集装箱码头装卸作业设备集成化调度模型及算法研究

摘要

航运市场的低速发展和航运联盟格局的形成，推动了集装箱船舶的大型化发展，大型集装箱船舶带来规模经济效益的同时也给集装箱港口带来了挑战。大型船舶到港意味着港口需要在同时处理数量较多的集装箱，给港口的周转能力和作业能力带来了巨大压力，对码头的基础设施水平和装卸作业设备提出了更高的要求。在这种情况下，从全局优化角度，分析各个作业环节的场景，考虑各个作业环节之间存在的相互制约因素，将多个作业环节看作一个整体，对其涉及的作业设备进行集成化调度和管理，以提高多种作业设备之间的配合和协同作业能力，对提高集装箱码头的整体作业效率显得尤为重要。 本文对集装箱码头装卸作业设备集成化调度问题进行研究，主要包括三个作业环节：岸桥装卸环节、集卡运输环节和场桥堆取环节，涉及到三种作业设备：岸桥、集卡和场桥。在不同船舶的进出口集装箱装卸混合作业模式下，运用三阶段混合流水车间（Hybrid Flow Shop,HFS）调度问题的相关理论建立三种作业设备集成化调度问题的模型，利用两种精确算法对建立的整数规划（Integer Linear Programming,ILP）模型和约束规划（Constraint Programming,CP）模型进行求解，为进出口集装箱制定一个详细的作业计划表，并对两种算法的性能进行比较；然后根据中国某港口的实际数据，比较集卡不同分派策略对集装箱作业效率和集卡空驶行程时间带来的影响。论文的主要研究工作如下： （1）结合集装箱码头的作业场景介绍涉及的作业设备调度问题，着重分析集卡的三种分派策略；通过比较HFS调度问题与本文所研究的集装箱码头装卸作业设备集成化调度问题之间的相似性和不同之处，指出本文所研究的三种作业设备集成化调度问题的本质是一个三阶段HFS调度问题，可以运用三阶段HFS调度问题的相关理论来建立本文所研究问题的模型。 （2）在集装箱装卸混合作业模式下，以三阶段HFS调度问题为原型，建立三种作业设备集成化调度问题的基本数学模型；在基本数学模型的基础上，通过引入0-1辅助变量，建立所研究问题的ILP模型，通过运用ILOG CPLEX软件中CP系统的建模方法，建立所研究问题的CP模型。 （3）设计小规模算例集，运用数学规划算法和约束规划算法对ILP模型和CP模型进行求解，比较求解结果；设计中大规模算例集，运用约束规划算法求解CP模型，得到五分钟内的最佳可行解，与理论下界比较，验证CP模型和约束规划算法的有效性。 （4）以中国某港口实际作业过程的数据为例，分别在集卡动态分派策略和静态分派策略下，建立三种作业设备集成化调度问题的CP模型，运用约束规划算法进行求解，比较两个模型的集装箱完工时间和集卡空驶行程时间，指出集卡采用动态分派策略能够有效地节约集卡资源，降低集卡空驶行程时间，提高集卡的利用率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 课题来源

1.3 国内外相关研究现状

1.3.1 单一资源调度问题研究现状

1.3.2 两种资源联合调度问题研究现状

1.3.3 多资源集成化调度研究现状

1.4 研究内容及结构安排

第2章 集装箱码头作业设备集成化调度问题概述

2.1 集装箱码头的布局和作业流程

2.1.1 集装箱码头的布局

2.1.2 集装箱码头的作业流程

2.2 集装箱码头的设备调度

2.3 生产调度问题的基本概念

2.4 最优化方法

2.4.1 整数线性规划

2.4.2 分支定界算法

2.4.3 约束规划

2.5 本章小结

第3章 作业设备集成化调度问题的数学描述

3.1 基本定义和条件假设

3.2 问题描述

3.3 数学描述

3.3.1 三阶段HFS调度问题与作业设备集成化调度问题的关联

3.3.2 作业设备集成化调度问题的基本数学模型

3.4 本章小结

第4章 作业设备集成化调度问题的模型及算法研究

4.1 整数规划模型和约束规划模型

4.1.1 整数规划（ILP）模型

4.1.2 约束规划（CP）模型

4.2 ILP模型和CP模型的算法研究

4.2.1 ILP模型的算法思路

4.2.2 CP模型的算法思路

4.3 实验验证

4.3.1 实验参数设计

4.3.2 实验结果分析

第5章 基于T港口集装箱码头的案例分析

5.1 T港口及其作业设备调度简介

5.2 T港口装卸作业设备集成化调度CP模型

5.3 案例分析

5.3.1 案例数据

5.3.2 案例结果分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 全文展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果和参与项目