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原文传递多工况集装箱船配载与堆场翻箱优化研究

论文题名：	多工况集装箱船配载与堆场翻箱优化研究
关键词：	集装箱船;启发式算法;配载方案;堆场翻箱;数学模型;虚拟现实
摘要：	集装箱运输因其快速、安全、质优、价廉的特点，在国际范围内得到了迅猛发展，已成为国际贸易的最佳运输方式。集装箱船配载是集装箱运输过程的一个核心环节，其目的是解决船舶在不同港口装卸集装箱时，在遵循配载基本原则、保证船舶稳性和强度并兼顾后续港口快速装卸的基础上，确定集装箱在船上的具体位置，减少中途港倒箱作业，提高船舶运输效率。集装箱船配载对确保船舶安全、货物安全以及保证船期有着重要影响。配载方案的优劣直接影响着客户、船方和集装箱码头的效益，也间接影响着与货物相关产业的供应链。因此，集装箱船配载问题一直是集装箱码头营运领域的重点和难点课题，对其、研究也引起了国内外专家、学者的兴趣，并提出了许多解决方法。但由于集装箱配载问题是带有复杂约束的多目标组合优化问题，属于NP-Hard问题。随着集装箱船舶的大型化发展、新型港口机械设备及装卸工艺的应用，集装箱船配载问题得到了延伸，对这种情况下的快速、高效进行集装箱装卸作业提出了更高要求。然而，如何解决在多种作业工况条件下的集装箱船配载问题，尚未引起足够的重视，对于综合考虑与配载密切相关的堆场翻箱问题的研究还处于起步阶段。　　针对上述问题，本文首先对传统集装箱船配载问题的约束进行了分析和处理，提出了求解思路和并建立相应的数学模型。在此基础上，分析了双40ft(foot，英尺)岸桥作业模式，给出了多工况作业的含义，全面考虑集装箱船、集装箱和码头三方面的约束，建立了多工况的集装箱船配载问题的数学模型，并设计了启发式算法进行求解。其次，本文研究了在给定堆场集装箱堆存状态和集装箱装船配载方案的情况下，如何确定合理的集装箱装船顺序;针对集装箱堆场翻箱问题，建立了以倒箱量最小并考虑场桥代价为目标的数学模型。最后，开发的多工况集装箱船配载仿真原型系统对上述研究成果进行了验证。论文的主要工作概括如下: 　　(1)首先从集装箱码头工艺、集装箱船配载问题研究方法、建模与仿真技术在集装箱码头问题的研究应用等角度，详细综述了近年来集装箱船舶配载问题的研究现状和存在问题，引出了本文的研究内容和研究意义; 　　(2)分析了集装箱码头的装卸工艺组成和典型装卸工艺，在此基础上研究了一种由双40ft岸桥、低架桥分配系统和双40ft场桥构成的新型自动化集装箱码头装卸工艺，给出了多工况作业的含义和表达方法，分析了配载问题的约束并提出了处理方法，为研究多工况集装箱船配载问题奠定基础; 　　(3)在传统配载问题的基础上，引入集装箱码头岸桥作业工况和岸桥并行作业的因素，建立了多工况集装箱船配载优化的数学模型。将多工况集装箱船配载问题划分为预配载和倍位(Bay)排箱两个子问题，设计了启发式算法用于求解倒箱量最少、岸桥作业成本最小、满足集装箱船的稳性、强度和浮态的配载方案。通过实例进行了比较和分析，验证了该方法的有效性; 　　(4)针对集装箱堆场快速、准确发箱的要求，在给定堆场集装箱堆存状态和集装箱装船配载的情况下，建立了集装箱装船顺序优化模型。以最大程度地减少倒箱操作实现快速、高效装船为目标，设计了启发式算法和基于规则的改进策略，通过对比分析表明改进策略能有效解决堆场装船顺序问题，提高码头堆场利用率和码头通过能力，降低码头装卸设备的运营成本; 　　(5)为尽可能减少集装箱堆场的翻箱操作，深入分析了翻箱产生的原因。针对倒箱数量不足以全面反应场桥的装卸效率，提出了兼顾场桥的代价的思路，建立倒箱数最少且场桥成本最小的多目标堆场翻箱问题数学模型，并设计了基于定向搜索的启发式算法进行求解，实例对比验证了算法的准确性和有效性; 　　(6)最后，基于自主开发的虚拟现实平台VRFlier，结合本文研究内容和关键技术开发了多工况集装箱船配载仿真原型系统CSPSS。实现了集装箱码头装卸工艺的仿真、多工况集装箱船配载方案的优化和仿真，为工艺方案和配载方案的评估提供了可视化环境，从而对本文的研究成果进行了验证。
作者：	朱明华
专业：	机械制造及其自动化
导师：	范秀敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文