摘 要

武钢工业港成品码头库场作业管理在存放货品方面仍沿袭多年的习惯及经验，这样不仅造成了存储空间的浪费，而且也使库场的工作效率很低。因此，有必要对码头库场进行货位优化。库场货位优化是最大化库场空间的使用率和操作处理效率的潜在途径之一，也是目前库场管理业发展的必然趋势。

本文主要分析研究了武钢工业港成品码头和库场的现状以及武钢工业港成品码头的货运发展趋势，然后参考库场货位优化方面在国内外的研究成果进而确定出库场货位的优化模型，最后在对模型分析的前提下，通过选择一种比较恰当的方法来求解模型。

首先，经过实际考察，对武钢工业港成品码头和库场的现状进行了分析研究，紧接着再对武钢工业港成品码头货运发展趋势进行分析，为进一步的模型建立做好准备工作。

接下来，创建库场货位优化模型。本文对成品码头库场的相关理论和遗传算法的基本知识进行了研究、探讨，并分析研究了武钢工业港成品码头、库场的现状，及武钢工业港成品码头的货运发展趋势。然后以理论学习为基础来建立库场货位优化的模型。

其次，求解模型时选择遗传算法。通过分析货位优化模型，不难看出，库场货位优化的本质是多目标问题的一种。在库场管理作业方面，库场管理者关注的目标会因人而异。所以在应用遗传算法来辅助求解之前借助权重系数变化的办法来将对多目标问题进行转换，使其变成单目标问题，这样一来，非常便于库场管理人员根据库场的实际情况设定对应的权重系数，以实现库场货位优化的目标。

最后，代入数据对模型进行实例分析计算。文中通过变动权重系数进行优化前后的数据对比，过程中借助了MATLAB这个软件。最后通过比较分析，取得较为良好的效果。

关键词:货位优化，遗传算法，多目标优化模型

Abstract

The operation management of finished product wharf in WISCO industrial port is still following many years of habits and experience to store goods, which not only wastes the storage space, but also makes the working efficiency of the yard very low. Therefore, it is necessary to optimize the cargo position in the wharf yard. The optimization of warehouse space is a potential method to improve the utilization rate and work efficiency of warehouse space, and it is the inevitable trend of the development of warehouse management industry at present.

This paper mainly analyzes and studies the present situation of the finished product wharf and storage yard of WISCO industrial port and the freight development trend of the finished product wharf of WISCO industrial port, and determines the model of warehouse cargo’s position optimization with reference to the research results of warehouse yard optimization at home and abroad. Finally, through the analysis of the model, a more appropriate method is selected to solve the model.

First of all, after practical investigation, the present situation of finished product wharf and storage yard of WISCO industrial port is analyzed and studied, and then the development trend of finished product wharf of WISCO industrial port is analyzed in order to prepare for the further model establishment. Next, the optimization model is established. In this paper, the related theory of reservoir field and the related knowledge of genetic algorithm are studied, and the present situation of finished product wharf, storage yard and its freight development trend of WISCO industrial port are analyzed and studied. On the basis of theoretical study, the mathematical model of goods location optimization in storage yard is established by using genetic algorithm.

Second, choose the genetic algorithm when solving the model. By analyzing the cargo space optimization model, it is not difficult to see that the essence of warehouse space optimization is a kind of multi-objective problem. In terms of warehouse management operations, the goals of the library managers will vary from person to person. Therefore, before applying the genetic algorithm to assist the solution, the multi-objective problem is transformed by the method of weight coefficient change, so that it becomes a single-objective problem, which is very convenient for the library management personnel to set according to the actual situation of the library. The corresponding weight coefficient is used to achieve the goal of warehouse location optimization.

Finally, substituting data into the model for instance analysis and calculation. In this paper, the data comparison before and after optimization is carried out by changing the weight coefficient. In the process, the software of MATLAB is used. At the end, through comparative analysis, it achieved relatively good results.

Key words: cargo location optimization, genetic algorithm, multi-objective optimization model.

目 录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究的目的和意义 1

1.3 研究现状 2

1.4 论文研究的主要内容 4

第2章 武钢工业港成品码头库场概况 5

2.1 武钢工业港成品码头和库场现状分析 5

2.2 武钢工业港成品码头货运特点及其发展趋势分析 8

第3章 构建优化模型 10

3.1 库场货位优化 10

3.1.1 库场货位优化管理内容 10

3.1.2 货位优化的目标 10

3.1.3 库场货位优化设计的基本思路 12

3.2 货位优化建模 13

3.2.1 问题描述 13

3.2.2 建立模型 14

3.3 本章小结 19

第4章 算法分析、求解及仿真 20

4.1 遗传算法的概述 20

4.1.1 基本要素 20

4.1.2 运算过程 20

4.1.3 遗传算法与传统方法的比较 21

4.1.4 遗传退火进化算法 22

4.2 算法分析 26

4.2.1 问题分析 26

4.2.2 多目标优化的遗传算法 26

4.3 算法求解 27

4.3.1 确定编码方法 27

4.3.2 适应度函数确定 29

4.3.3 选择策略 30

4.3.4 交叉运算 31

4.3.5 变异运算 32

4.3.6 控制参数和算法的终止条件 33

4.4 算法模拟仿真及结果分析 33

4.4.1.算法模拟仿真分析 33

4.4.2.算法模拟结果分析 34

4.5 本章小结 36

第5章 结论与展望 37

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1 引言

港口不仅能作为一座城市社会经济发展水平的引擎代表，而且也是作为塑造它空间结构的一种强劲力量。港口规模在全球化的影响下迅速扩大，港口空间结构和土地利用布局随之便迎来了转型、发展的机遇及挑战。为了实现这个目标，同时使港口城市社会、经济和环境得到全面发展，有必要加强港口空间组织和布局研究，优化港口土地利用。以致提高港口运营效率，降低成本^[1]。

库场在水路货物运输的全程中担当着衔接、调节作用的大任，因为它是储存货物和装卸货物的主要场地。同时实践证明，港口的生产能力由码头泊位及其相应的装卸能力、仓储能力和运输能力组成。而整个港口的生产能力会因为这三种能力中任一种存在的不足而受到影响，同时库场货位的使用管理情况又会反过来影响这三种能力。显然，若要实现降低港口运输的成本、保证运输货物的质量、港口企业经济效益得到提升以及社会效益大步上升等，就需要对库场货位进行优化，加强库场管理，提高库场堆存能力。

货位优化(SO: Slotting Optimization)，即让货物与货位得到相应的“匹配”，为每件货品找到其更佳的存储方式的同时，在这一存储模式下对空间进行存储分配。实现最佳的区位布局的同时，让商品的变动得到有效的控制，最终使总成本达到最小是货位优化的目标。要实现这一目标，便需要对各种设备和货架类型特征、货物分类成组、人力劳动成本等相关因素分别进行优化。

1.2 课题研究的目的和意义

目前，国内成品码头货场仍在沿用传统的主要依靠人工协调处理整个生产运转的管理模式，而客户们已经随着国内市场经济的蓬勃发展对钢材品种多样化、合同批量小、运输质量等市场需求呈现了越来越高的要求。并且，这种传统的管理模式存在着装卸效率和堆场利用率很低、码头的吞吐量也不高、信息获取又滞后等一连串的问题，显然，这要满足现代物流的信息化要求、以适应这种多样性的市场需求等几乎是不可能的，这大概也是其成为影响港口总体竞争力提高的瓶颈的原因所在^[2]。而且，码头货类的繁多和尺寸大小不一将使得堆放时要精准描述货物的位置相当困难，这将会产生很多不良后果：导致货物的位置信息描述的不尽详细、混票误装现象的发生，货运部门制定计划时，也无法迅速准确地了解货场信息等，而装卸作业的效率会受之影响，货运调度部门制定进场计划的难度会因此而大幅度增加，堆场利用率的提高也变得很困难，在实际生产过程中的非良性循环或许就是这样一步一步导致的^[3]。甚者，有时因为堆存未按规范进行而造成的集港时集港车辆堵塞道路、船找不到货等情况。显然，港口的长足发展很大程度上取决于是否有效利用先进的信息技术，使得成品货码头生产管理水平得到极大提高。同时，库场的拣货作业和堆放（上架）作业想要在未来符合经济的快速发展，它不得不更快且更有效率。要达到这个目标，可以考虑将适当的设备和一种拣货的方法相结合，它可能是一种比较好的解决途径。于是为了在拣货或者存货之前提高工作效率，就得保证库场货品的合理摆放。于此，货位优化便是关键，它的本质是根据成品库场的实际使用情况来重新分配货品，同时按照一定的规则合理的存放之前先把货品分类，这样一来，库场的空间利用率、拣货和放货的效率等在操作时就可以得到提高，这样也达到了降低库场操作成本这一目的^[4]。

武钢工业港钢坯材进出口码头是武钢目前最主要的成品集散地，共有两座码头，即三作业区的8、9码头。8、9码头成品库场便是进出口钢材集散和换装过程中短期堆存的场地。船舶装卸效率的高低和在港停时的长短将受到库场的大小，尤其是管理水平的高低的影响，同时它将直接影响到三区码头的通货能力，影响到武钢产品的外发能力^[5~7]。

根据武钢“十三五”规划获悉，2020年武钢力争实现钢产400万吨以上，武钢工业港三区码头的设计通货能力180万吨的外发能力将会被远远地甩在其后。即便是目前就拿2010年为例，工业港共外发钢材以253万吨超过码头设计能力近1/3。武钢工业港生产流通体系的一大瓶颈就是三区码头的通货能力。并且，库场的管理水平由于武钢工业港第三作业区的库场管理基本上以经验的、手工操作为主而严重滞后，库场通过能力的正常发挥收到了库场作业效率低、库场利用不充分等的影响^[6~7]。

因此，解决制约工业港第三作业区、码头通过能力的瓶颈因素以满足武钢生产经营发展的需要，提高库场管理的水平，先解决货位的优化问题是当务之急^[7~8]。

1.3 研究现状

由于货位优化是多目标优化问题的一种，所以它的解答可以考虑借助多目标决策。目前，国内对货位优化系统的研究还十分有限，通过查阅大量资料，大概可分为以下几种解决方案^[9~11]。

1).立体仓库的倒库

基本思想：要达到货位分布处在较合理的状态的目标，可以根据货架的稳定性、货物的需求率变化和出入库的效率等因素来定期地对若干货位进行交换。借助“分层序列法”将所有目标按照其重要性程度进行排序，然后依次按照目标重要度顺序求出目标的最优解，这里紧随其后的目标要在保证当前目标最优解的前提下求其最优解，求出最后一个目标即停止。考虑“常用易取”之前得先考虑“重量在下”。

实现方法：倒库货位中的配置问题可以利用分层序列法来解决。如果由货架重量受力分布决定的重量阈值小于相邻上下层的货物重量差的情况出现，那么便需要将很多货位在层之间交换，然后再根据货物的周转率和运行经济性等因素为分别分配货位。

优化方法分析：在“分层序列法”中，它首先综合考虑多个目标的重要性程度并对其进行排序，然后根据这个排序依次求得每个目标的最优解。在此方法中，货物的重量因素是最先被考虑到的，然后在倒库的时候再考虑货物的周转率和运行经济性。这种倒库操作把侧重点放在了如何让货架结构的稳定性得到更好的保证上，货物的其他特性都是次之的。

2).分层序列法的货位分配方法

3).货位优劣法

优化方法分析：此方法先通过权值对分配原则中的属性进行结合，然后借助线性加权和法来确定每个货位的优先权进而判断出货位的优劣程度。它的优点是它的效率（仅仅从计算量的角度考虑）很容易，方便使用；缺点在于若没有这个问题相关的充足信息则没办法确定最佳的权重系数。虽然常用的是由多次不同权重的计算得到而生成的非劣解集线性函数，但这偶尔会使非劣解集平面的凹陷部分遗落。

上述途径对货位进行优化时存在一些不足：首先，货物的周转率和重量成了对货位优化时考虑的两个主要因素，这样一来，便会造成对其他因素（如货物的分类存放、货物的存储要求等）考虑减少的现象。特别地，是直接忽略了货物应按照产品族聚集放置的规则。其次，由于易于陷入局部最优，导致全局优化的效果不佳。显然，这些优化方法的缺点在实际的应用中表露无疑，所以我们需要提出新的算法解决货位优化问题。