第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
自上世纪 60 年代至今，国际集装箱运输的先进性日趋突显，海上集装箱运输规模越来越大。如今，集装箱货物占比已经超过 80%，它已成为现代化交通运输的重要标志，其增长速度远超其他运输方式。
在中国加入世贸组织近二十年的时间里，我国国际贸易的发展进入了一个新纪元。对外贸易的增长速度是影响我国集装箱运输的关键因素，借着国际贸易的东风，集装箱运输已经发展到世界顶级水平。2008 年以来，因为金融危机的影响，全球经济增速放缓，但是随着我国逐步实施各项外贸政策，对外贸易量仍然稳步提升，集装箱航运市场的规模也在增加。据资料统计，2019 年我国总共完成集装箱吞吐量达 26107 万 TEU（20 英尺标准箱）。2019 年全世界集装箱港口吞吐量排名前十位，其中有七个是我国的港口，稳居世界前列。从表 1.1、表 1.2和图 1.1 的数据可以预见，在不远的未来，我国集装箱市场规模还将保持在领跑的地位。
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
自上世纪 60 年代至今，国际集装箱运输的先进性日趋突显，海上集装箱运输规模越来越大。如今，集装箱货物占比已经超过 80%，它已成为现代化交通运输的重要标志，其增长速度远超其他运输方式。
在中国加入世贸组织近二十年的时间里，我国国际贸易的发展进入了一个新纪元。对外贸易的增长速度是影响我国集装箱运输的关键因素，借着国际贸易的东风，集装箱运输已经发展到世界顶级水平。2008 年以来，因为金融危机的影响，全球经济增速放缓，但是随着我国逐步实施各项外贸政策，对外贸易量仍然稳步提升，集装箱航运市场的规模也在增加。据资料统计，2019 年我国总共完成集装箱吞吐量达 26107 万 TEU（20 英尺标准箱）。2019 年全世界集装箱港口吞吐量排名前十位，其中有七个是我国的港口，稳居世界前列。从表 1.1、表 1.2和图 1.1 的数据可以预见，在不远的未来，我国集装箱市场规模还将保持在领跑的地位。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
（1）关于堆场的集卡和装卸设备方面
国外学者对于港口集装箱物流系统优化研究的重点一般集中在堆场集卡、堆场箱位分配和堆场装卸机械协作等方面。
Xue 等研究了集卡与集装箱在可分离模式下的集卡运输路线规划问题，通过禁忌算法求解，验证了集卡和集装箱的可分离策略能促进作业效率，降低港口运营成本[1]。堆场作业会用到很多种类的专业化装卸设备，比如集装箱装卸桥，在优化设计的过程中必须要考虑到这部分因素。Niraj Ramesh Dayama 等将集装箱的堆存位置与岸吊的调度结合，优化了船舶在港作业成本[2]。Narges Kaveshgar设计遗传算法求解岸吊调度与集卡运输路线结合的整数规划模型，在前人的研究基础上加入堆场装卸机械因素重新优化集卡运输路线[3]。Ji 等在多码头起重机的并行操作下整合装载顺序和重新处理策略，用一种改进的遗传算法来优化集装箱装载顺序[4]。
1.2.1 国外研究现状
（1）关于堆场的集卡和装卸设备方面
国外学者对于港口集装箱物流系统优化研究的重点一般集中在堆场集卡、堆场箱位分配和堆场装卸机械协作等方面。
Xue 等研究了集卡与集装箱在可分离模式下的集卡运输路线规划问题，通过禁忌算法求解，验证了集卡和集装箱的可分离策略能促进作业效率，降低港口运营成本[1]。堆场作业会用到很多种类的专业化装卸设备，比如集装箱装卸桥，在优化设计的过程中必须要考虑到这部分因素。Niraj Ramesh Dayama 等将集装箱的堆存位置与岸吊的调度结合，优化了船舶在港作业成本[2]。Narges Kaveshgar设计遗传算法求解岸吊调度与集卡运输路线结合的整数规划模型，在前人的研究基础上加入堆场装卸机械因素重新优化集卡运输路线[3]。Ji 等在多码头起重机的并行操作下整合装载顺序和重新处理策略，用一种改进的遗传算法来优化集装箱装载顺序[4]。
上述研究所提供的理论在实际使用的过程中有阻力，其中很重要的原因是没有考虑集装箱堆场的道路通过能力。Jin 等综合考虑了空间分配-堆场起重机协同部署和集装箱堆场交通拥堵情况，采用和声搜索和约束满足技术进行数值实验以验证解决方案的性能和集成优化方法的改进[5]。
（2）关于堆场的集装箱堆放方面
在集装箱堆场堆放着很多类别的货柜，比如有空箱、重箱；进口箱、出口箱；普通箱、特种箱等。所以在进行集装箱物流系统优化设置的过程中还要考虑集装箱堆场中集装箱的堆存问题。Carlo H j 等综合考虑进口和出口集装箱存放在集装箱码头的堆场中，提出了一种用于堆场作业的新式分类方案，确定了学术研究的新途径[6]。
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第2章 相关概念和理论基础
2.1 集装箱码头
2.1.1 集装箱码头的定义
集装箱码头分为海运集装箱码头和陆运集装箱码头，本文主要研究的是海运集装箱码头。它是港口的一部分，专门用来把集装箱船运抵的集装箱转移到内陆运输工具上，让集装箱得以继续运输的特殊设施。此外还设有暂时存放集装箱的堆场，以及进行拆箱、拼箱作业的货运站等特殊区域。
2.1.2 集装箱码头具备的条件
集装箱货物有很高的时效性，和一般的杂货码头相比，集装箱码头的吞吐量很大，装卸工艺也很不相同。基于集装箱运输的特点，集装箱码头应具备以下条件：
（1）集装箱作业量达到一定的规模
考虑到建造集装箱码头的高昂成本，只有集装箱作业量达到一定规模时，建造集装箱码头才符合经济效益。一般认为集装箱年装卸量超过5000TEU，才符合建造标准。
（2）进出港口的航道和泊位有足够的吃水深度
集装箱船的载重吨较大，对吃水的要求也很高。载箱量 6000TEU 以上的第五代集装箱吃水深度在-13.5m 左右，现在一些大型港口为了满足新一代大型集装箱船的要求，航道和泊位吃水都达到了-20m 以上。
（3）有便捷的运输网络 为了便于实现集装箱多式联运以及集装箱货物的高速周转，要求集装箱港口有便捷的运输网络。
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第 3 章 S 港集装箱物流系统概况及存在的问题 ......................... 25（2）关于堆场的集装箱堆放方面
在集装箱堆场堆放着很多类别的货柜，比如有空箱、重箱；进口箱、出口箱；普通箱、特种箱等。所以在进行集装箱物流系统优化设置的过程中还要考虑集装箱堆场中集装箱的堆存问题。Carlo H j 等综合考虑进口和出口集装箱存放在集装箱码头的堆场中，提出了一种用于堆场作业的新式分类方案，确定了学术研究的新途径[6]。
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第2章 相关概念和理论基础
2.1 集装箱码头
2.1.1 集装箱码头的定义
集装箱码头分为海运集装箱码头和陆运集装箱码头，本文主要研究的是海运集装箱码头。它是港口的一部分，专门用来把集装箱船运抵的集装箱转移到内陆运输工具上，让集装箱得以继续运输的特殊设施。此外还设有暂时存放集装箱的堆场，以及进行拆箱、拼箱作业的货运站等特殊区域。
2.1.2 集装箱码头具备的条件
集装箱货物有很高的时效性，和一般的杂货码头相比，集装箱码头的吞吐量很大，装卸工艺也很不相同。基于集装箱运输的特点，集装箱码头应具备以下条件：
（1）集装箱作业量达到一定的规模
考虑到建造集装箱码头的高昂成本，只有集装箱作业量达到一定规模时，建造集装箱码头才符合经济效益。一般认为集装箱年装卸量超过5000TEU，才符合建造标准。
（2）进出港口的航道和泊位有足够的吃水深度
集装箱船的载重吨较大，对吃水的要求也很高。载箱量 6000TEU 以上的第五代集装箱吃水深度在-13.5m 左右，现在一些大型港口为了满足新一代大型集装箱船的要求，航道和泊位吃水都达到了-20m 以上。
（3）有便捷的运输网络 为了便于实现集装箱多式联运以及集装箱货物的高速周转，要求集装箱港口有便捷的运输网络。
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2.2 集装箱码头堆场
2.2.1 集装箱码头堆场概况
集装箱堆场主要是用来接收和运送进出口集装箱的，同时也收发空集装箱。在这里还布置有装卸集装箱的专用机械。
集装箱堆场是海运和陆运的连接点，它的作业类型分为海运方面的装卸船和陆运方面的收箱、提箱。装卸船流程如前文所说。收箱即码头接收货主、货运代理的出口箱或者他们返还租借的空箱；提箱即货主、货运代理提走自己的重箱或者租借码头的空箱[46]。
2.2.1 集装箱码头堆场概况
集装箱堆场主要是用来接收和运送进出口集装箱的，同时也收发空集装箱。在这里还布置有装卸集装箱的专用机械。
集装箱堆场是海运和陆运的连接点，它的作业类型分为海运方面的装卸船和陆运方面的收箱、提箱。装卸船流程如前文所说。收箱即码头接收货主、货运代理的出口箱或者他们返还租借的空箱；提箱即货主、货运代理提走自己的重箱或者租借码头的空箱[46]。
2.2.2 集装箱码头堆场箱区的划分
集装箱堆场根据一定的分类规则被分成不同的区域，这些区域被称为箱区。每个箱区又会根据更详细地分类标准被分割成更小的区域，我们把它们叫做子箱区。如图 2.4 所示。
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集装箱堆场根据一定的分类规则被分成不同的区域，这些区域被称为箱区。每个箱区又会根据更详细地分类标准被分割成更小的区域，我们把它们叫做子箱区。如图 2.4 所示。
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3.1 S 港集装箱物流系统概况 ................................... 25
3.2 S 港集装箱码头堆场 ............................... 27
第 4 章 S 港集装箱堆场系统流程配置优化方案设计 ..................... 33
4.1 集装箱堆场系统龙门吊调度优化模型的建立......................... 33
4.1.1 集装箱堆场龙门吊作业......................... 33
4.1.2 建立模型....................... 34
第 5 章 S 港集装箱泊位系统流程配置优化方案设计 ..................... 43
5.1 集装箱泊位系统船舶调度优化模型的建立........................... 43
5.1.1 泊位船舶调度模型描述..................... 43
5.1.2 建立模型........................ 46
第5章 S港集装箱泊位系统流程配置优化方案设计
5.1 集装箱泊位系统船舶调度优化模型的建立
5.1.1 泊位船舶调度模型描述
为了简化泊位分配问题，运用排队系统来描述泊位调度系统。在排队系统中，主要包括输入过程，排队规则，服务台和输出过程。排队理论流程如图 5.1 所示：
5.1 集装箱泊位系统船舶调度优化模型的建立
5.1.1 泊位船舶调度模型描述
为了简化泊位分配问题，运用排队系统来描述泊位调度系统。在排队系统中，主要包括输入过程，排队规则，服务台和输出过程。排队理论流程如图 5.1 所示：
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6.1 研究结论
本文以 S 港集装箱码头为研究对象，分析该港口集装箱码头的作业程序，确定优化对象，运用工程管理专业的理论知识和科学的研究方法，通过分析实际作业案例得出以下结论：
（1）在集装箱堆场龙门吊调度问题中，通过蚂蚁的行走路径确定龙门吊作业方案，利用蚁群算法实现了多台龙门吊在堆场内的优化调度。
（2）在研究集装箱靠泊作业中泊位分配问题时，考虑到不同载箱量船舶的装卸时间不同，以船舶在港时间最短为目标创建数学模型，在先到先服务原则的基础上考虑优先权对泊位分配的影响，设计新的调整方案。
本文对 S 港集装箱码头作业环节中的堆场龙门吊分配问题和泊位作业做了一些研究，但是囿于本人水平有限，对问题的考虑不够全面深刻，本文还存在一些不足之处有待继续研究改进：
（1）本文在研究堆场作业时，单独研究了龙门吊的作业方案，没有考虑堆场通道通过能力的影响，在下一步的研究中把龙门吊和堆场通道通过能力结合起来，让模型更切合实际；
（2）考虑到 S 港的具体情况，泊位作业优化模型是一种静态泊位分派方式，如何保证在动态模式下进行优化也是下一步的研究内容；
（2）考虑到 S 港的具体情况，泊位作业优化模型是一种静态泊位分派方式，如何保证在动态模式下进行优化也是下一步的研究内容；
（3）为简化研究，在创建泊位分配模型时，做了一些假设条件，限制了实际操作中可能会出现的情况，比如恶劣天气导致靠泊作业延误，突发地机械故障等，致使模型的应用有局限性。
参考文献（略）
参考文献（略）