本文是一篇物流论文，笔者针对场桥提箱作业过程中由目标箱位置不同而导致的动态提箱作业过程研究了考虑动态提箱的场桥与外集卡协同调度作业。
第1章 绪论
1.2 研究背景及意义
集装箱港口是衔接水路运输和陆路运输的重要节点，现阶段的世界各地货物运输中有80%到90%的货运量是通过集装箱码头完成的。因此，集装箱运输在全世界货物流通过程是中起到不可缺少的重要作用。
为了顺应世界经济发展的趋势，集装箱码头需要不断发展自身规模建设，其中既包括战略层面系统规划，又包括运营层面管理调度。而系统规划方面，泊位和堆场等大型设施主要取决于港口所处的地理位置，系统规划效益难以在短时间内取得成效。因此，科学合理地管理和调度码头已有装卸作业设备是集装箱码头主要解决的问题。 在码头建设过程中，建设资金、周期和海岸线长度等因素都会限制码头扩展计划，因此，在资源有限的条件下，充分利用现有码头设施、优化码头管理方法是提高集装箱码头的作业效率的重要手段。在传统的概念中，提高岸桥装卸速度、降低集装箱船舶靠泊时间可以提高码头作业效率，但同时也可能导致码头作业计划重排以及码头作业设备和人员的意外事故。而堆场和场桥是集装箱码头前沿以外的陆侧主要作业资源，堆场上的场桥是其重要装卸作业设备，场桥调度作业环节往往成为堆场作业流程中的瓶颈环节，所以为了提升集装箱码头作业效率，有必要研究场桥调度作业过程。
当前的场桥调度作业研究中场桥作业过程大多按照集装箱码头既定的作业计划执行作业任务，已有研究忽略了场桥作业过程中会同时受码头前沿的岸桥作业计划、内集卡作业状态和内陆客户在堆场提箱时间的影响，也会受到堆场箱区内部集装箱作业顺序的影响。相比较而言，集装箱码头前沿的岸桥作业更多的会受到船期影响，实际码头作业中船期设置相对比较稳定，所以场桥的作业效率更多受到外集卡和内部作业顺序的影响。外集卡进入集装箱码头堆场的时间会直接影响场桥的开始作业时间；堆场箱区内部作业顺序会产生场桥翻箱作业问题，而翻箱作业会导致场桥任务完成时间依赖于目标箱上的阻碍箱数量，在场桥实际提箱作业时，阻碍箱位置和数量会动态变化，即场桥提箱过程为动态变化过程。因此，在制定场桥提箱调度计划时，应当考虑场桥内部作业顺序和外集卡的影响，以提高场桥的作业效率。
1.3 国内外研究现状
国内外很多研究人员对场桥调度进行了研究，本文针对以下五个方面对研究现状进行阐述：1）单场桥调度研究；2）多场桥调度研究；3）场桥与集卡协同调度研究；4）场桥翻箱及动态提箱作业研究；5）场桥调度优化算法研究。
1.3.1 单场桥调度研究综述
早期的场桥调度研究大多考虑的是单场桥调度，单台场桥作业研究场桥进行存取箱作业，单场桥调度方法相对简单。 最早Kim K. Y.和Kim K. H.[1,2]研究了单台场桥提箱作业时的最优路径问题，并确定了场桥在不同贝位的取箱数量和作业顺序。Narasimhan A.[3]考虑在出口集装箱船舶配载计划已知情况下，把场桥作业时间最小化，并采用随机算例验证模型。Kim K. H. [4]等考虑了场桥作业过程中的限制条件，用分支定界法建立了场桥调度混合整数模型。Ng W. C.[5]在场桥作业任务集装箱数量、任务预期到场时间己知的情况下，研究单场桥作业集装箱顺序，并且考虑外集卡到达堆场的时间对场桥调度作业计划的影响。Yang[6]等采用“集装箱流”合理调度对场桥作业集装箱顺序，但由于研究单场桥调度，所以没有考虑场桥之间作业干扰问题。
1.3.2 多场桥调度研究综述
在单箱区布置两台场桥堆场作业模式逐渐普及，多场桥调度研究逐渐增多。刘志雄等[7]提出了一种混合演化策略算法求解多场桥调度问题，并在场桥调度模型中关于场桥移动路径做了详细阐述。Lee D. H.[8]等针对双场桥调度问题研究场桥作业路径和场桥合理取箱量。Ng W. C. [9]研究了双场桥调度作业问题中场桥初始任务的开始时间不同的问题，考虑到了双场桥作用时的场桥干涉作用问题，但是没有考虑场桥作用移动时间。Li W.等[10-11]研究不同准备时间背景下的装卸同步的双场桥调度问题。Gharehgozli A. H.等[12]基于两场桥之间的作业限制等约束，优化双场桥作业集装箱任务的作业顺序和存箱位置。Cao Z.等[13]针对出口箱装船作业过程建立了离散时间数学模型，模型中考虑了堆场两侧均可进出集装箱，但是不考虑其他外部因素对场桥的影响。范厚明等[14]研究多场桥分区域平衡策划问题，通过合理分配箱位来提高码头作业效率。初良勇等[15]研究了四台场桥在三个箱区内作业的多场桥多箱区内的调度问题。梁承姬等[16]利用时间窗的概念对场桥作业进行约束建模。郑红星等[17-19]先后对单场桥在单箱区内的作业问题、多场桥在多箱区内作业问题展开研究，同时考虑场桥与外集卡协同调度以及箱区混堆问题。
第2章 集装箱码头堆场作业系统分析
2.1 集装箱码头堆场及其作业资源
集装箱码头是衔接各类运输、运载形式的纽带，能够改变集装箱运输方式和暂时存储集装箱。集装箱码头按照各个组成部分功能可以分为五个部分：码头前沿的泊位，装卸船作业的岸桥，堆场以及堆场上装卸设备如场桥、集卡，集卡进入堆场的闸口。包含上述几个部分的集装箱码头布局如下图2-1所示。
堆场是把集装箱船舶与集装箱码头内陆客户连接起来的集装箱货物缓冲区，集装箱堆场上有多种作业设备，在实际作业时，需要根据具体作业量和作业方式，以及堆场设备的特征、作业环境限制和作业能力均衡来合理配置堆场设备。堆场中常用设备有装卸作业设备和水平运输作业设备，主要包括以下几种：
（1）集装箱堆场装卸作业设备
集装箱堆场的主要装卸设备是场桥，还包括集装箱叉车、集装箱堆高机、正面吊和拖车等。
① 场桥
集装箱堆场上的场桥包括轮胎式场桥和轨道式场桥两种类型。轮胎式场桥作业灵活性和使用机动性较高，可以行驶到堆场各个集装箱区域完成集装箱的装卸任务。轨道式场桥和轮胎式场桥具有相同的功能，但其作业过程必须在固定的轨道上，同时作业跨度更大，可达到14行集装箱宽；作业高度可达4-5个集装箱高，无法完成90°转弯动作进行纵向跨箱区。
② 集装箱叉车
集装箱叉车只能用于作业空箱类集装箱，因此集装箱叉车大多用在集装箱货物吞吐量不大码头。集装箱叉车的作业机动性和适应性比较强，作业时堆高可以达到2~3层集装箱高度，但是叉车不能用于隔列集装箱作业，它所需转弯半径大所以适用作业通道较宽。
2.2 堆场分区及堆垛规则
集装箱码头堆场的分区主要分为以下几类：
（1）按堆场在集装箱码头上设定方位的不同，堆场可以被划分为集装箱码头前方堆场以及码头后方堆场；
（2）按堆场上集装箱的进口与出口类别，集装箱码头堆场可被分为进口集装箱堆场作业区域和出口集装箱堆场作业区域；
（3）按集装箱的箱型类别划分，集装箱可以划分为普通型集装箱作业区、特种集装箱作业区、冷藏集装箱作业区和危险品集装箱作业区；
（4）按照集装箱的空箱与重箱区别，集装箱堆场可被分为空箱堆场区和重箱堆场区；
（5）按码头对中转集装箱作业的范围类型，集装箱码头堆场可被分为国际中转集装箱箱区和国内中转集装箱区。
堆场分区原则在实际堆场作业过程中需要根据集装箱堆场的实际可容纳集装箱量、堆场作业设备装卸方式来综合使用，比如堆场实际堆存面积并不充足时可以不做堆场方位划分，如果并无集装箱中转业务就可以不划分中转箱作业区。
集装箱码头堆场的不同箱区中存放的集装箱量一般比较大，需要合理堆垛集装箱。堆垛原则主要是两条：首先是减少集装箱作业过程翻箱量，其次要保证集装箱的堆放安全：
（1）按作业工艺不同分类
按照作业工艺不同，集装箱的堆垛规则可以被划分为堆场箱位编号方式和场桥作业式。按照堆场箱位编号方式堆垛就是把集装箱按照箱区、贝位、栈位、层高的综合编号依次堆放。如：集装箱编号1102034代表该集装箱位置是11箱区、2贝位、3栈位、第4层；场桥作业式的堆垛规则为，无论是轮胎式场桥还是轨道式场桥，在其作业时都有作业宽度和高度限制，所以箱区宽度要根据场桥实际作业跨度进行更变。
（2）按集装箱状态和类型分类
按照流转状态和箱型类别的不同，集装箱可以被划分为进口箱类型、出口箱及中转箱类型，空箱与重箱类型，按箱型大小集装箱可以被划分为40英尺集装箱和20英尺集装箱等。不同状态和类型的集装箱要分区堆垛，其中，重箱与空箱满足上重下轻的原则，空箱则按照货主、箱型和尺码分别放置。
第3章 考虑动态提箱的场桥与外集卡协同调度数学模型 ............................... 20
3.1 考虑动态提箱的单场桥与外集卡协同调度数学模型 ......................... 20
3.1.1 问题描述 .................................... 20
3.1.2 模型构建 ........................... 22
第4章 混合遗传灰狼算法设计 .................................. 30
4.1 灰狼算法 ....................................... 30
4.1.1 灰狼算法基本原理 ........................................... 30
4.1.2 灰狼算法数学模型和基本算法流程 .................... 31
第5章 考虑动态提箱的场桥与外集卡协同调度数值实验 ............................... 45
5.1 数值实验说明 .................................... 45
5.1.1 实验数据 ........................................ 45
5.1.2 算法参数 ........................................... 46
第5章 考虑动态提箱的场桥与外集卡协同调度数值实验
5.1 数值实验说明
5.1.1 实验数据
通过对厦门海天码头实地调研和咨询场桥作业相关研究人员获得了有效实验数据。海天码头的每一个堆场箱区的两侧都有30个集装箱贝位，每一行箱区的中间过道和两侧过道都有场桥转场板，场桥可以通过转场板在不同箱区进行转场作业，其中场桥每一次转场时间为4分钟；每个贝位有6个堆栈，每个栈位可堆放6层集装箱；场桥移动速度为120米/秒，场桥移动成本为80元/米；贝位长度为7米；由于该港口比较注重对港口内陆客户利益的维护，所以外集卡等待场桥的罚金大于场桥等待外集卡的罚金，分别为50元/分钟和20元/分钟。从上述码头实际生产中的参数数值可以看出，如果场桥在提箱过程中没有合理规划，在不同的箱区、贝位之间往返移动就会产生大量不必要的移动时间和成本。由于外集卡进场已经可以提前预约，所以码头可以根据外集卡到达时间提前制定场桥调度计划。本文模型中考虑动态提箱作业过程可以准确计算场桥提箱作业完成时间，减少场桥与外集卡的相互等待时间成本。
考虑到建立单场桥与外集卡协同调度模型的主要目的是分析比较算法求解结果的有效性及场桥调度方案的合理性；多场桥调度模型中还需要考虑多场桥作业规则，且调研数据背景是多场桥调度，所以本章的单场桥调度实验是基于调研数据的集装箱位置信息和集卡到达信息的范围随机生成；多场桥调度实验采用码头实际调研数据。
第6章 总结与展望
6.1 研究成果
（1）针对场桥提箱作业过程中由目标箱位置不同而导致的动态提箱作业过程研究了考虑动态提箱的场桥与外集卡协同调度作业。通过动态提箱作业的研究提高了场桥提箱作业完成时间的计算准确度，提高了场桥与外集卡作业衔接准确度，为集装箱码头制定更准确的场桥调度作业提供了参考。
（2）基于场桥调度问题的复杂度及场桥调度算法研究现状，本文将遗传算法与灰狼算法融合采用混合遗传灰狼算法，在初始阶段用遗传算法生成种群，在进化阶段以灰狼算法中最优的3个狼个体指引其它狼群生成新的子代狼群，再引入遗传算法选择、交叉、变异进化算子，增强了种群中精英个体保留到下一代的几率，同时算法全局搜索能力得到提升。
（3）为了验证场桥调度模型有效性和混合遗传灰狼算法的适用性，本文设计了相关数值实验，并用Matlab编程实现模型求解。把混合遗传灰狼算法应用到场桥调度模型求解中，单场桥调度和多场桥调度实验结果均表明混合算法寻优能力和稳定性更强，此外多场桥不同规模实验表明了混合算法求解结果满足多场桥作业量均衡、多场桥作业安全距离和不可相互跨越等约束。此外，针对场桥数量规模的仿真实验结果也场桥数量是场桥调度问题的重要影响因素
参考文献（略）