论文总字数：22858字

摘 要

经济全球化的驱动下，我国每年的进出口货物量呈高速增长的趋势。集装箱海运是我国货物进出口运输最主要的方式，而码头堆场则是集装箱运输的重要中转站。码头堆场的合理运作能有效提高物流作业的整体效率，同时降低其运营成本。因此，应合理调度堆场设备资源从而提高码头的作业能力和服务水平。

本文基于集装箱码头装船运输作业的背景下，对堆场水平运输设备与装卸设备等进行深入分析研究。为高效完成码头集装箱装船以备出口的任务，建立码头堆场水平运输设备与装卸设备联合调度协同优化模型，目标为最小化集卡的总运输时间和最小化场桥的总工作能耗，并使用多目标遗传算法对该问题模型进行求解。实验结果显示，经算法优化后，该问题模型能得到多个最优的解决方案，为堆场设备选择合适的作业点与取箱点。

关键词：集装箱码头堆场；作业效率；能源消耗；多目标遗传算法

Abstract

Driven by economic globalization, China's annual import and export volume of goods shows a high-speed growth trend. Container shipping is the most important mode of cargo import and export transportation in China, while terminal yard is an important transit station of container transportation. The reasonable operation of terminal yard can effectively improve the overall efficiency of logistics operation and reduce its operation cost. Therefore, the storage yard equipment resources should be reasonably dispatched to improve the operation capacity and service level of the terminal.

In this paper, based on the background of loading and transportation operation of container terminal, the horizontal transportation equipment and loading and unloading equipment of storage yard are analyzed. In order to efficiently complete the task of loading containers for export, a collaborative optimization model for the joint scheduling of horizontal transportation equipment and loading and unloading equipment in the terminal yard is established. The objective is to minimize the total transportation time of the container truck and the total energy consumption of the yard bridge, and the multi-objective genetic algorithm is used to solve the model. The experimental results show that, after the optimization of the algorithm, the problem model can get multiple optimal solutions, and select the appropriate operation point and pick-up point for the yard equipment.

Key words: container terminal yard；operation efficiency；energy consumption ；multi-objective genetic algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 集卡调度研究综述 2

1.2.2 场桥调度研究综述 3

1.3 研究内容和技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 4

第2章 集装箱码头堆场作业系统及装卸机械 6

2.1 集装箱码头堆场作业系统 6

2.1.1码头堆场整体布局 6

2.1.2集装箱码头作业设备 7

2.2 集装箱堆场概述 7

2.3 装船作业流程 9

2.4 本章小结 9

第3章 集卡与场桥联合调度协同优化模型 10

3.1 问题描述 10

3.2 模型建立 11

3.2.1 模型假设 11

3.2.2 符号说明 11

3.2.3 目标函数 12

3.2.4 约束条件 12

3.3 问题模型分析及优化过程 13

3.4 本章小结 13

第4章 遗传算法及其改进算法概述 14

4.1 遗传算法（GA） 14

4.1.1 遗传算法简介 14

4.1.2 简单遗传算法流程图 14

4.2 多目标优化问题与相关定义 15

4.2.1 多目标问题 15

4.2.2 Pareto最优解的定义 16

4.3 非支配排序遗传算法（NSGA） 16

4.3.1 NSGA基本原理 16

4.3.2 NSGA基本流程 17

4.4带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ） 17

4.4.1 NSGA-Ⅱ关键技术 18

4.4.2 NSGA-Ⅱ算法流程 19

4.5 本章小结 20

第5章 多目标遗传算法求解问题模型实例 21

5.1 算例描述 21

5.2 模型与遗传算法结合 22

5.2.1 编码设计 22

5.2.2 交叉设计 22

5.2.3 变异设计 23

5.3 算例测试结果分析 23

5.3.1 两种算法优化结果对比分析 24

5.3.2 仿真结果分析 26

5.4 本章小结 27

第6章 结论与展望 28

6.1 本文研究成果总结 28

6.2 本文研究方向展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.1.1研究背景

经济全球化潮流的驱动下，我国的进出口货物量迅速增长。海运是我国进出口货物的主要运输方式，其具有运输量大、成本较低、便捷、安全、高效等特点。进出口货物大多采用集装箱方式运输，因其具有高效益、低损耗的特点。近年来，我国的港口集装箱吞吐量呈现出逐年增长的趋势。集装箱海运和陆运在码头进行交接，码头是集装箱运输的中转站。集装箱在进行中转时，一般暂存于堆场中，再由集装箱卡车等拖运工具运输到指定目的地。

进入二十一世纪以来，我国的集装箱的进出口量日益剧增。集装箱运输船舶逐渐呈现大型化，船只吨位不断上升，船舶的装箱量可达亿吨级^[1]。码头集装箱作业量急剧增大时，码头运转出现超负荷状态。码头内集装箱运输、装卸效率较低会使得船舶在港时间较长，增加船舶周转时长。因此，码头现有的服务水平和服务能力需要进一步完善和提高。港口需要投入更多的人力资源、堆场机械资源来提高作业效率，提升港口竞争力。

集装箱进出口量的剧增，给码头的迅速发展带来了新的契机，同时也给码头的物流运作系统带来一定的压力。码头的作业设备包括码头前方的岸桥、堆场龙门吊的以及一些拖运设备等。码头物流的正常运作需要各个环节分工合作、同步运转。码头集装箱一般使用集装箱卡车（集卡）进行拖运。装船作业过程中，集卡负责将集装箱运至码头前沿相应区域。因此，应尽量减少集卡的运输时间以提升码头物流效率。

集装箱码头是集装箱陆运与海运的重要中转站，并且是能源消耗密集点。一方面，减少作业设备能耗能够降低作业成本，增加码头集装箱作业量。另一方面，工业化进程的加速所造成的环境污染问题日趋严重，全球气候问题一直备受人们的关注，发展低碳经济、改善空气质量迫在眉睫。减少码头能源消耗、优化用能结构，能够减少碳排放量，降低环境污染。

1.1.2研究意义

在海运港口集装箱吞吐量急剧上升的背景下，如何减少集装箱运输时间从而最小化船舶在港停泊时间具有极其重要的意义。为建设绿色低碳的港口物流系统，如何降低码头作业设备的能源消耗问题亟需解决。码头通常由多种设施、设备等构成，其中，集卡等拖运设备主要用于货物在码头各区域间的水平运输。为消除集卡存在的拥堵现象、进而提高港口集装箱的物流运作效率需要对港口集卡运输进行优化。

集装箱的运输时间直接影响码头的运营效率和运营成本。如何确定集卡的取箱点，减少集卡在贝位至泊位的运输距离，提高船舶装卸作业的效率，最小化船舶在港停留时间；如何确定各箱区场桥的作业点，减少场桥的移动距离。这些问题均需要运营者进行考虑、解决。解决码头堆场的运输作业问题，不仅可以减少运输作业时间、降低作业能耗、均衡各作业机器的任务调度，而且还可以有效降低碳排放量、减少环境污染。码头物流系统整体优化有利于解决我国港口的瓶颈问题、提高港口的吞吐能力。

1.2 国内外研究现状

近年来，各地码头的集装箱吞吐量逐渐增大、船舶呈现大型化发展趋势，对码头堆场的服务能力和服务水平有了更高的要求。在集装箱码头这个有限的场地，如何有效配置运输设备，为其选择合适的作业点，对整个码头的物流作业效率至关重要。目前，关于码头堆场运输设备和装卸设备调度优化的研究成果颇多，主要围绕着港口运输设备、装卸设备的作业效率、作业成本等进行优化研究。

1.2.1 集卡调度研究综述

集卡是码头堆场重要的运输设备，其作业效率影响着码头整体物流运作效率，国内外不少学者对其路径、配置问题等进行多方面研究。Chen等^[2]基于码头堆场运输背景下，对集卡的运输路径进行优化分析以达到最小化运输时间的目标。Byun等^[3]对集卡的运输路径进行优化分析，力求寻找集卡的最佳运输方案，建立集卡运输问题模型并求解。Chenetal等^[4]对港口自动化运作下集卡的运输路径进行合理规划，并假设集卡同时为多台场桥服务。Ebru等^[5]建立集卡调度问题模型，对集卡最佳配置数量问题进行优化分析。CAO等^[6]对水平运输设备与龙门吊的作业效率进行优化分析，并借助CPLEX软件求解模型，对比分支定界法求解结果，验证求解的有效性。

国内学者杨静蕾^[7]对堆场运输模型进行优化分析并寻找集卡的最短运输路径。张想^[8]对码头堆场集卡调度进行深入分析研究，考虑集装箱运输过程中集卡空载等问题，并对问题进行优化解决。魏宏磊等^[9]对码头作业设备调度问题进行研究，对集装箱运输路径进行合理规划以缩短集卡的运输距离。卢毅勤等^[10]对不确定作业环境下集卡调度问题进行优化研究，并得到问题的最佳解决方案。张维英等^[11]建立集卡运输优化模型，以最小化集卡运输距离为目标，并使用Hopfield神经网络对模型进行求解。

1.2.2 场桥调度研究综述

场桥在堆场作业过程中，有多种因素会制约其作业效率或增加其作业成本，国内外不少学者对此进行优化研究。如韩晓龙^[12]建立装船作业过程中场桥行走路径混合模型，并对此模型进行求解。He等^[13]基于多场桥调度问题，设最小化场桥的总转场次数为优化目标，减少场桥移动距离从而降低码头作业成本。郑宇超等^[14]考虑难以权衡码头堆场塔吊设备的作业效率与作业能耗之间的关系，对塔吊设备作业过程进行分析研究，以寻找效率和能耗二者的平衡点以及问题的最佳解决策略。赵磊等^[15]考虑均衡各个作业设备的任务量，对码头堆场场桥等机械设备的调度问题进行优化研究。

场桥之间可能会产生干扰约束，对此，Ng^[16]、Mak等^[17]以最小化场桥完成任务时间为目标对堆场作业设备调度进行研究，并加入相邻场桥相互干扰的约束。郑红星等^[18]对混堆模式情况下的场桥调度模型进行优化求解，并得出场桥任务作业顺序的最佳方案。乐美龙和殷际龙^[19]为尽量减少集卡的等待时间，并基于场桥实际作业过程中不能在箱区间跨越的约束的基础上对堆场龙门吊调度问题进行优化研究。黄晓波等^[20]考虑低碳问题，以尽量减小龙门吊的碳排放量为目标，建立龙门吊调度问题模型并求解。

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

码头堆场作为集装箱运输的重要枢纽，其管理运作模式和经济效能一直备受关注。堆场集卡的运输作业时间直接影响船舶装卸作业效率。若集卡运输时间过长，会使得船舶在码头停留时间过长，从而一定程度上影响码头整体运作效率。而堆场的作业设备是否充分利用，也直接关系着码头的作业效率及运营成本。为堆场集装箱运输设置合理方案，可达到最小化集装箱的运输时间的目的，从而优化码头的物流运输效率、提高码头的竞争优势。

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