求分析 天津港煤码头生产工艺流程与调度原则 煤码头资源配置与作业流程 总结与展望求解效率分析算例分析 模型求解 算法概述 1.6 本章小结 图 1.1 论文框架 本章首先

35、阐述了随着全球经济的不断发展，煤炭运输业和现代港口码头迫切需求生产组织作业高效化的研究背景和研究意义，然后对本领域国内外学者所做的相关研究文献进行了综述，并对本课题所要研究的泊位和机械调度联合优化问题进行了深入分析，最后说明本文所要完成的主要工作。 2. 散货码头核心资源调度与配置问题分析 2.1 散货码头资源配置 2.1.1 研究对象基本情况 中国北方最大的综合性港口天津港，2011 年全年货物吞吐量累计超过 4.5 亿吨，在全球港口货物年吞吐量排名中列第四位。作为目前中国唯一拥有三条亚欧大陆桥通道的港口，天津港现已形成北疆、南疆、东疆、海河四大港区；拥有中国规划面积最大、开放程度最高的保税

36、港区和亚洲设计规模最大的邮轮母港；同世界上 180 多个国家和地区的 500 多个港口有贸易往来。 天津港煤码头有限责任公司位于天津港南疆港区，是天津港专业从事煤炭装卸作业的码头公司，年设计吞吐能力为 4300 万吨。码头拥有 4 个专业化泊位，码头岸线长 1110 米，码头前沿水深达 19.6 米，可停靠 15 万吨级以上船舶，码头堆场面积 30 万平米，堆存能力 176 万吨。煤炭通过皮带长廊、火车、汽车直接运抵堆场，或与系统设备联动直接装船。码头装卸设备包括翻车机、装船机、堆料机、取料机、皮带机及大型门座式起重机，基本上是采用国口，不仅性能稳定，而且作业效率较高，其单台装船机装船作业效率

37、可达 6700 吨/小时，而翻车机的卸车作业率高达 4300 吨/小时。装船作业可以依据客户的需要来实现高精度的混配煤炭，高效的除杂以及煤炭的采样检验。其中南七、南八泊位为一期工程；南九、南十为二期改造工程，由原来全部为门机抓斗作业码头改造成南九为大型专业煤炭装载机械码头，南十保留原门机抓斗作业模式码头。码头概貌如图 2.1 所示。 图 2.1天津港煤码头概貌 2.1.2 煤码头资源配置 现代煤炭码头是一个复杂的大系统，不同类型的码头的基本设施和设备配置也不同，在生产作业中所组合的工艺水平也有很大差别，所以，煤炭码头系统的物流能力也不同。本文 以出口型煤码头作为研究对象，所以码头的基本配置是以

38、出口为前提条件，其基本设备配置示意图如图 2.2 所示。 泊位装船线 装船机 进场线 堆取料机 露天堆场 翻车机卸煤 图 2.2 出口型煤码头的设备配置示意图 传统煤炭码头装船作业系统主要是由岸边装船系统、皮带传送系统、堆场堆存系统、翻车机卸车系统和管理监测系统组成的。煤码头主要装船作业设备有：煤炭装船机、门机、煤炭船舶、翻车机、皮带机、取料机等。 煤码头系统主要包括泊位、码头前沿、码头堆场、转接塔、翻车机机房以及各种机械设备。 码头泊位指在港口为了进行船舶的装卸作业，为船舶提供停泊靠岸的空闲岸壁长度。船舶的靠泊与离泊必需满足一定泊位岸线长度限制，即所有船舶长度不能超过岸壁线的有效长度。 码头

39、前沿指沿码头岸壁到堆场之间的码头面积。 煤炭堆场指煤码头中用于堆存煤炭的场所。如果堆场内的煤炭需要出口，则需要通过进场系统，使火车提前将煤炭运送到后方堆场进行堆存，并等待码头前沿船舶的到达；如果堆场内的煤炭需要进口，则利用堆场内的输送设备把需要进口的煤炭从码头前沿的船舶上运输到堆场内，待煤炭客户进行疏运。 转接塔是连接皮带长廊运输中的重要设备，在煤炭出口过程中，皮带以一定速度将转接塔中煤炭传送到塔顶上，再分别疏运到塔下的各个皮带上。 翻车机房的主要任务是对到达的列车进行接卸作业，每次作业可翻卸两节车厢。 2.2 散货码头生产工艺流程 2.2.1 码头装卸工艺 所谓装卸工艺，是指码头装卸和搬运货

40、物的方法和程序，按一定的操作过程，根据码头条件，针对不同的货物、运输工具和装卸设备，以合理和经济的原则来完成装卸和搬运任务。煤炭码头装卸工艺决定其装卸机械的配备、装卸生产的作业组织以及劳动生产率等，其运行效果也可用于码头经济效益的综合评价。 以煤炭码头为例，煤炭码头的主要功能是对煤炭的运输中转及储存等作用，作业流程主要依据其实现功能的单元和码头的实际情况来确定。对于煤炭港口物流功能活动也因为交易中的不同需要而不同，所以根据港口物流活动中，煤炭不同的起点和终点，将煤码头的作业划分为船场作业、车场作业以及直装作业： （1） 船场作业 船场作业指船舶与堆场之间的煤炭输送作业。若堆场内的煤炭需要出口，

41、那么装船设备将配合堆场设备把煤炭从其堆场输送到码头前沿的出口煤炭船舶，称为出场装船作业；若堆场内煤炭需要进口，那么卸船设备将配合堆场内的机械设备把煤炭从码头前沿的进口煤炭船舶输送到相应的堆场内，称为卸船进场作业。这两个作业流程统称为船场作业流程，两个作业流程占用相同的输送机械设备，如若装船与卸船作业不协调，则会影响整个煤炭码头的通过能力。 （2） 车场作业 车场作业指车辆和堆场之间的煤炭输送作业。若堆场内煤炭需要出口，相应的输送设备会把煤炭输送到码头的堆场内，称之为卸车进场作业；若堆场内煤炭需要进口，相应的输送设备会把煤炭输送到车辆，称之为进场装车作业。这两个作业流程统称为车场作业流程，两个作

42、业流程占用相同的输送机械设备，因此，必须对其进行合理的管理与协调，才能够提高煤炭码头的整体通过能力。 （3） 直装作业 整个码头的正常运转必须对船场作业和车场作业进行有效的协调管理。如果要进一步提高码头的实时性、降低码头运营成本，码头通常需增加直装作业。直装作业中，煤炭将不在码头的堆场内进行堆存，从而省去煤炭的堆存费用。但该作业方式同时占用了卸车、装船资源，而由于卸车与装船的装卸设备的工作效率不同，很容易形成装卸设备的工作效率瓶颈， 从而导致整个码头的低工作效率。直装作业包括船与船之间的直接装卸和车辆与船舶之间的直接装卸，分别成为船船直装和车船直装。船船直装如图 2.3 所示。 上海海事大学本

43、科生毕业设计（论文）泊位装船线 船船直装 装船卸船 装船机 图 2.3 船船直装作业 船船直装指首先将前沿船舶上的煤炭卸船，然后直接通过输送设备把煤炭直接输送到其它泊位进行装船作业。在此环节中，煤炭无需要进出堆场，这种装卸作业流程也称作卸船进船流程。 车船直装流程如图 2.4 所示。 装船线装船机进场线堆取料机露天堆场车船直装翻车机卸煤 图 2.4 车船直装作业 车船直装指煤炭出口时，传送带直接通过装船线把煤炭直接输送到码头前沿的船舶，而不进行场内的堆存；煤炭进口时，机械传输设备则会将煤炭直接进行卸船再装车，而不通过堆场。 根据煤炭物资的流向，一般可将煤码头分为进口型码头、出口型码头以及进出口

44、型码头。码头的类型不同，所采用的装卸工艺也不同，进口型码头可采用卸船进场工艺、车船直装工艺、船船直装工艺以及出场装车工艺，出口型码头可采用卸车进场工艺、车船直装工艺以及出场 装船工艺。 11 上海海事大学本科生毕业设计（论文）2.2.2 天津港煤码头生产工艺流程 煤码头是通过船场作业、车场作业和直装作业这三种作业间的相互衔接协调工作，并配以相应的装卸运输设备而构成煤码头的基本工艺。天津港煤码头是出口型的煤码头，所以其基本的工艺及配置都是以出口作为前提条件。其煤炭进港的主要方式有皮带长廊，火车以及汽车运输进港三种方式。皮带长廊运输方式的设计可以实现从外面堆场将煤运到码头前沿进行直接装船，而其他两

45、种方式都是将煤炭先运输进入堆场，再从堆场取料装船。 开始火车到达 结束卸车计划堆存计划取料计划靠泊计划装卸作业计划 皮带运输皮带运输堆料机堆 料 皮带运输皮带运输装船机装船 传送塔分流 取料机取料 翻车机卸煤 船舶离开 装卸作业 船舶靠泊 船舶到港 火车离开 装船流程 卸车流程 泊位作业流程图 传送塔分流 堆场前后沿火车运输是码头最主要的运输方式，该方式主要在南七、南八两个泊位对应的堆场实现。针对汽运到港的煤炭，其堆场分配随意性较大，对码头的生产不会产生很大的影响，南九、南十泊位通常使用门机装船，对堆场分配的要求不是很高。南七、南八泊位使用火车卸车装船的码头工艺，其工艺流程如图 2.5 所示。

46、 堆场作业调度室图 2.5 天津港煤码头生产作业工艺流程图 通常煤码头的装船作业首先要制定卸车计划，即运煤的火车到达指定的卸煤地点，由翻车机卸煤，堆料机堆料。船舶到达后，直接通过输送设备把堆场上的需要装船的煤炭通过皮带运输及传送塔分流到指定的装船机，由装船机完成装船。 煤码头岸边作业调度原则：其服务方式通常采取先到先服务。如果到港船舶为大船，则需要靠泊在大吨位级泊位上，甚至可能会占用两个泊位，其它的船舶则依次按照到港顺序停泊在锚地排队，等岸线上有空余泊位时，就按照顺序进行船舶的靠泊，将船舶停靠进空余泊位进行装卸作业。 2.3 泊位作业优化需求分析 煤码头调度室是负责公司生产的龙头科室，调度计划

47、又是调度组织生产的龙头，如果调度计划不能够制定出科学合理的计划，那么调度室的生产指挥能力将不可能得到最大发挥。 18 调度计划的两项基本工作就是制定船舶动态和编制昼夜作业计划，即排船和配工，因此，为了提高调度室整体的生产组织能力和管理水平，调度室从排船和配工两方面入手，以科学管理挖掘生产潜力。 2.3.1 船舶结构调查 我们按照吨位不同对 08 年以来的船舶结构进行了统计如下： 表 1 船舶结构统计表 吨位（吨） 年份 5000以下 5000 至 1000010000 至 2000020000 至 3000030000 至 6000060000以上 2008567971638290268932

48、009728140857616113027201046914418762731461220112481080112240016611201222113201094324125132013187143813522371078通过数据可以看出，2008 年金融爆发后，公司船舶结构形势日趋严峻，10000 吨以下小型船舶不断增加，30000 吨以上大型船舶不断减少，这一趋势更加明显，2011 年生产形势虽然有所好转，但船舶结构也依旧集中在 5000 吨至 20000 吨区间，并不适合天津煤码头公司系统化设备的作业。 2.3.2 调度计划现行的工作方法 （1） 目前的调度计划工作 主要包括两方面内容：

49、一是对各类信息的搜集，例如船舶到港状况、船舶的规范、各类备货情况、机械设备情况以及气象状况、船舶排水、货款到位与否、航道开放情况、道路交通情况等。二是根据所得信息，并结合码头作业能力人工进行计划的编制，而在此环节中， 往往会因为计划员个人能力不同，编制出的计划会存在较大变数，而不同的工作人员也可能会编制出完全不同的计划，此外，由于缺乏相应的排船计划标准，更难以界定所制定出计划的合理性。 （2） 现行工作存在的缺陷 繁琐的数据计算耗费计划员精力。为了保证港口生产的严谨性，计划员排船和配工时需要对船舶预留位置、备货情况、排水时间、昼夜计划量等数据进行精确的计算，以避免出现失误，影响公司的生产。由于

50、煤炭市场复苏，煤炭船舶到港量大幅增加，锚地煤船压港长期在 100 艘以上，大量可选择的船舶使计划员在排船和配工时需要进行更多比较和计算，牵扯 了大量精力。 时间紧张，难以编制多套方案供选择。由于每天中午前就要将计划上报集团业务处等待，在上午有限的两小时左右时间里，计划员往往只能制定出一套方案。 制定的方案缺乏科学性。由于没有科学的工作标准和评价方法，在排船和编制昼夜计划时更多是依靠计划员的个人经验，因此现行的排船和配工方式不能称其为科学合理。 2.3.3 实现自动排船的现有条件 有管理信息系统提供基础数据。煤码头调度室已经引入了管理信息系统，经过多年的使用获得了大量宝贵经验数据，通过对过往数据

51、进行详细分析，可以掌握各类船舶的装卸作业特点，从而实现船舶排船和配工的自动化。 生产量化标准为自动排船和配工提供了良好的基础条件。调度室基于管理信息系统制定的生产量化标准是一项创新工作，实现了船舶的作业效率的标准化，通过该标准即可计算出船舶作业所需时间，为自动排船的实现提供了可靠的依据。 辅助作业时间标准的完成促进自动排船的实现。调度室结合实际的生产作业提出将辅助作业时间标准化，该标准的制定将可以计算出在港船舶的辅助作业时间，结合生产量化标准便可以计算出船舶从进港到离泊所需的总时间。 2.4 本章小结 本章针对煤码头，主要对天津港煤码头的资源配置和生产工艺流程进行了调研，并对其泊位作业优化需求

52、进行了分析，由于排船工作庞大的数据计算量、时间紧张、方案的科学性缺乏等问题，加之天津港煤码头多年来宝贵的数据和实行的生产量化标准等条件，使得自动智能排船成为公司的迫切需求。 所建立得泊位与机械联合调度计划模型见第三章。 3.1 泊位问题描述 3. 模型构建 目前国内大部分港口都是按照实际工作情况，将码头岸线均匀或不均匀地分为若干个泊位，再根据不同的船，让其停靠在相应的泊位位置上，即离散泊位。然而，船舶大型化的发展趋势，使得原有的离散泊位设计规范在实际操作中已经无法满足船舶大型化需求，单一泊位不一定可以停靠下所有长度的船舶，即会存在较大的船舶长度超出设定的泊位长度的情况。 本文将整个码头的岸线长

53、度均匀地分为若干个小单位，根据到港船舶的船长，停靠在相应的若干个连续小单位的泊位上。若假定以10米为一个单位长度，那么一艘船长为230米的船在安全距离范围内就能停靠在24个单元的泊位上（241 0=240260米）。利用连续泊位思想， 可以较大地增加码头岸线利用率，这对于提高散货码头的吞吐量和服务水平都有十分重要的意义。 散货煤码头的连续泊位靠泊计划系统是一个随机的港口服务系统，装载着煤炭的船舶是系统的服务对象，服务的手段则是港口的各项设施，如门机、装船机等。在本文中，待分配的泊位是连续直线型泊位，只要空余空间允许，即可将需要靠泊的船舶排入岸线。在给定的计划周期内，对已经抵达港口的船舶合理地安

54、排靠泊时间和靠泊位置，并在制定船舶靠泊计划时根据船舶作业规则将机械同时动态分配给船舶。此外，在船舶作业过程中考虑是否开设双线作业。 到达港口的船舶数量和船舶在泊位的服务时间，受到多种随机因素的影响，这些因素包括船的大小（船体长度）、船舶到达时间、船舶配载量、货物种类、存放的堆场位置等。而之后的机械双线作业的开设与否，也会受到船舶配载舱数量、机械是否空闲等因素的影响。 本文旨在研究连续泊位与机械的联合调度方法，并建立相应的模型，设计相应的算法， 对船舶到港、等待泊位、船舶在泊位上接受机械作业服务，直到船舶离港的整个过程，都进行了严密精细的计算，以得到船舶较优的靠泊位置，并求出相应的装卸作业处理时

55、间以及每个时间段分配在每艘船上的机械数量等关键参数。图3.1介绍了煤炭船舶抵港后靠泊装卸作业流程。 船舶到港 是否符合进港时间是否有合适连续泊位 是末煤船舶装载煤炭类型块煤船舶锚地等待 否否 手续 船舶靠泊 右侧岸线 左侧岸线 机械分配 3.2 模型建立 3.2.1 模型假设 装船作业 是否符合离港时间是离港手续 船舶离港 图 3.1 抵港船舶靠泊作业流程 对于煤码头泊位作业系统的实际假设如下： 1. 假设连续直线型泊位，为便于计算，将岸线划分为单位长度为 10 米的一个个岸壁线单元，时间划分为每 1 小时一个单位； 2. 假设待排船只均已到达港口锚地（静态调度）； 3. 任意时刻，某一岸壁线单元仅能被一条船占用； 4. 每条船所需岸桥数量有最大最小限制，由船舶配载舱