连续泊位下集装箱港口泊位与桥吊协同调度优化研究.docx

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1、武汉理工大学学报第 卷 第 期 年 月 ：连续泊位下集装箱港口泊位与桥吊协同调度优化研究赵坤强，韩晓龙，梁承姬（上海海事大学物流研究中心，上海 ）摘 要： 集装箱港口作为集装箱运输中极其重要的枢纽 ，其运作效率的好坏关系到港口企业的运营成本 和 客 户 的 满 意度 。 由于泊位与桥吊资源是港口的稀缺资源 ，其 调 度 优 化 的优劣直接关系到港口的作业 效 率 。 首先建立了一个关于泊 位分配混合整数规划模型 ，为到达的船舶分派泊位和桥吊数量 ，然后建立了一个桥吊调度的混合整数规划 模 型 对 具 体 的 岸 桥 进 行 调 度 ，算例结果显示利用文中建立的模型能够得到较好的满意解 。关键词

2、： 连 续 泊 位 ； 动 态 ； 泊 位 分 派 ； 岸 桥 调 度 ； 协 同中图分类号： 文献标识码： 文章编号：（）， ，（，）： ， ， ， ： ； ； ； ； 集装箱码头（）在国际物流和国民经济中具有不可替代的战略性地位，是国际物流中不可或缺的重要节点。当船舶将要到达目的港口时，船舶需要提前将预计到港时间、作业箱量等信息报告给 港口，港口根据这些信息制定泊位计划；然后根据泊位分配计划，制定岸桥调度计划，确定每条船舶分配的岸 桥数量、岸桥编号、岸桥的预计开始作业时间、预计结束作业时间。目前国内外许多专家对泊位分配和岸桥调度的问题进行了研究，如 和 首次 采用排队论模型解决港口泊位分派

3、问题。和 采用先到先服务的原则（）对军港的泊位分配 问题进行了研究，并采用不同的评价标准（船舶的等待时间最小、停靠时间最小、泊位利用率最大）进行了评 估。 等假设泊位是离散的，将码头看作几个离散位置空间的集合，并且建立了以所有在港船 舶利益最大化为目标的混合整数规划（）模型及求解的启发式算法。等研究了连续泊位分 配问题，论文针对连续的泊位分配问题，建立了启发式算法，通过对大规模算例的实验，计算结果要好于实际 结果。另外，杨海东、王卉等大量学者采用优化算法与计算机仿真相结合对泊位分配问题进行了研究。第一次对岸桥调度问题进行了研究，作者提出了一个混合整数规划模型，该模型只能够适用有限的几条船舶，与

4、 针对上述模型的不足，对于多艘船的情况下，把该问题转化为“收稿日期：基金项目：上海市教委重点学科建设项目资助（）和上海市科学技术委员会资助（）作者简介：赵坤强（），男，硕士生：第 卷 第 期赵坤强，韩晓龙，梁承姬：连续泊位下集装箱港口泊位与桥吊协同调度优化研究”，进一步发展了模型，并采用了分支定界法对模型进行求解。 两篇论文都将一条船的泊位看作需要占用一定工作时间的任务，并且不考虑各个桥吊之间的相互影响，也不考虑各个工作之间 的相互影响。对动态条件下离散泊位，船舶具有不同的优先级，桥吊之间有相互影响条件下的泊位分配与岸桥调度问题进行了研究。到目前为止，绝大部分泊位分配问题和岸桥调度问题都是将两

5、者视为两个独立的问题进行研究，关于两者协同调度的研究较少，而且也大多是基于离散泊位下进行的研究。 文中将岸线视为离散化的连续空间，时间视为离散化的连续时间，研究船舶动态到达条件下的泊位分配和桥 吊调度问题。作者首先建立了一个泊位分配模型，对到港的船舶进行泊位的指派和岸桥数量的确定，然后建 立了一个岸桥调度的模型，为船舶分派具体的岸桥。问题描述依据实际码头作业时泊位分布方式的不同，泊位分配主要分为离散型和连续型。 离散型是指船舶停靠 时不能跨越多个泊位，只能处于某个泊位所限定的位置空间。连续型泊位是指船舶直接按照岸线上表示 的物理位置进行停靠，可以跨越多个泊位。 另外根据船舶到达时间和泊位分配时

6、间的先后，泊位调度还 可以分为静态和动态两种。静态指在进行泊位分配时，所有需要安排作业的船舶都已经到达港口，这些船舶 都将被考虑分配到下一个作业时间段中；而动态是指泊位分配开始仍有船舶未到港，未到港的船舶会在分配 时间段中的某时刻到达，然后再分配作业。岸桥调度是指码头调度人员，在确定了泊位分配计划之后，为 船舶分配作业的岸桥及岸桥的作业顺序。作者结合船舶作业的实际情况，船舶靠泊时要依靠拖船的牵引才能够准确地靠泊到预定的泊位，因此船 舶靠泊都有一个准备时间（），同样船舶离泊都有一个清空时间（）；船舶要优先停靠在距 离出口集装箱箱区距离尽量小的位置，即每一条船舶都有一个偏好位置；另外，结合船舶动态

7、到达的情况，文 中建立了连续条件下动态泊位分配模型。通过求解泊位分配模型，可以得到计划期内所有船舶总在港时间 最短条件下的船舶靠泊位置、靠离泊时间以及船舶在不同时刻的岸桥配置数量。但是，集装箱码头制定的泊 位分配计划、岸桥调度计划应该是以明晰作业任务为导向的，需要具有很强的可操作性。船舶靠泊后不仅需 要为船舶配置足够数量的岸桥，还需要把这些作业任务指派给具体的岸桥，以完成装卸作业。为得到岸桥调 度计划，文中建立了岸桥调度模型，以连续条件下泊位分配模型计算结果为输入条件，代入到岸桥调度模型 中，求得各时刻节点服务各船舶的具体作业岸桥，从而得到完整的泊位分配计划和岸桥调度计划。连续条件下泊位分配模

8、型泊位分配问题基于的假设）每条船舶都有一个最大作业路数；）船舶之间的安全距离为船舶长度的，已经计入了船舶长度；）船舶靠泊即开始作业，作业一旦开始中途不能中断，直达作业完成。由于每条船舶的长度、船期和作业量都是已知的，因此港口可以制定出船舶的计划作业路数，即假设） 是符合实际情况的；根据对港口的实际调研；假设）保证了靠泊的船舶之间能够安全作业；根据港口实际情 况，船舶一旦开始作业不能够中途中断，所以假设）也成立。模型建立为了便于建立模型，文中将使用一些符号，对其含义解释如下：）模型的已知变量如下 、 、 、 分别表示岸线长度、计划周期长度、计划周期内到达的船舶数和港口桥吊数量； 为船舶 到达港口

9、的时刻； 为船舶 的长度，包含船舶之间的安全距离； 为船舶 的最大作业路数； 为船舶 的作业箱量； 为船舶 的偏好位置； 为船舶偏离偏好位置的 惩罚系数； 为船舶从接到靠泊命令到靠泊完成的准备时间（）； 为船舶从作业完成到离 开所靠泊位的清空时间（）； 为桥吊每小时作业集装箱的速度； 为一个无穷大的数。）模型的决策变量如下 为船舶 的开始作业时刻，为整数； 为船舶 的作业结束时刻，为整数； 为船舶 的开始靠泊位置，以船舶中心位置为基准，为实数； 为船舶 偏离其偏好位置的量，为 实数； 为船舶 在 时刻作业的桥吊数量，为整数； ，：如果船舶 在 时刻处于作业状态 则为，否则为； ，：如果船舶 停

10、靠在岸线 处，即岸线被占 用 则 取 ，否 则 取 ； 武 汉 理 工 大 学 学 报 年 月，：如果船舶 停靠在的右边则为，否则为； ，：如果船舶开始作业时船舶 已经完成作业则为，否则为。基于以上变量及符号建立泊位分派模型。）模型部分目标函数 （ ） （）约束条件部分 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（） ， ， ， ， （） ， ， ， ， ， ， ， （）（）（）（）（）（） （） ， ， ， ， 、 ，、 ， ， ， ， 式（）表示所有船舶总在港时间最短；式 （）表 示 船 舶 在计划周期内完成作业量任务；式 （）、式（）表示船舶 偏好位置的约束；式（）、式（）表示船舶 、靠泊位置

11、的约束；式（）表示船舶靠泊后 会占用一部分的岸线资源；式（）表示只有船舶到达才能够作业；式（）为所有船舶任意时刻作业的岸桥 数量小于总岸桥数量；式（）为船舶工作的岸桥数量要小于船舶的最大作业路数；式（）从空间上表示 船舶开始作业；式（）表示船舶作业完成时间与开始时间、作业时间和清空时间之间的关系；式（）表 示船舶开始作业时间与到达时间和准备时间之间的关系；式（）表示船舶作业先后顺序之间的关系，后面作业船舶的开始作业时间要大于等于其前面船舶的作业结束时间；式（）表示 与 之间 的 关 系；式（）、式（）表示变量。算例实验假设某码头的岸线长度为 ，该码头装备台岸桥，岸桥从左向右编号，船舶的长度包括

12、船舶之 间的安全距离，安全距离为船舶长度的，计划期内到港船舶的信息如表所示。表计划期内到港船舶信息表船舶编号到达时间作业量船舶长度最大作业路数偏好位置偏离惩罚系数利用编程调用求解泊位分配模型，可以得到全局最优解。 目标函数的值为 ，即计划期内第 卷 第 期赵坤强，韩晓龙，梁承姬：连续泊位下集装箱港口泊位与桥吊协同调度优化研究总船舶在港时间为，各决策变量计算结果如表所示。表算例各重要决策变量计算结果船舶到港时间靠泊时间离泊时间靠泊位置偏离程度在泊时间在港时间计算结果 显 示，船 舶 与 船 舶 出 现 了 在 港 候 泊 的 情况，分别等待了 和；船舶 出现了偏离偏好位置 的靠泊情况，偏离程度分

13、别为 、 、 、 。 根据表与表，可以绘制出仅考虑岸桥数量情况下的泊位 分派示意图，如图所示。如图所示，是连续泊位下考虑岸桥因素的泊位分配计 划图，图中给出了在港时间最短条件 下 的 船 舶 靠 泊 时 间、离 泊时间、靠泊位置，以及给出了各船所分配的桥吊数量。连续泊位下岸桥调度模型模型假设在泊位分配模型中确定了船舶的靠泊位置，岸桥的调度模型并不改变这个位置。岸桥调度的主要目标：满足各岸桥需求计划下，最小化岸桥调动次数。为求解岸桥调度模型首先设定一些前提假设：）若为船舶服务的岸桥数量超过两台，则分配的岸桥必须相邻；）岸桥不能跨越另一台岸桥而移动到其 他位置上；）受电缆长度的限制，岸桥只能够在一

14、定的范围内移动；）岸桥的移动时间忽略不计；）岸桥之间 的安全距离可以忽略不计。根据码头实际情况，假设）显然成立；所有的岸桥只能够在一条导轨上移动，所以假设）也是成立的； 岸桥的电缆有一定的长度，所以岸桥有一定的移动范围，假设）也是成立的；由于相对于岸桥对船舶装卸作 业的时间岸桥移动的时间很短可以忽略，显然假设）成立；由于岸桥的宽度只有一个贝位的大小，相对于船 舶的长度可以忽略不计，所以假设）也是成立的。岸桥调度模型的建立）模型增加的参数变量 表示岸桥移动范围的中位点，如岸桥的移动范围为，则 ； 表示岸桥 的移动半径，如岸桥的移动范围为，则 。）模型增加的决策变量 ，：若船舶 和同时作业则为，否

15、则为； ，：如在时刻岸桥 为船舶 服务则 为，否则为； 表示当岸桥 为船舶 服务时，偏离 的量； 表示如果 时刻岸桥 被调 配给船舶 则值为，否则为。基于上面的符号建立岸桥调度模型：目标函数（） 约束条件 （） ） ，（）（）（） ， （） 武 汉 理 工 大 学 学 报 年 月，（）（）（） （ ），且 ，（）（）（）（）（）（） （） ， ， ，且 ，且 ，且 ，且 （ ） （ ） （ ），且 ，且 （）式（）为模型的目标函数表示最小化岸桥的调度次数；式（）、式（）是对岸桥调度 的定义；式（）、式（）对岸桥作业时实际作业位置偏离岸桥中位点的定义；式（）保证任一台岸桥只能够在其移动 范围内作

16、业；式（）保证一台岸桥只能够为一条船舶作业；式（）保证任意时刻船舶所需的岸桥数目必须得 到满足；式（）表示任意时刻若为船舶服务的岸桥数目超过两台，则这两台必须相邻；式（）、式（）表示两 条船同时作业时岸桥数目的关系；式（）、式（）表示对两条船舶实际靠泊位置的约束；式（）确保当船舶 和船舶同时在泊，并且船舶 在船舶左侧时，分配给船舶 的岸桥与分配给船舶的岸桥必须满足。算例实验以的已知条件和计算结果为输入条件，构建 算例，表给出 了 各 岸 桥 的 移 动 范 围，利 用 编 程， 调用求解，得到全局最优解为 ，即桥吊总共 调度了次。岸桥分配的结果为船舶在 作业，作业岸 桥为号、号；船舶在 作业，

17、在前 作业岸桥为号、 号、 号、 号，在 有岸桥 号 作业；船舶在 作业，作业岸桥为 号， 号； 船舶 在 作 业，在 作 业 岸 桥 为 号、号、 号、 号，在 作业岸桥为 号、 号；船 舶在作业，作业岸桥为 号、 号、 号；船 舶在作业，在作业岸桥为号、 号，在作业岸桥为号。表岸桥移动范围岸桥编号岸桥移动范围， ， 结语研究了连续泊位、船舶动态到达条件下的泊位和桥吊协同调度优化问题，以船舶总在港时间最短和岸桥最少移动次数为目标，分别提出了泊位分配的混合整数规划模型和岸桥调度的混合整数规划模型，算例结果 表明利用这两个模型能够得到较好的结果。但是文中仍然有许多需要改进的地方，例如文中未考虑实际码 头作业中随机因素及码头其它作业机械（集卡、龙门吊）对泊位分配和桥吊调度的影响，论文以后还需对港口 机械之间的耦合做进一步的深入研究。如果能够从港口全局角度进行优化和研究，则能够更好地提高港口 的作业效率和客户满意度。参考文献 ， ， （）：第 卷 第 期赵坤强，韩晓龙，梁承姬：连续泊位下集装箱港口泊位与桥吊协同调度优化研究 ，（）： ，： ， ，（）： ：，：杨海东港口泊位系统仿真求解泊位分配问题天津：天津大学， 王卉基于蚁群算法的港口泊位调度优化与仿真大连：大连海事大学， ，（）： ， ，（）：， ，：，：，（）： ， ，（）：，（）：