摘 要

拖轮调度系统作为港口生产系统的重要组成部分，直接影响着能否安全高效地完成到港船舶的装卸任务。由于港口航道狭窄且港口水浅，船舶无法自行停靠泊位，需要拖轮协助作业。当船舶目的泊位和拖轮都可用时，到港船舶才能安全地停靠并准备装卸作业，否则只能在码头附近的锚地等待。研究如何充分利用有限的泊位和拖轮资源，合理调度港口中的拖轮为到港船舶提供助泊服务，以减少船舶排队等待时间和拖轮无效作业时间，是保证港口物流系统的流畅运行、增江港口竞争力需要解决的重点问题。针对拖轮调度问题，本文主要做了以下工作：

(1)首先分析研究背景和意义，阅读文献了解港口拖轮基本作业流程，明确拖轮调度系统的具体特征，归纳国内外对于拖轮调度问题的研究现状。

(2) 建立以拖轮总作业时间为目标函数的港口拖轮调度优化模型，在matlab软件中采用粒子群算法对模型进行求解，根据到港船舶情况给出最优助泊作业顺序和拖轮分配方案。

(3) 检验拖轮优化调度方案的可行性，分析船舶数量、类型、拖轮数量变化对目标函数的影响，为港口拖轮调度作业提供合理的决策支持。

关键词：拖轮调度；粒子群算法；优化

Abstract

As an important part of the port production system, the tug scheduling system has a direct impact on whether the loading and unloading tasks of ships arriving at the port can be completed safely and efficienttly. Due to the narrow channel and shallow water in the port, the ship cannot berth by itself, so tugboats are needed to assist the operation. When both the vessel's destination berth and the tug are available, the vessel can dock safely and prepare for loading and unloading operations, otherwise it has to wait in the anchorage near the wharf. Making full use of limited berths and tugboat resources, and reasonably dispatching tugboats in ports to provide berthing services for ships arriving at the port, so as to reduce the waiting time for ships in queue and the invalid operating time of tugboats, are significant issues to be solved to guarantee the fluent operation of the port logistics system and improve the competitiveness of the port. Around the above problems, this paper mainly does the work as follows:

(1) First, analyze the research background and significance, read literature to understand the basic operating process of port tugboats, clarify the specific characteristics of the tug dispatching system, and summarize both domestic and overseas study of the tug scheduling problem at present.

(2) Establish a port tugboat scheduling optimization model that takes the total operating time of the tugboat as the objective function. choosing particle swarm optimization algorithm and MATLAB software and to solve the model and the optimal operation sequence and tug allocation scheme were given according to the situation of the ships arriving at the port.

(3) Verify the rationality of the optimal scheduling scheme of the tug, analyze the influence of the number of ships, types and tugs on the objective function, so as to provide reasonable decision support for the port tug scheduling operation.

Key Words：tug dispatching; particle swarm optimization; optimizatio

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 拖轮调度系统概述 1

1.2.1 车间调度基本理论 2

1.2.2 拖轮调度问题 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 文章结构 5

第2章 拖轮调度模型 7

2.1 混合整数规划 7

2.2 拖轮调度模型 7

2.2.1 假设条件 8

2.2.2 符号说明 8

2.2.3 模型构建 9

第3章 拖轮调度系统的粒子群算法设计 11

3.1 粒子群算法概述 11

3.1.1 粒子群算法基本原理 11

3.1.2 粒子群算法参数选取原则 12

3.1.3 基本粒子群算法流程 13

3.1.4 粒子群算法的改进 13

3.2 算法设计 15

3.2.1 粒子编码 15

3.2.2 粒子速度和位置更新 17

3.2.3 算法流程 17

第4章 案例分析 19

4.1 实例1：8只到港船舶和6只拖轮 19

4.1.1 运算结果与分析 19

4.1.2 拖轮选择原则的改进 21

4.1.3 惯性权重的改进 22

4.2 实例2：10只到港船舶和8只拖轮 24

4.3 粒子群算法的参数设置分析 26

4.2.1 种群大小 26

4.2.2 学习因子 26

4.2.3 惯性权重 27

第5章 灵敏度分析 28

5.1 到港船舶数量的灵敏度分析 28

5.2 拖轮数量的灵敏度分析 29

5.3 船舶类型的灵敏度分析 31

第6章 总结与展望 32

6.1 工作总结 32

6.2 不足与展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

港口作为综合的物流节点，具有强大的资源聚集和整合能力，是国民经济和地区经济的重要组成部分。中国步入十三五规划之后，全球化持续深入，国家（地区）之间的竞争更为激烈。一带一路倡议^[1]、长江经济带建设等国家重大战略的实施，为港口这样的重要物流节点带来重大发展机遇。同时快速发展的港口，对拖轮调度提出了新的挑战。

港口的主要任务是充分发挥其物流枢纽的价值，合理组织港口资源保障到港船舶的装卸作业任务。大型船舶转向进入港池靠泊以及离泊出港时的操纵都十分困难，有时由于水域条件、天气的外界条件限制，往往需要申请拖轮辅助作业，使拖轮拖曳大型船舶完成挂靠港。拖轮的调度一般由轮驳公司统筹安排，轮驳公司根据港口集团业务部的指泊计划和船舶的拖轮辅助作业申请，为不同船型的船舶匹配相应数量和类型的拖轮，完成助泊计划的制定。