摘 要

经济全球化的快速发展不仅让我国进出口贸易量逐年递增，也为集装箱码头带来了新的机遇与挑战。泊位和岸桥都是港口的重要资源，泊位与岸桥的分配对港口作业效率影响重大。唯有重视港口系统下的泊位岸桥调度问题，合理分配泊位与岸桥资源，才能在利用现有资源的前提下提升装卸效率，减少船舶总在港时间，既满足了客户的要求，又提升了港口的口碑，达成双赢局面。

本文以集装箱码头运输现状为研究背景，针对集装箱码头泊位岸桥协同调度这一问题展开研究，主要叙述了如下内容：

（1）通过介绍港口发展历程引出选题背景及研究意义，与此同时对国内外相关文献进行分析总结，为之后解决问题提供思路；

（2）阐述了三种泊位分配策略，并从泊位分配问题、岸桥调度问题以及协同调度问题这三个方面介绍论文研究的问题，此外对一些常用智能优化算法进行比较，确定遗传算法为本文研究方法；

（3）根据协同调度问题描述，确定假设条件及相关变量，建立协同调度问题的非线性规划模型，其目标函数为最小化船舶总在港时间；

（4）运用遗传算法编写求解程序，并使用宁波港的船期数据进行案例试算，验证模型和算法的可行性；

（5）对论文内容进行总结，分析模型与算法中的不足之处并进行研究展望。

关键词：连续型泊位分配；岸桥调度；协同调度；遗传算法

Abstract

The rapid development of economic globalization not only makes China's import and export trade volume increase year by year, but also brings new opportunities and challenges to container terminals. Berths and shore bridges are important resources of the port, and the allocation of berths and shore bridges has a significant impact on the efficiency of port operations. Only paying attention to the berth shore bridge scheduling problem under the port system, rational allocation of berth and shore bridge resources, can improve the loading and unloading efficiency under the premise of using existing resources, reduce the total time of the ship in Hong Kong, not only meet the requirements of customers, but also improve The reputation of the port has reached a win-win situation.

This paper takes the status quo of container terminal transportation as the research background, and studies the problem of cooperative scheduling of container terminal berth shore bridge, mainly describing the following contents:

(1) By introducing the development history of the port, the background and research significance of the topic are introduced, so that the relevant literatures at home and abroad can be analyzed and summarized at the same time, and ideas can be provided for solving problems later;

(2) Three kinds of berth allocation strategies are expounded, and the problems of the research are introduced from three aspects: berth allocation problem, shore bridge scheduling problem and cooperative scheduling problem. In addition, some common intelligent optimization algorithms are compared to determine the genetic algorithm as the research method;

(3) According to the description of collaborative scheduling problem, the hypothesis condition and related variables are determined, and the nonlinear programming model of cooperative scheduling problem is established. The objective function is to minimize the total inbound time of the ship;

(4) The genetic algorithm is used to write the solution program, and the ship trial data of Ningbo Port is used to carry out case trial calculation to verify the feasibility of the model and algorithm.

(5) Summarize the content of the paper, analyze the deficiencies in the model and algorithm and conduct research prospects.

Key Words：Continuous berth allocation；Quay crane scheduling；Cooperative scheduling；Genetic algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 文献综述 2

1.3.2 现有研究总结 2

1.4 论文结构 2

第2章 研究问题与方法 4

2.1 泊位分配与岸桥调度问题 4

2.1.1 泊位分配问题 4

2.1.2 岸桥调度问题 5

2.1.3 协同调度问题 6

2.2 研究方法 7

2.2.1 智能优化算法分类 7

2.2.2 遗传算法及其应用 9

2.3 本章小结 9

第3章 泊位岸桥协同调度模型建立 10

3.1 协同调度问题描述 10

3.2 协同调度模型建立 11

3.2.1 模型假设 11

3.2.2 参数与变量设置 12

3.3 本章小结 13

第4章 算法设计与数值实验 15

4.1 算法设计 15

4.1.1 基本遗传算法 15

4.1.2 算法改进与优化 17

4.1.3 整体求解思路 18

4.2 MATLAB软件及其应用 18

4.3 数值实验 19

4.4 经济性与环保性分析 21

4.5 本章小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1 研究总结 23

5.2 研究展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

本章从选题背景出发，简单阐述了集装箱码头的发展历史和现代化的集装箱码头所遇到的调度问题，从而引出选题内容及研究意义。通过分析对比国内外研究现状，总结现有研究成果及优缺点，为下文的研究奠定基础。最后，用流程图的形式展示了论文结构。

1.1 选题背景

港口作为各国水陆运输的枢纽，不仅为人们进出口贸易提供了便利，促进了各国经济发展，在军事方面也具有重要战略意义。中国的港口事业有着悠久的发展历史。早在汉代时期，国家为了方便与东南亚等周边国家开展商业贸易活动就建立了广州港。新中国成立之后，我国也十分重视港口事业的发展进步，先后投资建成了湛江港、大连港、天津港、上海港等大型集装箱码头，用以进出口诸如石油、煤炭之类的重要资源。改革开放之后，港口码头事业的发展迎来了新的活力，在原本围绕粮食、煤炭、铁矿石进口为建设重心的基础上，着重改进和完善码头集装箱运输系统，让港口作业逐步从全人工作业向半自动化作业发展，推动集装箱码头作业流程现代化、规范化。

集装箱港口是联系集装箱水运与陆运的枢纽，为船舶停靠和集装箱装卸、堆放和中转等作业提供了专门的工作场所。集装箱码头独特的地位决定了智能化大型机械的运用和高效率大规模的生产运作流程模式是必不可少的组件，集装箱码头和船舶构成一个完整且高效的生产运作系统，确保了码头相关工作联动高效的运行。集装箱码头的平面布局依据对集装箱进行的相关作业不同可分为码头前沿、前方堆场和后方堆场三个部分。本文主要围绕码头前沿作业展开研究，码头前沿作业系统主要功能是为到港船舶安排泊位和为其进行集装箱作业的岸桥^[1]。

1.2 研究意义

近年来国际间的进出口贸易飞速发展，随之而来的便是港口吞吐量的激增，这一情形既为集装箱码头带来了机遇与丰厚的利润，同时也为其带来了风险与挑战。面临日益增长的港口工作量，为了在承诺时间内完成更加繁重的集装箱装卸任务，码头公司必须采取相关措施用来提高港口集装箱装卸效率，然而泊位与岸桥资源的有限性无疑成为了港口发展的一大瓶颈。如何利用好港口所拥有的现有资源，对泊位与岸桥进行合理分配，成为了港口亟待解决的一个关键问题。因此，依靠运营管理的思想对集装箱码头的调度问题进行优化，从而设计出一种最大化利用现有有限资源、缩短船舶总在港时间，从而发挥泊位和岸桥最大价值的调度方案，对集装箱码头的自动化发展有着深远的现实意义。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 文献综述

集装箱码头的快速发展得益于国内外学者坚持不懈的研究工作。针对泊位资源与岸桥资源的分配问题，现有研究大致分为三类即单独研究泊位分配问题、单独研究岸桥调度问题和将泊位与岸桥二者集成起来共同研究的协同调度问题。Imai等^[2]对离散型泊位岸桥联合调度问题展开了研究，在考虑岸桥作业能力的情况下提出了缩短船舶总在港时间的模型。蔡芸等^[3]以离散型泊位为前提，构建了联合调度问题的仿真模型，其目标为最小化到港船舶的总在港时间。同样是在离散泊位的条件下，Liang等^[4]考虑的优化目标是最小化总装卸操作时间、船舶等待时间以及其他延迟时间。乐美龙等^[5]则建立了连续型泊位岸桥协同调度模型，并使用Memetic算法进行求解。Ak等^[6]为了降低船舶延迟离港所带来的处罚费用，采用禁忌搜索算法最小化船舶滞留时间。Birger等^[7]考虑了船舶优先级和最佳靠泊位置，引入惩罚系数来评价调度方案。王旭等^[8]针对连续型泊位下的低碳型协同调度问题展开研究，目标是缩短平均延迟时间和最小化船舶进港过程的碳排放量。桂小娅^[9]等将联合调度问题拆分成上下两层运用遗传算法循环迭代求解。彭丽姣等^[10]考虑了岸桥移动的时间、船舶偏爱靠泊位置以及延迟完工带来的损失，以此为基础构建多目标规划模型。

1.3.2 现有研究总结

越来越多的研究者将泊位分配问题与岸桥调度问题作为一个相关整体来研究，尤其是连续泊位分配下的协同调度问题是泊位岸桥调度领域的研究热点。绝大部分学者的研究思路都是首先建立规划模型，再设计有针对性的启发式算法求解模型，最后通过与仿真结果或其它算法比较证明模型与算法的可靠性。

这些研究虽然是围绕协同调度问题来展开，从分配结果上来看却往往只有靠泊位置和岸桥数量的数据，未给出起始岸桥编号，忽略了岸桥的作业范围，并不能称之为一个完整的调度方案，且只得出了单薄调度表，并不能直观证明此方案下泊位、岸桥资源不会发生冲突。

1.4 论文结构

论文总共由五章构成并且利用了总分总的架构，其主体结构可以由图1.1表示。其中第1章绪论对港口发展的历史和发展现状与前景进行论述，在文献综述中比较了对此课题的研究现状。第2章对泊位岸桥分配问题从三方面进行展开论述并且介绍了相关智能优化算法，最终明确了研究的具体问题和使用的方法。第3章和第4章为论文的重点章节，依次论述了协同问题模型的提出与模型求解验算过程。第5章为论文的末章，对本文研究的内容进行了总结与展望。

图1.1 论文主题结构图

第2章 研究问题与方法

本章主要介绍了本文所要研究的问题和使用的软件及算法。2.1节围绕泊位分配问题与岸桥调度问题展开，首先分别介绍了泊位分配问题和岸桥调度问题的研究内容，然后引入协同调度问题这一概念进行重点阐述；2.2节介绍了一些热门的智能优化算法，并针对本文所要使用的算法——遗传算法展开重点介绍。

2.1 泊位分配与岸桥调度问题

2.1.1 泊位分配问题

泊位（Berth），简而言之就是供出入港口的船舶停靠岸边进行装卸作业活动的位置，由集装箱码头的岸线长度和地理位置所决定。正因如此，在一个集装箱码头建成之后，它的泊位数量就基本固定了。泊位对于集装箱码头而言不仅是其核心资源之一，也同时是一种有限的稀缺资源。外来船舶若想进港进行装卸工作，首先就必须要有空闲的泊位可供其靠泊，而每一个集装箱码头的泊位数量是有限的，每个泊位对于港口来说就显得尤为珍贵。

正是由于意识到了泊位的重要性，近年来，许多关于港口码头的研究围绕着集装箱码头的泊位分配问题而展开。作为一个显而易见的NP-hard问题，泊位分配问题的主要内容就是在给定岸线长度、停泊策略以及船舶其他参数（如船舶大小、装卸箱量、预计到港时间等）的条件下，在所设时间周期内，为到港船舶规划靠泊时间及靠泊位置，以实现所有船舶的总在港时间最小。

泊位分配问题（Berth Allocation Question，BAP）可以根据多个不同维度来进行分类。其中，从时间约束的维度来看，可以分为静态泊位分配问题和动态泊位分配问题这两类，分类的标准在于所有船舶在进行泊位分配时是否均已到港。顾名思义，当所有船舶均已到港并在锚地等待泊位统一分配，这时的泊位分配模式就称为静态泊位分配问题，而随着船舶陆续到港并且先为已到港船舶分配泊位的这种泊位分配模式属于动态泊位分配问题。而在空间约束的维度上，根据连续岸线上泊位分配策略的不同，又可将泊位分配问题分为离散型泊位分配问题、连续型泊位分配问题以及混合泊位分配问题。

（1）离散型泊位策略。正如离散二字所言，离散型泊位策略旨在将连续的岸线切割成块，即一个一个离散的长度不一的泊位，在小泊位中停泊小船，在大泊位中停泊大船，如图2.1所示。而这种分配策略的典型缺点就是在调度方案不合理的情况下容易出现小船占用大泊位的情况，从而造成不必要的浪费。

（2）连续型泊位策略。如图2.2所示，与离散型泊位策略相反，连续型泊位策略没有将岸线分割成离散的小块而是将岸线直接当作一条连续的停泊区域以供到港船舶进行更为紧凑地停靠。显然，这种分配策略可以广泛提高岸线泊位的利用率，但也比离散策略需要考虑的问题复杂许多。

图2.1 离散型泊位布局

图2.2 连续型泊位布局

（3）混合泊位策略。实际上，混合泊位策略是集离散型泊位策略与连续型泊位策略各自特点为一体的一种泊位划分方式。这种方式的优点就是比较灵活，一方面综合了前者的特点将连续的岸线分割成固定的泊位单元，另一方面综合了后者的特点，一艘大船可以占据多个连续的泊位单元（如图2.3（a）所示），而一个泊位单元也能被同时分给多艘小船停靠（如图2.3（b）所示）。

（a） （b）

图2.3 混合泊位布局

2.1.2 岸桥调度问题

岸桥（Quay Crane），我们通常又称它为岸边集装箱起重机或者桥吊（如图2.4所示），一般安装于港口岸线周围，用来装卸已经靠泊的船舶上的集装箱货物。随着集装箱码头运输行业逐渐朝着大型化方向发展，岸桥不仅成为了港口不可或缺的装卸作业设备，和泊位一样，它也是集装箱码头的核心资源之一。当到港船舶成功进港靠泊后，岸桥便开始对船舶进行集装箱的装卸工作，当一艘船舶完成了所计划的装卸任务后，便可以离开港口。

由于岸桥设备价格昂贵且体积庞大不易安装，而岸桥数量又与船舶装卸作业时间有着直接联系，因此岸桥调度问题（Quay Crane Scheduling Problem，QCSP）对于集装箱码头而言也同样是一个难以解决的大问题，这一问题吸引了无数学者的讨论与研究。岸桥调度问题

图2.4 岸桥

简言之便是指在岸桥数量固定的情况下，根据各船舶的靠泊时间、靠泊位置、泊位分配策略及装卸箱量等信息为不同船舶分配参与装卸的岸桥数量，既保证了每个船舶能够在规定时间周期内离港，又尽可能地最小化所有船舶的装卸作业总时间或者最大化岸桥利用率。

不同于泊位分配问题，岸桥调度问题需要考虑的一大难点就是岸桥的空间约束，即遵循岸桥相互之间不能跨越这一原则制定岸桥调度策略，还应保证岸桥之间留有一定的安全距离。此外，岸桥作为一种大型的起重设备，其任一属性的偏差均可对船舶装卸作业过程产生影响，因此，在制定岸桥调度计划时岸桥的一些相关属性也应被考虑在内，主要包括岸桥启动时间、移动时间、作业时间、岸桥初始位置和时间窗等。

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