集装箱码头泊位岸桥优化调度模型与策略研究

摘要

作为集装箱码头的主要稀缺资源，泊位和岸桥的调度是影响整个码头生产作业最为关键的一个环节，其优化问题的研究受到学术界的广泛关注，取得的研究成果对码头实际调度具有十分重要的理论和实践指导意义。本文针对集装箱码头泊位岸桥调度问题进行了系统的国内外研究综述，发现大多数研究都是在确定性环境假设下进行的，对干扰环境下的优化调度问题的研究较为缺乏。然而，在码头实际生产作业中，无论船舶状态还是船公司需求亦或是码头状态等都处于时刻变化中，这使得原调度计划极易受不确定性因素（如船舶推迟到港、设备故障或恶劣天气等）的干扰而不宜甚至无法实施。本文围绕泊位岸桥优化调度这一问题进行研究，具体研究内容如下:
　　(1)离散泊位布局下的泊位岸桥优化调度研究。考虑到现有的模型多是以最小化船舶总的在港时间为目标，这类模型虽然能够提高码头通过率，但也极有可能会损害船公司一方的利益，从而降低船公司客户的满意度。为了提高船公司客户对码头服务的满意度，本文以船舶总的码头服务成本最小为目标建立模型。鉴于模型约束较多，为了降低模型求解难度，基于经典遗传算法流程，将模型约束条件尽可能多的嵌入到种群个体编码结构中，设计了改进遗传算法。最后，通过数值实验验证了模型和算法的可行性和有效性。
　　(2)连续泊位布局下的泊位岸桥优化调度研究。为进一步提高码头资源利用率，将离散泊位布局下的泊位岸桥优化调度问题拓展至连续泊位布局下进行研究，并建立了非线性混合整数规划调度模型。提出可拓遗传算法对该模型求解，算法主要针对经典遗传算法极易陷入局部最优的缺点进行改进，分别对初始种群和迭代种群设计了多样性维持策略。最后，设计了多个算例对模型和算法的性能进行验证。
　　(3)基于干扰管理的泊位岸桥优化调度研究。为了提高码头应对干扰的能力，对干扰环境下的泊位岸桥优化调度问题进行研究。针对船舶推迟到港和船舶甩港两类不确定性因素对码头生产作业造成的消极影响，提出了基于干扰管理理论的泊位岸桥优化调度策略。该策略分为初始调度和干扰恢复两部分，其中在干扰恢复阶段通过多次干扰模拟来提取初始调度计划的稳定模式，然后基于稳定模式进行重新调度。最后，设计了4个实验方案并将其应用于多个算例，验证了干扰恢复策略的鲁棒性和最优性。
　　(4)具体的岸桥分配。基于获得的泊位岸桥优化调度结果，以最小化岸桥交叉移动次数为目标建立了整数线性规划模型。采用CPLEX软件对该线性规划模型求解，从而快速高效地为即将到港的船舶分配具体岸桥。
　　(5)应用研究。将本文研究成果应用于港口实际生产调度中，以深圳港赤湾集装箱码头为应用研究对象，对本文提出的优化调度模型和干扰恢复策略进行了验证。
　　本项研究所提出的优化调度模型、算法及干扰恢复策略可行有效，进一步拓展了集装箱码头的生产调度理论，能够为码头的实际生产调度提供科学合理的解决方案和决策依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 集装箱码头泊位岸桥调度研究现状

1．2．2 组合优化理论及遗传算法研究现状

1．2．3 国内外研究现状小结

1．3 本文主要研究工作

1．4 研究思路与方法

第2章 相关理论概述

2．1 引言

2．2 集装箱码头调度概述

2．2．1 集装箱码头功能

2．2．2 集装箱码头物流运作

2．2．3 集装箱码头调度概念界定

2．3 遗传算法理论概述

2．3．1 遗传算法简介

2．3．2 遗传算法理论基础

2．3．3 遗传算法骗问题

2．4 其他相关理论概述

2．4．1 干扰管理理论概述

2．4．2 混沌理论概述

2．5 本章小结

第3章 离散泊位布局下的泊位岸桥优化调度

3．1 引言

3．2 问题描述与模型假设

3．3 模型构建

3．4 模型求解算法

3．4．1 个体编码及种群初始化

3．4．2 适应度函数

3．4．3 选择操作

3．4．4 交叉和变异操作

3．5 数值实验

3．6 本章小结

第4章 连续泊位布局下的泊位岸桥优化调度

4．1 引言

4．2 问题描述与模型假设

4．3 模型构建

4．4 模型求解算法

4．4．1 个体编码

4．4．2 种群混沌初始化

4．4．3 适应度函数

4．4．4 选择操作

4．4．5 交叉和变异操作

4．5 数值实验

4．5．1 资源利用率分析

4．5．2 算法高效性分析

4．6 本章小结

第5章 干扰环境下的泊位岸桥优化调度

5．1 引言

5．2 码头生产调度中的不确定性因素

5．3 基于干扰管理的泊位岸桥优化调度策略

5．3．1 初始调度模型

5．3．2 干扰恢复策略

5．4 具体的岸桥分配模型

5．5 CPLEX优化软件简介

5．6 数值实验

5．6．1 算例生成及实验方案设计

5．6．2 调度偏差分析

5．6．3 资源利用率分析

5．6．4 时间复杂度分析

5．6．5 参数灵敏性分析

5．7 本章小结

第6章 集装箱码头泊位岸桥优化调度应用研究

6．1 引言

6．2 码头基本情况

6．2．1 码头主要参数及设备情况

6．2．2 集装箱班轮航次信息

6．3 码头泊位岸桥优化调度

6．3．1 模型基础数据

6．3．2 优化调度模型验证

6．3．3 干扰恢复策略验证

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介