【正文】 ，即集卡空載運行，從而出現(xiàn)浪費資源，提高成本的問題。綜合以上分析可以看出在集裝箱碼頭中，岸邊橋式起重機(jī)和場區(qū)之間集卡數(shù)量的確定和調(diào)度安排，不僅影響岸邊橋式起重機(jī)的裝卸效率，而且更關(guān)系到集裝箱碼頭的成本。一些世界先進(jìn)集裝箱碼頭的經(jīng)驗表明，根據(jù)岸邊和場區(qū)作業(yè)的需求合理安排集卡數(shù)量和運輸調(diào)度，對減少交通擁擠，降低運輸成本提高作業(yè)效率至關(guān)重要。 研究目的和意義根據(jù)碼頭資源的類型不同，碼頭運作效率的研究主要包括以下幾個方面:錨地和泊位資源的優(yōu)化配置研究、裝卸設(shè)備的優(yōu)化配置研究、堆場資源的優(yōu)化配置研究和物流路徑優(yōu)化研究等。集裝箱碼頭實現(xiàn)的吞吐量都需要通過水平運輸系統(tǒng)，即集卡來實現(xiàn)轉(zhuǎn)運運輸，集卡數(shù)量眾多，任務(wù)量巨大，因而每輛集卡每次運輸?shù)奈⑿〕杀窘档?，都可以形成可觀的利潤空間。且傳統(tǒng)的面向作業(yè)線靜態(tài)分配策略仍有很大的優(yōu)化空間。此外，現(xiàn)代化的計算機(jī)管理系統(tǒng)和方便快捷的通信系統(tǒng)為實現(xiàn)集卡的精確優(yōu)化配置提供了強(qiáng)有力的硬件支撐，使得動態(tài)分配具備了良好的可操作性。通過對集卡調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以減少運輸過程中的空載里程，即無效的運行里程，從而有效降低油耗成本和車輛磨損成本；另一方面可以減少所需占用的集卡數(shù)量，從而降低購置車輛的資金投入。這對于處于激烈競爭中尤其是自身吞吐量接近飽和的集裝箱碼頭具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。 本文研究的主要內(nèi)容及方法在集裝箱碼頭集卡調(diào)度研究領(lǐng)域已經(jīng)基本形成一種共識，即面向“作業(yè)面”的動態(tài)集卡分配方式與面向“作業(yè)線”的靜態(tài)集卡分配方式相比，可以在使用更少集卡的情況下完成相同任務(wù)量，同時可以大大減少集卡空載的路程從而有效降低運行成本。然而目前多采用仿真模型來確定集卡數(shù)量，實現(xiàn)對不同集卡調(diào)度策略效果的對比，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究的的相對較少。本文建立了面向“作業(yè)面”的集卡調(diào)度優(yōu)化模型。集卡調(diào)度問題屬于典型的NPhard問題，這一類問題通常需要使用啟發(fā)式搜索算法進(jìn)行求解，文中借鑒了蟻群算法在指派問題和車輛路徑問題(VRP)研究中的應(yīng)用[2]，對集卡調(diào)度模型進(jìn)行求解。在一次求解中同時解決集卡數(shù)量問題和集卡任務(wù)分配問題。有別于以往蟻群算法應(yīng)用于集卡調(diào)度問題時將岸區(qū)、堆場等空間上的節(jié)點作為研究對象[3]，本文以裝卸任務(wù)為節(jié)點構(gòu)造TSP圖?；谘b卸任務(wù)計劃已知這一假設(shè)，針對集卡必須順序執(zhí)行裝卸任務(wù)的約束條件，設(shè)計了“正序”、“倒序”兩階段的螞蟻遍歷策略。對解決VRP問題時用到的近似解可行化算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了可用于集卡調(diào)度問題的近似解可行化算法。第2章 集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)概述 集裝箱碼頭裝卸設(shè)備集裝箱碼頭是集裝箱運輸?shù)臉屑~，它外接海洋的國際遠(yuǎn)洋運輸航線，內(nèi)連國內(nèi)的鐵路、公路、水路等運輸線路。因此，集裝箱碼頭是各種運輸方式銜接的換裝點和集散地。集裝箱碼頭在整個集裝箱運輸過程中具有重要的地位[4]。 集裝箱碼頭樞紐集裝箱裝卸工藝是指將集裝箱從船舶上卸到碼頭上，然后水平搬運至堆場，在堆場進(jìn)行堆放后，再輸運出去，或?qū)⒓b箱從內(nèi)陸集運至碼頭堆場堆放，然后水平搬運至碼頭前沿再裝到船上的全過程中的機(jī)械組合和流程。因此，集裝箱碼頭裝卸機(jī)械是集裝箱碼頭的重要組成部分。集裝箱碼頭主要有三類裝卸機(jī)械：岸邊裝卸機(jī)械是直接用于岸邊集裝箱船舶裝卸的機(jī)械。目前主要使用的是岸邊橋式起重機(jī)，以下簡稱岸橋。岸橋可以分為單吊岸橋和雙吊岸橋兩種類型。單吊岸橋由人工操作，一次只能吊一個20TEU的集裝箱。雙吊岸橋能同時吊起兩個20TEU的集裝箱。目前，集裝箱碼頭多使用單吊岸橋。雙吊岸橋僅在少數(shù)的碼頭使用。岸橋的最大效率取決于它起重機(jī)的類型，作業(yè)效率為每小時完成50一60個吊次的裝卸作業(yè)。然而在實際中，岸橋的作業(yè)效率還取決于操作司機(jī)的技術(shù)熟練程度以及外部環(huán)境，正常情況下，岸橋的作業(yè)效率為每小時完成22一35個吊次的裝卸作業(yè)。堆場裝卸機(jī)械是用于堆場車輛裝卸及堆碼集裝箱的機(jī)械，包括堆場龍門起重機(jī)等。堆場龍門起重機(jī)，以下簡稱場橋，是集裝箱堆場車輛裝卸及堆碼箱作業(yè)的主要機(jī)型。因其形狀像“門”，故俗稱為龍門起重機(jī)、場橋。龍門吊有輪胎式和軌道式兩種。軌道式龍門吊采用鋼質(zhì)車輪(像列車輪)，像岸橋一樣，軌道式龍門起重機(jī)只能沿固定軌道移動，因而其在碼頭排場的作業(yè)范圍是固定的。輪胎式龍門起重機(jī)采用的是橡膠輪胎，可以改變運動路線，即可以方便地從一個作業(yè)位置移到另一個作業(yè)位置。它適合于碼頭作業(yè)量不是很大的碼頭作業(yè)。龍門起重機(jī)的跨距(即“門”的寬度)為6行集裝箱加一條集卡道的寬度，可堆碼集裝箱的高度為4一8層。 設(shè)備工藝表裝卸階段操作內(nèi)容采用設(shè)備碼頭前沿裝、卸船岸邊集裝箱起重機(jī)（岸橋）水平運輸碼頭—堆場集裝箱牽掛車（集卡）場—拆裝箱庫堆場—鐵路裝卸線堆場沖洗、修箱場堆場作業(yè)裝、卸車輪胎式集裝箱龍門吊起重機(jī)拆、碼垛拆裝箱庫集裝箱裝卸車正面吊運車拆裝箱叉車拼箱貨裝卸車叉車（箱內(nèi)作業(yè)叉車）其他集裝箱叉車車水平運輸機(jī)械是主要用于運輸和搬運集裝箱的機(jī)械，有牽引車、掛車和跨運車。跨運車是可以承擔(dān)碼頭前沿與堆場之間的集裝箱水平運輸，以及堆場的堆碼和進(jìn)出場集裝箱集卡裝卸作業(yè)的主要設(shè)備。它以門形車架跨在集裝箱上由裝有集裝箱吊具的液壓升降系統(tǒng)吊起集裝箱，進(jìn)行搬運和堆碼。集裝箱跨運車堆碼和通過集裝箱的層數(shù)，與整個集裝箱碼頭及堆場的堆存面積、工藝條件有關(guān)。目前通常采用堆碼2一3層集裝箱。集裝箱牽掛車，以下簡稱集卡，是非自動化集裝箱碼頭水平運輸集裝箱的主要設(shè)備，它由牽引車和掛車兩部分組成。碼頭堆場上，根據(jù)其工藝要求通常采用單頭半掛形式，近幾年大型集裝箱碼頭為提高作業(yè)效率，降低人工成本，已開始采用多掛方式，一臺牽引車拖掛4一5臺掛車，也就是俗稱的多掛集卡。單掛集卡是是本論文的主要研究對象。自動導(dǎo)引車，通常稱AGV，是自動化集裝箱碼頭水平運輸?shù)闹饕O(shè)備，是一種無人駕駛搬運車，它可以按照監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的指令，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序，依照車載傳感器確定的位置信息，沿著指定的行駛路線和?？课恢米詣有旭?。由于這種自動化設(shè)備的投資成本較大，而未能受到我國碼頭投資者的青睞。 集裝箱碼頭基本作業(yè)流程集裝箱港口的作業(yè)流程從集裝箱流的角度來看，可以分為進(jìn)口流程和出口流程。一、集裝箱港口進(jìn)口業(yè)務(wù)流程進(jìn)口卸船計劃：由調(diào)度室根據(jù)船舶近期計劃安排船舶靠泊，并依照卸船堆場計劃等安排卸船機(jī)械；進(jìn)口卸船：根據(jù)進(jìn)口卸船計劃來實時調(diào)度組織卸船。把要在本碼頭進(jìn)行卸船的集裝箱從船上卸下后，根據(jù)場地位置進(jìn)行場地位置確認(rèn)落箱。堆場作業(yè)：包括安排駁箱、移箱、提箱作業(yè)。駁箱主要是安排集裝箱的駁運疏港，了解箱子在各堆場的分布情況以便對集裝箱進(jìn)行跟蹤。移箱作業(yè)主要是為了提高堆場堆存率，掌握集裝箱運轉(zhuǎn)動態(tài)，更好地安排下一次裝卸作業(yè)，提高裝卸作業(yè)效率。出場作業(yè)：貨主根據(jù)相應(yīng)的單證到集裝箱客戶服務(wù)區(qū)辦理提箱手續(xù)后，由外集卡到集裝箱前方堆場進(jìn)行提箱，然后經(jīng)過道口出場。由于當(dāng)前集裝箱堆場的空間資源緊張，對那些堆放超過一定期限的集裝箱要進(jìn)行疏港作業(yè)。二、集裝箱港口出口業(yè)務(wù)流程在集裝箱出口貨運業(yè)務(wù)中，碼頭主要負(fù)責(zé)以下作業(yè)，具體流程為：集港：集裝箱港口根據(jù)船舶的船期確定集港時間，貨主在辦理好所有的出口業(yè)務(wù)單證，把集裝箱經(jīng)過集裝箱碼頭的道口拉入集裝箱堆場落箱，等待裝船。裝船前準(zhǔn)備：集裝箱碼頭根據(jù)船期和在場箱的情況，進(jìn)行裝船前準(zhǔn)備，主要有箱子的歸并和移箱處理，主要是為了能夠在集裝箱裝船作業(yè)時能夠快速裝船。船舶配載：箱管根據(jù)船期及船公司或船代的出口預(yù)配船圖，對出口在場箱進(jìn)行船舶配載，同時得到船方大副的同意簽字后，準(zhǔn)備裝船。出口裝船：含裝船前的業(yè)務(wù)上的準(zhǔn)備工作與實際裝船作業(yè)。裝船前的預(yù)備工作主要是進(jìn)行碼頭船舶預(yù)配載。實際裝卸船作業(yè)由調(diào)度室指揮，機(jī)械隊操作，集裝箱由集卡拖運至碼頭由集裝箱裝卸橋裝船，并由內(nèi)外理進(jìn)行裝船確認(rèn)。第3章 集卡調(diào)度數(shù)學(xué)模型 集卡調(diào)度策略比較在集裝箱碼頭裝卸作業(yè)過程中，集卡的調(diào)度策略有兩種：面向作業(yè)線和面向作業(yè)面。在采用作業(yè)線調(diào)度策略時，每輛集卡固定地靜態(tài)服務(wù)于某一岸橋，集卡的行車路線相對固定，循環(huán)過程中，半圈為重載，半圈為空載，空載造成集卡能耗和時間浪費，極大地影響了集卡的效率發(fā)揮。而在采用作業(yè)面調(diào)度策略時，每輛集卡并非靜態(tài)地拘泥服務(wù)于某臺岸橋，而是靈活地動態(tài)的服務(wù)于有需要的岸橋。面向作業(yè)面的調(diào)度策略又分為面向小作業(yè)面和面向大作業(yè)面：面向小作業(yè)面是指將服務(wù)于同一艘船的集卡形成一個隊列，隊列中的集卡僅服務(wù)于該船舶的岸橋；面向大作業(yè)面是指將碼頭中所有工作的集卡形成一個隊列，服務(wù)于所有船舶作業(yè)的岸橋。本文是針對面向小作業(yè)面的調(diào)度策略所做的研究。單船作業(yè)開始時，岸橋分配計劃員會將單船作業(yè)時所需岸橋的數(shù)目確定，每臺岸橋所對應(yīng)裝卸集裝箱的數(shù)目以及順序均由配載計劃員確定。堆場計劃員負(fù)責(zé)集裝箱所在箱區(qū)以及在箱區(qū)中的排列。，集卡1固定服務(wù)于岸橋1，集卡2固定服務(wù)于岸橋2，這種調(diào)度策略雖然簡單易操作，但是會造成碼頭成本增加和效率低下的問題。與這種低效率的集卡靜態(tài)調(diào)度策略相比，另外一種策略要優(yōu)越得多，當(dāng)岸橋2在卸載集裝箱時，集卡1將這個集裝箱運到堆場中它所要堆存的箱區(qū)后，集卡1不再回到離它現(xiàn)在所在地點很遠(yuǎn)的岸橋2，而是繼續(xù)前進(jìn)到離它現(xiàn)在所在地點很近的將要出口的集裝箱堆存點，將該集裝箱運到另一個正在進(jìn)行裝箱作業(yè)的岸橋1。在這種策略下，單船作業(yè)的集卡能夠動態(tài)靈活地服務(wù)于作業(yè)岸橋，極大地減少集卡的空載路程，提高集卡的利用率，而且集卡的行走時間會隨著任務(wù)分配方案的不同而有所不同。 船舶岸橋1岸橋2箱區(qū)集卡1箱區(qū)集卡1 單船作業(yè)下集卡靜態(tài)服務(wù)于岸橋船舶岸橋1岸橋2箱區(qū)集卡1箱區(qū)集卡1 單船作業(yè)下集卡動態(tài)服務(wù)于岸橋由于運輸過程中集卡行駛路線的復(fù)雜性使得這種動態(tài)調(diào)度的模式?jīng)]有在集裝箱碼頭作業(yè)中流行起來。我國國內(nèi)集裝箱碼頭普遍采用“作業(yè)線”生產(chǎn)方式進(jìn)行船舶裝卸作業(yè)，作業(yè)機(jī)械的配置大約為一臺岸橋?qū)?yīng)兩臺場橋，6一7輛集卡固定為一臺岸橋服務(wù)，無論岸橋如何空閑，這些集卡不會脫離該岸橋，也不論該岸橋多么忙碌，即使出現(xiàn)岸橋等待集卡的現(xiàn)象，也不會有新的集卡加入。隨著國內(nèi)集裝箱碼頭之間的競爭激烈程度加劇，碼頭管理者開始逐漸意識到“作業(yè)面”生產(chǎn)方式的優(yōu)越性，該生產(chǎn)方式能夠根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)任務(wù)實時的分配集卡所需服務(wù)的岸橋，提高集卡和岸橋的利用率，降低碼頭作業(yè)成本。 面向作業(yè)面的集卡調(diào)度優(yōu)化模型 問題描述所謂集卡調(diào)度問題，是指在岸橋的計劃任務(wù)確定后給出與岸橋配套的集卡的作業(yè)計劃，使得岸橋按時無誤地工作，并盡量降低無效的運行里程，從而提高港口的作業(yè)效率。對于一項裝卸任務(wù)而言，其有效運行里程是固定的，即集卡裝載卸船（裝船）貨物從岸區(qū)（堆場）到指定堆場（岸區(qū)）的距離。而無效運行里程，即集卡從其先行任務(wù)的結(jié)束地點到后繼任務(wù)的開始地點之間的距離，是可以優(yōu)化的。通過優(yōu)化集卡的任務(wù)分配，使得全部集卡的空載里程之和最小，是模型的主要目標(biāo)。模型的建立基于以下假設(shè)：(1)如前面敘述提到的，單掛集卡是本論文的主要研究對象。(2)各岸橋的任務(wù)必須嚴(yán)格按照事先計劃設(shè)定的順序執(zhí)行。在集裝箱港口裝卸作業(yè)過程中，為保證船舶的穩(wěn)定性和安全性，港口管理者都會事先制定相應(yīng)的裝卸順序單，并得到船方的確認(rèn)，并且該計劃一旦制定后港方不能隨意修改。因此該假設(shè)是符合實際情況的。(3)在裝卸過程中，岸橋比集